光谱选择性吸收涂层解析

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1.32亿亿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1.765×1017焦耳，折合标准煤约600万吨。

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。

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0.3～2.5μm太阳光谱范围内具有较高的吸收比（α），同时在波长为2.5～5.0μm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。

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。

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（0.5μm）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。

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＝0.93、ε＝0.33～0.50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。

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。

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。