CN110030744B - 一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料 - Google Patents

一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料。包括由下至上依次设置的基底层、红外发射层，相变层和减反射层；基底层为0.3～3μm的太阳辐射波段具有高吸收率的材料或金属材料；红外发射层为8～13μm的“大气窗口”波段具有高发射率的材料；相变层为具有热致相变特性的材料；减反射层为单层低折射率材料或一种低折射率材料和一种高折射率材料构成交替重叠结构。本发明实现根据白天和夜间太阳辐射的差别，自发改变涂层材料温度，进而改变涂层材料光谱特性，满足白天高效率太阳能集热、夜间辐射制冷两种功能；本发明结构较为简单，易于制备，拓宽了太阳能集热技术和辐射制冷技术的应用领域，具有极大的推广价值。

Description

一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，具体涉及光谱选择性可变的太阳能集热和辐射制冷综合应用。
背景技术
太阳是地球最大的热源和光源。太阳能利用主要有光电利用、光热利用和光化学利用几种形式。太阳能集热技术（光热利用）是太阳能利用最成熟的技术之一。太阳能集热技术的研究重点之一就是获得优质太阳能选择性吸收涂层材料，太阳能选择性吸收涂层材料在太阳辐射波段（0.3～3 μm）具有高吸收（发射）率，在波长大于3 μm的红外波段具有低吸收（发射）率。
地球大气层外宇宙空间温度接近绝对零度，是一个天然大冷源。地面上的物体可以通过“大气窗口”波段（这里指8～13 μm）与宇宙空间进行辐射换热从而达到一定冷却效果，称为辐射制冷。理想辐射制冷涂层材料在“大气窗口”波段（8～13 μm）具有高发射（吸收）率，在其他波段低发射（吸收）率。辐射制冷是一种被动式的、零能耗、零污染的制冷方式，对于建筑物降温节能和环境保护具有积极意义，近年来受到广泛的关注。
虽然太阳能集热技术已经很成熟，但受制于昼夜更替，太阳能集热器在夜间处于闲置状态；另一方面，夜间辐射制冷技术虽然比较成熟，但白天由于太阳辐射功率太大（数量级为103 W/m2，约为辐射制冷功率10倍），白天辐射制冷很难实现，或者白天制冷功率很低。
太阳能集热技术和辐射制冷技术时间上可以互补，提升设备利用效率，但是由于光谱选择要求的冲突，现有的太阳能集热涂层材料不能实现辐射制冷效果，反之亦然。已有的关于太阳能集热和辐射制冷综合利用研究中，提出了理想白天太阳能集热-夜间辐射制冷涂层材料的光谱特性，即在太阳辐射波段（0.3～3 μm）和“大气窗口”波段（8～13 μm）具有高吸收（发射）率，其他波段（3～8 μm和13～25 μm）具有低吸收（发射）率。这样的涂层材料无论白天和夜间，光谱特性都一样，使得在白天太阳能集热模式下，由于涂层材料在“大气窗口”波段（8～13 μm）具有高吸收（发射）率，有较大辐射热损，相比传统太阳能选择性吸收涂层材料，热效率较低。
发明内容
为了增强白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料的光谱选择性，解决白天太阳能集热和夜间辐射制冷光谱选择要求的冲突，提升涂层材料的白天集热效率。本发明提出了一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料。
一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料包括由下至上依次设置的基底层、红外发射层，相变层和减反射层；
所述基底层为0.3～3 μm的太阳辐射波段具有高吸收率的材料或金属材料；
所述红外发射层为8～13 μm的“大气窗口”波段具有高发射率的材料；
所述相变层为具有热致相变特性的材料；
所述减反射层为单层低折射率材料或一种低折射率材料和一种高折射率材料构成多层交替重叠结构；
所述涂层材料在白天太阳能集热模式和夜间辐射制冷模式分别对应不同的光谱选择性，且能根据涂层材料温度变化，通过热致相变原理，改变自身光谱选择性以满足白天高效率太阳能集热，夜间辐射制冷的光谱需求。所述涂层材料在白天吸收太阳辐射，温度升高，涂层材料的温度高于热致相变材料的相变温度时，涂层材料处于高效太阳能集热模式，涂层材料在0.3～3 μm的太阳辐射波段的吸收率大于0.85，在3～25 μm的红外波段发射率小于0.4；在夜间，涂层材料的温度低于热致相变材料的相变温度，涂层材料处于辐射制冷模式，涂层材料在8～13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.7，在0.3～3 μm的太阳辐射波段的吸收率大于0.8。
进一步限定的技术方案如下：
所述太阳辐射波段（0.3～3 μm）具有高吸收率材料为蓝钛、黑铬、黑漆、黑色橡胶中的一种。
所述金属材料为铝、银、铜、钨、铬、钼、钛、镍、钴中的一种，厚度为100～500 nm。
所述8～13 μm波段具有高发射率的材料为玻璃、石英、氧化铝单晶中的一种。
所述具有热致相变特性的材料为二氧化钒，厚度为10～500 nm。
所述低折射率材料为0.5 μm波长处折射率小于2的材料，厚度为10～500 nm。
所述低折射率材料为二氧化硅、氧化铝中的一种。
所述高折射率材料为0.5 μm波长处折射率大于2的材料，所述高折射率材料为二氧化钒，厚度为10～500 nm。
所述交替重叠结构由一层低折射率材料、一层高折射率材料和一层低折射率材料依次重叠构成。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1. 通过利用二氧化钒的热致相变特性，实现涂层材料的红外光谱特性根据温度变化自动调控。在夜间，涂层材料温度低于二氧化钒相变温度，二氧化钒为绝缘态（M相，单斜结构），M相二氧化钒薄膜在红外波段（3～25 μm）具有高透过率，红外发射层发射出的红外热辐射能透过相变层和减反射层，因此涂层材料表现出红外波段（尤其是“大气窗口”波段（8～13 μm））高发射（吸收）率，实现夜间辐射制冷；在白天，由于涂层材料吸收太阳辐射能量，温度升高，涂层材料温度高于二氧化钒相变温度时，二氧化钒转变为金属态（R相，四方金红石结构），R相二氧化钒薄膜在红外波段具有高反射率，红外发射层发射出的红外热辐射被相变层屏蔽，因此涂层材料在红外波段表现出低吸收（发射）率，降低白天太阳能集热时的辐射热损。
2. 通过利用二氧化钒对可见-近红外光的吸收特性，降低涂层材料结构复杂程度。二氧化钒为M相时，禁带宽度为0.67 eV，其本征吸收限的波长约为1.8 μm，在太阳辐射波段（0.3～3 μm）具有比较强的本征吸收；二氧化钒为R相时，其自由载流子吸收峰在0.6 μm左右，在太阳辐射波段也具有高吸收（发射）率。因此，二氧化钒除了对涂层材料红外光谱特性进行调控外还增强涂层材料对太阳辐射波段的吸收，涂层材料可以不增加额外太阳辐射吸收结构，从而使涂层材料结构简单，易于制备。
3. 通过设置基底层，能进一步增加涂层材料在太阳辐射波段（0.3～3 μm）吸收（发射）率。太阳辐射传播经过“减反射层、相变层、红外发射层”结构后，大部分会被吸收、一部分会被反射、一部分会透过。在红外发射层底部设置基底层，透过部分的太阳辐射会被基底层吸收，或者被基底层反射后由上部“红外发射层、相变层、减反射层”结构吸收，因而能有效增加涂层材料在太阳辐射波段吸收（发射）率。
4. 通过设置减反射层，降低涂层材料在太阳辐射波段（0.3～3 μm）的反射率，从而增加在此波段的吸收（发射）率，有利于实现白天高效率集热。相变层的材料一般具有高折射率，光由空气向高折射率材料传播时，在界面上会产生较大反射。减反射层一般为单层低折射率材料；或者一种低折射率材料和一种高折射率材料构成多层交替重叠结构，为了使涂层结构简单，更易于加工，交替重叠结构为3层，即“低折射率材料、高折射率材料、低折射率材料”。
综上所述，本发明所述的热致光谱自适应调控的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料能根据白天和夜间太阳辐射的差别，自发改变涂层材料温度，进而改变涂层材料光谱特性，满足白天高效率太阳能集热、夜间辐射制冷两种功能，且结构较为简单，易于制备，拓宽了太阳能集热技术和辐射制冷技术的应用领域，具有极大的推广价值。
附图说明
图1为一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料工作原理图。
图2为本发明的涂层材料结构示意图；
图2中序号：基底层1、红外发射层2、相变层3、减反射层4。
图3为实施例1涂层材料在白天集热模式和夜间制冷模式的光谱吸收（发射）率图。
图4为实施例2涂层材料在白天集热模式和夜间制冷模式的光谱吸收（发射）率图。
图5为实施例3涂层材料在白天集热模式和夜间制冷模式的光谱吸收（发射）率图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1，本发明一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料的工作原理如下：本发明的涂层材料在白天和夜间对应不同光谱特性，且能根据涂层材料温度变化，改变自身光谱特性以满足白天高效率太阳能集热，夜间辐射制冷的要求。图1中T c为转变温度，T为涂层材料温度。在夜间，涂层材料温度低于转变温度，涂层材料处于辐射制冷模式，对应的光谱特性为：太阳辐射波段（0.3～3 μm）和“大气窗口”波段（8～13 μm）高吸收（发射）率，其余波段（3～8 μm和13～25 μm）低发射（吸收）率；在白天，涂层材料吸收太阳辐射，温度升高，当涂层材料温度高于转变温度时，涂层材料处于高效率太阳能集热模式，对应的光谱特性为：太阳辐射波段（0.3～3 μm）高吸收（发射）率，其余波段（3～25 μm）低吸收（发射）率。
参见图2，一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料包括由下至上依次设置的基底层1、红外发射层2、相变层3和减反射层4。本发明技术方案主要通过“减反射层4、相变层3”结构吸收太阳辐射，将基底层1设置在红外发射层2的下表面，使得从空气中入射的太阳辐射经“减反射层4、相变层3、红外发射层2”结构仍没被吸收的部分被基底层1吸收，或者由基底层1反射后被“红外发射层2、相变层3、减反射层4”结构所吸收。
本发明技术方案通过将相变层3覆盖在红外发射层2的上表面：红外发射层2在“大气窗口”波段（8～13 μm）高发射（吸收）率。相变层3在太阳辐射波段（0.3～3 μm）高吸收率的同时，在红外波段（3～25 μm）由于热致相变特性具有“高温低透过率”和“低温高透过率”两种状态：在白天，涂层材料的温度高，相变层3在红外波段（3～25 μm）有低透过率，红外发射层2发射的红外热辐射被阻挡，因而涂层材料在红外波段（3～25 μm）表现出低发射率，白天集热时辐射热损小；在夜间，涂层材料的温度低，相变层3在红外波段（3～25 μm）有高透过率，红外发射层2发射的红外热辐射能到达高层大气和外太空，涂层材料在大气窗口波段（8～13 μm）的发射率高，实现夜间辐射制冷。
本发明技术方案通过将减反射层4覆盖在相变层3的上表面，使得涂层材料对太阳辐射（0.3～3 μm）的反射率减小，吸收（发射）率增大，有利于实现白天高效率集热。相变层的材料一般具有高折射率，光由空气向高折射率材料传播时，在界面上会产生较大反射。减反射层一般为单层低折射率材料；或者一种低折射率材料和一种高折射率材料构成多层交替重叠结构，为了使涂层结构简单，更易于加工，本发明的交替重叠结构为3层，即“低折射率材料、高折射率材料、低折射率材料”。
实施例1
参见图2，一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料包括由下至上依次设置的基底层1、红外发射层2、相变层3和减反射层4。
基底层1为150 nm厚的铝；红外发射层2为500 μm厚的石英；相变层3为200 nm厚的二氧化钒；减反射层4为86 nm厚的氧化铝。其白天集热模式和夜间辐射制冷模式0.3~25 μm波段的光谱发射（吸收）率如图3所示。
在白天，涂层材料的温度高于转变温度时，涂层材料在太阳辐射波段（0.3～3 μm）的吸收率为0.85，在红外波段（3～25 μm）发射率小于0.3。在夜间，涂层材料的温度低于转变温度时，涂层材料在“大气窗口”波段（8～13 μm）发射率为0.85，在太阳辐射波段吸收率为0.85。
实施例2
参见图2，一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料包括由下至上依次设置的基底层1、红外发射层2、相变层3和减反射层4。
基底层1为200 nm厚的钨；红外发射层2为500 μm厚的氧化铝单晶（又称蓝宝石）；相变层3为230 nm厚的二氧化钒；减反射层4由176 nm厚的二氧化硅（低折射率材料）、44 nm厚的二氧化钒（高折射率材料）和92 nm厚的二氧化硅（低折射率材料）依次重叠构成。其白天集热模式和夜间辐射制冷模式0.3~25 μm波段的光谱发射（吸收）率如图4所示。
在白天，涂层材料的温度高于转变温度时，涂层材料在太阳辐射波段（0.3～3 μm）的吸收率为0.89，在红外波段（3～25 μm）发射率小于0.4。在夜间，涂层材料的温度低于转变温度时，涂层材料在“大气窗口”波段（8～13 μm）发射率为0.7，在太阳辐射波段吸收率为0.8。
实施例3
参见图2，一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料包括由下至上依次设置的基底层1、红外发射层2、相变层3和减反射层4。
基底层1为黑铬选择性吸收涂层；红外发射层2为1 mm厚的玻璃；相变层3为160 nm厚的二氧化钒；减反射层4为50 nm厚的氧化铝。其白天集热模式和夜间辐射制冷模式0.3~25 μm波段的光谱发射（吸收）率如图5所示。
在白天，涂层材料的温度高于转变温度时，涂层材料在太阳辐射波段（0.3～3 μm）的吸收率为0.85，在红外波段（3～25 μm）发射率小于0.3。在夜间，涂层材料的温度低于转变温度时，涂层材料在“大气窗口”波段（8～13 μm）发射率为0.85，在太阳辐射波段吸收率为0.85。

Claims (6)

1.一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料，其特征在于：包括由下至上依次设置的基底层、红外发射层，相变层和减反射层；
所述基底层为0.3～3 μm的太阳辐射波段具有高吸收率的材料或金属材料；所述0.3～3 μm的太阳辐射波段具有高吸收率材料为蓝钛、黑铬、黑漆、黑色橡胶中的一种；所述金属材料为铝、银、铜、钨、铬、钼、钛、镍、钴中的一种；
所述红外发射层为8～13 μm的“大气窗口”波段具有高发射率的材料，为玻璃、石英、氧化铝单晶中的一种；
所述相变层为具有热致相变特性的材料，为二氧化钒；
所述减反射层为单层低折射率材料或一种低折射率材料和一种高折射率材料构成交替重叠结构；所述低折射率材料为0.5 μm波长处折射率小于2的材料，所述高折射率材料为0.5 μm波长处折射率大于2的材料；
所述涂层材料在白天太阳能集热模式和夜间辐射制冷模式分别对应不同的光谱选择性；在白天，涂层材料吸收太阳辐射，处于太阳能集热模式，在0.3～3 μm的太阳辐射波段的吸收率大于0.8，在3～25 μm的红外波段发射率小于0.4；在夜间，所述涂层材料处于辐射制冷模式，在8～13 μm的“大气窗口”波段的发射率大于0.7，在0.3～3 μm的太阳辐射波段的吸收率大于0.8。
2.根据权利要求1所述的一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料，其特征在于：所述金属材料的厚度为100～500 nm。
3. 根据权利要求1所述的一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料，其特征在于：所述具有热致相变特性的材料的厚度为10～500 nm。
4.根据权利要求1所述的一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料，其特征在于：所述低折射率材料为二氧化硅、氧化铝中的一种，厚度为10～500 nm。
5.根据权利要求1所述的一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料，其特征在于：所述高折射率材料为二氧化钒，厚度为10～500 nm。
6.根据权利要求1所述的一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料，其特征在于：所述交替重叠结构由一层低折射率材料、一层高折射率材料和一层低折射率材料依次重叠构成。
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