太陽能利用

    隨著人類的發(fā)展、社會的進步,能源危機越發(fā)嚴重,故對新能源的開發(fā)研究與利用是當務(wù)之急.太陽能是一種取之不盡用之不竭的新能源,為世界年耗資源總能量的1萬多倍,并能很好地把人類利用"過去資源"的習慣轉(zhuǎn)變?yōu)槔?quot;當下資源".

    由于太陽能熱利用的需求日益增加,新型中高溫金屬陶瓷光譜選擇吸收涂層已經(jīng)成為目前研究的熱點.性能優(yōu)異的太陽能吸收涂層具有高的可見光吸收率、低的紅外光發(fā)射率,能把能量密度低的太陽能轉(zhuǎn)化為能量密度高的熱能,提高太陽能熱利用的效率.

    根據(jù)光譜選擇吸收涂層的作用機理可知,金屬陶瓷光譜選擇性吸收涂層是太陽能熱利用的核心材料,如何高效率地將吸收的太陽輻射能以熱的形式傳遞是太陽能熱利用的關(guān)鍵問題之一.全面研究復(fù)合材料薄膜的傳熱特性對于綜合調(diào)控光熱轉(zhuǎn)換性能以及提高熱利用率具有至關(guān)重要的意義.

    1 理論預(yù)測模型和方法

    預(yù)測太陽能光譜選擇性吸收薄膜復(fù)合材料導熱系數(shù)的模型和方法主要包括:早期的Maxwell模型、Bruggeman模型,以及現(xiàn)在應(yīng)用比較多的Agari模型、當量法、比等效熱阻法、熱阻網(wǎng)絡(luò)法等.但預(yù)測薄膜導熱系數(shù)過程復(fù)雜,不同的情況要考慮不同的因素,故選擇不同的模型和方法時,得到的預(yù)測結(jié)果精度往往也有所不同.

    2 制備方法

    薄膜制造時往往會存在諸如氣孔、裂紋等缺陷,嚴重影響復(fù)合材料薄膜的傳熱.了解不同制備工藝和特點更有助于研究薄膜傳熱工作的開展.現(xiàn)在對薄膜制造的研究主要是從原理上研究新的制作方法,或者是對原有的制作方法進行改進.薄膜的制造方法又分為化學方法和物理方法,下面將對常用的薄膜制造方法進行介紹.其中前3種為化學方法,后3種為物理方法.

    2.1 化學氣相沉積

    化學氣相沉積法 (CVD)是一種較傳統(tǒng)且應(yīng)用廣泛的化學鍍膜方法,它將一種或多種化合物氣化后,經(jīng)過一定的化學反應(yīng),將所需的材料沉積在基板上,其制備過程一般分為:反應(yīng)物的輸運過程、化學反應(yīng)過程和去除反應(yīng)副產(chǎn)品過程,可以沉積單質(zhì)膜、復(fù)合膜.該方法生產(chǎn)簡單,成本低廉,所制備的薄膜吸收率和發(fā)射率一般在0.9和0.1左右.

    2.2 電鍍

    常用的電鍍涂層主要有黑鎳涂層、黑鉻涂層、黑鈷涂層等,利用電鍍的方法將具有光譜選擇性吸收的金屬鍍在基板上,使涂層具有良好的光學性能.電鍍是電流通過導電液(電解液)中的流動而產(chǎn)生化學反應(yīng),最終在陰極上(電解)沉積某一物質(zhì)的過程,只適用于在導電的基片上沉積金屬和合金.在水溶液中,離子在陰極形成薄膜的過程主要有:(1)去氫;(2)放電;(3)表面擴散;(4)成核、結(jié)晶.

    電鍍法制備的薄膜性質(zhì)取決于電解液、電極和電流密度,所獲得的薄膜大多是多晶的,這種方法的優(yōu)點是薄膜生長速率快,基片可以是任意形狀的,但是電鍍過程難以控制.李劍虹等[38]利用交流電陽極氧化方法電鍍制備黑鎳涂層,涂層的吸收率達到0.93,200℃加熱2h性能保持不變.另外,Bayati等通過電化學方法制備的多孔Al2O3-TiO2涂層吸收率達到0.99,發(fā)射率僅為0.06.

    2.3 溶膠-凝膠法

    溶膠-凝膠法是一種溫和的材料制作方法,采用適當?shù)慕饘冫}在適當?shù)娜芤褐兴狻⒖s聚形成溶膠-凝膠,在一定溫度下結(jié)晶就可以得到金屬氧化物薄膜.溶膠-凝膠法的特點是:

    組分均勻、成分容易控制、制膜均勻、對基體形狀要求很低且能制備大面積的膜、生產(chǎn)周期短、成本低.Orel等制得了CoMnCuOx黑色薄膜,不僅使涂層的吸收率接近0.9,而且還保持了較低的0.05發(fā)射率.

    2.4 真空蒸發(fā)

    真空蒸發(fā)沉積薄膜具有簡單便利,成膜速度快、高效的特點,是薄膜制備中使用最廣泛的技術(shù),但存在薄膜與基片結(jié)合較差、工藝重復(fù)性不好的缺點.該方法是在真空環(huán)境下給待蒸發(fā)物提供足夠的熱量以獲得蒸發(fā)所須的蒸汽壓,在適當?shù)臏囟认?蒸發(fā)粒子在基片上凝結(jié),即可實現(xiàn)真空蒸發(fā)薄膜沉積.

    真空蒸發(fā)沉積由3個部分組成:蒸發(fā)原材料由凝聚相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?在蒸發(fā)源與基片之間蒸發(fā)粒子的輸運;蒸發(fā)粒子到達基片后凝結(jié)、成核、長大、成膜.慕尼黑大學Scholkopt采用電子束蒸發(fā)方法沉積制備出的TiNOx選擇性吸收涂層已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,可耐375℃的高溫,并且具有較高的光譜吸收選擇性,其吸收率為0.95,發(fā)射率為0.05,因為是連續(xù)鍍膜,工藝成本較低.

    2.5 濺射

    在某一溫度下,如果固體或液體受到適當?shù)母吣芰Ｗ?通常為離子)的轟擊,則固體或液體中的原子通過碰撞有可能獲得足夠的能量從表面逃逸,這種將原子從表面發(fā)射出去的方式稱為濺射.

    與其它物理方法相比,濺射的沉積速度較低,基片會受到等離子體的輻照等作用而產(chǎn)生溫升,但是濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好,且純度高,致密性好,技術(shù)可重復(fù)性好[43].一般的濺射裝置有三極濺射、輝光放電直流濺射、磁控濺射、射頻濺射、對靶濺射、離子束濺射和交流濺射等.該法制備的涂層吸收率約為0.9以上,發(fā)射率在0.08左右.

    2.6 離子束與離子助

    現(xiàn)階段已有離子鍍、離子束濺射、離子束沉積等技術(shù)

    被先后開發(fā)出來,這些沉積技術(shù)通過增加離子動能或通過離化來提高化學活性,具有薄膜與基片結(jié)合良好、在低溫下可實現(xiàn)外延生長、形貌可改變、可合成化合物等優(yōu)點.

    3 實驗測量方法

    研究薄膜的實驗測量方法主要包括以下幾種,前3種為光加熱法,后4種為電加熱法.

    3.1 光熱反射法

    3.2 閃光法

    3.3 時域熱反射法

    3.4 3ω 方法

    3.5 靜態(tài)法

    3.6 雙橋法

    3.7 熱絲法

    4、展望

    光譜選擇性吸收薄膜是太陽能集熱器光能轉(zhuǎn)化為熱能的核心器件,其傳熱性能不可忽略.將所有相關(guān)因素都考慮在內(nèi)來推導復(fù)合材料的等效導熱系數(shù)是非常困難的.

    受界面熱阻的影響,材料的導熱率隨金剛石含量的增加反而下降.在顆粒狀彌散相復(fù)合材料中,存在大量顆粒與基體接觸的界面,基體與填充顆粒之間的接觸熱阻才是材料內(nèi)部熱阻的主要來源.,引起界面熱阻的主要原因有兩方面:

    (1)由氣孔、缺陷、裂縫、粗糙度引起的表面形貌不平整等因素而導致兩接觸表面的實際接觸面積遠小于名義接觸面積,以致熱流收縮及間隙中第三相的存在,從而產(chǎn)生界面接觸熱阻;

    (2)由于不同類型的能量子之間發(fā)生耦合或者其在晶體表面及晶界處發(fā)生散射、反射、輻射等,從而引起界面接觸熱阻,如金屬陶瓷復(fù)合材料.金屬是電子、聲子傳熱機制,陶瓷是聲子傳熱機制,聲子和電子在界面處交換能量時,首先發(fā)生臨近界面處金屬自身的電子-聲子耦合,電子將能量轉(zhuǎn)移給聲子,然后發(fā)生界面處的聲子-聲子耦合,每種耦合都會導致熱量衰減,從而引起界面接觸熱阻.

    迄今為止,還沒有令人滿意的理論模型可以預(yù)測各種狀況的接觸熱阻,也沒有實驗研究求得可靠的經(jīng)驗公式,研究難度很大,勢必是未來研究的熱點之一.

責任編輯：周婭

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