孫學斌
【摘 要】現(xiàn)階段的太陽能真空管采用的膜層絕大多數(shù)是ALN/AL-N/AL漸變工藝或ALN/AL-SS-N/Cu干涉膜工藝。本文研制出一種具有高耐熱性的α-C:H復合膜系,替代ALN/AL-N/AL和ALN/AL-SS-N/Cu兩種工藝,生產出在使用壽命、熱性能指標等質量和技術方面均大幅優(yōu)于國家標準和現(xiàn)行真空管的全玻璃真空管產品。
【關鍵詞】太陽能;真空管;中、高溫;復合膜系
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,國內不論是產業(yè)本身還是城市太陽能熱利用規(guī)劃,仍集中在太陽能熱利用的低溫(40℃~80℃)應用上,在涉及太陽能應用于工業(yè)用熱的中溫(80℃~250℃)和高溫(300℃~800℃)光熱領域,發(fā)展仍然較慢,其中主要原因是受技術水平制約。
現(xiàn)階段的太陽能真空管采用的膜層絕大多數(shù)是ALN/AL-N/AL 漸變工藝或ALN/AL-SS-N/Cu干涉膜工藝,這兩種膜系在長時間使用中發(fā)現(xiàn)這兩種膜層在耐候性、抗老化性能、附著力等方面存在缺陷。
1 國內外吸熱膜層的發(fā)展概述
20世紀90年代以來,選擇性吸收表面材料和結構的研究已日臻成熟。慕尼黑大學Scholkopt采用電子束蒸發(fā)方法在金屬條帶上連續(xù)沉積,吸收率a=0.95,發(fā)射率:二0.05(100℃)??稍?75℃時連續(xù)工作,250℃下的光熱轉換效率達到50%。由于鍍膜工藝具有連續(xù)化、低成本的特點,可實現(xiàn)大規(guī)模的薄膜生產線,實現(xiàn)薄膜鍍制技術質的飛躍。
相比較而言,我國的太陽能選擇性吸收薄膜的發(fā)展較為緩慢,20世紀70年代末,我國的太陽能利用漸漸開展起來。清華大學承擔了國家科技攻關課題,不斷進行著研究和開發(fā),取得很大的成就,包括:
1)濺射鋁一氮一氧選擇性吸收薄膜,太陽能吸收率a達到0.93,發(fā)射率ε約為0.04(室溫);
2)多層不銹鋼選擇性吸收薄膜,太陽能吸收率a為0.96,發(fā)射率ε為0.06(80℃)。
2 耐熱性復合膜層的研究創(chuàng)新
全玻璃真空管集熱器的瞬時效率方程為:
η=ηopt-k1/G(Tm-Ta)-N/G*k2(Ts-Ta)-N/G*k3*ε(T4 s-T4 a)
式中:η—集熱器效率
ε—吸熱體表面的發(fā)射比
N—集熱管的數(shù)目
k1、k2、k3—有關熱損系數(shù)
ηopt—集熱器的光學效率
ηopt=(τα),(τα)—法向有效透射吸收積
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之間,因此外管要鍍增透膜,可以把τ提高到0.94~0.96。
太陽光譜中波長≤2500nm的太陽輻射能占總能量的98%,理想的吸收膜系為小于λc的太陽輻射,100%被吸收,大于λc的太陽輻射,100%被反射,因此吸收膜系在制備時選擇光譜選擇性吸收膜層。
應用于工業(yè)用熱的中高溫應用的α-C:H/SS-C/SS選擇性吸收膜系是一個復合膜系,其中紅外反射層—反射紅外輻射起到隔熱降發(fā)射作用。
根據物體的輻射出射度定律:
E=εEb=εσT4
因此,要想解決物體在中高溫的輻射出射度,就要從根本上有效降低在中高溫下的發(fā)射率ε。考慮到成本和技術控制難易程度,紅外發(fā)射層采用SS作為基材,有效降低發(fā)射比。
吸收層的作為膜系作用的根本,要盡可能在波長≤2500nm范圍內有高的吸收,長波長外有高的反射,AL在10μm升到最高點(R=0.95),膜系α=0.05,發(fā)射率0.05,最低;不銹鋼~13μm升到最高點,R=0.82,α=0.18,發(fā)射率0.18;直接在玻璃上:膜系發(fā)射率=0.63。
ALN介質膜和α-C:H介質膜具有相近的光學常數(shù),但是其反應濺射沉積速率相差很大,α-C:H介質膜沉積速率遠遠大于ALN介質膜,并且考慮到膜系屬于應用于工業(yè)用熱的中高溫膜系,ALN膜系中的AL易氧化變成AL2O3,影響整個膜系的熱性能,因此吸收層采用SS- C的復合材料。
經性能測試,選擇性吸收涂層采用干涉膜和漸變膜相結合技術,膜層結構為α-C:H/SS-C/SS,吸收比α≥0.94,發(fā)射比ε≤0.06(180°C)。
經1000小時,不低于400℃老化,涂層吸收比變化≤3%,涂層壽命可超過20年。
α-C:H膜系真空管采用得鋇量60mg的蒸散型吸氣劑和非蒸散高效吸氣劑共同配合使用,在400℃,進行2500小時高溫老化試驗,真空維持能力良好。
3 結論
選擇性吸收涂層要具有高的吸收比和低的發(fā)射比,熱損小,高溫老化穩(wěn)定,生命周期長的等特點,膜層結構可以初步設計SS為紅外發(fā)射層,兩層吸收層,兩層減反層,結構表示為α-C:H/SS-C/SS膜系。新技術耐熱性復合膜系全玻璃真空集熱管比現(xiàn)行真空管工藝有明顯的提高,并且產品安全性更高,因該產品生產成本較當前真空管生產成本差別不大,所以新產品的上市將形成明顯的性價比優(yōu)勢,從而產生較好的經濟效益和和社會效益。
【參考文獻】
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[責任編輯:王楠]