納米微孔鋁片太陽(yáng)輻射吸收性能測(cè)試研究

何 松， 陳 旺， 劉海力， 楊晚生， 趙旭東

(1.湖南人文科技學(xué)院 能源與機(jī)電工程學(xué)院， 湖南 婁底 417000； 2.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006； 3.赫爾大學(xué) 工程學(xué)院， 英國(guó) 赫爾 HU6 7RX)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的化石燃料不僅是不可再生能源，而且還會(huì)嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。近年來(lái)，對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹难芯恳呀?jīng)成為熱點(diǎn)。太陽(yáng)能以其普遍、安全、利用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中。然而普通吸熱板對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收系數(shù)不高，導(dǎo)致太陽(yáng)能無(wú)法得到充分利用，因此，如何提高太陽(yáng)能的利用效率已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)。集熱器是目前應(yīng)用較為廣泛的太陽(yáng)能吸收裝置，傳統(tǒng)集熱器因其熱效率不高而限制了它的應(yīng)用推廣。目前，強(qiáng)化集熱器傳熱性能的改進(jìn)措施主要包括結(jié)構(gòu)改造和表面涂層改造。

改變吸熱板結(jié)構(gòu)。王軍鋒等[1]設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)流板滲透式太陽(yáng)能空氣集熱器，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，這種集熱器較傳統(tǒng)太陽(yáng)能空氣集熱器在集熱效率和出風(fēng)口溫度上都有較大提高，集熱效率在相同條件下提高約20%。朱婷婷等[2]在傳統(tǒng)平板太陽(yáng)能空氣集熱器上添加了微熱管陣列這種高效的導(dǎo)熱元件，使該新型集熱器在風(fēng)量為290 m3/h的條件下，瞬時(shí)集熱效率穩(wěn)定在68%。劉思宇等[3]在吸熱板上鍍上藍(lán)鈦膜，制成雙層中空玻璃蓋板的太陽(yáng)能平板集熱器，通過(guò)改變進(jìn)口溫度和工質(zhì)流量，研究了集熱器的集熱性能，結(jié)果表明：該集熱器的集熱效率曲線截距為0.83，熱損系數(shù)為3.1W/(m2·K)。李世平等[4]以熱管為集熱部件，試制了一種平板式熱管太陽(yáng)能空氣集熱器，在日總太陽(yáng)輻射為14.4 MJ/m2～19.8 MJ/m2的氣候條件下，平板式熱管太陽(yáng)能空氣集熱器的瞬時(shí)集熱效率在15.3%～74.5%之間。

上述研究表明，對(duì)太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)并不能大幅度提升其對(duì)太陽(yáng)能的吸收效率，且增加集熱器整體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，會(huì)增加生產(chǎn)成本，也不利于后期的運(yùn)行維護(hù)。對(duì)太陽(yáng)能集熱器的金屬表面進(jìn)行涂層處理已經(jīng)成為目前的研究熱點(diǎn)。

吸收涂層改造。周福林等[5]采用激光熔覆法在不銹鋼基體上制備了多尺度碳化鈦基金屬陶瓷涂層，該涂層表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率為86%，發(fā)射率為4%，具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性。王曉波等[6]采用多弧離子鍍制備了Cr/CrAlN/CrAlON/CrAlN/CrAlON/CrAlO多吸收層光譜選擇性吸收涂層，其吸收率達(dá)0.90，發(fā)射率為0.15。Gao等[7]采用磁控濺射技術(shù)將TiC/Al2O3涂料噴涂于不銹鋼表面，這種新型涂層表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收系數(shù)為0.92，在82℃時(shí)其熱反射率為0.13，該涂層具有較好的穩(wěn)定性，當(dāng)真空溫度達(dá)到650 ℃時(shí)，該涂層的吸收系數(shù)仍能穩(wěn)定2h。Feng等[8]利用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)將光譜選擇性涂層TiAlN/TiAlSiN/Si3N4等多層涂層沉積在不銹鋼基體上，在最佳條件下該涂層太陽(yáng)輻射平均吸收率達(dá)0.938，反射率為0.099，在高溫272 ℃下持續(xù)處理300 h，該涂層表面結(jié)構(gòu)仍能保持穩(wěn)定。

上述研究表明，吸收涂層確實(shí)對(duì)太陽(yáng)能有較高的吸收系數(shù)。但是，孫志強(qiáng)等[9]研究發(fā)現(xiàn)，表面涂層容易氧化，且涂層中的不同金屬離子會(huì)相互擴(kuò)散，增強(qiáng)其對(duì)太陽(yáng)輻射的反射率，在使用一段時(shí)間后，其對(duì)太陽(yáng)能的吸收系數(shù)會(huì)明顯降低。李世杰等[10]采用直流及中頻反應(yīng)濺射在Cu基底上沉積SiCrOxNy光譜選擇性吸收涂層，通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間的推移，該吸收涂層表面出現(xiàn)了界面處元素?cái)U(kuò)散、Cu基底氧化以及涂層脫落等現(xiàn)象，太陽(yáng)能吸收效率明顯降低。

為解決上述問(wèn)題，本文通過(guò)陽(yáng)極氧化法，在鋁基材料表面形成納米微孔，通過(guò)增加表面的比表面積和太陽(yáng)光線在表面納米微孔內(nèi)的反射次數(shù)來(lái)提高其對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收能力。由于納米微孔是通過(guò)陽(yáng)極氧化直接生成在金屬表面，所以不存在上述脫落問(wèn)題。本試驗(yàn)通過(guò)陽(yáng)極氧化法制得了30nm和400nm兩種納米孔徑的鋁片，通過(guò)所搭建的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)納米微孔鋁片表面的太陽(yáng)輻射吸收性能進(jìn)行了測(cè)試，獲得了不同孔徑納米微孔鋁片表面的太陽(yáng)輻射吸收性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 樣品工作原理及測(cè)試裝置

1.1 測(cè)試樣品工作原理

當(dāng)太陽(yáng)光線照射到納米微孔鋁片表面時(shí)，一部分會(huì)被鋁片表面吸收，一部分會(huì)在納米微孔內(nèi)部反射，最終被鋁片吸收。這一過(guò)程可以減少太陽(yáng)光線從鋁片表面向外界環(huán)境的反射，從而提高太陽(yáng)能的吸收效率。

此外，小孔徑納米微孔鋁片的多重反射效應(yīng)更為明顯，相同孔深下，孔徑越小，太陽(yáng)光線反射次數(shù)越多，鋁片的吸熱量越大。

1.2 測(cè)試裝置

為分析不同孔徑納米微孔鋁片表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收性能及其影響因素，通過(guò)所搭建的試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)孔徑30 nm和400 nm(受試驗(yàn)條件所限，能制備的納米微孔鋁片孔徑范圍為30 nm～400 nm；30 nm孔徑為納米級(jí)微孔，400 nm孔徑為微米級(jí)微孔)的納米微孔鋁片的太陽(yáng)輻射吸收性能進(jìn)行了測(cè)試，并將其與普通拋光鋁片的吸收性能進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試平臺(tái)構(gòu)造如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)構(gòu)造圖Fig.1 Structure diagram of test platform

測(cè)試裝置由太陽(yáng)輻射模擬器、測(cè)試鋁片(包括拋光鋁片、30 nm微孔鋁片和400 nm微孔鋁片)、支架、蓄水容器、隔熱材料、參數(shù)測(cè)試儀器等組成。太陽(yáng)輻射模擬器電壓為220 V，最大功率2 000 W，其輻射強(qiáng)度范圍為100 W/m2～800 W/m2；三種鋁片長(zhǎng)寬均為150 mm×100 mm，重8 g；蓄水容器尺寸均為150 mm×100 mm×10 mm，每個(gè)蓄水容器可盛裝150 g水；隔熱材料為擠塑聚苯乙烯板，其厚度為20 mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.035 W/(m·K)。通過(guò)AT4340多通道溫度監(jiān)測(cè)儀、K型熱電偶和JTTF太陽(yáng)輻射觀察站等儀器，對(duì)鋁片表面溫度、水溫、環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度進(jìn)行采集。K型熱電偶將多通道溫度監(jiān)測(cè)儀與蓄水容器中的水相連，記錄水溫的變化。蓄水容器內(nèi)均勻布置3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，取平均值，測(cè)溫點(diǎn)懸浮在水中，不接觸任何壁面。

本測(cè)試在控制小室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試鋁片包括拋光鋁片、30 nm微孔鋁片、400 nm微孔鋁片，測(cè)試模擬的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度工況為100 W/m2、200 W/m2、300 W/m2、400 W/m2、500 W/m2、600 W/m2、700 W/m2、800 W/m2；每組工況測(cè)試時(shí)間為3 h，每10 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。本試驗(yàn)所用的測(cè)試儀器及參數(shù)如表1所示。

表1 測(cè)試儀器及其性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of testing instruments

2 測(cè)試結(jié)果與分析

為分析不同鋁片表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收性能，本試驗(yàn)選取拋光鋁片、30 nm微孔鋁片和400 nm微孔鋁片，分別在輻射強(qiáng)度為100 W/m2～800 W/m2的工況下進(jìn)行測(cè)試。

通過(guò)分析三種鋁片覆蓋下容器中水的溫度變化，評(píng)價(jià)其對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收性能。

2.1 典型工況下性能測(cè)試分析

2.1.1吸熱量

1) 吸熱量測(cè)試結(jié)果分析

吸熱量是指鋁片表面吸收太陽(yáng)輻射后鋁片本身內(nèi)能增量與鋁片下部容器內(nèi)水所吸收的熱量之和(由于蓄水容器四周包覆有隔熱材料，故忽略容器通過(guò)側(cè)面和底部的散熱量)，其計(jì)算公式為：

Qz=Qal+Qw

(1)

Qal=calmal(Tal-Tal0)

(2)

Qw=cwmw(Tw-Tw0)

(3)

式中：Qz為總吸熱量，J；Qal為測(cè)試鋁片吸熱后的內(nèi)能增量，J；Qw為水吸收的熱量，J；cal為測(cè)試鋁片的比熱容，J/(kg·℃)；mal為鋁片的質(zhì)量，kg；Tal為測(cè)試鋁片溫度，℃；Tal0為測(cè)試鋁片初始溫度，℃；cw為水的比熱容，J/(kg·℃)；mw為容器內(nèi)水的質(zhì)量，kg；Tw為水溫，℃；Tw0為水的初始溫度，℃。

本文以300W/m2輻射強(qiáng)度為典型工況(氣象部門數(shù)據(jù)顯示，廣州白天的年平均輻射強(qiáng)度為268.6W/m2)，在此工況下鋁片表面的吸熱量計(jì)算結(jié)果如表2和圖2所示。

表2 不同鋁片單位面積吸熱量Tab.2 Amount of heat absorption of different aluminum sheets per unit area

圖2 不同鋁片吸熱量曲線圖Fig.2 Amount of heat absorption of different aluminum sheets

根據(jù)測(cè)試計(jì)算結(jié)果可以分析得出以下結(jié)論：

a) 拋光鋁片平均單位面積吸熱量為28.52 kJ/m2，30 nm微孔鋁片平均單位面積吸熱量為43.50 kJ/m2，400 nm微孔鋁片平均單位面積吸熱量為37.08 kJ/m2；30 nm微孔鋁片表面平均單位面積吸熱量為拋光鋁片的1.53倍，為400 nm微孔鋁片的1.17倍，400 nm微孔鋁片表面平均單位面積吸熱量為拋光鋁片的1.30倍；

b) 任意時(shí)刻，30 nm微孔鋁片表面總吸熱量最高，400 nm微孔鋁片次之，拋光鋁片最小，說(shuō)明納米微孔鋁片表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收性能優(yōu)于普通拋光鋁片，而30 nm微孔鋁片表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收性能優(yōu)于400 nm微孔鋁片；

c) 第1 h內(nèi)吸熱量增幅明顯，第2 h吸熱量增幅趨于平緩，第3 h吸熱量基本趨于平衡，說(shuō)明隨著鋁片和水溫度的升高，其向周圍輻射釋放的熱量也在增多。

2) 吸熱量模型

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合圖2中各曲線的走勢(shì)，可將鋁片吸熱量模型設(shè)為指數(shù)函數(shù)模型：

(4)

Q∞-Qz=Ce-βτ

(5)

根據(jù)實(shí)際物理變化過(guò)程，當(dāng)τ=0時(shí)，Qz=0，當(dāng)τ=∞時(shí)，Qz=Q∞，將其代入式(5)，得：

Qz=Q∞(1-e-βτ) (0<τ)

(6)

式中：Qz為總吸熱量，J；Q∞為穩(wěn)定狀態(tài)總吸熱量，J；β為系數(shù)；τ為時(shí)間，min。

上述分析表明，不同鋁片下水的吸熱量隨時(shí)間表現(xiàn)為指數(shù)遞增規(guī)律。不同鋁片的模型系數(shù)Q∞、β及測(cè)試值與模型值的平均相對(duì)誤差如表3所示。

表3 不同鋁片的模型系數(shù)及平均相對(duì)誤差(吸熱量模型)Tab.3 Model coefficients and average relative errors of different aluminum sheets (heat absorption model)

2.1.2升溫速率

升溫速率是指在相同輻射強(qiáng)度下，三種測(cè)試鋁片覆蓋下容器內(nèi)水的溫度隨時(shí)間的變化速率，由于鋁片本身吸熱量?jī)H占水吸熱量的1%左右，因此，本試驗(yàn)升溫速率擬采用水的升溫速率，其計(jì)算公式為：

(7)

式中：V為升溫速率，℃/min；(T2-T1)為鋁片在測(cè)試時(shí)段內(nèi)的溫度差，℃；τ′為測(cè)試時(shí)間間隔，min。

升溫速率測(cè)試計(jì)算結(jié)果如表4所示，圖3為三種鋁片覆蓋下容器中水的溫度隨時(shí)間的變化曲線圖。

結(jié)合表4、圖3可以分析得出：

圖3 不同鋁片升溫速率曲線圖Fig.3 Amount of heating rate of different aluminum sheets

表4 不同鋁片升溫速率Tab.4 Temperature rising rate of different aluminum sheets

1) 拋光鋁片平均升溫速率為0.055 ℃/min，30 nm微孔鋁片平均升溫速率為0.079 ℃/min，400 nm微孔鋁片平均升溫速率為0.066 ℃/min；

2) 在第1 h內(nèi)，30 nm微孔鋁片升溫速率最大，400 nm微孔鋁片次之，拋光鋁片最??；第2、3 h內(nèi)，三種鋁片升溫速率基本趨于一致；

3) 30 nm微孔鋁片平均升溫速率為拋光鋁片的1.44倍，為400 nm微孔鋁片的1.20倍，400 nm微孔鋁片平均升溫速率為拋光鋁片的1.20倍；升溫速率差異主要出現(xiàn)在前1 h內(nèi)。

2.1.3升溫耗時(shí)

1) 升溫耗時(shí)測(cè)試結(jié)果分析

升溫耗時(shí)是描述三種鋁片覆蓋下容器內(nèi)的水升高相同溫度所需要的時(shí)間，測(cè)試計(jì)算結(jié)果如表5和圖4所示。

從表5和圖4可以分析得出：

圖4 對(duì)應(yīng)鋁片水溫升高所耗時(shí)間Fig.4 Time consumed for the corresponding aluminum sheets water temperature rise

表5 不同鋁片升溫耗時(shí)Tab.5 Temperature rise time of different aluminum sheets

a) 拋光鋁片平均升溫耗時(shí)率為13.8 min/℃，30 nm微孔鋁片平均升溫耗時(shí)率為7.4 min/℃，400 nm微孔鋁片平均升溫耗時(shí)率為8.9 min/℃；

b) 當(dāng)水溫升高2℃時(shí)，三種鋁片所需時(shí)間基本一致，當(dāng)升高4℃時(shí)，30 nm微孔鋁片和400 nm微孔鋁片所需時(shí)間相近，約占拋光鋁片所需時(shí)間的65%；30 nm微孔鋁片平均升溫耗時(shí)率為拋光鋁片的53.6%，為400 nm微孔鋁片的83.1%，400 nm微孔鋁片平均升溫耗時(shí)率為拋光鋁片的64.5%；

c) 以升溫6 ℃為界，6 ℃以內(nèi)三種鋁片斜率相對(duì)平緩，6 ℃以上斜率均有所增加，這表明當(dāng)水溫高于環(huán)境溫度6 ℃后，各測(cè)試鋁片表面的散熱量加大；

d) 30 nm微孔鋁片與400 nm微孔鋁片曲線走勢(shì)較為貼近，與拋光鋁片曲線的間距越來(lái)越大，反映出納米微孔鋁片表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收性能優(yōu)于拋光鋁片表面。

2) 升溫耗時(shí)模型

根據(jù)上述試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合圖4中各曲線的走勢(shì)，可將升溫耗時(shí)模型設(shè)為二次多項(xiàng)式函數(shù)模型：

τ=AT2+BT

(8)

式中：τ為所需時(shí)間，min；T為升高溫度，℃；A、B為常數(shù)。

上述分析表明，不同鋁片下水溫升高與所耗時(shí)間呈二次多項(xiàng)式遞增規(guī)律。

不同鋁片的模型系數(shù)A、B及測(cè)試值與模型值的平均相對(duì)誤差如表6所示。

表6 不同鋁片的模型系數(shù)及平均相對(duì)誤差(升溫耗時(shí)模型)Tab.6 Model coefficients and average relative errorsof different aluminum sheets (heating time model)

2.1.4表面吸收系數(shù)

1) 表面吸收系數(shù)測(cè)試結(jié)果分析

太陽(yáng)輻射模擬器的輻射一部分被鋁片表面反射，一部分被鋁片表面吸收，吸收輻射與總輻射的比值即為吸收系數(shù)，其計(jì)算公式為：

(9)

式中：α為太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)；Qα為總的吸熱量，J；I為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；A為鋁片表面積，m2；(t-t0)為測(cè)試始末時(shí)間差，min。

在300 W/m2的輻射強(qiáng)度下，鋁片表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收系數(shù)的測(cè)試計(jì)算結(jié)果如表7、圖5、圖6所示。

表7 不同鋁片吸收系數(shù)Tab.7 Absorption coefficients of different aluminum sheets

圖5 不同鋁片吸收系數(shù)隨時(shí)間變化曲線圖Fig.5 Absorption coefficients of different aluminum sheets with time

圖6 不同鋁片吸收系數(shù)隨溫升變化曲線圖Fig.6 Absorption coefficients of different aluminum sheets with temperature rise

從表7、圖5、圖6可以得出以下結(jié)論：

a) 30 nm微孔鋁片平均吸收系數(shù)為0.28，400 nm微孔鋁片平均吸收系數(shù)為0.24，拋光鋁片平均吸收系數(shù)為0.17；

b) 三種鋁片吸收系數(shù)均隨時(shí)間呈線性遞減規(guī)律，30 nm微孔鋁片表面的吸收系數(shù)的下降率為0.077/h，400 nm微孔鋁片吸收系數(shù)的下降率為0.070/h，拋光鋁片吸收系數(shù)的下降率為0.033/h；

c) 納米微孔鋁片與拋光鋁片吸收系數(shù)之差隨時(shí)間逐漸變小，30 nm微孔鋁片與400 nm微孔鋁片吸收系數(shù)的下降率基本一致,這說(shuō)明納米微孔鋁片對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收性能優(yōu)勢(shì)會(huì)隨時(shí)間逐漸減小，其主要原因是溫度越高，鋁片表面散熱越劇烈，但其吸收系數(shù)始終高于拋光鋁片；

d) 30 nm微孔鋁片表面的平均吸收系數(shù)為拋光鋁片的1.65倍，為400 nm微孔鋁片的1.17倍，400 nm微孔鋁片表面的平均吸收系數(shù)為拋光鋁片的1.41倍；

e) 吸收系數(shù)隨溫升先升高后逐漸減少，30 nm微孔鋁片最高吸收系數(shù)出現(xiàn)在升溫6 ℃時(shí)，400 nm微孔鋁片最高吸收系數(shù)出現(xiàn)在升溫4 ℃時(shí)，拋光鋁片最高吸收系數(shù)出現(xiàn)在升溫2 ℃時(shí)。(鋁片吸收的太陽(yáng)能一部分以內(nèi)能形式傳遞給水，一部分通過(guò)輻射傳遞給外界環(huán)境；系統(tǒng)向外輻射的熱量會(huì)隨系統(tǒng)溫度的升高而逐漸增多;三種測(cè)試鋁片在系統(tǒng)溫度一樣的情況下向外界輻射的熱量相近，但三種鋁片對(duì)太陽(yáng)能的吸收系數(shù)不同，且鋁片將熱量傳遞給水需要一定時(shí)間，所以各吸收系數(shù)的最大臨界點(diǎn)并未同時(shí)出現(xiàn)。)

2) 表面吸收系數(shù)模型

根據(jù)上述試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合圖5，可以推出表面吸收系數(shù)的數(shù)學(xué)模型：

α=kτ+b

(10)

式中：α為表面吸收系數(shù)；τ為時(shí)間，min；k、b為常數(shù)。

上述分析表明，不同鋁片表面吸收系數(shù)與時(shí)間均呈線性遞減規(guī)律。不同鋁片的模型系數(shù)k、b及測(cè)試值與模型值的平均相對(duì)誤差如表8所示。

表8 不同鋁片的模型系數(shù)及平均相對(duì)誤差(表面吸收系數(shù)模型)Tab.8 Model coefficients and average relative errors of different aluminum sheets (surface absorption coefficient model)

2.2 其他工況下測(cè)試結(jié)果分析

2.2.1測(cè)試結(jié)果分析

為了更全面地了解納米微孔鋁片對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收性能，本試驗(yàn)進(jìn)一步測(cè)試了三種鋁片在其它輻射強(qiáng)度下的性能參數(shù)，測(cè)試方法同上，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為3 h，測(cè)試結(jié)果如表9和圖7所示。

表9 不同輻射強(qiáng)度下不同鋁片吸收系數(shù)測(cè)試值Tab.9 Absorption coefficient test values of aluminumsheets with different radiation intensities

圖7 不同輻射強(qiáng)度下不同鋁片吸收系數(shù)曲線圖Fig.7 Absorption coefficients of aluminum sheets with different radiation intensities

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以分析得出以下結(jié)論：

1) 表面吸收系數(shù)隨輻射強(qiáng)度的增加而逐漸降低；在100 W/m2～400 W/m2輻射強(qiáng)度下，表面吸收系數(shù)下降趨勢(shì)較大，在400～800 W/m2輻射強(qiáng)度下，表面吸收系數(shù)下降相對(duì)平緩；表面吸收系數(shù)的降低主要是因?yàn)楸砻嫖鼰崃康脑鲩L(zhǎng)速度低于輻射強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度，這一測(cè)試結(jié)果反映出低輻射強(qiáng)度下該表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收性能高于高輻射強(qiáng)度下的吸收性能；

2) 不同輻射強(qiáng)度下，納米微孔鋁片表面的吸收系數(shù)始終大于普通拋光鋁片，30 nm微孔鋁片表面的平均吸收系數(shù)為拋光鋁片的1.58倍，400 nm微孔鋁片表面的平均吸收系數(shù)為拋光鋁片的1.33倍；

3) 30 nm微孔鋁片表面的吸收系數(shù)始終大于400 nm微孔鋁片表面的吸收系數(shù)，這一結(jié)果表明，30 nm微孔鋁片表面較400 nm微孔鋁片表面更有利于太陽(yáng)輻射的吸收。

2.2.2表面吸收系數(shù)-輻射強(qiáng)度模型

根據(jù)上述試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合圖7(圖中曲線呈指數(shù)遞減規(guī)律)，可以分析得出表面吸收系數(shù)隨輻射強(qiáng)度變化的數(shù)學(xué)模型：

(11)

α∞-α=Ce-β(I-100)(100≤I)

(12)

根據(jù)實(shí)際物理變化過(guò)程，當(dāng)I=100時(shí)，α=α0，當(dāng)I=800時(shí)，α=α∞，將其代入式(12)，得：

α=α∞-(α∞-α0)e-β(I-100)

(13)

式中：α為表面吸收系數(shù)；α0為表面初始吸收系數(shù)；α∞為表面穩(wěn)定吸收系數(shù)；I為輻射強(qiáng)度，W/m2；β為常數(shù)。

不同鋁片的模型系數(shù)α∞、α0、β(表面吸收系數(shù)-輻射強(qiáng)度模型)如表10所示。不同輻射強(qiáng)度下鋁片表面吸收系數(shù)的計(jì)算值與測(cè)試值如表11所示。

表10 不同鋁片的模型系數(shù)(表面吸收系數(shù)-輻射強(qiáng)度模型)Tab.10 Model coefficients of different aluminum sheets (surface absorption coefficient-radiation intensity model)

表11 不同輻射強(qiáng)度下鋁片表面吸收系數(shù)的計(jì)算值與測(cè)試值比較Tab.11 Deviation of calculated values and test values of aluminum sheets with different radiation intensities

通過(guò)對(duì)比不同輻射強(qiáng)度下鋁片吸收系數(shù)的測(cè)試值與計(jì)算值，得到拋光鋁片吸收系數(shù)的相對(duì)誤差為4.9%，30 nm微孔鋁片吸收系數(shù)的相對(duì)誤差為4.1%，400 nm微孔鋁片吸收系數(shù)的相對(duì)誤差為2.6%。較小的相對(duì)誤差表明，此模擬回歸公式可以相對(duì)精確地模擬出表面吸收系數(shù)隨輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律。

2.3 吸收系數(shù)對(duì)比

本文采用陽(yáng)極氧化法制備的30nm微孔鋁片，在輻射強(qiáng)度100 W/m2、相對(duì)濕度60%、環(huán)境溫度22 ℃時(shí)，其瞬時(shí)吸收系數(shù)高達(dá)0.92(見表12)。以輻射強(qiáng)度100 W/m2～800 W/m2來(lái)模擬全國(guó)夏季白天平均輻射強(qiáng)度，30 nm微孔鋁片平均吸收系數(shù)可達(dá)0.36，為拋光鋁片吸收系數(shù)的2倍。

表12 不同文獻(xiàn)的表面吸收系數(shù)對(duì)比Tab.12 Comparison of surface absorption coefficients between different literatures

3 結(jié) 論

本文采用陽(yáng)極氧化法制備了30 nm和400 nm微孔的鋁片，采用太陽(yáng)輻射模擬器測(cè)試了納米微孔鋁片在不同輻射強(qiáng)度下對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收性能，并與普通拋光鋁片進(jìn)行對(duì)比，得出如下結(jié)論：

1) 在輻射強(qiáng)度300 W/m2、試驗(yàn)時(shí)間3h、相對(duì)濕度60%、環(huán)境溫度22 ℃時(shí)：

a) 拋光鋁片平均單位面積吸熱量為28.52 kJ/m2，30 nm微孔鋁片平均單位面積吸熱量為43.50 kJ/m2，400 nm微孔鋁片平均單位面積吸熱量為37.08 kJ/m2，吸熱量隨時(shí)間表現(xiàn)為指數(shù)遞增規(guī)律；

b) 拋光鋁片平均升溫速率為0.055 ℃/min，30 nm微孔鋁片平均升溫速率為0.079 ℃/min，400 nm微孔鋁片平均升溫速率為0.066 ℃/min；

c) 拋光鋁片平均升溫耗時(shí)率為13.8 min/℃，30 nm微孔鋁片平均升溫耗時(shí)率為7.4 min/℃，400 nm微孔鋁片平均升溫耗時(shí)率為8.9 min/℃，升高溫度與所耗時(shí)間呈二次多項(xiàng)式遞增規(guī)律；

d) 拋光鋁片平均吸收系數(shù)為0.17，30 nm微孔鋁片平均吸收系數(shù)為0.28，400 nm微孔鋁片平均吸收系數(shù)為0.24；30 nm微孔鋁片較拋光鋁片表面吸收系數(shù)提高了64.7%，表面吸收系數(shù)與時(shí)間呈線性遞減規(guī)律；

2) 在工況100 W/m2～800 W/m2下，三種鋁片的表面吸收系數(shù)均隨輻射強(qiáng)度的增加而逐漸降低，且表現(xiàn)為指數(shù)遞減規(guī)律；

3) 在輻射強(qiáng)度100 W/m2、相對(duì)濕度60%、環(huán)境溫度22 ℃時(shí)，30 nm微孔鋁片表面的瞬時(shí)吸收系數(shù)高達(dá)0.92。