气凝胶将成为光热应用重大技术革新

　　气凝胶的结构和性质

　　1.气凝胶的结构

　　1931年Kistler首次以水玻璃为原料采用超临界干燥法成功制备二氧化硅气凝胶材料。常见的二氧化硅气凝胶是由二氧化硅网络骨架和填充在纳米孔隙中的气体所构成的高分散固体材料。气凝胶内部纳米网状结构如图1所示，细部结构一般呈链状或串珠状结构，直径约为2~20nm之间，其内部孔隙率在80%以上。

图1气凝胶及其内部多孔结构

　　2.气凝胶的性质

　　气凝胶具有很多独特的性质，如比重仅为水的1/5，是目前世界上最轻的固体。气凝胶具有优异的绝隔热性能，其耐热温度可高达300℃以上，之所以具有如此良好的隔热性能，是由气凝胶内部均匀的纳米多孔结构所决定的，图2所示。

图2气凝胶部分性质展示图

　　对于气凝胶等高孔隙率多孔质材料，其传热过程包含三种形式，即对流传热、通过气凝胶固体骨架和内部孔隙的热传导、辐射传热，和内部空气发生的热对流完成。在气凝胶材料中，由于大量纳米孔的存在，气孔内的空气分子失去了自由运动的能力，材料的热对流传热量几乎为零。同时由于气凝胶材料本身具有极低的体积密度，材料的热传导率也很低。此外由于气凝胶内部纳米级多孔结构使其内部含有很多的反射界面与散射微粒，再加上在热辐射吸收方面对材料进行了改性，可以使气凝胶的热辐射经反射、散射和吸收而降到最低。因此，气凝胶材料不论是在高温或是常温时均具有较低的导传热系数。

　　气凝胶还具有良好的透光性，其对太阳光的透过率可达到87%以上。二氧化硅气凝胶的折射率很小(n=1.01～1.06)，这意味着二氧化硅气凝胶对入射光几乎没有反射损失，能有效地透过太阳光，如10mm厚的高透光二氧化硅气凝胶层(由2～4mm气凝胶颗粒填充)的可见光透过率为85%，太阳光透过率为88%。

二氧化硅气凝胶的物理性质表

　　气凝胶在太阳能领域的应用

　　由于气凝胶材料具有优异的隔热性能和良好的透光性，因此这种材料优先被考虑应用于太阳能光热领域。如太阳能热水器的储水箱、管道和集热器的高效保温，此外还包括供热水、暖房、融雪系统、热发电系统等领域。气凝胶太阳能集热器供热系统及气凝胶建筑节能窗的实际应用如图3所示。

图3气凝胶太阳能集热器在建筑节能窗上的应用

　　太阳能热集热装置的高光透过率和高效保温，成为能否进一步提高太阳能装置的能源利用率和进一步提高实用普及的关键因素。在国外，将气凝胶绝热材料应用于屋面的太阳能集热器已经有过先例。此外，对气凝胶隔热及TiOxNy选择性吸收涂层的平板型太阳能集热器的各种集热系统，进行了多年性能及抗冻试验研究。集热器采用蛇形弯管式板芯设计结构，集热板表面具有选择性吸收膜TiOxNy，气凝胶镶嵌于集热板和玻璃盖板之间，其断面结构如图4所示。

图4具有气凝胶隔热材料和TiOxNy选择性涂层的太阳能集热器结构图

　　图5给出了气凝胶太阳能集热器的热损失计算结果，并与传统平板型太阳能集热器的热传导、对流及辐射损失进行了对比分析。气凝胶太阳能集热器的热传导、辐射、对流损失分别占总热量损失的14.3%、17.8%、0%，总集热效率为67.9%；而同样外界环境条件下的传统型集热器的相应值分别为9.3%、7.8%、29.4%，总集热效率为53.5%。

图5两种太阳能集热器的热损失对比

　　由此可见，气凝胶太阳能集热器的热传导和辐射损失比率比传统型稍大，而其对流损失为0，而传统型集热器的对流损失占比为29.4%，因此气凝胶集热器集热效率和传统型相比提高了14.4%。由于集热效率的提高，1.4m2的气凝胶太阳能集热器就能达到2.0m2的传统平板型太阳能集热器的集热效果，厚度也可由传统型的100mm减少到50mm。

　　图6为使用气凝胶隔热和TiOxNy选择性涂层集热板太阳能集热器的实物结构图。依据日本JIS标准对该太阳能集热器单体产品进行了包括热性能在内的全部参数测试。此外由多个集热器构成的采暖、融雪、热水等多种太阳能热利用系统，在寒冷地区进行了多年试验，证明了它的抗冻性能和具有很高的实用价值。

图6气凝胶隔热&TiOxNy选择性吸收涂层平板型太阳能集热器

　　图7为具有气凝胶隔热&TiOxNy选择性吸收涂层太阳能集热器（线1）的效率曲线。图中横坐标为集热器内部平均温度和外气温的温差与日射强度的比值，纵坐标为集热效率。如图所示，与真空管型（线2）以及传统型平板太阳能集热器（线3）相比，集热效率高。图中效率曲线的斜率表示集热器的热损失系数，气凝胶隔热和TiOxNy选择性吸收涂层平板太阳能集热器、真空管型和传统平板型太阳能集热器的热损失系数分别约为UL=1.93W/(m2·℃)、2.71W/(m2·℃)和4.44W/(m2·℃)。由此可见气凝胶隔热和TiOxNy选择性吸收涂层平板太阳能集热器比其他两种市场现有产品集热性能要优越很多，将成为未来光热市场的主要产品。

图7太阳能集热器的效率比较

　　图8为气凝胶隔热型太阳能集热器的性能试验场地。这些试验包括不同倾斜角度安装的气凝胶集热器的集热性能对比、气凝胶集热器家庭供水、室内地板采暖、地面融雪及室外场地花园和水池的地中储热系统实验等。同时对气凝胶玻璃窗与普通玻璃窗的隔热性能也进行了试验对比。

图8气凝胶隔热太阳能集热器的试验场地

　　如图9所示，1.4m2气凝胶隔热型太阳能集热器共36块，被用于日本北海道夕张市郊外大棚中哈密瓜秧苗的采暖。由于气凝胶太阳能集热器具有极强的抗冻性能，在北海道每年最冷的2~6月份，用于供热以防秧苗冻坏。原来的防冻措施为燃油锅炉加热水，通过热水管路加温大棚，每年锅炉燃油费用为20万元。通过太阳能集热系统的辅助加热改良措施，燃油费用削减三分之一，节省了6万元人民币，这极大地调动了当地农民的哈密瓜种植热情。

图9气凝胶隔热型太阳能集热器在农业大棚上的应用

　　气凝胶在光热领域的前景与展望

　　中国是太阳能光热利用领域的大国，目前光热应用面积已占全球的76%，是整个欧美地区的4倍之多，并且每年以20%~30%的速度持续增长。气凝胶作为未来太阳能光热产品的核心技术材料，必将能促进现有光热产品的改型创新，提高产品性能及市场的普及率，促进太阳能光热市场的发展。

　　随着气凝胶制备技术的不断完善和工业化成本的不断降低，这种新型隔热材料必将会在太阳能利用领域发挥越来越重要的作用。