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    对太阳能的吸收并非越多越好

太阳能是一种清洁无污染可再生的绿色能源,因此大规模收集及利用太阳能对于解决世界范围内的能源危机意义重大。然而太阳能的能量密度较低,并且物体表面吸收的能量又会以一定形式辐射出来。针对于这些问题,在20世纪50年代,以色列物理学家Harry Z. Tabor,提出了太阳能光谱选择性吸收膜层的概念。此后,世界各国对太阳能光谱选择性吸收薄膜展开了大量的研究。现如今,从选择膜的理论基础研究到制备工艺,已经形成了完整的学术体系,成为太阳能热利用技术领域的重要分支。

在理解选择吸收的原理之前,首先应明确几个概念。

(1)吸收率ε,指物体表面吸收的光能与光能总量之比。

(2)发射率α,指物体辐射出射度与黑体辐射出射度之比。

(3)辐射出射度:单位时间内离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积。

(4)普朗克定律,该定律表示了黑体辐射出射度与波长及温度的关系。

(5)基尔霍夫定律,基尔霍夫根据严密的推导得出实际物体在一定温度下对于一定波长的光,其吸收率等于发射率。当光线照射到物体表面时,其能量将被分为三个部分,一部分被吸收(α),一部分被反射(γ),一部分透过物体发生透射(t),即α+γ+t=1。而被吸收的部分能量还会由于热辐射向周围环境中辐射热量。物体的热辐射与物体的温度以及辐射光的波长有关。

太阳的表面温度约为6000K,其辐射的能量主要集中在可见光及近红外区,而我们生活中常见的物体,表面温度大概在300K左右,其辐射的能量主要集中在红外线区域。这也就是说物体表面所吸收的太阳光能,主要集中在可见光以及近红外区,而物体表面所发射的能量则主要集中在红外线区。实际物体的辐射出射度(可理解成其损失的光能)等于与其温度相同的黑体辐射出射度与发射率的乘积。那么如果我们能使用一种薄膜,使其对于可见光以及近红外区域具有较高的吸收率(获得较多的光能),并且对于红外线区域的光吸收率为零,根据基尔霍夫定律ε=α,则其对于可红外区域光的发射率为零(减少能量损失)。则这种薄膜能够实现有效收集太阳能薄膜的目的。这便是太阳能选择性吸收薄膜的原理。综合以上,适合作为选择吸收表面的材料大概有三类:

(1)在可见光及近红外范围内有较高的吸收,在红外范围是透明的。

(2)对可见光及近红外范围内有较高的吸收,在红外范围内有较高的反射。

(3)在可见光及近红外区是透明的,在红外范围具有较高的反射率。

在自然界并不存在理想的选择性吸收材料和表面,因此在制备选择性吸收薄膜时通常采用多层膜结构,并将光学效应应用其中。在外层利用减反射膜减少表面的反射损失,在里层利用薄膜的干涉效应和光学陷阱去增强表面的吸收效率,内层采用红外反射层,以减少红外光的吸收。(lx)

 
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