太陽選擇性吸收涂層認識綱要(下)

清華大學 ■ 殷志強

4) 新工藝方法：有郭射宇博士(江蘇吳江科技創(chuàng)業(yè)園)提出的氣流濺射法、德國安鋁使用的熱熔膠法等，相關(guān)圖譜如圖6所示。由圖6可知，郭射宇博士提出的氣流濺射法制備的涂層α=0.92，εn=0.06(80℃)，德國安鋁熱熔膠樣品α=0.91，εn=0.31。樣品由殷志強、周小雯等人采用PE Lambda 950和美國“dts”儀在北京衛(wèi)星廠檢測，測試顯示涂層的性能不良。

2.6 吸收涂層反射曲線

2.6.1 波長在0.3～2.5μm的情形

1) 極小值：1個極小值、2個極小值、3個極小值。

2) 反射曲線形狀：“峽谷”、“勺形”；“平谷”、“平底鍋”、“平地坡”、“平鏟”。

3) 實際涂層測量與理論計算如圖7～11所示。

圖6 新工藝制備的圖層性能檢測

圖7

圖8

圖9

圖10

4) 理論計算太陽吸收比極大值約0.96(AM1.5)。用分光光度計測試太陽吸收比的不確定度可達0.01，一個百分點。

2.6.2 波長在0.3～15μm的情形

AlN/SS-N-O/Al基材的吸收涂層反射曲線如圖12所示。

圖11 太陽吸收比與發(fā)射比的準確測量

從涂層反射曲線可計算80～500℃不同溫度下發(fā)射比。鏡反射附件的金膜標準樣品反射比可追溯來自英國國家物理實驗室，研發(fā)傳遞至PE紅外光譜儀金積分球(液氮冷卻)測試結(jié)果的不確定度(誤差)為：

Zhou-Au樣品e=0.021±0.006

Ke-AgCu樣品e=0.026±0.006

Sun-Al樣品e=0.046±0.007

圖12 紅外光譜儀，液氮冷卻金積分球

2013年11月19日召開了表面低發(fā)射比測量的專家評議會，該儀器及附件、測試方法可才采用總反射能譜法校對，卡計法的低熱發(fā)射比參考標準樣品。

2.7 太陽選擇性吸收涂層厚度方向的化學成分分析

太陽選擇性吸收涂層厚度方向的化學成分分析使用俄歇電子掃描(AES)或光電子譜(XPS)進行檢測，如圖13、14所示。

圖13 SiO2/Cr-N-O/Cu 吸收涂層

圖14 SiO2/Cr-N-O/AlOx/Al 吸收涂層

3 檢驗吸收涂層的耐久性

3.1 高溫老化試驗

1) 按 GB/T 26974-2011《平板型太陽能集熱器吸熱體技術(shù)要求》從平板型太陽能集熱器吸熱體上截取3片為試驗樣板，將試驗樣板放置在250℃空氣中200h，再次測量試樣的太陽吸收比和法向發(fā)射比，計算得出平均吸熱體表面光學性能的評價函數(shù)(衰減系數(shù))PC值。

PC值的計算式為：

式中，-芶σ為太陽吸收比變化值，無量綱；5芿ν為法向發(fā)射比變化值，無量綱。

2) 熱發(fā)射比的加權(quán)因子為0.5更合適(Solar Energy-Collector components and materials — Part 3: Absorber surface durability ISO-DIS- 22975-3，2013公布)，PC值的計算式變?yōu)椋?/p>

老化溫度根據(jù)涂層工作溫度選擇。

3) PC≤0.05，檢驗合格，期望壽命25年。

3.2 高濕度試驗

按ISO-DIS-22975-3空氣中濕氣和吸收涂層表面的冷凝水都可能會引起老化反應。無機氧化物組成選擇性吸收涂層可能會發(fā)生水化反應導致涂層的發(fā)射比增大。95%RH(相對濕度)，需在兩種溫度40℃和30℃或40℃和60℃進行測試。

吸熱體耐高濕度空氣中含SO2(二氧化硫)腐蝕試驗，按ISO-DIS-22975-3標準；空氣中的SO2由燃煤引起(供選擇)。

3.3 耐鹽霧試驗

按我國GB/T 26974-2011中要求按照GB/T 1771的有關(guān)規(guī)定進行集熱器吸熱體涂層帶劃痕的耐鹽霧試驗。

中性鹽霧試驗條件試驗溶液為氯化鈉鹽水濃度：50±5g/L(三級水)，鹽霧箱內(nèi)的溫度為35±2℃，工作壓力1kg。

3.4 檢驗結(jié)論

通過一年多的試驗研究工作，結(jié)論如下：

1) 德國與我國制造的太陽集熱器吸熱體涂層，鋁基材上的太陽選擇性涂層在經(jīng)過24h鹽霧試驗后，都發(fā)生“腐蝕”。耐鹽霧性好的，樣品未帶劃痕經(jīng)標準鹽霧試驗如圖15所示。

圖15

2) 國標GB/T 26974-2011《平板型太陽能集熱器吸熱體技術(shù)要求》實施需制定細則?？赡艿姆椒ㄓ校盒∮?.5～1h的鹽霧試驗，目測不能有腐蝕斑點；中性鹽霧試驗48h，測試試驗前后吸熱體涂層的太陽吸收比與熱反射比，建立評價函數(shù)PC，而目前使用的卡計法測熱發(fā)射比的不確定度問題，對試驗后的判斷帶來困難。

3) 太陽能集熱器在海邊長期工作，需要鹽霧檢驗。

4 討論與結(jié)論

1) 我國已掌握選擇性吸收涂層的設(shè)計、計算與優(yōu)化方法，涂層的制備方法、試驗方法與測試方法。

2) 國產(chǎn)化有較大的進展，還需繼續(xù)努力，在不遠的將來，涂層性價比優(yōu)于發(fā)達國家的產(chǎn)品，將改變平板集熱器吸熱體國際市場的格局。

3) 我國的市場經(jīng)濟快速發(fā)展，企業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，要技術(shù)進步、提高質(zhì)量。而低價、低質(zhì)量是沒有競爭力的，加速企業(yè)的浮沉。

4) 企業(yè)的發(fā)展，在資金方面，要改變重裝備、輕知識、輕技術(shù)的建設(shè)。研發(fā)投入嚴重不足。

5) 人們關(guān)切環(huán)境與空氣，政府下決心治理霧霾，企業(yè)家的社會責任與經(jīng)濟效益一致，對濕法與干法制備吸收涂層，要用發(fā)展的眼光，要放棄與不要引進對環(huán)境不友好的工藝方法。

6) 實施國標，與國際接軌，國內(nèi)要啟動SO2的試驗，SO2與鹽霧試驗建議作為標準的選擇項目。

致謝：對周小雯、焦青太、魏寶成與堯克光等人的有益討論與幫助表示衷心的感謝。