太阳能的吸收

一、太阳能的吸收

太阳能的吸收其实也包含转换，如太阳光照射在物体上，被物体吸收，物体的温度升高，这就使太阳光能变成了热能。太阳光照射在太阳电池上被它吸收，在电极上产生电压，能通过外电路输出电能，就是把太阳光能变成电能。太阳光照射在植物的叶子上，被叶绿体吸收，通过光合作用变成化学能，而且储存在其中，维持植物生命并促使它生长，在这里太阳能的吸收不仅包含转换，甚至也和能量的储存有关。太阳光被吸收、转换成为热能是最普遍、最常见的，因而也是目前太阳能最广泛的利用方式。

当太阳辐射能入射到任何材料的表面上时，有一部分被反射出去，一部分被材料吸收，另一部分会透过材料。如果人射的辐射能为H，根据能量守恒的原理，它应当等于被材料反射的能量、吸收的能量和透过材料的能量之和。用数学式表示如下：

式中α—吸收率，为吸收能量占全部人射能的百分比；

ρ—反射率，为反射能量占全部人射能的百分比；

τ—透射率，为透射能量占全部入射能的百分比。

由（1-6）式不难看出：

α+ρ+τ=1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1-7）

这3个量的大小，不但与物质表面温度、物理特性、几何形状、材料性质有关，而且与波长也有关。当τ=0时，这种物体就是不透明体，当a=1时，就是人射能全被物体吸收，这种物体称为黑体。反射分为两种，一种是镜面反射，另一种是漫反射。镜面反射服从人射角等于反射角的反射定律。这在改变太阳光的方向，使它聚集在聚光器中有用。漫反射使人射辐射在反射后分散到各个方向上。通常实际物体的表面均具有这两种反射的性质，只是各占的比例不同而已。

物体的另一个重要的辐射性质是发射率ε，它是一个物体总发射能量E与同温度下黑体的总发射能量E_b之比，即：

ε的大小，一般与材料、温度、波长等有关，这些数据通常收集在表格中备查。

前面说过，太阳辐射达到地面的波长范围绝大部分在0.2～2.6μm之间，而温度为70℃左右的物体表面辐射波长在5～40μm范围内。作为太阳能集热器的热损失，主要来源于其自身的热辐射。当集热器不断吸收太阳辐射，自身温度逐渐升高，成为热辐射源，热辐射能量也逐渐增大，最后达到热平衡，集热器温度不再升高。因此，吸收能量的大小和可达到的最高温度，是由吸收率α和自身热发射率ε_T所决定的。所谓选择性吸收面，就是对太阳的短波辐射吸收性能好，而本身的长波热发射量很少的表面。显然，这种表面对于太阳能利用具有很重要的意义。

由进一步的研究得知，吸收面所能达到的最高温度，即平衡温度与α/ε_T有密切关系。a/ε_T越大，则可能达到的最高温度越高。当a／ε_T=1时，这种吸收面称为中性吸收面。如果太阳辐射强度H=0.8kW／m²，则中性吸收面所能达到的最高温度为70℃。在太阳能热利用中，当然希望a／ε_T越大越好，一般希望a/ε_T≈10左右为佳。a/ε_T＜1也称为具有选择性，通常叫做冷面，主要用于散热表面，具有良好的发射作用。按制作方法，选择性吸收面分为以下4种：

（l）漆

在金属基材上涂一层半导体性质的黑漆，使之吸收短波太阳辐射，透射较长波长的辐射。

（2）化学处理

将金属基材经化学处理，使其表面生成具有选择性的黑色化合物，如铜黑（CuO+Cu₂O）、铁黑（Fe₃O₄）、铝黑等。

（3）电镀

在金属基材上镀上黑色合金，使其表面具有选择性，如镍黑、铬黑（Cr_X、O_y）等。

（4）真空蒸镀

利用真空蒸镀技术，是表面获得选择性，例如真空蒸镀的硫化铅表面，性能很好，在高温中受紫外线照射后，性能仍然稳定，各种选择性吸面的性质如表1-3所示。