Nano Energy：氣凝膠太陽能熱接收器

【引言】

太陽輻射到地球表面的能量要比人類消耗的能量大幾個數量級。因為太陽輻射通量很小的原因，儲存這部分能量需要覆蓋巨大的區域。光伏通過直接將光轉換為電來利用這些能量。其他方式也是基于將太陽能作為熱源：太陽能用于空間加熱，用于家庭和工業的水加熱，海水淡化，生產化工燃料，驅動其他熱能轉換系統比如熱點轉換，熱離子發生器，或者熱光伏電池。太陽能的熱同樣也可以驅動空調循環。在所有這些過程中，光輻射通過一個接受體（表面吸收，體吸收）將其以熱的形式被吸收。

對于開發能夠在不增加熱損失的前提下更多的吸收太陽光，一種方法是在接收器前端插入一個太陽光集中器；熱吸收表面更小，這能夠降低熱損失。常見的集中器是線性菲涅耳反應堆，能夠讓光通量提高40倍；線性拋物槽能夠使光通量在接收器管上提高30-60倍；日光反射場能夠使光通量在接收器塔上提高1000倍；拋物面碟能夠使光通量在接收器碟中心上提高10000倍。

目前已經有大量關于降低損耗的報道出現。減低損耗的方法有在吸收層表面增加玻璃板來減少對流損失；將吸收器置于真空環境來消除通過空氣的傳遞或對流損失，以及采用帶有特殊選擇性來降低紅外輻射損失同時能夠吸收全光譜的吸收器。另一種方法來降低輻射損失是在吸收層上面增加一層輻射防護屏。輻射防護屏通常是金屬表面，它能夠使紅外輻射返回到吸收層。輻射防護屏能夠吸收在吸收層紅外波段的損失和在更低的溫度下流回吸收層的熱量。這種輻射的再次循環能夠降低在吸收層的整體熱量損失的速率。如果反射或吸收防護層置于太陽能吸收器前端，防護層必須要能夠傳送太陽光到吸收層。這些選擇性透過可以用窗格玻璃，或者復合的多層選擇透過器。

在某些情況下，為了降低輻射損失，不止一種輻射防護屏被使用。每一層防護屏的添加都能降低熱量的損失。基于這個概念，可以想象到用一種連續的媒介來代替許多層防護屏—體輻射防護屏。這種防護屏能夠進行光譜選擇，允許太陽光透過同時吸收或者反射紅外光，同時它應具備低的熱導率，比如外表面應該比吸收層的溫度更低。

【成果簡介】

近日，來自麻省理工學院的陳剛教授等人在Nano Energy上發文，題為：“Aerogel-based solar thermal receivers”。研究人員研發了一種接收器，通過氣溶膠來抑制輻射損失，提高光熱轉換效率。研究人員預測在更寬的工作溫度和光密度下，采用氣溶膠作為接收器比真空層的接收器效率更高。基于氣溶膠的接收層也為在目前設備上無法采用的新圖案的應用創造了可能。

【圖文導讀】

圖1 氣溶膠吸收器示意圖

在界面和氣溶膠內反射減少到達吸收層的光量

圖2 硅氣溶膠特殊消光系數

不同制備過程的三種氣溶膠的消光

圖3 吸收溫度在100℃下一種氣溶膠接收器的性能。

a）接收器效率

b）最佳氣溶膠厚度

圖4 吸收溫度在400℃下一種氣溶膠接收器的性能

a）接收器效率

b）最佳氣溶膠厚度

圖5不同接收器效率比較

在100℃吸收溫度下三種不同吸收器的效率。

圖6 不同接收器效率比較

在400℃吸收溫度下三種不同接收器的效率。

【總結】

研究人員設計的模型預測在光子流少于100太陽能濃度下對于低溫到中溫的應用，包含黑體吸收層和氣溶膠的接收層至少與目前最先進的選擇性表面接收器的效率相當。這些基于氣溶膠的接收層能夠代替傳統管式接收器。基于氣相的接收器可以將通常與已疏散的管道接收器相關聯的高效率也要與其他形式的因素接收器相結合，例如在面板上。

文獻鏈接：Aerogel-based solar thermal receivers (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.08.006)

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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