气凝胶将成为光热应用重大技术革新.doc

气凝胶将成为光热应用重大技术革新 / ?????面对世界能源短缺，环境遭受破坏的危机，国内外普遍重视高效节能材料的研究，以力求减少能源浪费、提高使用效率。气凝胶作为一种新型轻质的纳米多孔材料，具有低密度、优异的隔热性能和良好的透光特性等，在太阳能光热应用领域中引起极大的关注。文章对气凝胶在平板型太阳能集热器中的应用进行了阐述。气凝胶的使用将成为太阳能光热应用领域中的重大技术革新，这将显著提高国内现有太阳能集热产品的光热转换效率。文章介绍了气凝胶平板太阳能集热器的结构，并对其热损失和效率提升机理及应用示范项目进行了分析，描述。 　　气凝胶的结构和性质 　　1.气凝胶的结构 　　1931年Kistler首次以水玻璃为原料采用超临界干燥法成功制备二氧化硅气凝胶材料。常见的二氧化硅气凝胶是由二氧化硅网络骨架和填充在纳米孔隙中的气体所构成的高分散固体材料。气凝胶内部纳米网状结构如图1所示，细部结构一般呈链状或串珠状结构，直径约为2~20nm之间，其内部孔隙率在80%以上。 　　 ????????????????????? 图1气凝胶及其内部多孔结构 　　2.气凝胶的性质 　　气凝胶具有很多独特的性质，如比重仅为水的1/5，是目前世界上最轻的固体。气凝胶具有优异的绝隔热性能，其耐热温度可高达300℃以上，之所以具有如此良好的隔热性能，是由气凝胶内部均匀的纳米多孔结构所决定的，图2所示。 　　 ?????????????????????????????????????? 图2气凝胶部分性质展示图 　　对于气凝胶等高孔隙率多孔质材料，其传热过程包含三种形式，即对流传热、通过气凝胶固体骨架和内部孔隙的热传导、辐射传热，和内部空气发生的热对流完成。在气凝胶材料中，由于大量纳米孔的存在，气孔内的空气分子失去了自由运动的能力，材料的热对流传热量几乎为零。同时由于气凝胶材料本身具有极低的体积密度，材料的热传导率也很低。此外由于气凝胶内部纳米级多孔结构使其内部含有很多的反射界面与散射微粒，再加上在热辐射吸收方面对材料进行了改性，可以使气凝胶的热辐射经反射、散射和吸收而降到最低。因此，气凝胶材料不论是在高温或是常温时均具有较低的导传热系数。 　　气凝胶还具有良好的透光性，其对太阳光的透过率可达到87%以上。二氧化硅气凝胶的折射率很小(n=1.01～1.06)，这意味着二氧化硅气凝胶对入射光几乎没有反射损失，能有效地透过太阳光，如10mm厚的高透光二氧化硅气凝胶层(由2～4mm气凝胶颗粒填充)的可见光透过率为85%，太阳光透过率为88%。 　　 ?????????????????????? 二氧化硅气凝胶的物理性质表 　　气凝胶在太阳能领域的应用 　　由于气凝胶材料具有优异的隔热性能和良好的透光性，因此这种材料优先被考虑应用于太阳能光热领域。如太阳能热水器的储水箱、管道和集热器的高效保温，此外还包括供热水、暖房、融雪系统、热发电系统等领域。气凝胶太阳能集热器供热系统及气凝胶建筑节能窗的实际应用如图3所示。 　　 ???????????????????? 图3气凝胶太阳能集热器在建筑节能窗上的应用 　　太阳能热集热装置的高光透过率和高效保温，成为能否进一步提高太阳能装置的能源利用率和进一步提高实用普及的关键因素。在国外，将气凝胶绝热材料应用于屋面的太阳能集热器已经有过先例。此外，对气凝胶隔热及TiOxNy选择性吸收涂层的平板型太阳能集热器的各种集热系统，进行了多年性能及抗冻试验研究。集热器采用蛇形弯管式板芯设计结构，集热板表面具有选择性吸收膜TiOxNy，气凝胶镶嵌于集热板和玻璃盖板之间，其断面结构如图4所示。 　　 　 ?????????????? 图4具有气凝胶隔热材料和TiOxNy选择性涂层的太阳能集热器结构图 　　图5给出了气凝胶太阳能集热器的热损失计算结果，并与传统平板型太阳能集热器的热传导、对流及辐射损失进行了对比分析。气凝胶太阳能集热器的热传导、辐射、对流损失分别占总热量损失的14.3%、17.8%、0%，总集热效率为67.9%；而同样外界环境条件下的传统型集热器的相应值分别为9.3%、7.8%、29.4%，总集热效率为53.5%。 　　 ???????????????????? 图5两种太阳能集热器的热损失对比 　　由此可见，气凝胶太阳能集热器的热传导和辐射损失比率比传统型稍大，而其对流损失为0，而传统型集热器的对流损失占比为29.4%，因此气凝胶集热器集热效率和传统型相比提高了14.4%。由于集热效率的提高，1.4m2的气凝胶太阳能集热器就能达到2.0m2的传统平板型太阳能集热器的集热效果，厚度也可由传统型的100mm减少到50mm。 　　图6为使用气凝胶隔热和TiOxNy选择性涂层集热板