太阳能涂层 平板集热器上的应用
来源：中国太阳能产业资讯
太阳能作为一种可再生能源，可利用能量巨大。太阳每秒钟放射的能量大约为1.6×1023kW，其中到达地球的能量高达8×1013kW，相当于6×1019t标准煤。太阳的寿命至少还有40亿年，相对于常规能源而言，太阳能取之不尽用之不竭[1]。全球太阳能分布不均（如图1所示），但我国太阳能资源丰富，全国2/3以上地区年日照时数大于2000h，年辐射能量超过6000MJ/m2，陆地年接受的太阳辐射能相当于2.4万亿t标准煤，约等于上万个三峡工程发电量的总和。假如将我国太阳能辐射总量的1％转化为可利用能源，就完全能够满足我国全部能源的需求，对缓解我国能源紧张、减少污染物排放、保护生态环境、保证国民经济可持续发展具有重大而深远的意义[2]。
太阳能利用技术主要是将太阳能转换为热能、机械能、电能、化学能等，其中太阳能与热能转换的历史最久远、开发最普遍。目前我国的太阳能热利用产品有太阳能热水器、太阳灶、太阳房、太阳能干燥器等，其中低温热转换装置太阳能热水器应用最广泛。
我国太阳能热水器产业形成于80年代后期，随着人民生活水平的提高，对生活热水需求的增长，促使太阳能热水器产业迅速发展[3]。太阳能选择性吸收涂层对可见光的吸收率很高，而自身的红外辐射率却很低，能够把能量密度较低的太阳能转换成高能量密度的热能[4~7]。因此高效的太阳能选择性吸收涂层是太阳能热利用中的关键技术，对提高平板的集热效率至关重要。
平板集热器主要由透过阳光的透明板、吸收太阳光并在管内传递载热体的吸热板、保护吸收的热量不致逸散的隔热材料及其保护外壳等四大构件组成（如图2所示）。太阳光透过透明玻璃板照射到集热板上，集热板吸收太阳光把光能转变成热能，并把热能传导给贮热水箱内的水或导热介质，由于太阳能热水器的保温系统有效地减少了热量损失，从而使贮热水箱内的水温不断升高，达到了吸热与保温的效果。
1涂层的选择性与种类
1.1太阳能吸收涂层的选择性
太阳光辐射的能量主要分布在波长λ为0.25~2.5μm的光谱区内，即太阳辐射能主要分布在可见光和近红外区，而物体受热发生黑体辐射的能量主要分布在波长为2~100μm的光谱区中，亦即主要在远红外区，太阳光谱图如图3所示。为了能够充分利用太阳能，人们设计出了选择性吸收的太阳能涂层材料，这种材料必须满足以下两个条件：一是太阳光谱内的吸光程度高，即有尽可能高的吸收率α；二是辐射波长范围内有尽可能低的辐射损失，即尽可能低的发射率ε。因此，吸收率α和发射率ε是衡量选择性吸收材料好坏的两个重要参数。
对同一波长的光波而言，材料的吸收率和发射率有同样的数值，即吸收率高则相应的发射率也高。但吸收率α与发射率ε及透射率t会遵从如下关系：α+ε+t=1。对于不透明材料而言，由于t=0则α+ε=1；而对于黑色物体来说α≈1。根据以上讨论，可知最有效的太阳能光热转换材料是在太阳光谱范围内，即λ＜2.5μm有α≈1；而在λ＞2.5μm，即热辐射波长范围内有ε≈0。一般说来，α越大越好，ε越小越好。但在实际制备涂层时，当α达到某一数值后，要想进一步增大α则ε也会随之增大。而且有时ε增加的值大于α增加的值，故研究中经常应用α与ε的比值(α/ε)来表征涂层选择性的高低。在太阳能选择性吸收涂层的实际应用中，还要考虑环境因素对其性能的影响，例如温度、湿度、酸碱度等因素都可能影响涂层性能。
1.2涂层的种类
以α/ε为重要指标，太阳能吸热涂层总体上可分为非选择性涂层和选择性涂层两大类。非选择性吸热涂层的α/ε≤1；选择性吸热涂层的α/ε>1。下面对这两大类吸热涂层的研究现状进行综述。
1.非选择性涂层
黑板漆作为最原始的吸热涂层属于非选择性吸收涂层，其α/ε=1，它的耐侯性很差，尤其是在湿度很大的地区，更容易发生脱落，其使用寿命一般在1~2年。因此应用不是很广泛，这里也就不再详述[8]。
2.根据吸收原理和涂层结构的不同，选择性吸收涂层可分为体吸收型涂层、干涉型吸收涂层、金属陶瓷复合涂层、表面结构型吸收涂层四种。
体吸收型涂层[9~12]，指本身具有光吸收选择性的材料，主要指那些禁带宽度Eg大约处于0.5eV~1.26eV的半导体材料。这种材料只会吸收能量大于Eg的太阳光，使其价电子从价带跃迁到导带，而能量低于Eg的光则不会被吸收。
光干涉型吸收涂层[13~14]。利用了光的干涉原理，是由非吸收的介质膜与吸收复合膜、以及金属底材或底层薄膜组成，通过严格控制每层膜的折射率和厚度，使其对可见光谱区产生破坏性的干涉效应，降低对太阳光波长中心部分的反射率，在可见光谱区产生一个宽阔的吸收峰，如Al2O3-MoX-Al2O3(AMA)三层膜等。
金属陶瓷复合涂层[15~16]。一般为陶瓷和高吸收的金属颗粒复合物，即在电介质基体中含有细小金属颗粒的复合涂层。由于金属颗粒的带间跃迁和颗粒间作用，使复合涂层在太阳光辐射区具有很高的吸收率，而在红外区具有很高的透明性。
表面结构型吸收涂层[17]。微孔型粗糙表面或小颗粒表面对于长波辐射和短波辐射具有不同效应，对于短波辐射它是粗糙表面，能将其充分吸收，而对于长波辐射它呈镜面，反射率很高。当微孔表面粗糙度和太阳辐射波长相比很大时，由于表面微孔的反射，可以提高对太阳光的吸收能力。当表面粗糙度与热辐射波长相比小时，其热辐射的能力降低。对于小颗粒表面也是如此，颗粒层能吸收比其颗粒小的波长，而对更长的波长则是透明的，即透过率高，辐射率低。
1.3市场产品性能对比
针对目前市场上应用的部分类型的平板集热器涂层，进行了相关参数的对比，具体的参数如表1所示。通过表1可以看出，性价比最高的涂层是电镀黑铬涂层，但是由于电镀黑铬制备工艺过程中产生大量的污染，需花费不少成本处理，因此不适于大规模推广。蓝膜的成本高，吸收效果好，生产无污染，因此具有较好的推广性。阳极氧化涂层性能略差，使用材质受限，但成本较低，适用于中低端产品。
