太陽能的吸收并非越多越好

太陽能是一種清潔無污染可再生的綠色能源，因此大規(guī)模收集及利用太陽能對于解決世界范圍內(nèi)的能源危機意義重大。然而太陽能的能量密度較低，并且物體表面吸收的能量又會以一定形式輻射出來。針對于這些問題，在20世紀(jì)50年代，以色列物理學(xué)家Harry Z. Tabor，提出了太陽能光譜選擇性吸收膜層的概念。此后，世界各國對太陽能光譜選擇性吸收薄膜展開了大量的研究。現(xiàn)如今，從選擇膜的理論基礎(chǔ)研究到制備工藝，已經(jīng)形成了完整的學(xué)術(shù)體系，成為太陽能熱利用技術(shù)領(lǐng)域的重要分支。 　　在理解選擇吸收的原理之前，首先應(yīng)明確幾個概念。 　　(1)吸收率ε，指物體表面吸收的光能與光能總量之比。 　　(2)發(fā)射率α，指物體輻射出射度與黑體輻射出射度之比。 　　(3)輻射出射度：單位時間內(nèi)離開輻射源表面一點處的面單元上的輻射能量除以該單元面積。 　　(4)普朗克定律，該定律表示了黑體輻射出射度與波長及溫度的關(guān)系。 　　(5)基爾霍夫定律，基爾霍夫根據(jù)嚴(yán)密的推導(dǎo)得出實際物體在一定溫度下對于一定波長的光，其吸收率等于發(fā)射率。當(dāng)光線照射到物體表面時，其能量將被分為三個部分，一部分被吸收(α)，一部分被反射(γ)，一部分透過物體發(fā)生透射(t)，即α+γ+t=1。而被吸收的部分能量還會由于熱輻射向周圍環(huán)境中輻射熱量。物體的熱輻射與物體的溫度以及輻射光的波長有關(guān)。 　　太陽的表面溫度約為6000K，其輻射的能量主要集中在可見光及近紅外區(qū)，而我們生活中常見的物體，表面溫度大概在300K左右，其輻射的能量主要集中在紅外線區(qū)域。這也就是說物體表面所吸收的太陽光能，主要集中在可見光以及近紅外區(qū)，而物體表面所發(fā)射的能量則主要集中在紅外線區(qū)。實際物體的輻射出射度(可理解成其損失的光能)等于與其溫度相同的黑體輻射出射度與發(fā)射率的乘積。 　　那么如果我們能使用一種薄膜，使其對于可見光以及近紅外區(qū)域具有較高的吸收率(獲得較多的光能)，并且對于紅外線區(qū)域的光吸收率為零，根據(jù)基爾霍夫定律ε=α，則其對于可紅外區(qū)域光的發(fā)射率為零(減少能量損失)。則這種薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)有效收集太陽能薄膜的目的。這便是太陽能選擇性吸收薄膜的原理。綜合以上，適合作為選擇吸收表面的材料大概有三類： 　　(1)在可見光及近紅外范圍內(nèi)有較高的吸收，在紅外范圍是透明的。 　　(2)對可見光及近紅外范圍內(nèi)有較高的吸收，在紅外范圍內(nèi)有較高的反射。 　　(3)在可見光及近紅外區(qū)是透明的，在紅外范圍具有較高的反射率。 　　在自然界并不存在理想的選擇性吸收材料和表面，因此在制備選擇性吸收薄膜時通常采用多層膜結(jié)構(gòu)，并將光學(xué)效應(yīng)應(yīng)用其中。在最外層利用減反射膜減少表面的反射損失，在里層利用薄膜的干涉效應(yīng)和光學(xué)陷阱去增強表面的吸收效率，最內(nèi)層采用紅外反射層，以減少紅外光的吸收。