CN103287014A - 满足太阳能集热和辐射制冷的选择性吸收发射复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及满足太阳能集热和辐射制冷的选择性吸收发射复合材料。该复合材料包括基板，在基板上依次设有选择性吸收层和选择性发射层；所述选择性吸收层在波长3μm以下的太阳辐射光谱区具有高吸收率；所述选择性发射层在波长在8-13μm的空间辐射制冷光谱区有高发射率。本发明白天在太阳辐照较强的光谱区有高吸收率，而在中远红外光谱区具有低发射率；在晚上空间辐射制冷的光谱区有高发射率，而在中远红外其他光谱区具有低发射率；因此在白天吸收太阳辐照获得热量，在晚上通过空间辐射制冷获得冷量，同时减少白天集热和晚上制冷时与地面和大气的辐射热（冷）损失，能够高效率实现太阳能集热和辐射制冷的双重功能。

Description

满足太阳能集热和辐射制冷的选择性吸收发射复合材料
技术领域
本发明专利涉及太阳能集热和空间辐射制冷的应用，属于能源利用技术的领域。
背景技术
白天利用太阳辐照集热的装置已经获得广泛应用，如太阳能热水器、太阳能空气集热器和太阳能双效集热器。但是这些太阳能集热装置只能在白天有太阳辐照的情况下利用，晚上这些集热装置都处于闲置状态。如果利用这些集热装置在晚上空间辐射制冷获得冷量，则能实现装置白天太阳能集热和晚上辐射制冷的双重功效。但由于太阳能集热的光谱选择性与辐射制冷差别很大，如果选用太阳能集热吸收涂层集热，则晚上辐射制冷功能受到影响，同样如果选用辐射制冷发射涂层制冷，则白天太阳能集热受到影响。由于对太阳能集热和辐射制冷在光谱选择方面的矛盾一直没有解决，目前为止将白天太阳能集热和晚上辐射制冷结合利用的研究并未取得突破性进展。
发明内容
为了解决太阳能集热和空间辐射制冷相结合利用存在障碍的问题，本发明提出了一种能够同时满足太阳能集热和辐射制冷光谱要求的选择性吸收-发射复合材料。
满足太阳能集热和辐射制冷的选择性吸收发射复合材料包括基板，在基板上依次设有选择性吸收层和选择性发射层；所述选择性吸收层在波长3μm以下的太阳辐射光谱区具有0.70以上的吸收率，在中远红外其他光谱区具有0.30以下的发射率，白天吸收太阳辐照获得热量；所述选择性发射层波长在8～13μm的空间辐射制冷光谱区具有0.60以上的发射率，在其他光谱区具有0.60以上的透过率，在晚上通过空间辐射制冷获得冷量；所述选择性吸收发射复合材料在高效吸收太阳辐射或辐射制冷的同时，减少在中远红外光谱波段与地面和大气的辐射热损失或冷损失。
所述选择性吸收层的材料为真空磁控溅射金属陶瓷（CERMET）镀膜带或黑铬涂层。
所述选择性发射层的材料为聚四氟乙烯薄膜或聚氟乙烯薄膜。
所述基板的材料为导热性能良好的薄铝板。
本发明白天在太阳辐照较强的光谱区有高吸收率，而在中远红外光谱区具有低发射率；在晚上空间辐射制冷的光谱区有高发射率，而在中远红外其他光谱区具有低发射率；因此在白天吸收太阳辐照获得热量，在晚上通过空间辐射制冷获得冷量，同时减少白天集热时与地面、大气的辐射热损失或晚上制冷时与地面、大气的冷损失，能够高效率实现太阳能集热和辐射制冷的双重功能。解决了太阳能集热和辐射制冷结合利用时对不同波段光谱辐射的差异。
将本发明的复合材料利用在集热装置上，就能够高效的在白天获得热量和在晚上获得冷量，同时满足人们对供热和供冷的需求，具有良好的前景和推广意义。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为复合材料表面加盖板的结构示意图。
图3为聚氟乙烯的发射率。
图4为聚乙烯薄膜的透过率。
图5为满足太阳能集热要求的理想辐射表面吸收（发射）特性图。
图6为满足空间辐射制冷要求的理想辐射表面发射（吸收）特性图。
图7为同时满足太阳能集热和辐射制冷光谱要求的理想辐射表面的发射（吸收）特性图。
图1和图2中序号：选择性发射层1、选择性吸收层2、基板3、盖板4。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
参见图1，满足太阳能集热和辐射制冷的选择性吸收发射复合材料包括基板3，基板3的材料为铝板。在基板3上镀上选择性吸收层2，选择性吸收层2为真空磁控溅射金属陶瓷（CERMET）镀膜带，选择性吸收层2在波长3μm以下的太阳辐射光谱区具有0.97的吸收率，在中远红外其他光谱区的发射率低至0.05。在选择性吸收层2上涂有选择性发射层1，选择性发射层1的材料为聚四氟乙烯薄膜，在波长在8-13μm的空间辐射制冷光谱区具有0.60以上的发射率，在其他光谱区具有0.60以上的透过率。
实施例2
在对满足太阳能集热和辐射制冷的选择性吸收发射复合材料的吸收太阳辐射和辐射制冷的性能进行分析时，为了针对复合材料表面的辐射特性进行分析，在复合材料表面加一层透光性良好的盖板4（如超白布纹钢化玻璃盖板或聚乙烯薄膜），阻止复合材料表面与周围环境的对流换热损失，其结构如图2所示。
基板3为导热性能良好的薄铝板，厚度为1mm；选择性吸收层2为黑铬涂层，在3μm以下波段的吸收率为0.90，在中远红外波段的发射率为0.15；选择性发射层1的材料为聚氟乙烯薄膜，在波长在8-13μm的空间辐射制冷光谱区具有的发射率如图3所示，在其他光谱区具有0.60以上的透过率，横坐标为波长，纵坐标为发射率；盖板4的材料为聚乙烯薄膜，其吸收率取为0.10，法向透过率如图4所示，横坐标为波长，纵坐标为透过率。
在白天，复合材料中的黑铬涂层吸收透过盖板4的3μm以下波段的太阳辐射，获得热量，同时复合材料中的聚氟乙烯又会在8-13μm波段与大气和地面进行辐射换热。因此，相比于只吸收3μm以下波段太阳辐射的普通选择性黑铬涂层，该复合材料在8-13μm波段与大气和地面辐射换热的损失大于普通选择性黑铬涂层。由理论计算可得，复合材料的集热效率为普通选择性黑铬涂层集热效率的78%。
在晚上，复合材料中的选择性发射层1在8-13μm波段与外层空间进行辐射交换，同时也与周围环境进行辐射热交换，两种辐射在平衡时，复合材料表面会存在一个平衡温度。在不同的环境温度下，理论计算获得复合材料表面的平衡温度如下表所示：
环境温度（℃） 复合材料表面平衡温度（℃）
40 15.4
35 11.2
30 6.9
当环境温度为30℃，复合材料表面的温度为20℃时，复合材料表面的制冷功率可以达到79W/m2。
 本发明的工作原理如下：
满足太阳能集热要求的理想辐射表面吸收特性如图5所示，图5中横坐标表示光谱波长，纵坐标表示吸收率或发射率。太阳辐照波段的能量主要集中在3μm以下的短波波段，为了白天集热时尽可能多的吸收太阳辐照，理想辐射表面应该具有在3μm以下波段有高吸收率的特性；而地面辐射和大气辐射的波段主要集中在3μm以上中远红外波段，因此为了减少与地面辐射和大气辐射的辐射热损，理想辐射表面应该在3μm以上中远红外波段有低发射率的特性。
满足空间辐射制冷要求的理想辐射表面发射特性如图6所示，图6中横坐标表示光谱波长，纵坐标表示吸收率或发射率。大气层含有的水蒸气、二氧化碳、臭氧和悬浮颗粒对地面的热辐射有较强的吸收能力，但在8-13μm波段内，大气层中水蒸气和二氧化碳的吸收能力很弱，地面辐射可以在8-13μm波段内透过大气层与外层空间进行辐射换热，达到辐射制冷的目的。为了利用8-13μm这个波段辐射制冷，同时减少与地面辐射和大气辐射在中远红外波段的辐射冷损，理想辐射制冷表面应该具有在8-13μm波段内有高发射率而在其他波段有低发射率的辐射特性。
同时满足太阳能集热和辐射制冷功能光谱要求的理想辐射表面应该具备上述两种特性，即在3μm以下波段有高吸收率和8-13μm波段有高发射率而在其他光谱波段有低发射率的辐射特性，如图7所示，横坐标表示光谱波长，纵坐标表示吸收率或发射率。这样的理想辐射表面就可以在白天高效吸收太阳辐射获得热量，在晚上通过辐射制冷获得冷量，同时在中远红外波段减少与地面和大气的辐射热损失或冷损失。

Claims (4)

1.满足太阳能集热和辐射制冷的选择性吸收发射复合材料，其特征在于：包括基板，在基板上依次设有选择性吸收层和选择性发射层；所述选择性吸收层在波长3μm以下的太阳辐射光谱区具有0.70以上的吸收率，在中远红外其他光谱区具有0.30以下的发射率，白天吸收太阳辐照获得热量；所述选择性发射层波长在8～13μm的空间辐射制冷光谱区具有0.60以上的发射率，在其他光谱区具有0.60以上的透过率，在晚上通过空间辐射制冷获得冷量；所述选择性吸收发射复合材料在高效吸收太阳辐射或辐射制冷的同时，减少在中远红外光谱波段与地面和大气的辐射热损失或冷损失。
2.根据权利要求1所述的满足太阳能集热和辐射制冷的选择性吸收发射复合材料，其特征在于：所述选择性吸收层的材料为真空磁控溅射金属陶瓷镀膜带或黑铬涂层。
3.根据权利要求1所述的满足太阳能集热和辐射制冷的选择性吸收发射复合材料，其特征在于：所述选择性发射层的材料为聚四氟乙烯薄膜或聚氟乙烯薄膜。
4.根据权利要求1所述的满足太阳能集热和辐射制冷的选择性吸收发射复合材料，其特征在于：所述基板的材料为导热性能良好的铝板。
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