太阳选择性涂层研究及发展.doc

太阳选择性涂层研究及发展 ——强化辐射换热技术在太阳热利用中应用 0 引 言 太阳能集热器的热损主要是对流与吸热面的本身辐射，对于没有透明覆盖，也即吸热面暴露于外界环境的太阳集热器，当吸热面的温度不太高时，对流热损是起决定作用，并且随风速之增大而急剧上升。对于具有透明覆盖的太阳能集热器，不论吸热面温度的高低，吸热面与透明覆盖之间的辐射换热恒大于它们之间空气层中的对流换热。因此，无论对于平板或真空管集热器，强化辐射换热是提高集热效率的关键。减少吸热板到环境的辐射换热主要通过在吸热板上都镀上一层选择性涂层，这些涂层在太阳光谱内具有高的吸收率，在大部分吸热板发射的红外（IR）光谱内有低的发射率，通常为十分之一的量级。因此选择性涂层降低了热损失并提高了集热器效率。 1 选择性吸收涂层的理论基础与工作原理 1.1 选择性吸收涂层的理论基础—基尔霍夫定律 基尔霍夫根据热力学第二定律导得关于物体表面吸收率与发射率之间的关系，并称之为基尔霍夫定律，该定律叙述为：对于给定的温度和波长，所有表面的发射率与吸收率之比是相同的，且与黑体的相同，这意味着，在一个封闭的等温系统中，没有净传热;同时也意味着，具有低吸收率的表面必定也具有低的发射率和高的反射率（在等温系统中）。为满足这种条件，可用下式表示： αλ，T＝ελ，T＝1－ρλ，T （1） 为更好地说明式（1）的意义，可用限制条件来加以说明，即： αλ1，T1≠ελ2，T1 （λ1≠λ2） (2) 例如，白漆对太阳辐射的吸收率为0.2（在0.3-2.5微米），而本身的发射率（在室温下）却为0.9。另一个限制条件是：αλ1，T1≠αλ1，T2 许多材料在给定波长下的吸收率，随温度变化颇为缓慢，但对于一个相当大的温度范围，温度的影响可能是可观的，而当发生热力学变化时，就更为重要。例如，在超导状态下，金属可以是一个完全反射体，但在1000k时其吸收率可为0.4。应当指出，光谱选择性涂层的理论基础就是式（2），因此，理解该式是特别重要的，也正因为太阳辐射的主要光波范围（0.3-2.5微米），明显地不同于吸收表面本身温度下的发射辐射的主要波长范围（5-30微米），故有可能获得太阳吸收率αs大而发射率ε小的表面，即光谱选择性吸收表面。 1.2 光谱选择性吸收涂层的工作原理 光谱选择性吸收（或辐射）性能在辐射换热中具有很重要的影响，特别是参加换热的热源及受热体的温度相差很大的时候，太阳集热器的工作情况就是这样： 太阳辐射可认为是接近6000k的黑体辐射，由普朗克黑体辐射定理得知，在这样高的温度下，辐射能主要是位于较短的波长范围内，与此同时，温度不太高的受热物体的辐射能主要是位于远红外区。为此，视应用目的之不同，可采用适当的材料或涂层以加强或抑制受热物体因太阳辐射而引起的热负荷。能抑制受热物体的热负荷的涂层早就为人们所熟知，并已广泛地在生活和生产实践中得到应用。例如，银白色铝漆具有很高的远红外发射率及很低的太阳吸收率，因此，可利用它作为油库及其他易燃品仓库的外层涂料，以抑制太阳辐射引起的热负荷，减少燃油或其他易燃品的温升。 2 光谱选择性涂层的传热分析 2.1　传热计算　　假设光谱选择性涂料涂在一块很大的甲板上或涂在无限大的平板上，板的背面采取隔热措施，工作环境是在晴朗无风的室外。这样的假设与实际比较相符，因为在晴朗无风的室外，物体表面吸收太阳辐射，十分需要降温。.2涂层对太阳投射辐射的吸收　　太阳辐射是近似黑体的发射辐射。图1所示是在天气晴朗的情况下，在大气质量为1时，地球表面所能接受到的太阳辐射光谱分布。如果采用分光光度计测出涂层的吸收比或反射比光谱曲线，采用分段积分，就可以得出涂层对太阳投射辐射的吸热Q０： 图1　太阳辐射光谱图 .3 涂层对大气投射辐射的吸热　　由于大气层的温度随高度而变，故与通常的发射率定义不同，大气层的发射率定义为在地面上测得的大气辐照度与温度等同于地面环境温度的黑体的辐照度之比。因此，设测得的大气单色辐照度为bat，λ（λ，θ，φ），地面环境温度为T０，温度为T０的黑体的单色发射功率为Eb，λ（λ，T０）／π，则大气层的单色发射比为 　　有关大气辐照度的实测数据报道很少或不齐全，这里引用文献［4，5］的数据，整理成表2。θ角等于0表示天顶方向，在大气窗口7—14μm之外取εs，λ＝1。根据文献［5］，涂层对大气辐射的吸热Q１为 涂层自身的辐射散热Q２ 涂层的对流散热Q３　　它可以简单表示为 Q３＝h（Tｒ－T０） （4） 式(4)中，角标r表示辐射体即涂层，at表示大气层，λ表示波长，b表示黑体。　　我们最关心的是涂层表面在烈日下的最高温度，而不是温度上升的过程，也就是达到热平衡时的温度，