摘要：太陽(yáng)能作為清潔的可再生能源其儲(chǔ)量極其豐富，光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的有效利用。太陽(yáng)能選擇性吸收涂層是光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)的核心。闡述了太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的選擇性吸收原理，并對(duì)太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的種類、制備方法以及目前的研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹，最后提出了太陽(yáng)能選擇性吸收涂層目前仍需解決的問題，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;太陽(yáng)能選擇性吸收涂層;吸收原理;制備方法
伴隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)于化石能源的過(guò)度利用，使得全球變暖問題日趨嚴(yán)重。在此背景下，“低碳”成為當(dāng)今世界發(fā)展的主旋律。為此，世界各國(guó)都在積極探索研究，以求找到可替代化石能源的清潔能源[1-2]。太陽(yáng)能因其巨大的儲(chǔ)量和環(huán)境友好性成為解決上述問題的一種新能源。太陽(yáng)能選擇性吸收涂層作為太陽(yáng)能集熱器的核心構(gòu)件，一直以來(lái)備受關(guān)注[3]。
太陽(yáng)能利用論文范例： 基于聚光太陽(yáng)能的油品管道減阻與節(jié)能研究
以色列科學(xué)家Tabor[4]早在20世紀(jì)50年代就提出光譜選擇性吸收涂層的概念，并稱之為選擇性黑色低發(fā)射率表面。目前，已在我國(guó)普及的太陽(yáng)能熱水器正是太陽(yáng)能選擇性吸收涂層在中低溫領(lǐng)域的應(yīng)用，由于在耐候性、耐腐蝕性以及吸收效率等問題上 一直無(wú)法達(dá)到理想狀態(tài)，對(duì)于應(yīng)用在中高溫領(lǐng)域下的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的研究仍在進(jìn)行中。
1太陽(yáng)能涂層選擇性吸收原理
太陽(yáng)光譜輻射范圍主要集中在0.3～25μm[5]。物體產(chǎn)生黑體輻射的范圍在2～100μm，因此需要將集熱器的輻射能量盡可能降低。在太陽(yáng)光譜范圍內(nèi)，太陽(yáng)能選擇性吸收涂層在保持較高吸收率α的同時(shí)還會(huì)將發(fā)射率ε維持在較低值，并且α值越高，ε值越低，涂層的選擇吸收性能越優(yōu)異[6]。
2太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的類型
根據(jù)材料和涂層結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能選擇性吸收涂層進(jìn)行分類，大致可分為本征吸收涂層、光干涉型涂層、金屬陶瓷復(fù)合型涂層、多層漸變型涂層和表面微不平結(jié)構(gòu)涂層[9]。雖然各類涂層吸收能量的方式大致相同，但結(jié)構(gòu)上的微小差異，會(huì)對(duì)涂層的吸收性能產(chǎn)生重要影響。例如，單一材料的本征吸收涂層具有明顯的局限性，在吸收性能上也不理想，但通過(guò)摻雜和共混的方式對(duì)單一的本征吸收材料進(jìn)行改性，所得的選擇性吸收涂層在性能上就會(huì)大幅度提升。
對(duì)于光干涉型涂層，其每一層膜結(jié)構(gòu)的厚度以及干涉系數(shù)等都必須預(yù)先經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，否則會(huì)導(dǎo)致涂層的選擇性能不佳甚至無(wú)法對(duì)太陽(yáng)能選擇吸收。再例如，多層漸變型涂層，若去掉減反層這一結(jié)構(gòu)，那么由于這類涂層材料的局限性，涂層的發(fā)射率將急劇上升，無(wú)法達(dá)到使用要求。
2.1本征吸收涂層
本征吸收涂層又稱本體吸收性涂層，由自身具備光譜選擇性吸收這一性質(zhì)的材料所組成，這些材料包括具有合適禁帶寬度的半導(dǎo)體和過(guò)渡金屬，其吸收理論為能帶理論。當(dāng)入射光的能量大于材料的禁帶寬度Eg時(shí)，材料的價(jià)電子隨之發(fā)生躍遷，此時(shí)就會(huì)發(fā)生材料對(duì)入射光的吸收現(xiàn)象;反之，入射光就會(huì)被反射;當(dāng)入射光強(qiáng)適宜時(shí)，材料就會(huì)產(chǎn)生對(duì)光譜的選擇吸收性[10-11]。
本征吸收涂層在材料的選擇上，除半導(dǎo)體材料外，部分過(guò)渡金屬(Cr、W、Mo、Ni、Pt)等以及它們的碳化物、氧化物、氮化物以及硼化物都被廣泛使用[12-14]。雖然本征吸收涂層在材料的選擇上比較廣泛，但該涂層也有一定缺點(diǎn)，大多數(shù)本征吸收涂層在制備過(guò)程中所選擇的工藝都相對(duì)苛刻，成本較高，并且單一的材料選擇機(jī)制使其太陽(yáng)能選擇性吸收性能不理想，受材料本身的限制較大，無(wú)法滿足高選擇性和高溫環(huán)境下的使用要求。
2.2光干涉型涂層
光干涉型涂層通常利用數(shù)層薄膜在適宜光譜范圍內(nèi)的干涉效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的選擇性吸收，以此來(lái)達(dá)到利用太陽(yáng)能的目的[17]。光干涉型涂層從結(jié)構(gòu)上看為多層結(jié)構(gòu)涂層。對(duì)于這類涂層每一層膜結(jié)構(gòu)的厚度、干涉系數(shù)等都必須經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)，以此來(lái)達(dá)到對(duì)光譜的選擇性吸收[18-19]。一般采用可抵消光系數(shù)的電介質(zhì)材料作為減反層，常用的減反層材料一般有Al2O3、SiO2、PbS、ZnS等。目前，較為成熟的雙層黑鎳、雙層黑鉻、Al-AlN、Ni-SiO2、Al2O3-Mo-Al2O3等涂層都是常見的光干涉型涂層[20]。
徐英杰[21]制備出SS/AlCrN基光干涉型太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，其吸收率和發(fā)射率分別為0.733和0.146，對(duì)其表面進(jìn)行Al2O3減反層涂敷，其吸收率和發(fā)射率得到優(yōu)化，分別達(dá)到0.832和0.159。由于光干涉型涂層的多層厚度必須嚴(yán)格控制，故對(duì)涂層的制備工藝有更高的要求，可控制膜厚度的制備工藝如磁控濺射法、多弧離子鍍等可實(shí)現(xiàn)對(duì)此類涂層的制備，但生產(chǎn)成本較高等缺點(diǎn)使其在大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)方面存在較大困難。
2.3金屬陶瓷復(fù)合型涂層
金屬陶瓷復(fù)合型涂層也稱金屬-電介質(zhì)復(fù)合型涂層。該類涂層利用沉積在電介質(zhì)材料中的金屬微小顆粒的帶間躍遷和相互作用以及金屬基底的高紅外反射特性使涂層對(duì)太陽(yáng)光譜有了選擇性吸收性能[22-23]。該類涂層具有與光干涉型涂層類似的層狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)各層結(jié)構(gòu)的厚度、金屬顆粒的濃度以及形狀尺寸等參數(shù)選擇合理時(shí)，涂層可表現(xiàn)出優(yōu)異的太陽(yáng)光譜選擇性。陶瓷材料雖然對(duì)光的選擇吸收效應(yīng)較差，但其耐高溫性能和化學(xué)穩(wěn)定性為涂層在較高溫度下的應(yīng)用提供了保障。
馬惠陽(yáng)等[24]首次將激光熔覆法和表面涂敷法相結(jié)合，在不銹鋼基底上制備了Ni/Mo-TiC金屬陶瓷單層涂層。經(jīng)600℃退火1h后，涂層吸收率為0.807，發(fā)射率為0.06，光學(xué)性能無(wú)明顯變化，涂層具備一定的熱穩(wěn)定性。段小華等[25]探究了添加不同含量的Al2O3對(duì)已有Co-WC金屬陶瓷涂層的光學(xué)性能的影響。在復(fù)合粉末MCo∶MWC=8∶2的前提下，當(dāng)Al2O3添加量為10%wt時(shí)，涂層表現(xiàn)出較好的太陽(yáng)光譜選擇性，吸收率和發(fā)射率分別為0.84和0.363，添加Al2O3作為減反層后，吸收率增加至0.89。
3太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的制備方法
目前，常用的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層制備方法分類以及各制備方法的特點(diǎn)。
3.1涂料法
涂料法發(fā)展較早，此方法所用到的涂料為多組分材料體系，一般由有機(jī)樹脂作為粘結(jié)劑，金屬氧化物等具備光譜選擇性的化合物為顏料，通過(guò)噴涂、涂刷等方法將涂料覆蓋在基體表層。此方法適用于各類粉體材料涂層的制備，但對(duì)涂層的附著程度即粘結(jié)劑的要求很高[5]。楊永剛等[31]將Cu-Zn-Sn合金粉末和硫粉混合制成粉末前驅(qū)體涂敷在鈉鈣玻璃基體上，經(jīng)N2+S(g)氣氛下400℃熱處理2h后，得到比較純凈的具有鋅黃錫礦結(jié)構(gòu)的Cu2ZnSnS4吸收層薄膜，該膜光學(xué)性能良好，可作為太陽(yáng)能電池薄膜吸收層用材。
劉嘉成等[32]合成FeCuMnCoOx粉體和CuS@Cu2O復(fù)合粉體，采用自制有機(jī)硅樹脂為粘合劑制備太陽(yáng)能吸收涂層。不同CuS/FeCuMnCoOx復(fù)合粉體配比 的涂層太陽(yáng)能吸收率在0.918～0.945，發(fā)射率在0.178～0.211。當(dāng)m(CuS)∶m(FeCuMnCoOx)=1∶5時(shí)，太陽(yáng)能吸收率為0.945，發(fā)射率為0.182，達(dá)到最佳性能。由于聚合物樹脂粘結(jié)劑在紅外區(qū)通常有一定的吸收，所以涂層在大于2.5μm區(qū)域的發(fā)射率會(huì)偏高，近年來(lái)在粘結(jié)劑的選擇上已經(jīng)有了新的進(jìn)展。徐聲瑞等[33]以殼聚糖為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，制備了CuCr2O4單晶納米粒子并將其與丙烯酸乳液共混，最終得到吸收率為0.964，發(fā)射率為0.258的環(huán)境友好型太陽(yáng)能選擇吸收涂層。
3.2電化學(xué)轉(zhuǎn)化法電化學(xué)轉(zhuǎn)化法是制備太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的方法之一，主要包括以下兩類方法：電鍍法是指利用電鍍的方法將具備光選擇性吸收性能的金屬材料鍍?cè)诰哂休^低發(fā)射率的基底上，電鍍完成后會(huì)在基底上形成一層具備光譜選擇性吸收功能的薄膜[34]。陽(yáng)極氧化法原理為電解氧化，以Al的陽(yáng)極氧化法最為成熟。在電解氧化過(guò)程中，所沉積的金屬存在于金屬基底的孔隙結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)可使所沉積金屬在一定程度上不受外界環(huán)境影響，提高了涂層的熱穩(wěn)定性和耐候性[35]。
4結(jié)語(yǔ)與展望
目前，中低溫領(lǐng)域的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層已廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)，但隨著中高溫光熱轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前所研制出的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層需要能在500℃以上的環(huán)境溫度下工作，這對(duì)涂層的性能有了更高要求。除了耐高溫問題，目前太陽(yáng)能選擇性吸收涂層還面臨著諸如耐候性、服役壽命、發(fā)射率偏高等主要問題。開發(fā)出新型可用的材料、對(duì)材料的合理改性以及合理使用減反層等方法可對(duì)上述問題進(jìn)行很大改進(jìn)。制備太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，從材料的開發(fā)到制備方法的改進(jìn)和更新再到對(duì)所制備涂層的優(yōu)化處理，已成為一項(xiàng)復(fù)雜的綜合性技術(shù)。
目前，除了開發(fā)出具有優(yōu)異光學(xué)性能的涂層材料外，還應(yīng)開發(fā)出適用范圍廣泛的制備方法或者對(duì)已有制備方法進(jìn)行一定的優(yōu)化，以此來(lái)降低制備涂層所需的成本，這些都將是未來(lái)太陽(yáng)能選擇性吸收涂層的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。只有高性能的太陽(yáng)能選擇性吸收涂層投入工廠生產(chǎn)線量產(chǎn)，才能使太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)躍上新的臺(tái)階，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能在集熱、發(fā)電等方面的應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn):
[1]馬鵬軍，耿慶芬，劉剛.太陽(yáng)能光譜選擇性吸收涂層研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2015，29(1)：48-53.
[2]姚澤龍.論低碳經(jīng)濟(jì)與低碳能源發(fā)展[J].低碳世界，2018(11)：265-266.
[3]KalogirouSA.Solarthermalcollectorsandapplications[J].ProgressinEnergyandCombustionScience，2004，30(3)：231-295.
[4]TaborH.Solarenergyresearch：Programinthenewdesertresearchinstituteinbeersheba[J].Pergamon，1958，2(1)：12-19.
[5]MartinRD，TheoT，NeilH，etal.Commonblackcoatings-reflectanceandageingcharacteristicsinthe0.32-14.3μmwavelengthrange[J].OpticsCommunications，2007，270(2)：262-272.
[6]湯時(shí)杰，杜娟，洪宇翔.太陽(yáng)能熱利用選擇性涂層的研究進(jìn)展[J].廣東化工，2013，40(1)：67-68.
[7]MukhopadhyayS，MuhammadS.Calculationoftheeffectivepermeabilitiesoffield-scaleporousmedia[J].ChemicalEngineeringScience，2000，55(20)：4495-4513.
[8]KennedyCE，PriceH.Progressindevelopmentofhigh-temperaturesolar-selectivecoating[C]//AsmeInternationalSolarEnergyConference，2005.
[9]CaoF，McenaneyK，ChenG，etal.Areviewofcermet-basedspectrallyselectivesolarabsorbers[J].Energy&Environmentalence，2014，7(5)：1615-1627.
作者：陳宇飛,蘭亞鵬,古龍,閔捷
相關(guān)閱讀
