太阳能中高温选择性吸收膜层耐候性实验

太阳能中高温选择性吸收膜层耐候性实验

倪建友

浙江京禾电子科技有限公司  浙江嘉兴

摘 要：太阳能利用形式中，光热转换具有直接、高效等优点。选择性吸收涂层太阳能中高温热利用的关键技术，正成为研究热点。真空磁控溅射技术具有溅射速率高、膜层沉积速率高、薄膜性能稳定、重复性好以及基底和薄膜材料选择广泛、可沉积多层膜等特性，得到大规模产业化生产应用。本文对制备的太阳光谱选择性吸收涂层的最大使用温度≥250℃。吸收比α≥0.92 150℃的发射比ε≤0.08。实验表明，膜层在真空或高温大气工况下具有极高的抗氧化性，吸收层膜层和基材结合牢固，膜层的内应力较小，长期工作不脱膜，物理化学性能不衰减，在大气和真空中正常工作寿命均超过20年（涂层光学性能衰减不超过≤0.05）。

关键词：光热转换，选择性吸收涂层，老化性能，寿命。

1、太阳能利用方式

在可以预见的能源危机到来之前，就必须将注意力转移到新的能源结构上，尽早探索、研究开发利用以太阳能为主的新能源资源是关键所在。光热转换是指为有效地满足不同负载要求，通过反射、吸收或其他方式把太阳辐射能集中起来，转换成足够高温度的过程。其光热转换效率一般较高，综合平板集热器和真空管型集热器的热性能，一般认为每平米太阳能集热器每年节约150Kg标准煤，相当于节电147度，减少碳排放330Kg。

2、中高温太阳光谱选择性吸收涂层制备

本文选择真空磁控溅射技术，从316L、304等不锈钢为代表的铁铬镍基合金出发，选择其反应产物极为牢固的氧气、氮气作为反应气体，制备以不锈钢氮氧化物为基础的中高温太阳光谱选择性吸收涂层，其具有高抗氧化性，既能够用在太阳能真空集热管的真空条件下，也可以用在平板集热器上更为恶劣的大气条件下。直流磁控溅射技术制备该太阳能光谱选择性吸收涂层时，最大的优势在于制备每个亚层或者子层均只需要启动一种靶材即可，通入的反应气体最多也为一种，因此其靶材的利用率不仅大大提高，且控制变量最少，易于制备出所需的高吸收比、低发射比的太阳光谱选择性吸收涂层。特别是每个亚层或者子层均只需要启动一种靶材，从而使该种涂层非常易于进行连续化生产。

目前制备出的太阳光谱选择性吸收涂层的工作温度大于150℃，最大使用温度高于250℃。太阳能光谱选择性吸收涂层的吸收比α≥0.92（进一步优化可达0.95），在150℃的发射比ε≤0.08（进一步优化可ε≤0.06）[7]；

膜层在真空或高温大气工况下具有极高的抗氧化性，吸收层膜层和基材结合牢固，膜层的内应力较小，长期工作不脱膜，物理化学性能不衰减，在大气和真空中正常工作寿命均超过20年（涂层光学性能衰减不超过≤0.05）。

3、中高温太阳光谱选择性吸收涂层耐久性实验

实验设备：分光光度计、热发射率测定仪、换气式老化箱、恒温恒湿试验箱

.   实验依据：IEA-SHCP项目研究报告IEA Task X :《Accelerated Life Testing of Solar Energy Materials - Case study of some selective solar absorber for DHW systems》; 1994年:13, ISBN 91-7848-472-3.

判定依据：根据IEA-Task X 所述检测项目，膜层通过高温老化、高湿度湿热老化项目，可以判定使用寿命大于25年。

1.性能判别函数PC = − Δαs + 0.5Δε100

       其中：—Δαs为膜层吸收比老化前后变化量；

                 —Δε100为膜层发射比（100℃）老化前后变化量；

                 —0.5为加权因子。

2.基材或膜层发生改变时，该测试结果无效。

实验数据：

1、膜层高温热老化性能

表1  250℃+200h高温老化前后样品光学性能变化

根据表1数据，膜层经过250℃+200h高温老化后，PC=0.0097<0.01，且膜层附着力合格，可以直接判定膜层使用寿命大于25年。

2、膜层高湿度湿热老化性能

图1 实验装置图

通过模拟外界环境条件，对太阳能吸收膜层进行恒温恒湿老化试验，来检测金属条带吸收膜层的耐湿性能以及评估膜层的使用寿命。

按照图1连接实验装置，调试完毕后进行实验1：打开恒温恒湿箱开关并设置各项参数，设定恒温恒湿箱内温度为45℃，湿度为95%；打开恒温槽开关，并调节槽内水温使冷凝台表面温度为40℃。把铜条带切割成92×80 mm2规格的样品，

测试条件：湿度95%RH，温度40℃

表2a  40℃+95%RH高湿度下光性能变化量

表2b  40℃+95%RH高湿度下光性能变化量

根据表2a和表2b数据，经过600h的40℃+95%RH高湿度湿热老化，PC=0.0053<0.01，不需要进行二次湿热老化实验，且膜层附着力合格，可以直接判定使用寿命为25年

结论

通过实验表明，制备的光谱选择性吸收膜层，通过了相关测试，使用寿命可以达到25年。

和许多其他行业不同，我国在光热领域拥有完全的自主知识产权和整套工艺装备技术，从技术能力和应用水平均处于国际领先地位， 该涂层能够应用到太阳能中温工业用热（太阳能制冷、太阳能蒸汽锅炉、太阳能海水淡化等）等领域，该领域市场规模以万亿计，其节能效果、减排价值、环保效益等十分突出。开发中高温太阳能工农业实用系统和热发电系统是当前太阳能光热行业的重要发展方向和契机所在。

参考文献

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