Nano Energy：气凝胶太阳能热接收器

【引言】

太阳辐射到地球表面的能量要比人类消耗的能量大几个数量级。因为太阳辐射通量很小的原因，储存这部分能量需要覆盖巨大的区域。光伏通过直接将光转换为电来利用这些能量。其他方式也是基于将太阳能作为热源：太阳能用于空间加热，用于家庭和工业的水加热，海水淡化，生产化工燃料，驱动其他热能转换系统比如热点转换，热离子发生器，或者热光伏电池。太阳能的热同样也可以驱动空调循环。在所有这些过程中，光辐射通过一个接受体（表面吸收，体吸收）将其以热的形式被吸收。

对于开发能够在不增加热损失的前提下更多的吸收太阳光，一种方法是在接收器前端插入一个太阳光集中器；热吸收表面更小，这能够降低热损失。常见的集中器是线性菲涅耳反应堆，能够让光通量提高40倍；线性抛物槽能够使光通量在接收器管上提高30-60倍；日光反射场能够使光通量在接收器塔上提高1000倍；抛物面碟能够使光通量在接收器碟中心上提高10000倍。

目前已经有大量关于降低损耗的报道出现。减低损耗的方法有在吸收层表面增加玻璃板来减少对流损失；将吸收器置于真空环境来消除通过空气的传递或对流损失，以及采用带有特殊选择性来降低红外辐射损失同时能够吸收全光谱的吸收器。另一种方法来降低辐射损失是在吸收层上面增加一层辐射防护屏。辐射防护屏通常是金属表面，它能够使红外辐射返回到吸收层。辐射防护屏能够吸收在吸收层红外波段的损失和在更低的温度下流回吸收层的热量。这种辐射的再次循环能够降低在吸收层的整体热量损失的速率。如果反射或吸收防护层置于太阳能吸收器前端，防护层必须要能够传送太阳光到吸收层。这些选择性透过可以用窗格玻璃，或者复合的多层选择透过器。

在某些情况下，为了降低辐射损失，不止一种辐射防护屏被使用。每一层防护屏的添加都能降低热量的损失。基于这个概念，可以想象到用一种连续的媒介来代替许多层防护屏—体辐射防护屏。这种防护屏能够进行光谱选择，允许太阳光透过同时吸收或者反射红外光，同时它应具备低的热导率，比如外表面应该比吸收层的温度更低。

【成果简介】

近日，来自麻省理工学院的陈刚教授等人在Nano Energy上发文，题为：“Aerogel-based solar thermal receivers”。研究人员研发了一种接收器，通过气溶胶来抑制辐射损失，提高光热转换效率。研究人员预测在更宽的工作温度和光密度下，采用气溶胶作为接收器比真空层的接收器效率更高。基于气溶胶的接收层也为在目前设备上无法采用的新图案的应用创造了可能。

【图文导读】

图1 气溶胶吸收器示意图

在界面和气溶胶内反射减少到达吸收层的光量

图2 硅气溶胶特殊消光系数

不同制备过程的三种气溶胶的消光

图3 吸收温度在100℃下一种气溶胶接收器的性能。

a）接收器效率

b）最佳气溶胶厚度

图4 吸收温度在400℃下一种气溶胶接收器的性能

a）接收器效率

b）最佳气溶胶厚度

图5不同接收器效率比较

在100℃吸收温度下三种不同吸收器的效率。

图6 不同接收器效率比较

在400℃吸收温度下三种不同接收器的效率。

【总结】

研究人员设计的模型预测在光子流少于100太阳能浓度下对于低温到中温的应用，包含黑体吸收层和气溶胶的接收层至少与目前最先进的选择性表面接收器的效率相当。这些基于气溶胶的接收层能够代替传统管式接收器。基于气相的接收器可以将通常与已疏散的管道接收器相关联的高效率也要与其他形式的因素接收器相结合，例如在面板上。

文献链接：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学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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