[发明专利]制备太阳能选择性吸收涂层的新工艺

说明书

技术领域

本发明涉及涂层制备技术领域，特别是涉及制备应用于非真空条件下的中高温太阳能选择性吸收涂层，具体是一种制备太阳能选择性吸收涂层的新工艺。

背景技术

能源危机是目前人类生存所面临的严重危机之一。与众多化石能源相比，太阳能可以近似看作一种取之不尽用之不竭的清洁能源。太阳能源于太阳内部的热核反应，氢便是反应材料，由于在太阳内部深处的极高温度和上面各层存在的巨大压力，发生了氢变为氦的热核聚变反应，反应过程中亏损的质量便转化成了能量向空间辐射。而人类所使用的化石燃料，其能量从根本上讲也来自太阳能。据统计，与目前人类所能开发的核能、地热等能量相比，地球所截取的太阳辐射能总量较其总储量大5000多倍。而地球每年接受的太阳能总量则是已探明原油储量的近千倍，是世界年耗总能量的一万余倍。因而太阳能应用是一个很有潜力的研究。

但是，在利用集热器吸收太阳能时，入射太阳光的能量在集热器表面会有反射损失、传导和对流损失、辐射损失。剩余部分才是能为传热媒质带走而得到利用的有效部分。因此，为了最大限度地利用入射太阳光的能量，就必须尽量抑制这些热损失。对于传导和对流损失，可以通过在吸热面表面加盖透明盖板，使用透明隔热材料或使用真空管集热器等方法来降低这方面的热损失。对于抑制表面的反射损失和辐射损失，则是利用光谱选择性吸收涂层来实现。当辐射的能量投射到物体表面时，同时会发生吸收、反射和透射现象。对同一波长的光波而言，材料的吸收率和发射率相等，即吸收率高则相应地发射率也高。但吸收率α与反射率r及透射率t会遵从如卜关系α+r+t=1。对于不透明材料而言，由于t=0，则α+r=1。而对于黑色物体来说，r≈0，则α≈l。将这一要求指标化，就是需要高的吸收率（α）和低的发射率（ε）。根据以上讨论，可知在表面上制备太阳能选择性吸收涂层是一个理想的方法。然而，太阳能的分布并不均匀，其光辐射能量主要分布在波长λ为0.3μm~2.5μm的光谱区内，也就是说太阳辐射能主要分布在可见光和近红外区。而物体受热发生黑体辐射的能量主要分布在波长为2 -100 μm的光谱区中，也就是主要在远红外区。因此，最有效的太阳能选择性吸收涂层是在太阳光谱范围内，即λ<2.5μm，有α≈1(即r≈0)；而在λ>2.5μm，即热辐射波长范围内，有ε≈0(即r≈1或α≈0) 。但在实际制备涂层时，当α达到某一数值后，要想进一步增大α，ε也会随之增大。而且，有时ε增加的值大于α增加的值，故研究中经常应用α与ε的比值(α/ε)来表征涂层选择性的高低。在太阳能选择性吸收涂层的实际应用中，还要考虑环境因素对其性能的影响，例如温度、湿度、酸碱度等因素都可能使涂层的性能受影响。

太阳能选择性吸收涂层的研究始于上个世纪中叶。之前，太阳能集热器一直使用黑板漆和无光黑漆作为吸收涂层，这种涂层没有选择性。直到1954年，在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的选择性涂层表面的可能性，并且分别提出黑镍和黑铬两种表面涂层。之后，澳大利亚、以色列、德国、日本等国都投入巨资进行相关研究，开发出一系列的选择性吸收涂层。其中，澳大利亚悉尼大学研究出涂层的3层结构被认为是一种经典结构，已被普遍采用。这种结构里层是亮金属反射层，中间是太阳能吸收层，外层是减反射层。日本科学家设计出了在铝做基板，上面覆盖有机树脂的涂层。Pathkar则在玻璃衬底上沉积黑钴。Reis提出在钴基体上涂覆黑镍、电镀黑镍等涂层。Kalleder采用溶胶—凝胶法从一种可水解、可缩聚的化合物中制取含碳母体用作涂层材料。

从上个世纪70年代末，我国逐渐开展太阳能利用方面的研究。清华大学、北京市太阳能研究所、辽宁省能源研究所、中国科学院上海硅酸所、北京有色金属研究总院等单位和一些太阳能企业开始研究开发选择性吸收涂层，先后研制出硫化铅/沥青漆涂层、黑铬涂层、黑钴涂层、铝氮氧渐变型选择性吸收涂层。

之后，清华大学在氩气中采用磁控溅射工艺制备出Al-N、Al-N-O涂层；上海硅酸盐研究所提出以有机材料、玻璃及金属为基板的黑铝涂层；李守祥研制了采用O、N共同参与的铝阴极反应的涂层；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；张云山提出了由吸热材料和粘结剂组成的涂料型涂层；青岛建工学院发明了一种由吸光剂、粘结剂、溶剂和助剂组成的涂层；李先航提出了金属陶瓷型涂层。