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太阳辐射能资源是地球最主要的能量来源，太阳能资源的有效开发利用也是当今时代的重要研究课题。近些年来，基于纤维材料和仿生科学的纺织太阳能集热产品逐渐成为太阳能热利用领域的研究热点。基于仿生学原理的光热转换纺织品具备纺织基产品的柔软、轻便、适应范围广等特点，这也或将给传统太阳热能收集利用领域和纺织界带来一场革命。
近年来，仿生学在纺织领域的应用发展十分快速，极大地促进和拓展了高性能纺织品的发展水平与应用范围。本文研究的光热转化纺织品的仿生学原理是基于北极熊毛发纤维的独特结构构造与功能，对天然纤维或人造纤维进行改性，并研究构建仿生结构以提升其集热性能。本文通过北极熊毛发光热转换原理的探究、仿生光导集热纤维模型的设计构建和优化、纺织透明绝热材料的设计和性能研究、纺织基太阳能集热器的数学模拟与实验优化分析等四个方面进行了深入研究（具体研究内容和结果在第 2-5 章进行了详细论述），主要研究成果如下：
（1）探索并研究了北极熊毛在光热转换方面的独特功能。通过紫外光照射实验，对比北极熊毛与羊毛性能的研究证实了北极熊毛发具备可以将紫外线转化为热能的显著性能。实验表明北极熊毛发能以更高效的方式进行传导和转换入射太阳光的能量，特别是在紫外线波段的吸收利用和荧光特性方面具有更强的优势。
首先，北极熊毛的太阳光谱的利用范围远远大于羊毛，因而具备相对较强的光热转换性能。其次，北极熊毛具有较大的斯托克斯位移，通过其荧光特性进一步促进紫外线能量的收集和利用。除了在荧光过程中光子可以释放出的热量外，激发出的高波长波段光能也更利于被其黑色皮肤转换为热能，从而使其光热转换效率得到了极大提升。此外，北极熊毛表面对太阳光谱的反射率更低，一束平行的毛发类似于微型的光导管，将紫外线折射到毛发的核心经传导最终被黑色皮肤所吸收。而且北极熊毛发通过其明显的中空结构可以容纳更多的静止空气，从而具备更优的隔热性能。因此，北极熊毛发几乎完美地兼具了出众的光热能量转换和热绝缘两方面性能。
（2）根据北极熊毛发独特的绝热结构及光热转换特性，设计了新型的光热转换纤维模型。其中采用冷冻干燥的方法，可以制备良好的部分填充内涂层中空光导纤维管，而且部分填充的内涂层结构有助于光导纤维进行光耦合作用。测试表明，相比无涂层的光导纤维以及外涂层的纤维，内涂层的中空光导纤维管设计可以显著提升纤维的聚光能力，获得良好的聚光传导性能。此外，合适的荧光染料可以提升集热光导纤维的阳光利用效率，特别是在200-1200nm波谱范围内的表面反射率明显降低。最后，将新型集热光导纤维复合在选择性吸收薄膜表面可以实现预期的光热转化性能。
研究结果表明，采用部分填充的内涂层方法使得新型集热光导纤维模型内部形成蜂窝结构，可以有效地降低热能传递过程中的能量散失，提高热能利用率。此外，香豆素类荧光粉进行内涂层可以提升集热材料对太阳光波的长吸收范围，特别是紫外波段。因而，集热系统的光热转换性能能够得到明显提升。新型集热光导纤维具有轻便、灵活、热能转化率高的优点，适用于高效光能转换率的集热装置，具有巨大的发展潜能。
（3）基于仿生学原理，提出了一种由间隔织物和两层透明聚二甲基硅氧烷(PDMS)层组成的新型柔性透明绝热材料模型。这个基于织物材料的透明绝热材料具有良好的隔热和太阳光热收集性能，而且展现出了出色的构型灵活性、高透光率和优异的隔热性等综合特征。
研究表明，上部和底层网格的重叠率是决定装置透射率的关键因素。其中，“X”型间隔丝类型的间隔纤维复合材料比“V”型间隔丝类型的间隔纤维复合材料的太阳热收集能力更强。此外，通过引入聚对二甲苯涂层进一步提高了其阻热率和拒水性能。最优的聚对二甲苯涂层“X”型间隔织物基透明绝热材料模型的透射-吸收率可达 45.53%。该透明绝热材料在室温10℃，光照辐射1200 J/m2的条件下，内部温度可达63℃。
（4）在对纺织基太阳能空气集热器热效能进行理论分析研究的基础上，构建了计算纺织基太阳能空气集热器组热效能的数学模型，并利用 FORTRAN 语言编程模拟计算了纺织基太阳能空气集热器在不同结构参数、入口输入参数、光学参数和环境参数情况下，集热器的出口温度、吸热层温度、有用能、效率因子以及热迁移因子等性能指标。此外，我们还针对所建立的数学模型，制备了初期产品，进行了室外试验，验证了所设计系统的有效性及仿真结果的准确性。
理论模拟和实际测试结果都证明了具有两层纺织复合材料的纺织基太阳能空气集热器的性能比其他层数的同类产品更为高效。此外，气流速度越低，出口温度就越高，而气流速度越高，能量利用率就越高。实践证明，延长通风通道长度和合理调控通风流速对提高太阳能热能转换效率具有重要意义。本文的研究为建立更高效的纺织基太阳能空气集热器提供了理论依据，对优化纺织基太阳能空气集热器的结构设计具有一定的参考价值，并有效证明纺织基太阳能空气集热器在需要中低温加热的工业应用方面具有良好前景。
综上所述，本研究基于北极熊毛发的光热转换原理研究，设计了中空内涂层光导纤维模型，以及以柔性间隔织物为基底的透明绝热材料，并且采用该种透明绝热材料制备了太阳能空气集热器，并通过数学软件模拟和实际测试对其结构进行深度优化和分析。基于仿生学原理的光热转化纺织产品的应用前景十分广泛，特别是在我国空气污染日趋严重，雾霾天气频发的今天，采用纺织基太阳能空气集热器等新能源装置来逐渐替代煤炭燃烧为主的冬季供暖模式的趋势不可阻挡。基于仿生学原理的光热转化纺织产品的研发对屋顶产热织物、建筑外墙体保温材料、农业高效大棚布，以及传统冬季保暖面料的研发都具有积极意义。
近年来，仿生学在纺织领域的应用发展十分快速，极大地促进和拓展了高性能纺织品的发展水平与应用范围。本文研究的光热转化纺织品的仿生学原理是基于北极熊毛发纤维的独特结构构造与功能，对天然纤维或人造纤维进行改性，并研究构建仿生结构以提升其集热性能。本文通过北极熊毛发光热转换原理的探究、仿生光导集热纤维模型的设计构建和优化、纺织透明绝热材料的设计和性能研究、纺织基太阳能集热器的数学模拟与实验优化分析等四个方面进行了深入研究（具体研究内容和结果在第 2-5 章进行了详细论述），主要研究成果如下：
（1）探索并研究了北极熊毛在光热转换方面的独特功能。通过紫外光照射实验，对比北极熊毛与羊毛性能的研究证实了北极熊毛发具备可以将紫外线转化为热能的显著性能。实验表明北极熊毛发能以更高效的方式进行传导和转换入射太阳光的能量，特别是在紫外线波段的吸收利用和荧光特性方面具有更强的优势。
首先，北极熊毛的太阳光谱的利用范围远远大于羊毛，因而具备相对较强的光热转换性能。其次，北极熊毛具有较大的斯托克斯位移，通过其荧光特性进一步促进紫外线能量的收集和利用。除了在荧光过程中光子可以释放出的热量外，激发出的高波长波段光能也更利于被其黑色皮肤转换为热能，从而使其光热转换效率得到了极大提升。此外，北极熊毛表面对太阳光谱的反射率更低，一束平行的毛发类似于微型的光导管，将紫外线折射到毛发的核心经传导最终被黑色皮肤所吸收。而且北极熊毛发通过其明显的中空结构可以容纳更多的静止空气，从而具备更优的隔热性能。因此，北极熊毛发几乎完美地兼具了出众的光热能量转换和热绝缘两方面性能。
（2）根据北极熊毛发独特的绝热结构及光热转换特性，设计了新型的光热转换纤维模型。其中采用冷冻干燥的方法，可以制备良好的部分填充内涂层中空光导纤维管，而且部分填充的内涂层结构有助于光导纤维进行光耦合作用。测试表明，相比无涂层的光导纤维以及外涂层的纤维，内涂层的中空光导纤维管设计可以显著提升纤维的聚光能力，获得良好的聚光传导性能。此外，合适的荧光染料可以提升集热光导纤维的阳光利用效率，特别是在200-1200nm波谱范围内的表面反射率明显降低。最后，将新型集热光导纤维复合在选择性吸收薄膜表面可以实现预期的光热转化性能。
研究结果表明，采用部分填充的内涂层方法使得新型集热光导纤维模型内部形成蜂窝结构，可以有效地降低热能传递过程中的能量散失，提高热能利用率。此外，香豆素类荧光粉进行内涂层可以提升集热材料对太阳光波的长吸收范围，特别是紫外波段。因而，集热系统的光热转换性能能够得到明显提升。新型集热光导纤维具有轻便、灵活、热能转化率高的优点，适用于高效光能转换率的集热装置，具有巨大的发展潜能。
（3）基于仿生学原理，提出了一种由间隔织物和两层透明聚二甲基硅氧烷(PDMS)层组成的新型柔性透明绝热材料模型。这个基于织物材料的透明绝热材料具有良好的隔热和太阳光热收集性能，而且展现出了出色的构型灵活性、高透光率和优异的隔热性等综合特征。
研究表明，上部和底层网格的重叠率是决定装置透射率的关键因素。其中，“X”型间隔丝类型的间隔纤维复合材料比“V”型间隔丝类型的间隔纤维复合材料的太阳热收集能力更强。此外，通过引入聚对二甲苯涂层进一步提高了其阻热率和拒水性能。最优的聚对二甲苯涂层“X”型间隔织物基透明绝热材料模型的透射-吸收率可达 45.53%。该透明绝热材料在室温10℃，光照辐射1200 J/m2的条件下，内部温度可达63℃。
（4）在对纺织基太阳能空气集热器热效能进行理论分析研究的基础上，构建了计算纺织基太阳能空气集热器组热效能的数学模型，并利用 FORTRAN 语言编程模拟计算了纺织基太阳能空气集热器在不同结构参数、入口输入参数、光学参数和环境参数情况下，集热器的出口温度、吸热层温度、有用能、效率因子以及热迁移因子等性能指标。此外，我们还针对所建立的数学模型，制备了初期产品，进行了室外试验，验证了所设计系统的有效性及仿真结果的准确性。
理论模拟和实际测试结果都证明了具有两层纺织复合材料的纺织基太阳能空气集热器的性能比其他层数的同类产品更为高效。此外，气流速度越低，出口温度就越高，而气流速度越高，能量利用率就越高。实践证明，延长通风通道长度和合理调控通风流速对提高太阳能热能转换效率具有重要意义。本文的研究为建立更高效的纺织基太阳能空气集热器提供了理论依据，对优化纺织基太阳能空气集热器的结构设计具有一定的参考价值，并有效证明纺织基太阳能空气集热器在需要中低温加热的工业应用方面具有良好前景。
综上所述，本研究基于北极熊毛发的光热转换原理研究，设计了中空内涂层光导纤维模型，以及以柔性间隔织物为基底的透明绝热材料，并且采用该种透明绝热材料制备了太阳能空气集热器，并通过数学软件模拟和实际测试对其结构进行深度优化和分析。基于仿生学原理的光热转化纺织产品的应用前景十分广泛，特别是在我国空气污染日趋严重，雾霾天气频发的今天，采用纺织基太阳能空气集热器等新能源装置来逐渐替代煤炭燃烧为主的冬季供暖模式的趋势不可阻挡。基于仿生学原理的光热转化纺织产品的研发对屋顶产热织物、建筑外墙体保温材料、农业高效大棚布，以及传统冬季保暖面料的研发都具有积极意义。