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金亨科普|太阳选择性吸收涂层研究进展
时间:2019-06-11 来源:德州金亨新能源
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太阳选择性吸收涂层研究进展
 
       1954年,第一次世界太阳能大会上以色列专家泰勒和美国专家吉尔顿柯尔论证了制作高吸收率和低发射率选择性涂层表面的可能性,并分别提出黑镍和黑铬两种表面涂层。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,国内外众多学者在选择性吸收涂层的材料研制方面做了不少工作。

       选择性吸收涂层性能的指标主要有吸收率α、发射率ε,工作温度和使用寿命。对于光热转化涂层,α越大越好,ε越小越好。但是在实际制备选择性吸收表面时,当α达到某一数值时,进一步增大α,ε往往也随之増大,而且增大的幅值大于α增大的幅值,因此应用α、ε以及α/ε三者对涂层进行综合评价。对于工作温度较高的聚焦式集热器,要求尽可能的小,α稍低一些也可以,只要α/ε较大就行。对于低温平板式集热器来说,应使α尽可能的大,ε稍大一些也无妨,α/ε达到2~4也就可以了,对于利用辐射板技术实现太阳能建筑一体化,α/ε达到1~3即可。

       关于光谱选择性涂层研究主要有:(1)新变AlN/Al选择性吸收涂层;(2)阳极氧化电解着色涂层;(3)电镀黑铬涂层:(4)电镀黑镍涂层:(5)电键黑钴涂层:(6)PhS涂层;(7) FeMoCuox涂层;(8)黑漆涂层。

       国际上从20世纪70年代已用射工艺研制了许多太阳能选择性吸收表面。美国的Telic公司研了Cr-O、SS-O与SS-C-O复合薄膜材料,Al2O3-M-Al2O3吸收涂层(其中M可以是Cr、Mo、Ni、Pt或Ta)。日本 Ibaraki电化学实验室用高反应溅射制备Zr-C复合材料,这种选择性吸收涂层已有小批量生产。荷兰 Groningen大学用反应溅射研制具有太阳光谱选择性的Ti-N与Ti-N-C复合材料。澳大利亚 Sydney大学研究了溅射M-C、M-Si及SS-C-O等选择性复合薄膜材料。20世纪80年代,澳大利亚的 Kothari通过真空工艺制备出了几种半导体材料选择性吸收涂层,并对其做了老化研究。

       美国明尼苏达州一个公司研制成一种高性能的太阳光选择性吸收薄膜。其吸收率α=98%,发射率ε=7%。薄膜背面涂有丙烯黏合剂,可任意粘到铝、铜或塑料制品上。一种真空彼黑铝涂层除了具有很好的光谐选择性吸收特征外,并且具有工艺简便和能适应多种底材等特点,因此很有希望实现大面积连续蒸的工艺。将涂层加涂在连续塑料薄膜上,能制成一种大面积应用的廉价光谱选择性吸收涂层,是一种很有发展前景的光谱选择性吸收涂层。一项日本专利提出将含ω(Mn)=0.3%-4.3%的Al或Al合金阳极化,形成阳极氧化物膜(厚度为0.5-45µm),在薄膜上覆有一种有机树脂(丙烯酸树脂),便可以获得太阳能吸热板。

       Kalleder等人发明了一种含碳母体,是采用溶胶凝胶法从可水解、可缩聚的化合物制得的。将17.84gMeSi(OMe)3、5.20gSi(OEt)4、7.0mLSiO2溶液和0.18 mL HNO3混合搅拌15min,在120℃下干燥,并按一定速度把压缩的干凝胶加热到750℃,便可得到产物,用作太阳能集热器的吸收剂。

       Hultmart发明的太阳能集热器吸收层是采用溅射工艺在涂敷区内把雾化金属溅射到一种活动接收材料上,供溅射的气体不少于一种(最好是氩气),还有一种反应气体(最好是氧气)。金属作阴极,接收材料做阳极,阴阳极间有电势差,从而获得等离子体,通过溅射使接收材料金属化。反应气体及其在涂敷区的分布使得沉积在接收材料表面上的金属层氧化,获得的是由粒状金属和金属氧化物组成的涂层,金属嵌入最靠近接收材料的金属氧化物中,通过在涂敷区端部加氧量的增加,使表层金属量渐次减少到零。

       Reis等人设计了一种选择性吸收涂层,是在铝表面上涂敷黑镍、电镀黑镍和自动催化黑镍,并为测定这种涂层的吸收率和发射率设计了一种太阳能集热板。 Pethkar等人报告了一种全玻璃真空管集热器使用的氧化钻选择性涂层:先用喷射热解法在玻璃上沉积掺氟氧化锡薄膜,制成导电玻璃。然后电镀一层镍,以进一步提高玻璃衬底的反射率。采用喷射热解法把氧化钻薄膜沉积在镀镍的导电玻璃上,薄膜的α高达93%~94%,ε低于9%。

       一种新的黑铬选择性涂层用镍做衬底,采用脉冲电流电解法制备黑色氧化铬结晶体。镀液是250-300g/L铬酸、10-15g/L丙酸和0.5g/L专用添加剂。这种黑铬涂层的
α=94.4%,ε=8.4%,热稳定性好。以铝做衬底,采用双向铝阳极处理法,先在硫酸和磷酸中用直流电阳极化生成多孔阳极薄膜,然后在含镍、铜、钴盐的各种电解液中通过交流电电解着黑色。其中,在磷酸溶液中发生阳极化反应,并在硼酸缓冲的硫酸镍镀液中着色,表面涂敷一层氧化铝保护层,这样制成的选择性涂层热稳定性、化学稳定性和力学稳定性都很好。

       在我国专利法实施第一年,清华大学提出了太阳能选择性吸收涂层的专利申请。在氩气中用单个圆柱铝阴极溅射铝膜作底层,先后于Ar-N2混合气和纯CO气中反应溅射成分渐变的Al-N复合材料,制备了太阳能选择性吸收层,其
α=93%,ε=6%。该涂层与铜、不锈钢两个阴极溅射的优质铜/金属碳化物涂层相当,但溅射系统的结构比后者简单,溅射效率也比后者高,涂层放气量少,真空烘烤温度可降至400~450℃,生产周期短,能耗低,还可以使用软化点低的玻璃。

       上海中科院硅酸盐研究所采用真空镀膜工艺,控制气氛和压力制备出光谱选择性吸收黑铝涂层,其α>87%,ε<13%,衬底可用金属、玻璃、有机材料,可进行大面积连续生产。

       北京市太阳能研究所1991年申请了两项专利,一项是氮化钛太阳能选择性吸收膜采用的是三极磁控溅射离子镀膜方法,在氩气和氮气中把单靶金属钛溅射沉积到金属衬底上。金属衬底做光亮处理,加热到一定温度后加负偏压,在增强离化电极作用下进行溅射。另一项是氮氧化铝太阳能选择性吸收膜,采用磁控溅射铝靶,在氩气和反应气体中溅射沉积在金属吸热板上。金属吸热板进行光亮处理后作红外反射层,在氮、氧流量和负偏压不断变化的情况下进行溅射沉积,得到AlNxOy,金属陶瓷型渐变吸收膜层。

       张云山提出了由吸热材料和黏结剂组成的涂料型涂层;李守祥研制了采用氧、氮共同参与的铝阴极反应的涂层;李先航提出了金属陶瓷型涂层;沈阳台阳太阳能公司研制并应用了表层为铝-氮膜,吸收层为铝-碳膜的涂层,青岛建工学院发明了一种由吸光剂、黏结剂、溶剂和助剂组成的涂层。

       目前,Pt-Al2O3/Pt,Al-N-AI和SS-C/Cu等太阳光谱选择性吸收涂层也相继被研制和应用。Pt-Al2O3/Pt具有很好的光热转换性能和热稳定性,Al-N-AI与SS-C/Cu吸收涂层在真空条件下将太阳光的能量转换成热能,用来获得热水的技术已得到了广泛应用,两者都具有较好的光热转换性能。
 
 
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