基于太陽能熱應用的TiO2/CuFeMnO4吸收涂料光學特性研究

魯紅光

(江西新能源科技職業學院,江西 新余 338004)

1 引言

研究吸收涂層的目的就是最大限度地吸收入射的太陽能，減少表面的輻射熱損，以提高光熱轉換效率[1]。在眾多太陽能吸收材料中，涂料CuFeMnO4，由于其成本低，且易于涂在各種基材上，比較適用于家用太陽能熱水器[2]?？梢酝ㄟ^計算吸收-發射比α/ε來評價這種太陽能吸收材料涂層的性能[3]。對于光譜選擇性測試，一個好的太陽能吸收器要求能夠吸收更多的太陽光，波長范圍為300 nm < λ < 2500 nm時，太陽輻射能最強[4]，而在遠紅外線范圍要求發射較少。根據這一準則，優良的選擇性太陽能吸收器在300～2500 nm波長范圍內應具有高吸收率，α>0.9，低發射率，ε <0.2[5]，優質太陽能吸收體的α/ε比值應較高。

雖然SiO2使涂料的吸收率有顯著提高，但0.62的熱散發率不利于太陽能吸熱器的應用。為了提高CuFeMnO4涂料的吸收效率，提高其對太陽光譜的選擇性，需要提高其吸收發射比α/ε?？梢酝ㄟ^選擇低紅外(IR)透射粘合劑來降低其熱發射率，提高α/ε比值。研究表明，TiO2在太陽光譜可見區域具有高的紅外透射率和高的吸收率[6]。

2 實驗程序

2．1 二氧化鈦(TiO2)溶液及TiO2/FeMnCuO4吸附涂料的制備

用異丙醇(純度為99.7%)制備1 mol的鈦酸異丙酯(純度為99.7%)溶液，在強烈攪拌下將28 mL溶液逐漸加入到72 mL蒸餾水中，以分散白色混凝物。該混合物在30 ℃下攪拌1 h，以確保完全水解。然后將1 mol體積為5 mL的硝酸溶液加入到混合物中，以加速膠溶化，并在70 ℃下攪拌7 h，以確保異丙醇蒸發并冷卻至室溫。然后將該溶液冷卻到室溫，形成穩定的透明的TiO2溶液[7]。以不同比例的CuFeMnO4溶液與TiO2溶液混合，制備TiO2/FeMnCuO4吸附涂料。

2．2 熱發射率測量

吸收體的熱發射率是光譜選擇性的一個重要參數。由于集熱板由集熱板本身、粘結劑(TiO2)和吸收涂料組成，因此有必要了解每次使用時其熱發射率的變化情況。測定鋁板的熱發射率，從室溫到略高于100 ℃，因為這是家用平板太陽能集熱器的操作范圍[8]。采用穩態量熱法半球發射率測量，計算公式為[9]：

(1)

式(1)中：I為外加電流；V為外加電壓；T為板的溫度；Ta為環境溫度；ε為熱發射率；σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數。

圖1顯示了用于熱發射率測量的裝置。不同的電流通過尺寸為(4.5 ×1.5) cm2的鋁板，鋁板從室溫逐漸加熱到100 ℃以上。通過極板的交流電是由變流器調節的。在加熱溫度略高于100 ℃后，電力供應就停止。當樣品冷卻到室溫時，同時測量傳感器電壓和表面溫度。環境溫度也可以用溫度計監測。在測量過程中，用耐高溫膠帶將熱流傳感器夾在平板上。

圖1 熱發射率測量裝置

2．3 光學和形態表征

在300～2500 nm波長范圍內研究鋁基板表面在近似正入射下的反射率，這是太陽能光熱應用的范圍。反射和吸收測量采用計算機雙光束固體光譜3700 DUV島津分光光度計與高反射鋁鏡作為參考。用光學顯微鏡和Carl Zeiss SIGMA(型掃描電子顯微鏡) FE-SEM(場發射掃描電鏡) OXFORD X-ACT(能譜儀)配備EDS檢測器(SEM)對樣品進行顯微觀察。

3 結果與討論

通過研究TiO2/CuFeMnO4涂料的表面形貌，顯微圖如圖2所示，觀察到TiO2/CuFeMnO4涂料表面開裂成塊狀。裂縫大為1 μm，塊體多為2 μm以上，單個塊體孔隙小于500 nm。對涂層進行了EDX分析，吸收體基體中元素的存在以原子百分比表示，如表1所示。從表1中可以檢測到氯，但氯在化合物中所占的比例最小。氯的存在可能是由于氯化銅或氯化鐵的殘留物，它們構成了制備CuFeMnO4吸收劑的試劑的一部分。

表1 浸涂TiO2/CuFeMnO4涂料對紋理鋁表面的EDX分析

圖2 (a) X 5000、(b) X 10000放大倍數下浸涂TiO2/CuFeMnO4涂料在紋理鋁表面形成的SEM顯微照片

圖3顯示了兩組反射光譜：①在紋理鋁表面涂敷TiO2薄膜，②在紋理鋁表面涂敷TiO2/CuFeMnO4涂料薄膜。由上一組曲線可知，相同厚度為0.0014 g/cm2的TiO2薄膜在紋理鋁上的反射率為41% ～ 71%。結果表明，在300～2500 nm光譜范圍內，由于鋁襯底紋理化所用蝕刻劑的濃度不同，其反射率偏差小于4%。蝕刻劑濃度如圖3所示為高氯酸與乙醇體積比。下面的一組曲線顯示，在紋理鋁表面涂上TiO2/CuFeMnO4涂料后，反射率急劇下降，表明吸收增強。需要指出的是，從較低的一組曲線中可見光譜范圍( 400～700 nm )的反射率低于15%，而紅外線的反射率增加，可達35%。

從圖3的上下兩組曲線中可以清楚地看出，腐蝕劑濃度影響反射率，但在反射率上沒有任何一致的規律性。結果表明，TiO2/CuFeMnO4涂層在紋理鋁表面的最高反射率為35%，達到了65%以上的吸收。在同一波長300～2500 nm范圍內，TiO2/CuFeMnO4涂層的反射率在2.5%～35%之間，而未加CuFeMnO4的涂層反射率在40%～75%之間。因此，摻入TiO2的CuFeMnO4涂料對CuFeMnO4的吸收有明顯的改善。拋光鋁具有最高的熱發射率，而在紋理表面涂上TiO2會降低熱發射率，再在表面涂上吸收涂料CuFeMnO4會進一步降低熱發射率。實驗證明TiO2/CuFeMnO4是太陽能集熱器的一個很好的吸收材料,其吸收率高達65%以上。

圖3 反射光譜：TiO2涂層紋理鋁表面(頂部)和TiO2/CuFeMnO4涂層紋理鋁表面(底部)

采用基于熱流的技術在單個測試中測量所有波長和所有角度的發射率，總半球發射率，得到圖4，其顯示了24 ℃環境溫度下鋁表面經各種處理后的熱發射率。可以推斷，所有被研究表面的熱發射率在0.005～0.016之間。圖4中顯示了隨著樣品溫度的升高，熱發射率增加的趨勢。拋光鋁具有最高的熱發射率，而在紋理表面涂上TiO2會降低熱發射率，再在表面涂上吸收涂料CuFeMnO4會進一步降低熱發射率。鋁的熱發射率在0.03 ～ 0.06之間。

圖4 鋁在24 ℃下的熱發射率

從圖3中看出：值得注意的是，較低的一組曲線顯示了反射率隨波長增加，高反射率在遠紅外區域。使用珀金-埃爾默光譜2000紅外分光光度計測量了超過3000 nm的波長，記錄了2500～ 25000 nm波長范圍的反射率超過40%，在遠紅外線范圍具有較高的反射率。

4 結論

在紋理鋁基板上TiO2/CuFeMnO4涂層具有對太陽能高的吸收率。鋁基板是不透明的，測量得到15%～35%的反射率記錄，這意味著TiO2/CuFeMnO4涂層在紋理鋁基板達到65%～85%的吸收率。對于襯底溫度范圍在40～100 ℃之間，TiO2/CuFeMnO4涂層記錄的熱發射率值在0.005～0.016之間。TiO2/CuFeMnO4涂層具有較高的吸收率和較低的熱發射率，具有較高的吸收-發射率比α/ε，證明TiO2/CuFeMnO4涂料是一種優良的選擇性吸收材料。