太陽能光熱轉換材料是最重要的太陽能材料。光熱利用領域的材料按用途可分為蓄熱材料、導熱材料、熱電材料、集熱材料等
蓄熱材料
蓄熱材料主要包括相變儲熱材料、顯熱儲熱材料等。利用相變材料的固-液或固-固相變潛熱來儲存熱能的潛熱蓄熱技術,因具有蓄熱密度大、儲熱過程近似等溫、過程易控制等優點而成為目前最具實際發展潛力、應用最多和最重要的蓄熱方式。許多物質作為潛在的相變儲熱材料(PCM)已經被研究過,但只有部分物質實現了工業化生產,其中制冷與低溫范圍的技術與產品相對比較成熟,很多已實現商品化。法國Cristopia、澳大利亞TEAP、日本三菱化學(Mitsubishichemical)、瑞典Climator、美國陶氏化學(Dow chemical)、德國Rubitherm GmbH與MerckKgaA等公司生產的PCM產品類型主要是鹽溶液、水合鹽、石蠟類和脂肪酸類,其熔點為- 33～ 110℃。典型的有機類相變材料有石蠟、脂酸類、高分子化合物等。顯熱儲能通過物質的溫度變化來儲存熱能,儲熱介質必須具有較大的比熱容。可作為儲熱介質的固態物質有巖石、砂、金屬、水泥和磚等,液態物質則包括水、導熱油以及融熔鹽。與液態儲熱材料相比,固態儲熱材料具有兩個特點:①更大的熱能儲存溫度范圍,可以從室溫至1000℃以上的高溫段;②不產生介質泄漏,對容器材料的要求低。這幾年主要研究的熱存儲材料有二醇二硬脂酸鹽(Diol-di-stearates)、十水合硫酸鈉(Na2SO4·10H2O)、聚乙二醇4,4二苯基甲烷二異氰酸鹽/季戊四醇共聚物(PEG/MDI/PE copolymer)、鋁鎂鋅合金(Al-34%Mg-6%Zn)、高密度聚乙烯/石蠟混合物等。
導熱材料
在太陽能熱利用方面,大多數分散的集熱器與蓄熱器之間的距離相對較遠,因此導熱系統仍是不可或缺的。導熱材料主要有導熱流材料和導熱流管道材料,另外蓄熱材料在液相或氣相狀態下也可作為導熱流材料。國際研究傾向于在蓄熱和導熱過程中采用相同的材料,以降低熱交換系統的復雜程度,從而達到降低系統成本的目的。未來的重點是新型熱傳導媒質的研發如離子流體,以及新型熱循環管道材料如金屬化塑膠管等。
熱電材料
熱電材料(又稱溫差電材料)是一種利用固體內部載流子的運動實現熱能和電能的直接相互轉化的功能材料,其工作原理是固體在不同溫度下具有不同的電子或空穴激發特征,當熱電材料兩端存在溫差時,材料兩端電子或空穴激發數量的差異將形成電勢差(電壓)。熱電材料主要分為半導體金屬合金型熱電材料、方鈷礦型熱電材料、金屬硅化物型熱電材料、氧化物型熱電材料4種。2007年日本在氧化物熱電材料的研究中走在世界前列。目前,已經商業應用的熱電材料有PbTe(工作溫度為230～ 530℃,主要用于發電)、Bi2Te3/Sb2Te(工作溫度為室溫～ 130℃,主要用于小規模發電以及制冷)、SiGe(工作溫度高于530℃,主要用于外太空發電)。
集熱材料
太陽主要以電磁輻射的形式給地球帶來光與熱。太陽輻射波長主要分布在0.25～ 2.5μm范圍內。從光熱效應來講,太陽光譜中的紅外波段直接產生熱效應,而絕大部分光不能直接產生熱量。我們感覺在強烈的陽光下的溫暖和炎熱,主要是衣服和皮膚吸收太陽光線,從而產生光熱轉換的緣故。從物理角度來講,黑色意味著光線幾乎全部被吸收,吸收的光能即轉化為熱能。因此為了最大限度地實現太陽能的光熱轉換,似乎用黑色的涂層材料就可滿足了,但實際情況并非如此。這主要是材料本身還有一個熱輻射問題。從量子物理的理論可知,黑體輻射的波長范圍在2～ 100μm之間,黑體輻射的強度分布只與溫度和波長有關,輻射強度的峰值對應的波長在10μm附近[3]。由此可見,太陽光譜的波長分布范圍基本上與熱輻射不重疊,因此要實現最佳的太陽能熱轉換,所采用的材料必須滿足以下兩個條件:
①在太陽光譜內吸收光線程度高,即有盡量高的吸收率α;
②在熱輻射波長范圍內有盡可能低的輻射損失,即有盡可能低的發射率γ。一般來說,對同一波長而言,材料的吸收率和發射率有同樣的數值,即吸收率高則相應的發射率也高。但吸收率α與反射率γ及透射率t滿足如下關系:α+γ+ t= 1。對于不透明材料由于t= 0,則α+γ= 1。而對于黑色物體來說,γ= 0,則α= 1。根據以上討論可知,最有效的太陽能光熱轉換材料是在太陽光譜范圍內,即λ< 2.5μm,有α≈ 1(即γ≈ 0);而在λ> 2μm,即熱輻射波長范圍內,有ε= 0(即γ≈ 1或α≈ 0),一般將具備這一特性的涂層材料稱為選擇性吸收材料。如不完全滿足以上條件,在熱輻射波長范圍內ε值較大,盡管太陽光譜α≈ 1,仍有很大的熱輻射損失,這類材料通常稱為非選擇性涂層材料。所有選擇性吸收涂層的構造基本上分為兩個部分:紅外反射底層(銅、鋁等高紅外反射比金屬)和太陽光譜吸收層(金屬化合物或金屬復合材料)。吸收涂層在太陽光波峰值波長(0.5μm)附近產生強烈的吸收,在紅外波段則自由透過,并借助于底層的高紅外反射特性構成選擇性涂層。在聚光方面,由于日光波長覆蓋范圍大,聚焦用的反射鏡或折射鏡的高反射率或高透射率波長應覆蓋300～ 2500nm,因而鏡面采用新型的納米涂層,從室內保溫涂層到太陽鏡上的防反涂層等,這些技術將集熱器的效率提高了近5%。從最近眾多的納米技術的研究成果來看,玻璃涂層將獲得更加長足的發展。
預計涂層未來的研發方向主要有以下幾個方面:
①超長的戶外壽命(抗風、防灰塵吸附等);
②高太陽光反射率(反射波長覆蓋300～ 2500nm);
③良好的抗機械應力特性,以適應對反射鏡面的定期清洗;
④耐腐蝕性(< 0.15%,與鍍銀鏡面耐腐蝕性相當)。
在吸熱方面,太陽能一次吸熱(指直接從陽光獲取熱能)材料主要有金屬、塑料、玻璃等,但實際使用的幾乎全是金屬。按吸熱板芯材料劃分有鋼板鐵管、全銅、全鋁、銅鋁復合、不銹鋼、塑料、溴化鋰、氯化鋰、硫化鈉、硅膠、水等,國內外使用得比較普遍的是全銅集熱器和銅鋁復合集熱器。