全玻璃太阳能真空管高耐热性复合膜系的研究

孙学斌

【摘 要】现阶段的太阳能真空管采用的膜层绝大多数是ALN/AL-N/AL渐变工艺或ALN/AL-SS-N/Cu干涉膜工艺。本文研制出一种具有高耐热性的α-C：H复合膜系，替代ALN/AL-N/AL和ALN/AL-SS-N/Cu两种工艺，生产出在使用寿命、热性能指标等质量和技术方面均大幅优于国家标准和现行真空管的全玻璃真空管产品。

【关键词】太阳能；真空管；中、高温；复合膜系

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，国内不论是产业本身还是城市太阳能热利用规划，仍集中在太阳能热利用的低温（40℃～80℃）应用上，在涉及太阳能应用于工业用热的中温（80℃～250℃）和高温（300℃～800℃）光热领域，发展仍然较慢，其中主要原因是受技术水平制约。

现阶段的太阳能真空管采用的膜层绝大多数是ALN/AL-N/AL 渐变工艺或ALN/AL-SS-N/Cu干涉膜工艺，这两种膜系在长时间使用中发现这两种膜层在耐候性、抗老化性能、附着力等方面存在缺陷。

1 国内外吸热膜层的发展概述

20世纪90年代以来，选择性吸收表面材料和结构的研究已日臻成熟。慕尼黑大学Scholkopt采用电子束蒸发方法在金属条带上连续沉积，吸收率a=0.95，发射率：二0.05（100℃）。可在375℃时连续工作，250℃下的光热转换效率达到50%。由于镀膜工艺具有连续化、低成本的特点，可实现大规模的薄膜生产线，实现薄膜镀制技术质的飞跃。

相比较而言，我国的太阳能选择性吸收薄膜的发展较为缓慢，20世纪70年代末，我国的太阳能利用渐渐开展起来。清华大学承担了国家科技攻关课题，不断进行着研究和开发，取得很大的成就，包括：

1）溅射铝一氮一氧选择性吸收薄膜，太阳能吸收率a达到0.93，发射率ε约为0.04（室温）；

2）多层不锈钢选择性吸收薄膜，太阳能吸收率a为0.96，发射率ε为0.06（80℃）。

2 耐热性复合膜层的研究创新

全玻璃真空管集热器的瞬时效率方程为：

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

式中：η—集热器效率

ε—吸热体表面的发射比

N—集热管的数目

k1、k2、k3—有关热损系数

ηopt—集热器的光学效率

ηopt=（τα），（τα）—法向有效透射吸收积

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之间，因此外管要镀增透膜，可以把τ提高到0.94～0.96。

太阳光谱中波长≤2500nm的太阳辐射能占总能量的98%，理想的吸收膜系为小于λc的太阳辐射，100%被吸收，大于λc的太阳辐射，100%被反射，因此吸收膜系在制备时选择光谱选择性吸收膜层。

应用于工业用热的中高温应用的α-C：H/SS-C/SS选择性吸收膜系是一个复合膜系，其中红外反射层—反射红外辐射起到隔热降发射作用。

根据物体的辐射出射度定律：

E=εEb=εσT4

因此，要想解决物体在中高温的辐射出射度，就要从根本上有效降低在中高温下的发射率ε。考虑到成本和技术控制难易程度，红外发射层采用SS作为基材，有效降低发射比。

吸收层的作为膜系作用的根本，要尽可能在波长≤2500nm范围内有高的吸收，长波长外有高的反射，AL在10μm升到最高点（R=0.95），膜系α=0.05，发射率0.05，最低；不锈钢～13μm升到最高点，R=0.82，α=0.18，发射率0.18；直接在玻璃上：膜系发射率=0.63。

ALN介质膜和α-C：H介质膜具有相近的光学常数，但是其反应溅射沉积速率相差很大，α-C：H介质膜沉积速率远远大于ALN介质膜，并且考虑到膜系属于应用于工业用热的中高温膜系，ALN膜系中的AL易氧化变成AL2O3，影响整个膜系的热性能，因此吸收层采用SS- C的复合材料。

经性能测试，选择性吸收涂层采用干涉膜和渐变膜相结合技术，膜层结构为α-C：H/SS-C/SS，吸收比α≥0.94，发射比ε≤0.06（180°C）。

经1000小时，不低于400℃老化，涂层吸收比变化≤3%，涂层寿命可超过20年。

α-C：H膜系真空管采用得钡量60mg的蒸散型吸气剂和非蒸散高效吸气剂共同配合使用，在400℃，进行2500小时高温老化试验，真空维持能力良好。

3 结论

选择性吸收涂层要具有高的吸收比和低的发射比，热损小，高温老化稳定，生命周期长的等特点，膜层结构可以初步设计SS为红外发射层，两层吸收层，两层减反层，结构表示为α-C：H/SS-C/SS膜系。新技术耐热性复合膜系全玻璃真空集热管比现行真空管工艺有明显的提高，并且产品安全性更高，因该产品生产成本较当前真空管生产成本差别不大，所以新产品的上市将形成明显的性价比优势，从而产生较好的经济效益和和社会效益。

【参考文献】

[1]殷志强，吴家庆，陶祖岩，史月艳.全玻璃真空集热管的研制[J].太阳能学报，1981.

[2]殷志强，严习元.太阳吸收涂层与真空集热管的热性能[J].太阳能学报，1996.

[责任编辑：王楠]