謝光明教授談太陽光譜選擇性吸收塗層的研究與發展

國家新能源工程技術研究中心副主任謝光明教授發言

　　【謝光明】：大家下午好，非常高興有機會跟大家探討。主題：太陽光譜選擇性吸收塗層的研究與發展。

　　大家知道，太陽能選擇性塗層是集熱器的核心材料，我們中國太陽能光熱產業，熱水器的發展實際上也是選擇性塗層發展的一個過程。今天主要介紹內容分三個部分：一、選擇性吸收塗層基本概念;二、平板選塗層的發展與應用;三、中高溫吸收塗層的發展與應用。

中國平板太陽能吸熱板鍍膜工藝大講堂

　　一、選擇性吸收塗層基本概念。

　　1.太陽輻射。太陽組成為氫氦元素的等離子體並不斷進行熱核反應，表面溫度大約為6000K，不斷以電磁波的形式向外輻射能量，其中20億分之一左右的能量經過8分鐘的光程到達地球大氣上層，相當於全世界發電量的幾十萬倍。

　　2.太陽光譜與太陽常數.太陽主要以電磁輻射的形式傳輸能量。其中在0.3～3μm波長範圍內的光線佔總太陽光的98%之多。太陽常數：1353瓦/米2。

　　3.吸熱板輻射。

　　吸收和輻射

　　從物理角度來講，黑色意味著光線的幾乎全部的吸收.被吸收的光能即轉化為熱能。因此為了最大限度地實現太陽能的光熱轉換，似乎用黑色的塗層材料就可滿足了，但實際情況並非如此。這主要是材料本身還有一個熱輻射問題。從量子物理的理論可知，黑體輻射的波長範圍大約在2-l00μm之間，黑體輻射的強度分布只與溫度和波長有關，輻射強度的峰值對應的波長在10μm附近。

　　選擇性吸收塗層的理論基礎

　　由於太陽光譜的波長分布範圍基本上與熱輻射不重疊，據此，以色列科學家Tabor於上個世紀50年代末，提出了光譜選擇性吸收理論。要實現最佳的太陽能熱轉換，可以找到一種材料使其同時滿足以下兩個條件：

　　①在太陽光譜內有儘量高的吸收率;

　　②在熱輻射波長範圍內有儘可能發射率ε。

　　二、平板選塗層的發展與應用

　　平板集熱器塗層材料的應用和發展主要

　　分為以下三個階段：1，塗料型階段;2，電化學塗層階段;3，真空鍍膜塗層階段。

　　用於平板集熱器的塗料型吸收塗層

　　其中代表性的選擇性吸收塗料主要是鐵錳銅氧化物，使用時將其和黏合劑混合在一起噴塗到吸熱板表面。該塗層已有二十多年歷史目前仍有部分在使用，其主要特點是工藝簡單、成本低廉，缺點是使用過程中容易老化從而引起性能下降。

　　目前最新動態是德國安鋁公司研製的聚酯型選擇性吸收塗層，其耐候性有了本質性的提高，但是塗層發射比較高，正在進行進一步改進並小批量的試生產應用。

　　用於平板集熱器的電化學型型吸收塗層

　　主要代表是：黑鉻塗層;鋁陽極化著色塗層。其中鋁陽極化塗層技術最成熟、應用最廣泛，這裡不再詳細介紹。下面主要介紹一下黒鉻塗層的研究與應用。

　　黑鉻塗層。黑鉻塗層主要用於銅吸熱板表面。黑鉻塗層從問世到現在，經受了30多年的實踐檢驗，它不但具有優良的光學性能而且也具有非常優異的耐熱耐溼耐候性能，該塗層的太陽吸收率可高達95%以上而紅外發射率控制在10%以下。其主要缺點是若生產過程對廢液不加以控制的話，容易對環境造成一定程度的汙染。但經過工藝設計控制，是完全可以實現無汙染生產的。主要代表廠家是桑普和深圳海達客公司。

深圳海達克公司開發的寬幅黒鉻連續鍍生產線

　　憑藉原有的連續電鍍成套技術，2006年底，公司開始對電鍍黑鉻銅帶產品進行研發，一年後形成了窄帶(寬度<200mm)產品批量生產能力;為適應國內平板太陽能集熱器向整板發展的新形勢，公司在多年從事窄帶電鍍黑鉻生產的基礎上，從2011年初啟動了「寬幅連續電沉積太陽能黑鉻吸熱板工藝及裝備」的研究工作，並耗資500多萬元建成一條連續化生產線。經過一年多的運行調試，目前具備正式生產條件，年產可達到200萬平方米。並成功地實現在鋁板上沉積黒鉻塗層。

　　金屬陶瓷材料，以及中頻電源以及射頻濺射技術的採用，大大提高了塗層的耐候性。連續化的生產方式不但提高了生產效率，還提高了產品質量的穩定性並降低了產品的生產成本。塗層耐候性能。

　　三、中高溫吸收塗層的發展與應用

　　隨著太陽能中高溫技術的研究發展與應用，與之相應的中高溫塗層技術也開展的十分活躍。先後出現了各種不停地材料和生產工藝。材料方面主要是一些難熔金屬的陶瓷材料。生產工藝大多採用中頻和射頻濺射技術。

直通式真空管高溫選擇性吸收塗層

　　早期的以色列luz公司採用Mo/Al2O3膜系，射頻濺射術。工作溫度可達390C。隨後，接替它的以色列Solel公司和德國Schott公司，對塗層材料和工藝進行了進一步的提高，提升了塗層的工作溫度使其超了400C。

　　高溫塗層的性能要求

　　由於塗層要求在400C以上的高溫下工作，這就要求塗層必須具有良好的熱穩定性，和光學穩定性。而根據基爾霍夫定律，塗層的發射比與溫度的4次方成正比，這就意味著塗層在溫度升高的情況下變化很大。所以如何保證塗層在高溫條件下，具有較低的發射比就成為高溫塗層技術等的關鍵所在。它綜合了塗層的膜系設計、材料的選擇和工藝控制等一系列關鍵技術。

　　中溫選擇性吸收塗層

　　澳大利亞雪梨大學ZHANGQC和MILLSDR等人,在漸變AIN-Al的基礎上,研製以AlN介質為基體的金屬陶瓷選擇性吸收塗層,採用直流反應濺射沉積AlN介質,並用直流共濺射方法將不鏽鋼、鎢等金屬粒子注入介質基體,提高了濺射速率和工作溫度，同時也大幅度降低了膜層成本。根據測試摻入不鏽鋼的AIN可耐受350C以下的工作溫度要求，是一種理想的中溫選擇性吸收塗層。

　　國內對中高溫塗層的研究與應用

　　國內近年來對中高溫塗層的研究工作從未間斷過，以清華大學和北京市太陽能研究所為代表的一些單位，都先後取得了不同的成果。據報導，皇明公司已向西班牙出口27，000米用於太陽能熱發電的鍍膜高溫集熱管。

　　自上個世紀九十年代以來，選擇性吸收表面材料和結構的研究已日臻成熟。隨著集熱器品質和技術的不斷提高，出現許多新的塗層材料和生產工藝。採用中頻磁控濺射生產幹涉性金屬陶瓷選擇性吸收塗層，是當前的主流方向，其中主要以德國為代表，在金屬卷帶上連續沉積金屬陶瓷吸收塗層。連續化生產方式是塗層技術的一次重要飛躍。

　　隨著能源短缺和環境汙染問題的日益加劇，擴大太陽能應用領域的工作勢在必行。人們熱切期待著太陽能應用研究的技術突破，讓人類依靠太陽能為主要能源的時代早日到來。謝謝大家。