太阳能反射材料测试装置与应用

太阳能反射材料测试装置与应用摘要提出了一种三明治结构的太阳能反射材料测试装置，通过测试三明治结构的实验装置中各种材料的导热系数以及装置自身复合材料的导热系数，并对三明治结构实验装置进行隔热效果验证性实验，发现该装置整体导热系数较小，其装置内部温度受外界环境温度影响较小。最后采用该实验装置进行太阳能反射材料测试装置结构应用实验，发现掺入具有屏蔽紫外光作用的TIO2的HDPE薄膜能较好的降低实验装置内部温度，这也表明太阳能反射材料测试装置有较好的保温性能。关键词太阳能反射测试装置导热系数保温性能1前言太阳能是一种绿色可再生能源，地球上万物生长都靠太阳。太阳能具有普遍性、无害性、长久性等优点。但不可避免的，太阳能分散性较强。尤其是在夏季天气较为晴朗的情况下，强烈的太阳辐射直接导致夏季炎热的天气，这给居住的人民带来不便。为此，在夏季，空调，风扇和淋雨等降温设备的使用量越来越多。这不仅带来一定的健康威胁，更会造成大量的能源浪费。为了应对这种现况，市面上纷纷出现了太阳能反射材料。这种材料能屏蔽紫外光，降低室内温度。但现在在这方面的研究主要是采用紫外可见红外分光光度计测试材料表面的太阳能反射率，对材料实际降温效果的测试并不多。本文先提出一种三明治结构的太阳能反射材料测试装置，先对该装置进行导热系数理论计算和导热系数效果测试，再把这种装置应用到太阳能反射材料测试装置的应用实验中进行效果测试。2太阳能反射材料测试装置材料选择与结构设计21材料选择本实验的实验原料为白色PVC管，灰色PVC管，天然橡胶发泡以及尼龙。这些原料都具有较好的隔热效果，并且应用范围广，且均已市场化，易采购。采用的玻璃为5MM厚的普通玻璃，温度计为量程为0100的普通温度计。22太阳能反射材料测试装置结构示意图图21太阳能反射材料测试装置结构示意图由此装置图可见，实验装置最外层为2MM后的白色PVC管，最里层为5MM厚的灰色PVC管，中间一层为天然橡胶发泡层，装置底部的三明治结构中最上层和最下层是厚度分别为8MM和5MM的尼龙层，中间一层为天然橡胶发泡层。并在距离装置顶部一定距离的地方钻孔插入温度计。3实验部分31原材料白色PVC管，灰色PVC管，橡胶，尼龙，温度计，玻璃均为市购。32仪器与设备开放式炼塑机（SK160B160320MM上海橡胶机械厂；平板硫化机（XLB3503502）中国上海轻工机械股份有限公司，上海第一橡胶机械厂；25吨平板硫化机（QLB3503502）上海第一橡胶机械厂；HOTDISK导热系数仪。33试样的制备331平板硫化机压制PVC、尼龙薄片将市购的PVC管剪成片状投入开放式炼塑机在180OC条件下熔融塑化；并将平板硫化机的NO1热板温度设为180OC，NO2热板温度设为180OC；将熔融塑化得的薄板剪成合适形状，填入模具（若有碎料，先将碎料填入模具，放在平板硫化机上在不加压条件下预热10MIN，再将预热的碎料取出，加入适量垫料）；平板硫化机上压力打至12MPA，热压10MIN,再将压力打至35MPA，热压10MIN，最后将压力打至58MPA，热压45MIN；最后将模具取出放置在25吨平板硫化机上冷压5MIN；之后取出模具，取出压片。332制作NBR薄片将市购的天然橡胶裁剪成60MM10MM的薄片，再将两片粘黏成一片。34太阳能反射材料测试装置导热系数与效果测试341导热系数测试将规格为60MM10MM的样品放在HOTDISK导热系数仪上测试其导热系数。342太阳能反射材料测试装置结构效果测试（1）实验装置装置1温度计，SANDWICH结构太阳能反射材料测试装置；装置2温度计，单层灰色PVC管；装置3温度计，单层白色PVC管；装置4温度计，白色PVC管和灰色PVC管组合起来的多层PVC管；装置5温度计，在实验装置4的基础上在固定灰色PVC管的橡皮圈中添加一个适合大小的圆形发泡橡胶。（2）实验方法将不同的实验装置组装好，并校正温度计。在做实验前，至少提前2小时把实验装置放置到室温为20的房间里，以便温度计示数能下降至室温。实验开始时，将箱子紧闭，迅速将箱子搬至实验地点，将箱子打开，开始计时并读下温度计示数。每隔5分钟记录下温度计示数，直至温度计示数大致相同为止。当每个实验装置的内部温度大致一致时，将箱子紧闭，迅速将箱子搬至室温为20的房间，将箱子打开，开始计时并读下温度计示数。每隔5分钟记录下温度计示数，直到温度计示数降为室温为止。实验组一采用1号，2号，3号实验装置实验组二采用1号，4号实验装置实验组三采用1号，5号实验装置35太阳能反射材料测试装置应用实验（1）实验分组实验组一装置1未安放HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置2安放未加入任何填料的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置3安放加入UV326的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置4安放加入ANATASE和UV326的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置5安放加入RUTILE和UV326的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；实验组二装置1未安放HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置2安放未加入任何填料的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置3安放加入UV531的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置4安放加入ANATASE和UV531的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置5安放加入RUTILE和UV531的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；实验组三装置1未安放HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置2安放未加入任何填料的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置3安放加入ANATASE的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置4安放加入RUTILE的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置5安放加入P25的HDPE薄膜的太阳能反射材料测试装置；装置6安放美国已商品化黄色屋面材料的实验装置；装置7安放美国薛特已商品化的绿色屋面材料的实验装置。（2）实验方法将不同的实验装置组装好，并校正温度计。在做实验前，把实验装置提前放入室温为25OC的房间。实验前2MIN将实验装置搬至顶楼，实验开始后，前10MIN每2MIN记录一次温度，后50MIN每5MIN记录一次温度。其中实验组三分别在春、秋、冬季进行。4结果与讨论41导热系数测试411太阳能反射材料测试装置各层材料导热系数表41各样品导热系数测试结果样品1234导热系数/WM1K10334035203460075备注1号样品白色PVC；2号样品灰色PVC；3号样品尼龙；4号样品天然橡胶发泡。由以上测试结果可以看出，PVC管和尼龙的导热系数相对来说都比较大，单独做成隔热装置隔热效果不佳，橡胶的导热系数虽然较小，但其刚性不够，因此，以上材料都不适合单独制作实验装置。412“三明治”组合结构的导热系数计算（采用理论公式计算）（1）SANDWICH结构太阳能反射材料测试装置底部为平板式（尼龙天然橡胶发泡尼龙）多层复合材料，如图图41SANDWICH结构太阳能反射材料测试装置底部剖面图其导热系数计算公式为1；其中，H为总厚度，/321KHKHHH1，H2，H3分别为三明治结构中每一层的厚度，K1，K2，K3分别为每一层的导热系数。带入测得的数据有K0187WM1K1。（2）SANDWICH结构太阳能反射材料测试装置管壁为圆柱式（白色PVC天然橡胶发泡灰色PVC）多层复合材料，如图图42SANDWICH结构太阳能反射材料测试装置管壁剖面图其导热系数公式为2；其中，其中BI指每一层材料的厚度，NIIIRIB11总I指相对应的每一层材料的导热系数，RI1、RI分别指相对应的每一层材料的外径和内径，导出公式计算结果为0109WM1K1。由以上计算结果可以看出，复合后的实验装置比单一的PVC，NBR和PA6好，此装置不仅具有较小的导热系数，保温效果好，并且具有一定的刚性，适合用于制作实验装置，具有可行性。42隔热效果测试实验组一图43为不同实验装置升温曲线图，实验装置1采用SANDWICH结构太阳能反射材料测试装置，实验装置2采用单层灰色PVC管，实验装置3采用单层白色PVC管。随着时间的增加，3个实验装置的温度都有不同程度的升高，最后大致趋于一致。在整个过程中，实验装置3的温度基本高于实验装置2的温度，实验装置2的温度高于实验装置1的温度。这是由于实验装置1主要采用三明治结构太阳能反射材料测试装置，该装置导热系数较小，因此环境温度对装置内部的温度影响较小。实验装置2和实验装置3虽同为PVC管，但灰色PVC管壁比白色PVC管壁厚3MM，因此实验装置2的温度变化较实验装置3的温度变化小。同理，在图44中，当温度降低至同一室温时，实验装置1温度变化最慢，实验装置3温度变化最快，实验装置2温度变化次之。图43不同实验装置升温测试结果图44不同实验装置降温测试结果实验组二图45为不同实验装置升温曲线图，图46为不同实验装置降温曲线图，其中实验装置1仍采用太阳能反射材料测试装置，实验装置4采用白色PVC管和灰色PVC管组合起来的多层PVC管。由图45和图46可以看出，实验装置1和实验装置4的温度变化大致相同，这是由于天然橡胶发泡和空气的导热系数很接近，天然橡胶发泡层相当于空气层3。图45不同实验装置升温测试结果图46不同实验装置降温测试结果图47为不同实验装置升温曲线图，图48为不同实验装置降温曲线图，其中实验装置1仍采用SANDWICH结构太阳能反射材料测试装置，实验装置5是在实验装置4的基础上在固定灰色PVC管的橡皮圈中添加一个适合大小的圆形发泡橡胶。采用实验装置5是为了排除因未在灰色PVC管底下添加圆形发泡橡胶而对实验装置内部温度产生的影响。但从图47和图48可以看出，实验装置1和实验装置5的温度变化大致相同，这同样是由于天然橡胶发泡和空气的导热系数很接近，所以天然橡胶发泡层相当于空气层3，导致实验装置1和实验装置5温度变化大致相同。图47不同实验装置升温测试结果图48不同实验装置降温测试结果43应用实验UV326和UV531都是紫外光吸收剂，紫外光吸收剂能有效吸收200NM380NM波长的紫外光4。在HDPE中添加紫外光吸收剂主要是因为屋面材料长时间暴露在外，户外的紫外光线会对其造成损害，添加紫外光吸收剂能防止材料变脆和表面形成裂纹4。钛白粉一共有三种晶体结构，板钛型、锐钛型和金红石型。板钛型由于其晶体结构不稳定，所以在自然界中不能长期稳定存在，因量小且不具有工业价值而未被使用。金红石型和锐钛型晶体类型也不相同，金红石型更趋向稳定。锐钛型TIO2，具有光活性，能够催化聚合物的光降解，在光和臭氧的作用下能逐渐形成钛酸，使制品表面颜色变黄，并产生粉化现象。金红石型TIO2没有光活性却可屏蔽紫外光和反射红外线，有优良的着色牢度，不易变黄，是PVC的常用紫外光屏蔽剂4。实验组一图49不同实验装置内部温度曲线图图410不同实验装置表面温度曲线图实验组二图411不同实验装置内部温度曲线图图412不同实验装置表面温度曲线图由图410和图412可以看出，随着时间的增加，各实验装置表面的温度都有不同程度的升高。其中，实验装置3的的表面温度最高，这是因为UV326是紫外光吸收剂，其吸收的紫外光会以热量的形式消散4；实验装置1的表面温度略大于实验装置2的表面温度，可见HDPE薄膜和玻璃的表面温度并无太大差异；但实验装置4和实验装置5的表面温度有明显下降，但两者温差不大，这主要是因为锐钛型TIO2和金红石型TIO2有屏蔽紫外光的效果，从而降低了表面温度。由图49和图411可以看出，随着时间的增加，各实验装置内的温度都有不同程度的升高。其中，实验装置1内部温度升温最快，这是因为没有任何遮挡，太阳光可直接射入，导致实验装置内部温度上升最快；实验装置2和实验装置3的内部温度差异不大，可见HDPE薄膜本身遮挡太阳光的效果就可使内部温度有所下降；实验装置4和实验装置5分别添加了锐钛型和金红石型的TIO2，TIO2可有效屏蔽紫外光，从而有效降低实验装置内部的温度。显著的降温效果同时也表明SANDWICH结构的太阳能反射材料测试装置有良好的保温效果，其装置内部温度受外界环境温度影响较小。图413不同实验装置内部温度变化曲线春季）图414不同实验装置内部温度变化曲线秋季）图413和图414为不同实验装置内部温度变化曲线图，其中实验装置6和实验装置7上安放的材料为美国薛特公司已经市场化的屋面降温材料，设计这组实验就是为了将提出的屋面材料和美国已经市场化的屋面材料的降温效果做比对，实验结果表面，我们提出的屋面材料和已经市场化的屋面材料的降温效果一样显著，但成本更低。5结论（1）三明治结构太阳能反射材料测试装置中各层材料的导热系数较小，并且复合材料整体导热系数较小。（2）三明治结构太阳能反射装置隔热效果较好，其内部温度受外界环境影响较小。（3）添加TIO2的屋面材料能有效降低室内