太阳能利用透光表面自清洁防结露机理研究项目摘要

太阳能利用透光表面积尘和结露问题是制约太阳能利用装置效率提高的重要因素。本项目提出将太阳能光导管采光罩内表面制成超疏水表面用于防结露、将外表面制成超亲水表面用于自清洁的新方法，为提高太阳能光导管传光效率提供了一个新思路。相同的超亲水表面研究思路也可以解决太阳能电池和全玻璃真空太阳集热管的防尘问题。研究超亲水和超疏水透光表面的传光特性以及太阳光作用下的传热与润湿特性及其耦合作用机理。对太阳能利用透光表面自清洁和防结露的机理开展相关的理论研究, 建立超亲水表面自清洁理论模型,揭示不同材料超亲水表面自清洁的机制，找出影响超亲水表面自清洁的关键因素，建立基于太阳光作用下的变温度场超亲水透光表面含尘液滴铺展动力学模型，并进行实验验证；探析太阳光作用下超疏水表面结露对透光表面传光特性影响的规律，建立基于太阳光作用下的变温度场超疏水透光表面液滴脱离理论模型，得出超疏水表面防结露的科学规律并进行实验验证。

太阳能利用透光表面积尘和结露问题是制约太阳能利用装置效率提高的重要因素。本项目将太阳能利用透光表面制成超疏水表面用于防结露、制成超亲水表面用于自清洁，为提高太阳能光导管传光效率提供了一个新思路。研究超亲水和超疏水透光表面的传光特性以及传热与润湿特性。对太阳能利用透光表面自清洁和防结露的机理开展相关的理论研究, 建立超亲水表面自清洁理论模型，揭示超亲水表面自清洁的机制，找出影响超亲水表面自清洁的关键因素，建立超亲水透光表面含尘液滴铺展动力学模型，并进行数值分析；探析超疏水表面结露对透光表面传光特性影响的规律，建立超疏水透光表面液滴脱离理论模型，得出超疏水表面防结露的科学规律。 2100433B

防结露涂料的防结露机理在于其吸湿性。即防结露涂料所形成的涂膜具备几个特征：一是具有一定的厚度（吸湿体积）；二是涂膜是多孔的，其内部具有联通的孔隙能够容纳表面吸附的凝结水；三是涂膜中使用了诸如高吸水性树脂之类的材料。这样当空气中的水蒸汽因为温差而在涂膜表面凝结时，凝结产生的水分就会被吸附在涂膜中，从而防止了表面露珠的出现而达到防结露的目的。涂膜的吸附性越强，单位体积（面积）所能够容纳的水分越多，其防结露性能越好。贮存于涂膜中的吸附水在空气条件发生变化（例如室外环境气温升高，空气中相对湿度减小等）时会从涂膜中通过蒸发而逸入空气中，并逐步处于干燥状态。这样，当结露情况再次出现时，又能够吸附凝结水而防止结露。因而对于结露情况较严重而涂装防结露涂料的建筑物，应当间隔性的保持必要的通风。

水泥基透光材料（LTCM）是一种全新的透光材料，大量的光纤以一定空间排列组合方式埋入水泥基体材料中，作为传输光线的导体以实现水泥混凝土透光传像等效果。其具有良好的透光性能、结构性能和多变的装饰效果，在促进建筑照明节能、建筑装饰领域具有广阔的应用前景。课题在大量试验研究和理论分析的基础上，提出了水泥基透光材料的材料优选方法及制备工艺，并对其综合性能进行了研究，具体研究内容和成果如下： 　对LTCM的组成和光纤选用进行了研究，制备了以硅酸盐水泥及硫铝酸盐水泥为基体的高强自密实水泥净浆和砂浆；研究了光纤的空间结构分布的设计方法；提出了LTCM的多种制备工艺：光纤平行排列法制备技术、纺织光纤制备技术和特殊设计透光形式制备技术及其它三种制备透光水泥基材料的方法。 　 研究表明：加入减水剂和消泡剂，辅以活性矿渣，控制集料粒径，可研制出高流态、自密实、低吸湿性、高强度的硅酸盐水泥基体材料及具有微膨胀性的硫铝酸盐水泥基材料；聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）质光纤，其透光性能和力学性能均优于玻璃质多模光纤；应用纺织光纤技术将有机光纤纺织成为3D、2D或单层光纤织物辅以特制模具，可实现光纤空间结构设计；固定好预制纤维空间网络结构后，灌注水泥基体材料，制备出具有设计透光形式的LTCM。 　 对具有不同纤维体积分数、空间网络结构形式和水泥基体的LTCM的综合性能与微结构进行了研究。研究表明：LTCM比纯水泥基体的抗压强度有所降低，且使用3D光纤织物的抗压轻度较2D有所提高；透光率随着芯纤直径和光纤掺量的增加而提高，随着光源和试块之间距离的增加而减小。微观结构表明：玻璃质多模光纤和PMMA质光纤的断面均呈圆形，内部为芯纤，外部为保护芯纤的包层，但PMMA质光纤的外部包层比玻璃质多模光纤的要薄，且光纤断面比玻璃质光纤断面平整，其透光率远高于玻璃质多模光纤。 　对LTCM的耐久性及其对透光性能的影响进行了研究。在80℃水浴条件下进行了短期加速老化试验，PMMA光纤老化前后红外光谱分析表明：老化后LTCM透光性能的衰减主要是由PMMA芯材受到高温和潮湿引起的热老化导致，同时光纤的折射率受温度和水分的影响也增加了光纤能量的损耗。应用MATLAB，建立了LTCM透光性能的模拟与预测模型，所编程序的模拟结果与试验测试结果趋势相同。