光熱轉換

光熱轉換是指通過反射、吸收或其他方式把太陽輻射能集中起來，轉換成足夠高溫度的過程，以有效地滿足不同負載的要求。

基本介紹

• 中文名：光熱轉換
• 外文名：photothermal conversion
• 學科：新能源利用
• 轉換方式：反射、吸收
• 材料：蓄熱、導熱、熱電、集熱材料
• 設備：平板集熱器、全玻璃真空管

光熱轉換簡介

太陽能必須經過各種轉換,才可能方便地服務社會。各種太陽能利用成功的關鍵在於太陽能轉換技術。現代意義上的太陽能轉換技術開發的全部內容可歸納為兩個主要方面：

（1）高效地收集太陽能，主要技術內容有：

①選擇性表面技術；

②受光面的光學設計；

③集熱體的熱結構設計與分析；

④裝置的機械結構設計。

（2）將收集的太陽能高效地轉換為其他形式的有用能，主要技術內容有：

①儘可能降低能量轉換過程中的各種熱、電損失；

②優異的系統設計。

太陽能光熱轉換在太陽能工程中占有重要地位，其基本原理是通過特製的太陽能採光面，將投射到該面上的太陽能輻射能作最大限度地採集和吸收，並轉換為熱能，加熱水或空氣，為各種生產過程或人們生活提供所需的熱能。

光熱轉換材料

太陽能光熱轉換材料是一種重要的太陽能材料。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。

1、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2液或固2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、套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 , 其中製冷與低溫範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岩石、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範圍 , 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 (Dioldistearates) 、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。

2、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。國際研究傾向於在蓄熱和導熱過程中採用相同的材料 , 以降低熱交換系統的複雜程度 , 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。

3、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徵 , 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、金屬矽化物型熱電材料、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 , 已經商業套用的熱電材料有 PbTe ( 工作溫度為 230 ～ 530 ℃ , 主要用於發電 ) 、Bi₂Te₃/Sb₂Te (工作溫度為室溫～ 130 ℃ , 主要用於小規模發電以及製冷 ) 、 SiGe ( 工作溫度高於 530 ℃ , 主要用於外太空發電 ) 。

4、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 範圍內。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 , 似乎用黑色的塗層材料就可滿足了 , 但實際情況並非如此。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 , 黑體輻射的波長範圍在 2 ～ 100 μ m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 10 μ m 附近。

由此可見 , 太陽光譜的波長分布範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 , 所採用的材料必須滿足以下兩個條件 :

①在太陽光譜內吸收光執行緒度高 , 即有儘量高的吸收率α ;

②在熱輻射波長範圍內有儘可能低的輻射損失 , 即有儘可能低的發射率γ。

光熱轉換設備

太陽能平板集熱器

太陽能平板集熱器是典型的平板集熱，簡稱平板集熱器。

1、平板集熱器的分類

（1）按集熱工質分類

①水集熱

普通的太陽能平板熱水器、公用熱水系統，幾乎都採用水作為集熱工質。

②空氣集熱

太陽能幹燥和太陽房採暖的集熱裝置，通常均以空氣作為集熱工質。

③防凍液集熱

高寒地區經常採用防凍液和水作為集熱工質的雙循環太陽能集熱。

（2）按集熱體表面光學特性分類

①黑面

一般是在集熱體表面塗刷或噴塗一層黑色塗料，簡稱黑面，目前較少採用。

② 光譜選擇性吸收面

這是經過化學、電鍍等工藝製成的選擇性吸收面，套用廣泛。

（3）按透明蓋板層數分類

①單層透明蓋板；

②兩層或多層透明蓋板 。

太陽能平板集熱器的透明蓋板，通常多採用單層，特殊情況用兩層，極少情況用三層或不用。

2、典型平板集熱器的基本組成

平板集熱器的典型結構由集熱體、透明蓋板、隔熱層和殼體四部分組成。

（1）集熱體

它是太陽輻射能、轉換為熱能並傳向集熱工質的關鍵部件，是太陽能平板集熱器的關鍵部件，其特性參數決定了平板集熱器的工作性能，一般應具備以下特性：

①表面光譜選擇性能好，集熱板面的太陽輻射吸收率高，熱反射率低；

②具有優良的傳熱結構設計；

③密封性能好，能承受一定的工作壓力；

④與集熱工質具有良好的相容性；

⑤對環境具有良好的耐天候性；

⑥製作工藝簡單。

一般集熱體多採用金屬製作。集熱體表面噴塗黑色塗料或製作光譜選擇性吸收塗層。

（2）透明蓋板

在集熱體的上方，覆蓋一層或多層透明蓋板，一方面降低集熱體對環境的散熱損失，起到隔熱作用；另一方面保護集熱板面，免受風霜雨雪和塵埃等的直接侵襲。它具備以下特性：

①光學性能好，陽光透光率高，而吸收率和反射率低；

②隔熱性好；

③ 機械性能好，能承受一定的風壓、冰雹等外力和熱應力的作用

④ 耐老化性能好，長年暴露在大氣環境和陽光下，上述各種特性均無明顯惡化。

（3）隔熱層

隔熱層是集熱體底部和四側填充的一定厚度的絕熱材料，以降低集熱體的熱損失。它具備以下特性：

①導熱係數低；

②不吸濕，不吸水；

③具有一定的機械結構強度。

（4）殼體

殼體將集熱體、透明蓋板和隔熱層裝配成一體，構成一個完整的太陽能集熱器。整個殼體要有一定的整體剛度和機械強度，以便保護集熱體和隔熱層不受外部環境的各種損傷和影響，且便於裝配。

3、工作原理

陽光透過透明蓋板照射到集熱體上，其中大部分太陽輻射能為吸收體所吸收，轉變為熱能，並傳向流體通道中的工質，小部分反射向透明蓋板。這樣，從集熱器底部入口的冷工質，在流體通道中的熱能所加熱，溫度逐漸升高，加熱後的集熱工質，帶著有用的熱能從集熱器的出口端流出。如此循環，將投射的太陽輻射能蓄入儲水箱中備用，成為有用能量收益。與此同時，由於吸熱體溫度升高，通過透明蓋板和外殼向環境散失熱量，構成平板太陽集熱器的熱損失。這樣的換熱循環過程，一直維持到集熱溫度達到某個平衡點時為止。

全玻璃真空管

太陽能平板集熱器在70年代就已經發明和套用，自從80年代發明真空管集熱器，在整個業界太陽能平板集熱器就慢慢退出市場（在廣東，雲南，海南等省至今還有在推廣和使用）。因為太陽能平板集熱器自身的設計特點決定了它的散熱損失較大，故溫度大多運行在60℃以下。真空管集熱器是在平板集熱器基礎上發展起來的新型集熱裝置。目前，市場上已開發很多形式的真空集熱管，最常用的有全玻璃真空集熱管、熱管式真空集熱管、U形管真空集熱管等。

1、結構組成

全玻璃真空管由玻璃外管、玻璃內管、選擇性吸收塗層、彈簧支架（固定卡）、吸氣劑等部件組成，其形狀如一隻細長的暖水瓶膽。

全玻璃真空管的一端開口，將內玻璃管和外玻璃管的管口進行環狀熔封；另一端分別封閉成半球形圓頭，內玻璃管用彈簧支架支撐於外玻璃管上，以緩衝熱脹冷縮引起的應力。在內玻璃管和外玻璃管之間的夾層抽成高真空。在外玻璃管尾端一般粘結一隻金屬保護帽。內玻璃管的外表面塗有選擇性吸收塗層。彈簧支架上裝有吸氣劑，它在蒸散以後用於吸收真空集熱管運行時產生的氣體，起保持管內真空度的作用。

2、真空管太陽能的特點

（1）真空管太陽能工作原理是採用內管的吸熱塗層對太陽光吸收，加熱內管里的水，在與水箱或連箱進行交換，提高水溫。作它在吸熱的同時也會進行散熱，而熱量的傳遞只有三種方式：輻射，傳導，對流。真空管太陽能的三種散熱傳熱方式均很小，內管的水銀塗層防止熱量輻射；內外管中間的真空層防止熱量傳導；至於熱量的對流散發對真空管太陽能而言，幾乎為零。

（2）真空管太陽能的使用壽命長：內外塗層在真空的環境裡不受氧化，在不受外力的情況下壽命超20年以上。

（3）各種環境的影響：散熱小，保溫效果好，抗凍能力強（在南極都有優良表現）；真空管對風的阻力小，抗風能力強；真空管是圓形的形狀，受外來衝擊力小，抗冰雹能力強。

（4）真空管太陽能管的熱效率高。

發展現狀

太陽能熱水器的類型很多 , 其構造主要有集熱器和蓄熱器兩大部分組成 , 其中集熱器是技術關鍵 , 直接關係到太陽能熱水器的使用性能和能夠正常運行的環境溫度條件。目前廣泛套用於日常生活中的太陽能熱水器根據集熱器的不同按使用季節基本上可分為 3 類。

第1類 : 只能在夏季或炎熱氣候下使用。一般有悶曬式和普通平板式。

第2類 : 能在春、夏、秋及最低環境溫度高於零度時使用 , 主要類型有全玻璃真空管式和雙層玻璃平板式。此類集熱器在氣溫低於零度時須放水停用 , 否則將造成集熱器的凍傷害。

第3類 : 可以在全年任何氣候中使用 , 主要有熱管玻璃真空管式集熱器。 20 世紀 80 年代中期 , 以平板型太陽集熱器為主要部件的太陽能熱水器在我國已初步形成產業 , 這對於節約常規能源、保護自然環境和改善人民生活都發揮了積極的作用 , 然而由於平板型太陽能集熱器只能提供低溫熱水而且一般不能全年運行 , 套用範圍受到限制。

為進一步提高集熱器的工作溫度 , 拓寬太陽能套用領域 , 研究開發了全玻璃真空管式太陽能集熱器及熱管2真空管式太陽能集熱器。

目前大量套用的太陽能集熱器主要有平板式太陽能集熱器、全玻璃真空管式太陽能集熱器、熱管式太陽能集熱器、熱管-真空管式太陽能集熱器 , 其中全玻璃真空管式太陽能集熱器占領國內大部分市場。但從太陽能集能器的發展趨勢來看 , 平板式太陽能熱水器具有發展潛力 , 理論上平板式太陽能集熱器的日平均效率比真空管式太陽能集熱器要高。

我國平板太陽能熱水器有 20 多年的生產、推廣套用經驗。目前華南、雲南地區平板太陽能熱水器仍占據市場的主體地位 , 即使在北方地區也有不少用戶使用。近年來直插式全玻璃管真空管熱水器在使用中也暴露了不少問題 , 如炸管、凍裂、管內結垢和沉積泥沙、密封膠圈漏水、冬眠等 , 特別是大工程不能承壓運行 , 使人們重新審視平板太陽能熱水器 , 也為平板太陽能熱水器的發展帶來了新的機遇。

平板太陽能熱水器的另一優勢是易與建築有機結合 , 且十分可靠。通過雲南及北京九陽等一些公司的示範 , 這一優勢已逐漸為建築師、建築商所認同。我國平板太陽能熱水器的發展已顯現新的商機 , 如能借鑑國外成功經驗 , 發揮自己的優勢 , 揚長避短 , 一定能發展起來。

(1) 在冬季氣候條件低於零度的地區 , 一定要採用防凍液-水二次換熱 , 即使是自然循環家用平板太陽能集熱器中也應充防凍液 , 熱水箱內設定防凍液2水二次換熱器 , 如簡單的夾套水箱。熱水工程使用泵驅動防凍液在平板太陽能集熱器及儲熱水箱的換熱器間循環換熱 , 從根本上解決平板太陽能集熱器中水的凍結及集熱器凍壞問題 , 同時也從根本上解決平板太陽能集熱器中水的結垢問題。

(2) 要在提高平板太陽能集熱器的熱性能方面下工夫 ,解決冬天熱效率低的問題。有效的辦法是 : 採用性能較高的選擇性鍍層吸熱板 , 達到高太陽光吸收率 (90%) , 低紅外發射率 (6%) , 並解決好管板熱接觸。裝備製造業的介入是解決這一問題的關鍵。平板太陽能集熱器玻璃蓋板採用高透過率 (90%) 鋼化平板玻璃 , 以替代低透過率的普通窗玻璃。

(3) 改進平板太陽能集熱器的密封、背部保溫 , 延長其使用壽命 , 最佳化框線設計 , 以滿足與建築有機結合的要求。

(4) 在完成上述工作的基礎上進行實事求是的宣傳推廣, 逐步改變平板太陽能熱水器冬天凍壞、熱效率低和不能用等看法 , 建立平板太陽能熱水器冬天凍不壞、產出生活熱水熱效率高、冬天也能用的新觀念 , 促進平板太陽能熱水器市場健康發展。