黑体材料在双面玻璃调温系统中的应用

摘要: 太阳能是地球上取之不尽、用之不竭的能源，充分的利用太阳能是解决当今能源问题的一种有效手段。双面玻璃调温系统是利用黑体材料的辐射原理，将普通玻璃做成三层，通过光热交换，实现调节室内温度的目的。该方法不仅能有效的利用太阳能，而且能较好的起到节能环保的作用。

关键词:黑体辐射；黑体材料；光谱选择性吸收表面；Ni-Zn-S选择性涂料   

1 引言               

随着人类社会的不断发展，人与自然的矛盾也愈显突出。目前世界范围内所面临的最为突出的问题就是环境与能源问题，即环境的恶化和能源短缺的问题。而人们近年来对太阳能的研究利用已经显示了积极有效的作用。太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，不产生任何环境污染。双面玻璃就是一种利用太阳能的新型工具。转载于 无忧论文网 www.wypaper.com

2 技术理论与数学模型

2.1 太阳热辐射的机理

太阳主要以电磁辐射[1]的形式给地球带来光和热。太阳辐射波长主要分布在0.25—2.5之间，太阳光谱中的红外波段直接产生热量，从而实现光热转换。从物理角度来讲，黑色意味着光线几乎全部被吸收转化成热能。但事实上材料本身还有一个热辐射问题[2-4]。从量子物理可知，黑体辐射的波长在3--100附近。太阳光谱的波长分布范围和黑体辐射波长范围基本上不发生重叠。

2.2  双面玻璃材料的选择

要实现太阳能最佳光热转换，所用材料必须满足：

（1） 尽可能多的吸收太阳光，即有很高的吸收率；       

（2） 尽可能少的向外辐射能量，即有很低的发射率。

一般来说，对同一波长，材料的吸收率与发射率有相同的数值[5]。且吸收率，反射率r和透射率t之间满足以下关系：

对于不透明的材料有  t=0  即  

而对黑体材料有     即    

由以上知道，在太阳光谱范围里最有效的光热转换材料是在  且  的情况。

我们知道光从一边传导到另一边有能量损失（如图1），设传入光能为I，为玻璃对光的吸收率。则光透过dl厚度时有 ：     

图1  光的传导能量示意图

Fig.1 The mere one conducts the sketch map of energy

光从I减少到时有  

可得：      

对普通光学玻璃来说，由于很小，对光的吸收是很有限的。为了更好的利用光热转换，提高利用率，在双面玻璃接受阳光的一侧做成光谱选择性吸收表面，其特点是对太阳光的吸收率很高，发射率却很低。由于太阳辐射波长大多在2.5以内，而热辐射多在3以外。这样，材料就具有了选择性吸收的条件，镍或锌铁板上沉积的Ni-Zn-S选择性涂料可以使的其吸收率达0.96，而发射率仅为0.07，其吸收率与发射率的比值达到13.7。由此在玻璃上加了镍或锌铁板上沉积的Ni-Zn-S选择性涂料可以充分吸收太阳光能进而转换成热能并加以利用。

2.3  双面玻璃热量传递过程

在热量传递过程中，由传热方程

（K为传热系数，t温差，A单位面积）

可知物体两边单位面积传热速度与该物体的传热系数K和物体两边的温差成正比。因此双面玻璃应具有较高的传热系数，钴原子具有较大的传热系数，在玻璃冷凝前渗入适量的钴原子，可以起到较好的效果。

3  双面玻璃的制作原理

双面玻璃分为三层：最外面的为光谱选择性吸收层 (1层)。尽可能的吸收外界环境传递的辐射，而又最大限度的减少自身的辐射而减少热能损失。中间一层为热量传导致层(2层)。该层既是热能传递的导体，又是玻璃的骨架部分，因此不仅有一定的导热性能，还有一定的强度。为了提高中间层传递从光谱选择性吸收层传递来的热量，可以在中间层中加入一定量的固体颗粒（钴原子），一方面可以提高玻璃的比热容，增加对热流