太阳能利用

  随着人类的发展、社会的进步,能源危机越发严重,故对新能源的开发研究与利用是当务之急.太阳能是一种取之不尽用之不竭的新能源,为世界年耗资源总能量的1万多倍,并能很好地把人类利用"过去资源"的习惯转变为利用"当下资源".

  由于太阳能热利用的需求日益增加,新型中高温金属陶瓷光谱选择吸收涂层已经成为目前研究的热点.性能优异的太阳能吸收涂层具有高的可见光吸收率、低的红外光发射率,能把能量密度低的太阳能转化为能量密度高的热能,提高太阳能热利用的效率.

  根据光谱选择吸收涂层的作用机理可知,金属陶瓷光谱选择性吸收涂层是太阳能热利用的核心材料,如何高效率地将吸收的太阳辐射能以热的形式传递是太阳能热利用的关键问题之一.全面研究复合材料薄膜的传热特性对于综合调控光热转换性能以及提高热利用率具有至关重要的意义.

  1 理论预测模型和方法

  预测太阳能光谱选择性吸收薄膜复合材料导热系数的模型和方法主要包括:早期的Maxwell模型、Bruggeman模型,以及现在应用比较多的Agari模型、当量法、比等效热阻法、热阻网络法等.但预测薄膜导热系数过程复杂,不同的情况要考虑不同的因素,故选择不同的模型和方法时,得到的预测结果精度往往也有所不同.

  2 制备方法

  薄膜制造时往往会存在诸如气孔、裂纹等缺陷,严重影响复合材料薄膜的传热.了解不同制备工艺和特点更有助于研究薄膜传热工作的开展.现在对薄膜制造的研究主要是从原理上研究新的制作方法,或者是对原有的制作方法进行改进.薄膜的制造方法又分为化学方法和物理方法,下面将对常用的薄膜制造方法进行介绍.其中前3种为化学方法,后3种为物理方法.

  2.1 化学气相沉积

  化学气相沉积法 (CVD)是一种较传统且应用广泛的化学镀膜方法,它将一种或多种化合物气化后,经过一定的化学反应,将所需的材料沉积在基板上,其制备过程一般分为:反应物的输运过程、化学反应过程和去除反应副产品过程,可以沉积单质膜、复合膜.该方法生产简单,成本低廉,所制备的薄膜吸收率和发射率一般在0.9和0.1左右.

  2.2 电镀

  常用的电镀涂层主要有黑镍涂层、黑铬涂层、黑钴涂层等,利用电镀的方法将具有光谱选择性吸收的金属镀在基板上,使涂层具有良好的光学性能.电镀是电流通过导电液(电解液)中的流动而产生化学反应,最终在阴极上(电解)沉积某一物质的过程,只适用于在导电的基片上沉积金属和合金.在水溶液中,离子在阴极形成薄膜的过程主要有:(1)去氢;(2)放电;(3)表面扩散;(4)成核、结晶.

  电镀法制备的薄膜性质取决于电解液、电极和电流密度,所获得的薄膜大多是多晶的,这种方法的优点是薄膜生长速率快,基片可以是任意形状的,但是电镀过程难以控制.李剑虹等[38]利用交流电阳极氧化方法电镀制备黑镍涂层,涂层的吸收率达到0.93,200℃加热2h性能保持不变.另外,Bayati等通过电化学方法制备的多孔Al2O3-TiO2涂层吸收率达到0.99,发射率仅为0.06.

  2.3 溶胶-凝胶法

  溶胶-凝胶法是一种温和的材料制作方法,采用适当的金属盐在适当的溶液中水解、缩聚形成溶胶-凝胶,在一定温度下结晶就可以得到金属氧化物薄膜.溶胶-凝胶法的特点是:

  组分均匀、成分容易控制、制膜均匀、对基体形状要求很低且能制备大面积的膜、生产周期短、成本低.Orel等制得了CoMnCuOx黑色薄膜,不仅使涂层的吸收率接近0.9,而且还保持了较低的0.05发射率.

  2.4 真空蒸发

  真空蒸发沉积薄膜具有简单便利,成膜速度快、高效的特点,是薄膜制备中使用最广泛的技术,但存在薄膜与基片结合较差、工艺重复性不好的缺点.该方法是在真空环境下给待蒸发物提供足够的热量以获得蒸发所须的蒸汽压,在适当的温度下,蒸发粒子在基片上凝结,即可实现真空蒸发薄膜沉积.

  真空蒸发沉积由3个部分组成:蒸发原材料由凝聚相转变为气相;在蒸发源与基片之间蒸发粒子的输运;蒸发粒子到达基片后凝结、成核、长大、成膜.慕尼黑大学Scholkopt采用电子束蒸发方法沉积制备出的TiNOx选择性吸收涂层已实现产业化,可耐375℃的高温,并且具有较高的光谱吸收选择性,其吸收率为0.95,发射率为0.05,因为是连续镀膜,工艺成本较低.

  2.5 溅射

  在某一温度下,如果固体或液体受到适当的高能粒子(通常为离子)的轰击,则固体或液体中的原子通过碰撞有可能获得足够的能量从表面逃逸,这种将原子从表面发射出去的方式称为溅射.

  与其它物理方法相比,溅射的沉积速度较低,基片会受到等离子体的辐照等作用而产生温升,但是溅射所获得的薄膜与基片结合较好,且纯度高,致密性好,技术可重复性好[43].一般的溅射装置有三极溅射、辉光放电直流溅射、磁控溅射、射频溅射、对靶溅射、离子束溅射和交流溅射等.该法制备的涂层吸收率约为0.9以上,发射率在0.08左右.

  2.6 离子束与离子助

  现阶段已有离子镀、离子束溅射、离子束沉积等技术

  被先后开发出来,这些沉积技术通过增加离子动能或通过离化来提高化学活性,具有薄膜与基片结合良好、在低温下可实现外延生长、形貌可改变、可合成化合物等优点.

  3 实验测量方法

  研究薄膜的实验测量方法主要包括以下几种,前3种为光加热法,后4种为电加热法.

  3.1 光热反射法

  3.2 闪光法

  3.3 时域热反射法

  3.4 3ω 方法

  3.5 静态法

  3.6 双桥法

  3.7 热丝法

  4、展望

  光谱选择性吸收薄膜是太阳能集热器光能转化为热能的核心器件,其传热性能不可忽略.将所有相关因素都考虑在内来推导复合材料的等效导热系数是非常困难的.

  受界面热阻的影响,材料的导热率随金刚石含量的增加反而下降.在颗粒状弥散相复合材料中,存在大量颗粒与基体接触的界面,基体与填充颗粒之间的接触热阻才是材料内部热阻的主要来源.,引起界面热阻的主要原因有两方面:

  (1)由气孔、缺陷、裂缝、粗糙度引起的表面形貌不平整等因素而导致两接触表面的实际接触面积远小于名义接触面积,以致热流收缩及间隙中第三相的存在,从而产生界面接触热阻;

  (2)由于不同类型的能量子之间发生耦合或者其在晶体表面及晶界处发生散射、反射、辐射等,从而引起界面接触热阻,如金属陶瓷复合材料.金属是电子、声子传热机制,陶瓷是声子传热机制,声子和电子在界面处交换能量时,首先发生临近界面处金属自身的电子-声子耦合,电子将能量转移给声子,然后发生界面处的声子-声子耦合,每种耦合都会导致热量衰减,从而引起界面接触热阻.

  迄今为止,还没有令人满意的理论模型可以预测各种状况的接触热阻,也没有实验研究求得可靠的经验公式,研究难度很大,势必是未来研究的热点之一.