高温太阳光谱吸收涂层研究进展

关键词： 太阳能；选择性吸收涂层；高温；进展

太阳能选择性吸热涂层作为一种功能性涂层, 要求其在太阳光能量集中波长区域具有高的吸收率, 并具有低的发射率。因其对于当前的新能源利用及环境问题有较好的解决和改善作用^[1-5] ，太阳能选择性吸收涂层技术一直以来都是业界研究的热点。探讨其选择性吸热的机理，研制性价比高，可规模化推广应用的选择性吸热涂层，是开发新能源、高效利用太阳能的重要课题。在低温应用领域，太阳能选择性吸收涂层已经有了较大的发展，但在高温应用领域的应用研究才刚刚开始。目前，全世界的高温太阳能利用项目尚少，但已处于一个高速发展的阶段。美国的太阳能热利用电站已经运行了多年，并证明它具有较好的经济性和环保性能；欧洲也已经有数个太阳能热电站投入运营或开始建造；我国的太阳能热电站的研究和开发也已经开始，并有实验电站建成。当前高温太阳能开发利用亟待解决的关键问题就是高温太阳能选择性吸收涂层技术的突破及应用，下面就该领域的技术进展作总结阐述。

太阳能热利用的主要问题是开发高温的太阳能选择性吸收涂层。如何提高太阳能选择性吸收涂层的吸收率，较低涂层的发射率，并使涂层具有耐高温和耐候性能是该涂层的关键。目前在该涂层的研究领域主要有以下几种方法：磁控溅射，电化学涂层，溶胶凝胶涂层，电镀涂层，化学法，涂料型涂层。

磁控溅射涂层是指利用溅射的方法在基底上通过化学反应或物理方法沉积一层金属陶瓷膜的技术，涂层主要通过干涉和吸收来达到吸收太阳能的目的。现有的磁控溅射涂层主要有Al-AlN 涂层，该涂层的缺点是不耐高温，当温度超过200℃以上或者更高时，它的各方面的性能都要下降，吸收率会降低，发射率会升高，甚至会失去吸收太阳光的能力。主要原因是Al 的熔点较低，特别是当制备成Al-AlN 涂层时，Al 以纳米颗粒的形式存在于涂层中，还没到其熔点时就已经发生了软化，并使颗粒之间相互融合，颗粒增大，失去原来的光学性能。现在解决的方法是通过改变涂层中金属材料的熔点，即改用熔点较高的物质；同时由于一般高温太阳能利用涂层的密封技术难，还需有抗氧化的性能。根据文献和专利报道，采用金属W、Ti 等制备的涂层有较好的耐高温性能。在郝雷等[6]报道的非真空高温太阳光谱选择性吸收涂层的研制中，采用TiAl 合金作为耐高温的金属，制备了TiAl/TiAlN/TiAlON/TiAlO涂层，该涂层的吸收率高于0.9，发射率在0.09-0.19 之间，可用于非真空的800℃太阳能吸收涂层。A. Antonaia 等[7]利用W 为金属，氧化铝作为基体材料制备了高温利用的太阳能选择性吸收陶瓷层，该方法制备的涂层可以在580℃的条件下使用（真空环境）。S. Esposito等^[8]以Mo 为填充金属，通过溅射的方法制备了太阳能选择性吸收涂层，发射率在400℃时是0.072，500℃时是0.118，吸收率始终保持在0.94 左右。Y. Yin 等^[9]制备的Cr–Cr2O3涂层在300-400℃保持稳定。N. Selvakumar 等^[10]制备HfOx/Mo/HfO2 涂层在真空中耐800℃和在空气中耐500℃的高温而几乎不改变性能。

电化学涂层主要是通过铝的阳极氧化或者钢的阳极氧化来形成选择性吸收涂层。Al 的阳极氧化膜结构的表面是多孔状氧化铝，中间层是有一定梯度的含有金属粒子的氧化铝层，最底下还有一层氧化铝层，底层是金属铝。其示意图如图1 所示。

 

图中所示的第一层主要为多孔的氧化铝层，厚度为0.2μm 左右；第二层（含有金属的氧化铝层）中的金属粒子有Ni 和Sn 等，该层的厚度为0.5μm 左右；下面的氧化铝层为致密的氧化铝层，厚度为0.01μm 左右，金属层主要为Al 或者不锈钢[11]。用这种方法制备的太阳能选择性吸收膜层的吸收率可达到0.9 以上，发射率在0.1-0.2 之间，但是由于含有金属粒子，其耐热性还尚不能应用在高温太阳能热利用方面，解决的方法是通过改变着色的金属的种类来改变它的性能。着色金属改用一些高熔点、耐氧化的物质有较好的效果，但是不够理想。程目安等^[12]在铝底材上采用磷酸溶液阳极氧化、钴盐电解着色方法制备的太阳能选择性吸收层，该吸收层的吸收率α=0.92-0.94，法向发射率ε=0.10-0.17，膜层通过200℃的老化试验性能没有显著的变化，但没提到更高温度的试验情况。李剑虹等[13]在利用交流电阳极氧化的电镀黑镍的研究中得到的涂层的吸收率达到0.93，200℃加热2h 性能不变，但是更高的温度没有提到。M.R. Bayati 等[14]通过电化学方法制备的多孔Al2O3–TiO2 涂层达到吸收率0.99，发射率0.06 的效果。

 

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