光谱选择性吸收涂层

径 ( ф100mm) 热管 式 真 空 管 的 规 模 化 生 产 要 求 , 在 1988～1990 年间又研制了铝氮氧渐变型选择性吸收 涂层 (郭信章 、尹万里 、于凤琴等) ,采用磁控溅射的方 法在金属吸热体上沉积涂层 ,并研制了超大型磁控溅 射生产设备 ,用于生产各种金属吸热体的真空管集热 器 。与上述各种涂层技术相比 ,磁控溅射工艺更易控 制 ,而且可以在较大面积上获得均匀一致的涂层 。该 项目获得了 1993 年北京市科技进步二等奖 。
在太阳能热利用装置中 ,首先要将太阳辐射能转 换成热能 ,实现这种转换的器件称为太阳集热器 。无 论哪种形式和结构的集热器 ,都要有一个用来吸收太 阳辐射的吸收部件 ,该部件吸收表面的热辐射性能对 集热器的热性能起着重要的作用 。表征吸收表面热 辐射性能的物理量是吸收比和热发射比 ,前者表征吸 收太阳辐射能的能力 ,后者表征自身温度下发射辐射 能的能力 。为了提高太阳集热器的热效率 ,我们要求 吸收部件表面在波长 013～215μm 太阳光谱范围内 具有较高的吸收比 (α) ,同时在波长为 215～ 510μm 红外光谱范围内保持尽可能低的热发射比 (ε) 。换句 话说 ,就是要使吸收表面在最大限度地吸收太阳辐射 的同时 ,尽可能减小其辐射热损 。获得这种吸收效果 的表面的涂层称为选择性吸收涂层 。显而易见 ,该涂 层两个重要的性能参数α、ε对提高集热器的热效率 起着至关重要的作用 。因此 ,研究和应用光谱选择性 吸收涂层是太阳能热利用中的重要课题 。
如此说来 ,既然太阳能量如此之大 ,地球上怎么 还会出现能源危机呢 ? 人类只要无偿地坐享太阳的 恩赐不就万事大吉了吗 ? 问题却并非如此简单 。我 们知道 ,虽然太阳辐射能量十分巨大 ,可到达地面的 能量密度并不很高 (平均每平方米 1000 瓦左右) ,而 且是不连续的 ,这就给我们有效地利用太阳能带来了 许多困难 。因此要广泛地利用太阳能不仅要解决技 术上的种种问题 ,而且在经济上必须能同常规能源相 竞争 。利用太阳能的途径虽然很多 ,但从技术与经济 的观点来看 ,最简单也最切合实际的途径就是把太阳 能转换成热能来加以利用 ,这就是我们所说的太阳能 热利用 。
多年来北京市太阳能研究所一直致力于研究开 发性能好 、寿命长 、工艺简单 、成本低廉的选择性吸收 涂层材料 ,并取得了丰硕成果 。其中包括金属氧化 物 、硫化物 、碳化物 、氮化物以及近几年来出现的金属 陶瓷等诸多复合材料 。制备工艺由简单的涂复 、金属 氧化处理 、化学转换 、电化学沉积发展到真空蒸镀 、磁 控溅射等近代薄膜物理方法 。膜系结构也有很大发 展 ,从最基本的干涉滤波型 、体吸收型发展到多层渐 变型与目前的干涉吸收型 ,对涂层的机理认识也越来 越深入 。但无论如何变化 ,所有选择性吸收涂层的构 造都是由两个基本部分组成的 : 红外反射底层 (铜 、 铝 、钼等高红外反射比金属) 和太阳光谱吸收层 (金属 化合物或金属介质复合材料) 。吸收层物质自身或通 过光的干涉效应在太阳入射辐射峰值波长 (015μm) 附近产生强烈的吸收作用 ,而在红外波段则自由透 过 ,并借助于底层的高红外反射特性构成选择性吸收 涂层 。
随着我国科学技术的发展 ,人民生活水平的提
高及环保意识的加强 ,未来太阳热水器行业将有较大 的发展 ,太阳热水器市场趋势将呈现出六大特点 。
11 未来太阳热水器与建筑结合会更趋紧密 。随 着小康住宅的建设 ,太阳热水器直接进入家庭将构成 市场销售的主渠道 。家庭安装使用面积将由 1m2 向 2m2 或更大面积发展 。
北京市太阳能研究所建所以来在选择性吸收涂 层方面取得的成果列举如下 :
1979～1980 年 ,研制出硫化铅/ 沥青漆涂层 (赵 玉文 、庄秀智等) ,采用喷涂工艺制备出α= 0193 、ε= 0133～0150 的选择性吸收涂层 。该涂层工艺简单 , 成本低廉 ,应用在平板集热器上明显地提高了集热效 率 ,成为我国太阳集热器最早使用的选择性吸收涂层 材料 。在 此 研 究 基 础 上 , 1981 ～ 1983 年 又 研 制 了 TXT 铁 、锰 、铜氧化物系列选择性吸收涂料 (庄秀智 、 梅胜放等) 。该涂料的选择性进一步提高 ,寿命明显 增长 ,成为我国 80 年代平板集热器主要使用的涂层 材料 。
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光谱选择性吸收涂层
谢 光 明
要了解光谱选择性吸收涂层在太阳能利用中的 作用 ,首先要从太阳辐射谈起 。众所周知 ,太阳是离 我们最近的一颗恒星 ,它是一个炙热的气态球体 。太 阳内部不断地进行热核反应 ,中心温度高达 4000 万 度 ,并以辐射的形式向宇宙空间发射巨大的能量 ,每 秒钟向外发射的能量 ,相当于每秒钟燃烧 ຫໍສະໝຸດ Baidu132 亿亿 吨标准煤放出的能量 。其中 22 亿分之一左右的能量 到达地球大气上层 ,每秒钟约有 11765 ×1017焦耳 ,折 合标准煤约 600 万吨 。
回顾北京市太阳能研究所在选择性吸收涂层研 究方面所做的工作和取得的科研成果 ,目的是为了总 结经验 ,开拓创新 ,力争在 21 世纪取得更大的成绩 。
谢光明
副研究员 ,天津大学毕业 。 主要从事太阳能光热材料和工 艺 研 究 , 在“玻 璃 —金 属 热 压 封”技术攻关中作出重要贡献 。 荣获北京市科技进步一等奖和 国家技术发明四等奖 。
21 未来太阳热水器的结构将发生较大变化 。预 计太阳热水器会由目前的整体式向分体式发展 ,水箱 由非承压向承压式过渡 。
31 太阳热水器将由三季使用向全年全天候使用 发展 。在我国北方地区 ,带辅助加热系统的太阳热水 器将成为市场的主流产品 。
41 随着管路防冻保温技术的发展 ,太阳热水器 系统运行会更趋可靠 。
1979～1980 年 ,采用电化学方法研制了选择性 吸收黑铬涂层 (陆龙波 、黄涵芬 、赵玉文等) 。该涂层 不仅具有优良的光谱选择性 (α= 0. 93～0. 97 、ε= 0. 07～0. 14) ,而且还具有良好的耐湿耐温性 。当年援
未来太阳热水器市场趋势 呈现六大特点
王君一
SUN P 桑普
51 各种电子装置将在太阳热水器上更多地应 用 ,使用会更趋方便 。如 : 电子水位显示 、温度显示 等。
61 近期各种类型的太阳热水器将由以提高效率 为主向高性能 、长寿命发展 ,淡旺季销售将趋于平衡 。
桑 普 ——— 连 接 天 地 的 技 术
北京市桑普技术公司的企业 标 识 以 桑 普 的 英 文 名 称 ——— “SUN PU”为蓝本 ,在设计上作局 部创新的修饰而成 。对英文字形 的修正 ,以直线条为主 ,构型上局 部采用圆角 ,使得标识整体刚中有 柔 ,又大胆地将最后一个字母 U 变形为椭圆形 ,与其上部的太阳形 图案相契合 ,代表了桑普有力有效 地将太阳能进行转换 ,为我们这个 日益发展的生存环境提供不息的 新能源 ,以创造洁净空间 ,造福人 类 ;同时 ,椭圆形对太阳的烘托 ,也 象征桑普人孜孜以求 、奋发向上 、 托升明天太阳的旺盛的企业活力 。
(马凤雯)
藏的太阳能烤馕箱就采用该涂层 ,集热温度有了很大 的提高 。在 1981～1983 年间还研制了铝阳极化电解 着色选择性吸收涂层 (黄涵芬 、赵玉文 、张宝英等) α, = 0. 92～0. 96 ε, = 0. 10～0. 20 。由于铝制集热器是 当时最普遍采用的太阳集热器 ,所以铝阳极化电解着 色选择性吸收涂层对这种集热器具有特殊的意义 。
此外 ,它还具有生产过程能耗低 、污染小 、成本低等优 点 。为了满足太阳集热器铜铝复合条带的生产要求 , 在国内首次成功地研究并建成连续式阳极化电解着
色选择性吸收涂层生产线 ,实现了涂层大批量规模化 生产 。该项技术曾获 1993 年北京市科技进步二等奖 (黄涵芬 、韩建功 、李小苏等) 。
随着太阳集热器技术的不断进步 ,选择性吸收涂 层的研究工作也在不断发展 。1986～1988 年研制成 黑钴选择性吸收涂层 (赵玉文 、谢光明等) 。该涂层具 有良好的光谱选择性 (α= 0. 92～0. 96 ε, = 0. 06～0. 08) ,适合应用在工作温度较高的真空集热管上 。采 用该涂层生产的 ф65mm 热管式真空集热管其性能已 达到荷兰菲利浦公司同类产品的水平 。为满足大直
50 年代末 ,以色列科学家 Tabor 提出了光谱选择 性吸收理论 。几十年来选择性吸收涂层一直是太阳
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能热 利 用 技 术 领 域 中 一 项 十 分 活 跃 的 研 究 课 题 。 1980 年北京市太阳能研究所赵玉文在《太阳能学报》 上发表的“选择性吸收表面与集热器效率的研究”一 文 ,在 Tabor 分析的基础上提出了等效表面概念及判 断不同性能选择性吸收表面的相对优劣方法 ,阐述了 选择性吸收表面与集热器效率的关系 ,引起了太阳能 界的高度重视 。