[发明专利]适于中高温热利用的太阳能选择性吸收膜系及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能集热器吸热膜、光热转化材料领域，具体是指一种适于中高温热利用的太阳能选择性吸收膜系及其制备方法。

技术背景

随着现代社会经济的高速发展，人类对能源的需求量越来越大。然而煤、石油、天然气等传统能源储备量不断减少、日益紧缺，造成价格的不断上涨，同时常规化石燃料造成的环境污染问题也愈加严重，这些都大大限制着社会的发展和人类生活质量的提高。能源问题已经成为当代世界的最突出的问题之一。因而寻求新的能源，特别是无污染的清洁能源已成为现在人们研究的热点。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，而且资源量巨大，地球表面每年接收的太阳辐射能总量为1×10¹⁸kW·h，为世界年耗总能量的一万多倍。世界各国都已经把太阳能的利用作为新能源开发的重要一项，我国政府在《政府工作报告》也早已明确提出要积极发展新能源，其中太阳能的利用尤其占据着突出地位。然而由于太阳辐射到达地球上的能量密度小（每平方米约一千瓦），而且又是不连续的，这给大规模的开发利用带来一定困难。因此，为了广泛利用太阳能，不仅要解决技术上的问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。

太阳能的利用主要有光热转化、光电转化、光化学转换这三种形式。相比于太阳能光伏产业和光化学转换的高昂成本与低的能量转换效率，太阳能热转化是一种能量转换效率和利用率高而且成本低廉、可在全社会广泛推广的太阳能利用方式。在太阳能热利用装置中，关键是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能集热器。

无论哪种形式和结构的太阳能集热器，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。

众所周知，太阳辐射具有一个很宽的波段分布，但是其辐射能主要集中在可见光和近红外波段范围（0.3～2.5μm）。因此，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的太阳光谱范围内具有较高的吸收比（通常用α表示）。而对于一个实际应用中的受热体，其热辐射能量集中在波长为3.0～30.0μm的红外光谱范围内，为了减少热损失，防止吸收的短波能量又以长波形式辐射掉，就要在热辐射波段内保持尽可能低的热发射比（通常用ε表示）。根据普朗克黑体辐射定律和基尔霍夫定律，处于热平衡时，任何物体对黑体辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。因此，要使物体在热辐射波段内保持尽可能低的热发射比，即相当于使物体在热辐射波段内保持尽可能低的吸收率。概括起来，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失，通俗地讲，就是要“进的多，出的少”。具有这种选择性吸收效果的表面的称为“太阳光谱选择性吸收表面”或“太阳光谱选择性吸收涂层”。显而易见，该涂层两个重要的性能参数α、ε对提高集热器的光热转换效率起着至关重要的作用。

但是，我国在近二三十年的太阳能热利用研究中，多数的研究成果仅限于中低温应用，如太阳能热水器、太阳能烘干机、太阳房等。而在中高温热利用选择性吸收膜方面的研究则较为滞后。低温应用中所使用的吸收膜在高温下集热性能及耐候性能会大大降低，尤其是其发射率会随着集热器工作温度的提高显著的增大，使得热损失大大增加，降低集热效率，空烧温度无法进一步提高，难以满足中高温热利用的需求。例如，目前我国广泛应用的真空管太阳能集热器膜系结构中，选择性涂层大多采用磁控溅射多层渐变Al-N-Al，该涂层靠多层吸收膜提高吸收能力，吸收率得到有效提升（吸收率能达到92%），但很容易引起发射率的升高，尤其是当温度较高时，发射率随温度急剧升高，而且膜层中金属成分容易在高温中扩散，造成膜层的老化和脱落，导致了集热器热效率的损耗和使用寿命的缩短。

因此，在中高温太阳能利用方面，关键是降低发射率。适合中高温太阳能热利用的光谱选择性吸收涂层(为方便起见，简称中高温吸收涂层)是指能耐受200℃及其以上高温，并能长期在与室温的变化范围内正常工作，保持较高的太阳能吸收率α和较低的发射率ε的选择性吸收涂层。从长远角度来看，中高温选择性吸收涂层的研究意味着更广阔的应用领域与需求，以太阳能空调技术为例，如果采用低聚焦的中高温集热器可以大大提高制冷系统的性能系数。因此，中高温太阳光谱选择性吸收涂层是当前太阳能热利用中的热点课题。研发一种新型的中高温太阳光谱选择性吸收膜系，在平板太阳能集热器、太阳能热发电、太阳能空调等领域有着迫切的需求和广泛的应用前景。