中高溫太陽光譜選擇性吸收涂層專利技術(shù)進展

譚力 陳蘇蘇

摘 要：槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是目前技術(shù)最成熟、也是商業(yè)化運行最成功的太陽能熱發(fā)電模式，而中高溫太陽光譜選擇性吸收涂層是提高發(fā)電效率的重要因素，因此其研究進展一直受到廣泛的關(guān)注。文章以專利技術(shù)為主，重點分析國內(nèi)外對中高溫太陽光譜選擇性吸收涂層技術(shù)的研究進展，以期為槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)提供新的發(fā)展指引。

關(guān)鍵詞：槽式太陽能；選擇性吸收涂層；干涉吸收；金屬陶瓷

中圖分類號：T-18 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0028-02

Abstract： The trough solar thermal power generation technology is the most mature and commercial solar thermal power generation mode at present， while the selective absorption coating of middle and high temperature solar spectrum is an important factor to improve the power generation efficiency. Therefore， its research progress has been widely concerned. In this paper， the research progress of solar selective absorption coating technology at medium and high temperature is analyzed in order to provide a new guide for the development of trough solar thermal power generation technology， which is mainly based on the patent technology and focuses on the analysis of the research progress at home and abroad.

Keywords： trough solar energy； selective absorption coating； interference absorption； cermet

1 概述

槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是目前技術(shù)最成熟、也是商業(yè)化運行最成功的太陽能熱發(fā)電模式[1]，太陽光譜選擇性吸收涂層是提高其發(fā)電效率的重要因素。自19世紀50年代以色列科學家Tabor在專利US2917817A中提出太陽光譜選擇性吸收涂層以來，其在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應用備受關(guān)注。通常，太陽光譜選擇性吸收涂層要求高的太陽光吸收率、低的紅外發(fā)射率以及優(yōu)良的熱穩(wěn)定性[2-4]。筆者通過分析槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)中的太陽光譜選擇性吸收涂層的相關(guān)專利，以期為槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)提供新的發(fā)展指引。

2 技術(shù)進展

太陽光譜選擇性吸收涂層通常由以下幾部分組成：基底層、紅外反射層、吸收層、減反層。槽式太陽能真空集熱管的工作溫度為中高溫，多采用光學干涉吸收涂層和金屬陶瓷吸收涂層：

光干涉吸收涂層：基于光的干涉原理設(shè)計，由多層具有確定光學常數(shù)和規(guī)定厚度的光學薄膜堆疊而成，使其對光產(chǎn)生干涉相消，增加吸收率、降低發(fā)射率。由于涂層需要通過預先設(shè)計，其制備難度較大、成本較高。

金屬陶瓷吸收涂層：在電介質(zhì)基體中嵌入分散的金屬粒子即形成了金屬陶瓷材料，由于顆粒共振和金屬帶間躍遷使得其在太陽光譜范圍具有高吸收率。金屬陶瓷吸收涂層一般由多個亞層組成，形成折射率逐漸遞增的結(jié)構(gòu)。其制備方式簡單，目前已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)。

2.1 國外研究進展

澳大利亞悉尼大學的章其初等人在專利US5523132A中提出雙層干涉吸收型選擇性吸收涂層，包括：基底層/紅外反射層/高體積分數(shù)金屬陶瓷層/低體積分數(shù)金屬陶瓷層/減反層，各層的折射率和消光系數(shù)逐漸減小。其具有更加優(yōu)良的光譜選擇吸收性，并且兩層金屬陶瓷吸收層能夠產(chǎn)生相互干涉效應；此外相比于梯度吸收層，雙層結(jié)構(gòu)使得膜層厚度進一步減小、制備更加簡便。

2001年，肖特公司的專利DE10150738C1提出抗老化性能優(yōu)良的輻射選擇性吸收涂層，包括第一層紅外反射層、包含鋁和氮化鋁的第二層、包含鋁和氧化鋁的第三層和Al2O3的最終封閉層，在施加第三層時調(diào)整一定的氧體積流量。2006年，專利DE102006056536B3對其進一步改進，將反射層布置在至少兩個阻擋層上，在反射層和吸收層之間設(shè)有第三阻擋層。

為了提高涂層的熱穩(wěn)定性，章其初等人在專利WO9700335A1中提出將金屬陶瓷吸收層中的金屬顆粒選擇為鎢、鎳、鉬及上述的合金等高熔點金屬材料，同時改進制備工藝，濺射時電極一濺射出金屬顆粒、電極二濺射出介質(zhì)顆粒，顯著降低制造成本。

金屬粒子的氧化溫度決定了金屬陶瓷吸收涂層的使用溫度，過渡金屬如Mo、Zr、W、Cr等具有優(yōu)良的抗氧化特性，被廣泛用作金屬陶瓷吸收層中的金屬摻雜材料，而用非過渡金屬氮化物代替純金屬同樣可以解決熱穩(wěn)定性問題。

2006年，印度科學與工業(yè)研究委員會在專利US20071

96670A1中提出TiAlN/TiAlON/Si3N4的選擇性吸收涂層，前兩層為吸收層、第三層為減反層，該涂層具有高吸收率、低發(fā)射率、光學性能穩(wěn)定。2011年，專利US2014329073A1對其進一步改進，涂層包含了串聯(lián)的堆疊層，堆疊層由Ti/Cr間層、包含AlTiN的第一吸收層、包含AlTiON的第二吸收層和包含AlTiO的第三減反層組成，具有高均勻性、長期熱穩(wěn)定性以及高硬度和高耐擦傷性。

2.2 國內(nèi)研究進展

北京航空航天大學的杜心康等人在專利CN101169485A中提出的涂層包括金屬紅外反射膜、Nb與其氮化物的混合物的雙干涉吸收層、陶瓷減反射膜，具有可見-紅外光譜高吸收率、紅外光譜低發(fā)射率以及良好的中高溫熱穩(wěn)定性，吸收層采用單一靶材制備，制備過程中調(diào)節(jié)N2流量，工藝簡便、操作方便、易于控制。專利CN1512119A、CN101

737982A、CN201218622Y等也提出了類似技術(shù)方案。

北京市太陽能研究所集團有限公司的專利CN102954611A、皇明太陽能股份有限公司的專利CN102653151A、北京天瑞星真空技術(shù)開發(fā)有限公司的專利CN102286720A等均研究了雙層金屬陶瓷結(jié)構(gòu)的選擇性吸收涂層，其展現(xiàn)了高吸收率、低反射率及優(yōu)良的熱穩(wěn)定性能，缺點在于：隨溫度的升高，涂層中金屬原子的擴散會對涂層的光學性能產(chǎn)生影響，造成吸收率下降、發(fā)射率升高。

清華大學的史月艷等人在專利CN1360084A中提出的選擇性吸收涂層包括基體/反射層/吸收層/減反射層，吸收層以鈦及合金鋁為陰極在氮氣、空氣、氮氣+氧氣氣氛中濺射而成的鋁氮+鈦氮-鋁鈦膜及鋁氮氧+鈦氮氧-鋁鈦膜，減反射層為鋁氮+鈦氮膜及鋁氮氧+鈦氮氧膜。通過控制通入氣體的量進行反應濺射制備吸收層，隨氣體量的增加吸收層材料中純金屬鈦和鋁含量逐漸減少，膜層的折射率和消光系數(shù)隨之減小，當膜內(nèi)鈦和鋁含量為零時，即是膜系的減反射層。上述技術(shù)構(gòu)思在專利CN101445331A、CN201344667Y等中也有闡述。

北京有色金屬研究總院的郝雷等人于2008年在專利CN101666557A中提出，將鈦鋁氮/鈦鋁氧氮/鈦鋁氧用作選擇性吸收膜層，認為鈦鋁氮是一種優(yōu)質(zhì)的高硬度、耐磨和抗氧化材料，是替代鈦氮鍍層的理想鍍層；此外，鈦鋁氮薄膜具有低的電阻率，在中遠紅外具有低的輻射性能。進一步地，鈦鋁氧氮膜層被設(shè)計為高鈦鋁氮含量和低鈦鋁氮含量的漸變結(jié)構(gòu)，以提高其吸收性能。2010年，專利CN102121757A進一步提出：將金屬氮化物（TiN、TiAlN）作為導電粒子替代目前使用的金屬粒子，采用金屬氮化物或金屬氧化物（AlN、Al2O3）作為陶瓷層和減反射層來制備導電粒子陶瓷復合吸收涂層，認為AlN和Al2O3的電性能優(yōu)良、光傳輸特性好、絕緣性能好、電阻率高、化學性能穩(wěn)定，并且通過調(diào)節(jié)金屬體積分數(shù)可獲得低電阻率的金屬氮化物。2012年，郝雷等人將光干涉吸收涂層和過渡金屬陶瓷涂層結(jié)合，在CN103808047A中通過第一吸收層TixAl1-xN或NbxAl1-xN（x=0.5-0.8）和第二吸收層TiyAl1-yN或NbyAl1-yN（y=0.1-0.5）的本征吸收和干涉吸收，獲得了吸收率為0.93～0.96，發(fā)射率為0.04～0.06的選擇性吸收涂層，且在真空和空氣環(huán)境中均具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗氧化性。

3 結(jié)束語

目前選擇性吸收涂層的機理、材料等基礎(chǔ)研究已比較深入，并且國內(nèi)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)不遜于國外，應當保持這一發(fā)展勢頭并有所創(chuàng)新，從而盡早占據(jù)技術(shù)優(yōu)勢。此外，還要積極實現(xiàn)大面積鋼管鍍膜工藝和生產(chǎn)線的研發(fā)，為槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)更廣闊的商業(yè)應用打好基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]何梓年.太陽能熱利用[M].中國科學技術(shù)大學出版社，2009.

[2]王虎，武永鑫，王聰.槽式太陽能集熱器用光譜選擇性吸收涂層的研究進展[J].分布式能源，2016（1）：52-56.

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[4]董亞斌.AlON/TiAlON_D/TiAlON_M/Cu選擇性吸收涂層熱穩(wěn)定性研究[D].北京有色金屬研究總院，2015.