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超低热辐射选择性吸收膜技术

光热技术实质上是以“太阳能集热器”替代燃煤锅炉。目前集热器受光表面的吸收膜层可将太阳光以95%以上的效率转换为热能。但是,除需要低耗能热网技术防止在热传输过程中损失,光热技术的另一项难题是如何防止热能从集热器表面损失。与燃煤锅炉不同,集热表面必须对太阳光透明,其散热机制有两种:一是空气的对流散热,一般可以通过将集热表面真空密封于透明的硼硅玻璃罩内加以克服;二是热以光的形式从发热体表面通过辐射散热,也称为热辐射。正是这一机制使太阳能可达到地球表面成为人类赖以生存的源泉。为了抑制集热器的热辐射,科学家们利用太阳辐射温度为6000(其辐射波长为可见光)而集热器辐射温度仅需为几百度以下(其辐射波长为红外光)的事实,发明了波长选择性吸收膜层。此膜层对太阳能可见光的吸收率可达90%以上,而对集热器辐射的红外波长吸收(及辐射率)却很低,以此来抑制降低由于热辐射造成的热损失。

非跟踪聚焦集热器采用超高性能选择性吸收材料及真空绝热的平板式吸热结构,大大降低集热器的辐射热损,提高了光热效率。图1中红线为太阳能光谱分布,而黄、褐、绿、黄绿线分别为100200300400黑体的热辐射光谱。黑线为美国太阳能研究所(NREL)研发、国际目前性能最好的光谱选择性吸收膜层的吸收光谱性能。

                              

                                图1 超高性能选择性吸收材料吸收系数随波长变化曲线                                    

公司自主创新研发成功了超高性能光谱选择性吸收膜层。其光谱性能分别以粉红及蓝线表征,可见光谱选择性比NREL材料大幅提高。图2对这三种光谱选择性吸收膜层在不同温度时的吸收系数进行比较,可见新材料在低温(粉红线)及高温(蓝线)及的吸收系数分别比NREL材料低2.5倍及5倍。图3表征了不同集热器在辐照强度为900W/m2情况下,光热效率随温度变化曲线比较。其中,黑、粉红、蓝线为当光学聚焦比为1(即太阳能收集面积与热辐射表面积相同)时,不同材料制成的板式集热器效率曲线;而红线为采用NREL材料制成的管式集热器性能。由于管式集热器的辐射面积比板式大3.14倍,其热辐射也高3.14倍,因而其性能也大大低于板式集热器。值得注意的是,除采用的光谱选择性膜层辐射率偏高外,目前光热行业由于工艺限制往往采用管式集热器,从而进一步降低了集热器的光热效率,而采用了超高性能光谱选择性吸收膜层及板式集热结构的集热器性能比传统集热器的热辐射约低15倍。可见由于大幅度降低了热辐射,用超高性能光谱选择性吸收膜层制造的板式集热器可将导热媒介温度加热至更高,以更高的效率得到价值更高的高品位热能。

                           

                               图2 超高性能选择性吸收材料辐射系数与其他材料比较  

 

                                                          

                        3 在额定辐照强度900W/m2情况下,光热效率随温度变化曲线

4表征了不同集热器在温度为150℃时,集热器光热效率随太阳辐照强度变化曲线比较。当集热温度固定时,由于热辐射损失也固定,因而光热效率会随太阳辐照强度降低而降低。由于太阳辐照在一天内不同时段变化,此特性造成年均光热效率远低于在1000W/m2-Y太阳辐照下的额定光热效率。

                           

               4 聚焦比为1时,在温度为150℃时,不同集热器光热效率随太阳辐照强度变化曲线

5、图6分别表征了在无光学跟踪聚焦情况下不同集热器在不同年均太阳辐照度情况下的年均光热效率比较。由图可见,在年太阳辐照度为2100kWh/m2-Y的地区,采用NREL光谱选择性膜层的管式集热器在提供温度为150℃的热能时,年均光热效率仅为3%;而在年太阳辐照度为1700kWh/m2-Y的地区,年均光热效率为0%;而采用了超高性能光谱选择性吸收膜层及板式集热结构的年均光热效率均高于50%,高于目前世界上现有其他光热技术。

                           

    5 年均光热效率比较(年太阳辐射度@2100W/m2-Y,供热品位150℃

 

  

   6 年均光热效率比较(年太阳辐射度@1700W/m2-Y,供热品位150℃

 

                             

                                

非跟踪聚焦集热器实物图

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