服裝用太陽能蓄電發熱裝置的研究與應用現狀

趙尊強,史 慧,,郭曉芳

(1.內蒙古工業大學,內蒙古 呼和浩特 010000;2.內蒙古師范大學,內蒙古 呼和浩特 010000)

當寒冬到來的時候,人們通常通過改變著裝的材質、轉換或者增加著裝的填充物、調整著裝的層數等被動保暖方式實現御寒目的。隨著我國經濟社會的發展與生產方式的進一步變革,現代人們對于自身著裝的舒適度、輕便感、功能化和美觀性等都提出了更高的要求,傳統的被動保暖型服裝大多體積笨重、缺少美感、靈活性差、不便于軀體運動。對于那些在極寒氣候區域和極端低溫條件下進行工作的人們來說,傳統的被動保暖型服裝并沒有能夠很好滿足他們對于服裝的各種功能特點的要求,因此自身攜帶一定熱源的積極產熱保暖型服飾品的開發與應用具有重大意義。積極產熱型服裝按照使用的熱源品種主要可以劃分為三類:即電熱型服裝、化學熱型服裝和太陽能熱型服裝。其中,太陽能蓄電加熱服裝作為一種新型太陽能加熱服不僅是實現冬裝輕便保暖的重要方式,也是清潔能源開發與利用的具體實踐。隨著太陽能技術的日益成熟、現代服裝制造工藝的進步、設計理念的轉變都為太陽能蓄電服裝的發展提供更加強大的技術支撐與更光明的發展前景。

1 太陽能蓄電加熱裝置研究現狀

太陽能蓄電發熱裝置是指利用光伏電池及配套器件將太陽能直接轉化為電能并儲存在移動電池中,然后通過加熱裝置將儲存在移動電池中的電能以熱能的形式釋放出來的裝備系統。因此,太陽能蓄電加熱裝置主要涉及到光能轉換為電能和電能轉換為熱能兩個能量轉換過程[1]。以兩個能量轉換為分界點可以將太陽能蓄電加熱裝置分為太陽能蓄電裝置和電加熱裝置。太陽能蓄電裝置的核心設備是指太陽能光伏電池,發熱裝置的核心設備是指加熱體。

1.1 太陽能光伏電池

目前在電池研究生產領域已經開發和正在研究的太陽能電池產品可以大致劃分為以下兩個大類:第一類為晶體硅太陽能電池,主要包括單晶硅太陽能電池與多晶硅太陽能電池兩種;第二類為薄膜太陽能電池,主要包括硅基薄膜太陽能電池、化合物半導體太陽能電池及其他新型薄膜電池三種。具體分類如圖1所示。

圖1 太陽能光伏電池的分類示意圖

目前,薄膜太陽能電池是從事太陽能服飾開發者們研究與應用的熱門方向與主流品類,包括:非晶硅薄膜電池、Cd Te(碲化鎘)薄膜電池及GIGS(銅銦鎵硒)薄膜太陽能電池[2-3]。

薄膜太陽能電池(簡稱薄膜電池)指以硅、砷化鎵及硫化鎘等為原材料制備形成且能夠利用光化學效應或光電效應將光能有效轉化為電能的薄膜裝置,其厚度僅為微米量級[4]。薄膜電池擁有硅基電池無法比擬的生產成本低、硅材消耗少、光電轉換效率高的強大優勢,所以世界各國紛紛布局薄膜太陽能產業,催生了一大批太陽能電池的研發企業。全球主要薄膜太陽能電池企業見表1。

表1 全球主要薄膜太陽能電池企業

1.1.1 非晶硅薄膜太陽能電池

非晶硅薄膜太陽能電池一般又簡稱為a-Si,它主要指的是一種以新型非晶硅化合物作為基礎材料而進行構造的非晶硅薄膜太陽能電池[5]。

最近幾年,非晶硅薄膜太陽能的技術研究重點集中于如何有效提高光電轉化的利用效率、如何進行各種大面積材料生產工藝試驗以及低溫制備與生產工藝試驗三個主要方面。另外,轉換效率偏低和光致衰減效應依然是當前非晶硅薄膜太陽能電池的主要問題[6]。目前在技術上主要是通過制造雙結、三結及多結結構以達到提高此類太陽能電池轉換效率和穩定性的目的。日本中央研究院近年利用一系列的創新技術開發出了一款穩定轉化效率達13.6%的三結結構非晶硅薄膜太陽能電池[7];美國聯合太陽能公司(vssc)自主開發出來的三帶隙三疊層結構儲能電池的最高能量轉換轉化效率大約為13%;漢能公司近年通過對歐瑞康的創新技術成果進行優化整合,開發的非微晶硅基雙結疊層結構電池組件的光電能量轉換效率高達10%以上[8]。同樣是漢能公司多年攻關自主開發研制的三結結構電池使光的吸收范圍有效擴大,初始的光致衰減效應在一定程度上被減小,規模化產品生產應用過程中光致衰減效應穩定后的光電轉換效率依然可以達到8.2%[9]。

非晶硅薄膜電池因其起步早、光吸收系數大、生產成本低、弱光效應好、適于規模化生產等優點[10],使得其成為產業化程度最高的薄膜電池,備受光伏市場的青睞。另外非晶硅薄膜電池無毒無害、物美價廉,又具有較高的柔韌性和卷曲性,適用于規模較小、柔韌性較好的電子產品,因此不少太陽能服飾研究者選擇將其作為研究服用太陽能裝置的重要品類。

1.1.2 碲化鎘薄膜太陽能電池

碲化鎘薄膜太陽能電池通常被簡稱為Cd Te電池,這是一種以p型Cd Te和n型CdS的異質結為基礎材料,在玻璃或其他柔性襯底上依次沉積多層薄膜而構成的光伏器件。標準化的Cd Te電池由5層結構組成,首先是起到支撐作用的透明玻璃襯底,其次是透光和導電的TCO層,再次是n型半導體CdS窗口層,然后是起到吸收作用的核心層——Cd Te吸收層,最后是最大限度引出電流的背電極。

目前,研究人員和生產廠商在Cd Te電池上的研究焦點依然是如何降低生產成本和如何提高光電能量轉換效率。美國第一太陽能公司(First Solar)科研團隊自主研發的核心產品Cd Te電池的實驗室光電能量轉換效率高達22.1%,其量產的商業化Cd Te電池的光電能量轉換效率達到 了16.4%[11]。另外,我國龍焱公司生產的Cd Te太陽能電池組件尺寸達到1.2 m×0.6 m,組件平均光電轉化率超過12.5%。2017年2月,龍焱能源實驗室測得Cd Te太陽能電池的光電轉換率達17.33%[12]。2018年1月,中國建材集團生產的世界第一塊面積Cd Te薄膜弱光發電玻璃的實驗室轉化率為17.8%[13]。

一方面Cd Te電池不僅具有較理想的禁帶寬度、吸收系數及溫度系數,而且它的弱光性較好、熱斑效應小、電池性能穩定、電池結構與制備過程簡單,同時兼具生產成本較低、大規模應用光電能量轉化效率高的巨大優勢[14]。另一方面用于制造Cd Te電池的主要原材料是鎘,鎘作為一種被公認的劇毒物質,其對人體的危害不亞于汞,直至目前研究人員還沒有找到有效解決這一問題的方法。因此,Cd Te電池現階段仍不符合服裝用料安全無毒的服用理念,太陽能服飾開發者們對于在服飾上能否應用此品類電池都持較謹慎的態度。

1.1.3 銅銦鎵硒薄膜太陽能電池

銅銦鎵硒薄膜太陽能電池又稱之為CIGS電池。它是在P型半導體銅銦鎵硒 和n型半導體硫化鎘CdS或硫化銦異質結基礎上進而在玻璃材質背板上依照次序沉積多層薄膜構造的一種薄膜太陽能電池[15]。CIGS電池結構一般都包含金屬或者塑料材質的柔性襯底、Mo背電極、CIGS吸收層、CdS n型緩沖層以及i-ZnO與ZnO∶Al薄膜導電窗口層,最后是Ni/Ni/Al柵電極,為了提高進入電池的光子數量,通常還會在最上面鍍一層減反射膜。

CIGS電池是目前發展最快、轉換效率最高的薄膜太陽能品類,在其研發上各大廠商也不斷取得新突破。目前,日本solar frontier公司自主創造的CIGS電池在實驗室的最高工作效率已經可以達到22.9%[16];國內的漢能太陽能公司通過技術創新實現了在玻璃基板上CIGS電池22.92%的最高光電能量轉換效率,此外,該公司在柔性基板上創造了CIGS電池20.56%的光電能量轉換效率,這也是中國在此類電池上的最高效率[17]。

CIGS電池擁有的高效光電能量轉化率與硅基太陽能電池旗鼓相當,不論是在大面積及超大面積組件發電,還是在電子航模器件的小面積應用上,CIGS電池均表現出了優異的性能。同時在柔性基板上制造的銅銦鎵硒電池片輕薄如紙,不僅具有良好的穩定性、抗輻射性、弱光性,而且優越的柔韌性與卷曲性是其他品類太陽能光伏電池所無法比擬的。CIGS電池理論上比其他品類電池更容易滿足太陽能服裝的輕便、靈活、舒適、安全、綠色、節能、健康的服用要求。因此,CIGS電池必將成為太陽能服飾研究學者們關注的主流。

1.2 電發熱體

電發熱保暖服裝的發熱體一般是指依靠電能來釋放熱量的發熱裝備,通常分布在前胸、前腹、后腰、后背、大腿、小腿和關節等對熱比較敏感的部位[18]。發熱體作為電加熱服裝的核心部件,一般要符合人體穿著的服用要求,首先就是柔軟透氣,在使用時穿著者沒有異物感;第二是在使用人體安全電壓供電時具有較高的發熱效率;第三是為了便于洗滌與更換,要可拆卸化[19]。

常見的發熱體包括金屬發熱體、電熱膜和碳纖維發熱體。

1.2.1 金屬發熱體

金屬發熱體因為質地相對較硬、手感較差、不易彎曲,與人的身體構造貼合程度不高,導致衣物穿著時的舒適性低,使用時的環境條件受其本身材料的影響很大,不太適合于紡織或其他服裝類產品[20]。

1.2.2 電熱膜發熱體

電熱膜材質的發熱體雖然發熱快、成本低、易于制備,但是它的手感硬、舒適性不高、持續長時間使用容易被氧化,而且它的薄膜不透氣,容易導致使人體產生悶熱感,因此多被應用于制作各種汽車內飾、發熱地板和其他家紡產品[21]。

1.2.3 碳纖維發熱體

目前市場上電加熱防寒服的主要發熱體是碳纖維材料,其特點見表2。按其發熱方式和形態的不同,可以細分為兩類:線型發熱體和面型發熱體[22],其中,線型發熱體的形態為線狀,其發熱面積相對于面型發熱體來說,溫度的分布均衡性遠遠不如面型發熱體,但是線型發熱體卻能夠很好地盤出各種形狀的彎曲表面,并且線型發熱體具有更高的單向拉伸強力、更好的彎曲強度及良好的耐用性。目前主要是通過將碳纖維長絲(或稱碳素薄膜)包覆絕緣層后制成發熱電纜線,然后盤繞在所需部位制成發熱元件的方法制作出線型發熱體。面型發熱體多為平面(或平面的組合),對人體服裝的三維裁剪適應性不如線型發熱體。單向拉伸強力、強度和耐用性也均低于線型發熱體。

表2 碳纖維電發熱體的主要特點

2 太陽能蓄電加熱裝置應用現狀

國外對于太陽能裝置和電加熱裝置在服裝上的單獨應用研究較早且較成熟,但對太陽能蓄電加熱裝置的聯合應用則少有先例。電加熱服裝,即以電能為能量來源,利用電加熱裝置,以熱輻射的形式傳導到人體皮膚表面以達到保暖、御寒作用的服裝。上世紀40年代,Marickt等[23]就已將幾乎可以覆蓋全身的電加熱裝置裝配于面料和里料之間,設計出了最早的一款電加熱服裝,開辟了電加熱裝置與服裝結合的新紀元。而后,各種電熱服裝產品也被設計和開發出來。在1996年至1997年秋冬高級時裝系列中,美國人lapidus設計了一款專門用于為各種電子設備進行充電的太陽能連帽服,配備了微型鋰電池并在其前胸、兩臂上分別裝配了單晶硅光伏太陽能電池。自此,配備太陽能蓄電裝置的服裝開始登上國際舞臺。德國設計師拉皮迪斯曾經設計了一套太陽能光伏帽子和手套被稱為“無盡溫暖”,在手套和帽子上都裝配了數塊帶有黑色雪花狀的超薄太陽能光伏板,它們能夠高效地吸收太陽光并將其轉化成能量。再由其內部配備的傳熱引導線,將熱量均勻傳遞開來[24]。

相對于國外而言,我國在太陽能蓄電加熱服裝的研究上雖然起步較晚,但是理論研究成果較多,甚至也有一些成衣出現。國內太陽能蓄電加熱裝置在服裝上的應用案例見表3。

綜上所述,太陽能蓄電加熱裝備在服裝方面的應用主要表現為太陽能服裝的設計與開發及實用新型專利。此類太陽能蓄電加熱服裝雖然結構簡單、制作方便、成本低廉、保暖效果明顯,但是安全性不高,后期服裝保養和洗滌比較麻煩。以往研究者對如何提高太陽能蓄電加熱裝置的工作效率、穿著舒適性的研究較少;在太陽能加熱裝置的研究上,太陽能光伏電池和電加熱元件多采用單一種類,缺乏系統優化;大多數的研究集中于上衣或者下裝等簡單的服裝制式,對連體式袍類全覆蓋型服裝研究甚少;缺乏對太陽能蓄電發熱裝置在服裝上運用的評價標準和行業規范。因此,太陽能蓄電裝置在服裝上的應用還有很大的研究空間。

3 結語

進入新世紀以來,太陽能服飾得到了很快的發展,但是當前依然屬于起步階段,將來必然具有廣闊的發展空間。太陽能蓄電發熱服裝在冬季保暖服飾方面更具有優勢,通過改造設計,這類服裝不但能夠保暖而且可以具有充電、照明、警示等功能,滿足戶外情境下的多種需求。另外,隨著太陽能蓄電發熱裝置研究水平的進步以及柔性傳感器技術的不斷突破,必將大大提升太陽能蓄電發熱服裝的智能化水平和著裝舒適性。