太陽能選擇性吸收薄膜的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
約一個(gè)世紀(jì)以前，人類最早利用太陽能是用一個(gè)底部涂黑扁平的開口水箱加熱水。然而黑色薄膜并非是吸收太陽能的理想薄膜，肉眼能感覺到的薄膜黑的程度并不能說明吸熱性能的優(yōu)劣，吸收太陽光能使表面溫度升高，導(dǎo)致在吸收太陽能的同時(shí)也不斷地外散射紅外光能，造成光熱轉(zhuǎn)換效率極低，僅適用于強(qiáng)光、低溫狀態(tài)下使用。上世紀(jì)50 年代，以色列物理學(xué)家Harry Z. Tabor 提出了太陽能選擇性吸收膜層的概念后，采用光譜選擇性吸收膜成為提高太陽能熱利用的重要措施。此后，選擇性吸收薄膜研究才開始在世界各國發(fā)展起來。
下面簡(jiǎn)要的列舉幾種比較有代表性的太陽能選擇性吸收薄膜。
美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)將合適的金屬和介質(zhì)(如：W、Au、Pd、Pt、MnO、Ti02 等)混合，制備出性能優(yōu)良的多重抗反射金屬陶瓷薄膜，并采用理論模擬的方法研制出太陽能選擇性吸收薄膜，在400℃時(shí)，其吸收率α 達(dá)到0.959，發(fā)射率ε 為0.061，該種薄膜可以滿足高溫蒸汽下穩(wěn)定工作的要求。
以色列太陽能公司Solel 研制了以Al2O3 為基底、結(jié)合減反膜、抗發(fā)射薄膜的新型全真空集熱管，其薄膜在400℃時(shí)，吸收率α 達(dá)到0.96，發(fā)射率ε 為0.1，且在高溫的熱濕空氣下性能穩(wěn)定，為槽式線聚焦太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)提高其高溫吸收薄膜的性能、系統(tǒng)集熱效率和降低發(fā)電成本提供了新途徑。
澳大利亞悉尼大學(xué)Zhang Q C 和Mi11s D R 等人研制了以AlN 為陶瓷基底的金屬陶瓷薄膜。AlN 原子間以共價(jià)鍵結(jié)合，具有高的熔點(diǎn)，良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高的導(dǎo)熱率，同時(shí)其熱膨脹系數(shù)與硅相近，又具有低介電常數(shù)與介電損耗等性能。因此該薄膜具有良好的熱穩(wěn)定性， 其中W- AlN 金屬陶瓷薄膜工作溫度可達(dá)500℃，可滿足中高溫光熱發(fā)電需求。
LUZ 公司研究了一種以Mo 和Al2O3 為材料的新型太陽能選擇性吸收薄膜。整個(gè)工藝采用7 靶共濺射(3 個(gè)Mo 靶和4 個(gè)Al2O3 靶)，膜沉積在4 m 長(zhǎng)的不銹鋼管上，鋼管位于真空室中央。該膜層在350℃時(shí)，吸收率α 為0.96，發(fā)射率ε為0.16。以該膜制成的集熱管已用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)(SEGS) 中高倍聚焦的真空集熱器中。1984- 1991 年，該公司已在美國南加利福尼亞建立了9 座這種類型的太陽能熱發(fā)電站，總發(fā)電容量為354 MW。
慕尼黑大學(xué)Scholkopt 采用電子束蒸發(fā)方法在金屬條帶上連續(xù)沉積TiNx，吸收率α 為0.95，發(fā)射率ε 為0.05 (100℃)。其可在375℃時(shí)穩(wěn)定工作，250℃下的光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到50%。由于其鍍膜工藝具有連續(xù)化、低成本的特點(diǎn)，可組建薄膜生產(chǎn)線進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了薄膜鍍制技術(shù)質(zhì)的飛躍。
改革開放以來，新型薄膜技術(shù)從國外開始流入我國，我國的薄膜技術(shù)在過去的30 年中取得了巨大的發(fā)展。
北京市太陽能研究所采用磁控濺射方法制備了AlNxOy 太陽能選擇性吸收涂層。該涂層應(yīng)用于真空環(huán)境，80℃下，發(fā)射率ε 為0.09，320℃環(huán)境下，發(fā)射率ε 為0.136。同年還制備了氮化鈦太陽能選擇性吸收薄膜，該薄膜采用真空磁控濺射離子束鍍膜，在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w中把金屬鈦濺射沉積到經(jīng)光亮處理的襯底上制成。1992 年，郭信章等人將AlNxOy 進(jìn)一步改進(jìn)，以純鋁為靶材，制備AlNxOy 薄膜后，再沉積薄層氧化鋁作為減反射層。用該工藝制備的吸收膜，太陽能吸收率α 為0.95，發(fā)射率ε 為0.09，并且具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫性能。陳步亮等人采用磁控濺射技術(shù)制備了Al/Al-N金屬陶瓷膜，吸收率0.89，100℃下發(fā)射率0.045。潘永強(qiáng)采用直流磁控濺射技術(shù)制備了Cr/Cr2ZnO3金屬陶瓷膜，并研究了不同工藝對(duì)涂層太陽能選擇性吸收性能的影響，性能最好的涂層α 大于0.95，ε 小于0.05，選擇性吸收性能優(yōu)異。趙玉文等人分別用氟樹脂和乙丙橡膠、有機(jī)硅為粘接劑，以PbS為顏料， 制備了2 種涂料， 吸收率0.85~0.91，發(fā)射率0.23~0.5，均達(dá)到了較高的吸收率和較低的發(fā)射率。
天津大學(xué)黃群武等人，采用化學(xué)氧化法，以NaClO 為氧化劑，在黃銅表面制備出CuO 涂層，吸收率α 約0.95，發(fā)射率ε 約0.5。在CuO 表面再鍍上TiO2 后，復(fù)合涂層的吸收率略有下降，但是其耐熱、耐蝕、耐磨性能得到較大提升。
江蘇大學(xué)范真、楊娟等人采用雙層AlN 作為減反射層，單層Si 作為膜系的吸收層，鋁板作為膜系的基體，其中基體用MEMS 方法處理成具有表面微坑結(jié)構(gòu)形狀;該膜系從頂層至底層依次為：雙層AlN 膜減反層、單層Si 吸收層、單層鋁膜紅外反射層。基體表面的微坑結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的多次反射以增加吸收;雙層AlN 膜可有效地減少膜表面對(duì)可見光的反射。制備工藝簡(jiǎn)單，制出的膜吸收率高，發(fā)射率低。
清華大學(xué)自主研制了多種選擇性吸收薄膜，其中濺射鋁- 氮- 氧薄膜，太陽能吸收率α達(dá)到0.93，發(fā)射率ε 約為0.04 (室溫);多層不銹鋼薄膜，太陽能吸收率α 為0.96，發(fā)射率ε 為0.06(80℃);鋁- 氧- 氟或鋁- 氮- 鋁為減反射層的Al- N- F 多層Al- N- Al 薄膜，太陽能吸收率α 為0.95，發(fā)射率ε 為0.06 (100℃);Mo- N- O 選擇性吸收表面，剛沉積的表面太陽能吸收率α為0.94，發(fā)射率ε 為0.19，經(jīng)過600℃、90min 熱處理后，太陽能吸收率α 為0.92，發(fā)射率ε 為0.21(80℃)。
由于在國內(nèi)外太陽能選擇性吸收薄膜的材料種類眾多，且結(jié)構(gòu)各異，制備方法也不盡相同，所以在這就不一一贅述了。
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