全玻璃太陽能真空管高耐熱性復(fù)合膜系的研究

孫學(xué)斌

【摘 要】現(xiàn)階段的太陽能真空管采用的膜層絕大多數(shù)是ALN/AL-N/AL漸變工藝或ALN/AL-SS-N/Cu干涉膜工藝。本文研制出一種具有高耐熱性的α-C：H復(fù)合膜系，替代ALN/AL-N/AL和ALN/AL-SS-N/Cu兩種工藝，生產(chǎn)出在使用壽命、熱性能指標等質(zhì)量和技術(shù)方面均大幅優(yōu)于國家標準和現(xiàn)行真空管的全玻璃真空管產(chǎn)品。

【關(guān)鍵詞】太陽能；真空管；中、高溫；復(fù)合膜系

All-glass solar vacuum tube of high heat resistant composite membrane system research

SUN Xue-bin

（Zhejiang sangLe digital solar co.， LTD，Jiaxing Zhejiang 314415， China）

【Abstract】At this stage of solar vacuum tubes used in membrane layer mostly ALN/AL-N/AL gradient process or ALN/AL-SS-N/Cu interference in membrane technology. This paper developed a high heat resistance of α-C：H composite membrane system. Instead of ALN/AL and ALN/AL-SS-N/Cu two process， Produced in service life， thermal performance such as quality and technical aspects were significantly superior to the national standard and the vacuum tube all-glass vacuum tube products.

【Key words】Solar power； Vacuum tubes； Medium、High temperature； Composite membrane system

0 引言

目前，國內(nèi)不論是產(chǎn)業(yè)本身還是城市太陽能熱利用規(guī)劃，仍集中在太陽能熱利用的低溫（40℃～80℃）應(yīng)用上，在涉及太陽能應(yīng)用于工業(yè)用熱的中溫（80℃～250℃）和高溫（300℃～800℃）光熱領(lǐng)域，發(fā)展仍然較慢，其中主要原因是受技術(shù)水平制約。

現(xiàn)階段的太陽能真空管采用的膜層絕大多數(shù)是ALN/AL-N/AL 漸變工藝或ALN/AL-SS-N/Cu干涉膜工藝，這兩種膜系在長時間使用中發(fā)現(xiàn)這兩種膜層在耐候性、抗老化性能、附著力等方面存在缺陷。

1 國內(nèi)外吸熱膜層的發(fā)展概述

20世紀90年代以來，選擇性吸收表面材料和結(jié)構(gòu)的研究已日臻成熟。慕尼黑大學(xué)Scholkopt采用電子束蒸發(fā)方法在金屬條帶上連續(xù)沉積，吸收率a=0.95，發(fā)射率：二0.05（100℃）。可在375℃時連續(xù)工作，250℃下的光熱轉(zhuǎn)換效率達到50%。由于鍍膜工藝具有連續(xù)化、低成本的特點，可實現(xiàn)大規(guī)模的薄膜生產(chǎn)線，實現(xiàn)薄膜鍍制技術(shù)質(zhì)的飛躍。

相比較而言，我國的太陽能選擇性吸收薄膜的發(fā)展較為緩慢，20世紀70年代末，我國的太陽能利用漸漸開展起來。清華大學(xué)承擔了國家科技攻關(guān)課題，不斷進行著研究和開發(fā)，取得很大的成就，包括：

1）濺射鋁一氮一氧選擇性吸收薄膜，太陽能吸收率a達到0.93，發(fā)射率ε約為0.04（室溫）；

2）多層不銹鋼選擇性吸收薄膜，太陽能吸收率a為0.96，發(fā)射率ε為0.06（80℃）。

2 耐熱性復(fù)合膜層的研究創(chuàng)新

全玻璃真空管集熱器的瞬時效率方程為：

η=ηopt-k1/G（Tm-Ta）-N/G*k2（Ts-Ta）-N/G*k3*ε（T4 s-T4 a）

式中：η—集熱器效率

ε—吸熱體表面的發(fā)射比

N—集熱管的數(shù)目

k1、k2、k3—有關(guān)熱損系數(shù)

ηopt—集熱器的光學(xué)效率

ηopt=（τα），（τα）—法向有效透射吸收積

要想提高η，就要增加ηopt，增加ηopt，就要提高外管透射比τ。目前，外管透射比τ一般在0.90～0.92之間，因此外管要鍍增透膜，可以把τ提高到0.94～0.96。

太陽光譜中波長≤2500nm的太陽輻射能占總能量的98%，理想的吸收膜系為小于λc的太陽輻射，100%被吸收，大于λc的太陽輻射，100%被反射，因此吸收膜系在制備時選擇光譜選擇性吸收膜層。

應(yīng)用于工業(yè)用熱的中高溫應(yīng)用的α-C：H/SS-C/SS選擇性吸收膜系是一個復(fù)合膜系，其中紅外反射層—反射紅外輻射起到隔熱降發(fā)射作用。

根據(jù)物體的輻射出射度定律：

E=εEb=εσT4

因此，要想解決物體在中高溫的輻射出射度，就要從根本上有效降低在中高溫下的發(fā)射率ε。考慮到成本和技術(shù)控制難易程度，紅外發(fā)射層采用SS作為基材，有效降低發(fā)射比。

吸收層的作為膜系作用的根本，要盡可能在波長≤2500nm范圍內(nèi)有高的吸收，長波長外有高的反射，AL在10μm升到最高點（R=0.95），膜系α=0.05，發(fā)射率0.05，最低；不銹鋼～13μm升到最高點，R=0.82，α=0.18，發(fā)射率0.18；直接在玻璃上：膜系發(fā)射率=0.63。

ALN介質(zhì)膜和α-C：H介質(zhì)膜具有相近的光學(xué)常數(shù)，但是其反應(yīng)濺射沉積速率相差很大，α-C：H介質(zhì)膜沉積速率遠遠大于ALN介質(zhì)膜，并且考慮到膜系屬于應(yīng)用于工業(yè)用熱的中高溫膜系，ALN膜系中的AL易氧化變成AL2O3，影響整個膜系的熱性能，因此吸收層采用SS- C的復(fù)合材料。

經(jīng)性能測試，選擇性吸收涂層采用干涉膜和漸變膜相結(jié)合技術(shù)，膜層結(jié)構(gòu)為α-C：H/SS-C/SS，吸收比α≥0.94，發(fā)射比ε≤0.06（180°C）。

經(jīng)1000小時，不低于400℃老化，涂層吸收比變化≤3%，涂層壽命可超過20年。

α-C：H膜系真空管采用得鋇量60mg的蒸散型吸氣劑和非蒸散高效吸氣劑共同配合使用，在400℃，進行2500小時高溫老化試驗，真空維持能力良好。

3 結(jié)論

選擇性吸收涂層要具有高的吸收比和低的發(fā)射比，熱損小，高溫老化穩(wěn)定，生命周期長的等特點，膜層結(jié)構(gòu)可以初步設(shè)計SS為紅外發(fā)射層，兩層吸收層，兩層減反層，結(jié)構(gòu)表示為α-C：H/SS-C/SS膜系。新技術(shù)耐熱性復(fù)合膜系全玻璃真空集熱管比現(xiàn)行真空管工藝有明顯的提高，并且產(chǎn)品安全性更高，因該產(chǎn)品生產(chǎn)成本較當前真空管生產(chǎn)成本差別不大，所以新產(chǎn)品的上市將形成明顯的性價比優(yōu)勢，從而產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益和和社會效益。

【參考文獻】

[1]殷志強，吳家慶，陶祖巖，史月艷.全玻璃真空集熱管的研制[J].太陽能學(xué)報，1981.

[2]殷志強，嚴習(xí)元.太陽吸收涂層與真空集熱管的熱性能[J].太陽能學(xué)報，1996.

[責(zé)任編輯：王楠]