太陽(yáng)能集熱管涂層關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

　　本文針對氧化物- 金屬陶瓷太陽(yáng)能選擇性涂層，研究開(kāi)發(fā)了大功率射頻磁控濺射技術(shù)，太陽(yáng)能選擇性涂層模擬計算模型，真空太陽(yáng)能選擇性涂層高溫光譜儀和真空太陽(yáng)能集熱管熱效率真空測試裝置，為發(fā)展高溫太陽(yáng)能集熱管產(chǎn)業(yè)化奠定基礎。

1、前言

　　自上世紀80 年代以后，太陽(yáng)能光熱發(fā)電一直在不斷完善和發(fā)展中，其中槽式系統已經(jīng)成為世界范圍內推進(jìn)商業(yè)化應用的重點(diǎn)；塔式和碟式系統還處于商業(yè)化試驗階段。2020 年前后，太陽(yáng)能熱發(fā)電系統將在發(fā)達國家實(shí)現商業(yè)化，因此在新能源的發(fā)展歷史條件下，成熟技術(shù)在迅速發(fā)展。市場(chǎng)潛力巨大。

　　太陽(yáng)能光熱利用的核心技術(shù)之一就是太陽(yáng)光譜選擇性吸收涂層的生產(chǎn)技術(shù)。自二十世紀50年代末，以色列科學(xué)家Tabor 提出了光譜選擇性吸收理論，幾十年來(lái)，選擇性吸收涂層一直是太陽(yáng)能熱利用技術(shù)領(lǐng)域中一項十分活躍的研究課題。中國學(xué)者在選擇性吸收涂層的材料研制方面做了不少工作。目前涂層的主要工作溫度在200 ℃以下，而350 ℃工作溫度以上的高溫涂層研究尚處于研究階段。

　　高溫涂層材料不僅需要有高的吸收率和低的熱發(fā)射系數，還必須在高溫下具備良好的高溫熱穩定性和長(cháng)的壽命。提高涂層的工作溫度能夠改善太陽(yáng)能熱發(fā)電中能量循環(huán)的效率和減少熱儲存的成本從而達到減少太陽(yáng)能發(fā)電的成本。我們針對應用于在500 ℃以上高溫太陽(yáng)能集熱管氧化物金屬陶瓷涂層，如Mo-SiO2 涂層，我們研究開(kāi)發(fā)了大功率射頻磁控濺射技術(shù)，金屬涂層選擇性涂層計算模型，真空涂層高溫光譜儀和真空集熱管熱效率實(shí)驗裝置。為太陽(yáng)能光熱發(fā)電核心部件集熱管的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎。

2、大功率射頻磁控濺射

　　在國內通常采用三柱靶制備的銅- 不銹鋼-氮化鋁涂層吸收率低、紅外發(fā)射率高，僅適合于太陽(yáng)能熱水器涂層；而國際上用于太陽(yáng)能發(fā)電集熱管的涂層，選用高熔點(diǎn)金屬和氧化鋁磁控濺射技術(shù)，如Mo-Al2O3 金屬陶瓷涂層，使用溫度400 ℃左右。近十年，意大利ENEA 研究新型的Mo-SiO2 體系金屬陶瓷太陽(yáng)能選擇性涂層，使用溫度達到500 ℃以上，不僅提高了涂層的穩定性和使用壽命，而且能夠用熔鹽作為傳熱介質(zhì)，改善傳熱系統，提高發(fā)電效率。目前太陽(yáng)能發(fā)電用集熱管的工程尺寸有效長(cháng)度為4 米，為了提高光熱效率，集熱管長(cháng)度有加長(cháng)到6 米的趨勢。因此集熱管不銹鋼芯管外表面涂層，需求大功率磁控濺射系統。我們設計研制了石英靶材的大功率射頻磁控濺射系統，在制造了1.6 米磁控濺射靶后，又探索了2.5 米和5 米長(cháng)的射頻磁控濺射系統。

　　磁控濺射靶采用外裝靶結構。其結構必須滿(mǎn)足磁控濺射靶強度、剛度和加工精度要求。圖1 所示射頻磁控濺射截面圖，圖示陽(yáng)極即為真空室腔壁，接地；磁控濺射靶作為陰極由絕緣體隔離，連接在射頻輸出極；在真空室外采用低射頻損耗的高絕緣材料(如四氟乙烯)絕緣密封，要求絕緣耐壓10 kV 以上。在真空室內濺射靶與陽(yáng)極距離2 R，根據R=mV/qB 計算，R 電子旋轉半徑，m 電子質(zhì)量，V 陰極電壓，q 電子電量，B 靶表面磁場(chǎng)強度。工程實(shí)踐中，間隙選擇在2~5 mm。

圖1 射頻磁控濺射靶結構圖

　　采用中科院北京微電子所生產(chǎn)的射頻電源，改進(jìn)射頻磁控濺射的匹配網(wǎng)絡(luò )是設計制造的重點(diǎn)，一般來(lái)說(shuō)，在射頻系統中反射功率都要控制在一定的范圍內，如果反射功率偏大，射頻電源的效率會(huì )降低，更嚴重的是會(huì )使射頻電源發(fā)熱、降低電源的使用壽命，甚至損壞射頻電源；反射功率偏大，還會(huì )使射頻輻射增大和干擾其它儀表，一般設計比較好的射頻濺射電源系統都能較好地匹配使反射功率較小。但是對于某些濺射系統在匹配網(wǎng)絡(luò )一定時(shí)，當濺射靶源的阻抗小于一定值時(shí)，就不能很好地匹配。在實(shí)際中射頻系統匹配不可更改，通過(guò)改進(jìn)匹配器的網(wǎng)絡(luò )參數，增加功率輸出功率，減小反射，使磁控濺射靶激射更加均勻。如圖2 所示，在匹配網(wǎng)絡(luò )電路中并聯(lián)若干100 pF 耐壓15 kV 以上的電容和電感，調整降低射頻反射功率和放電均勻性。在磁控濺射靶的四周采用金屬屏蔽，降低輻射和噪音干擾。

圖2 射頻磁控濺射靶的調節匹配網(wǎng)絡(luò )

6、結論

　　(1)本研究完成了大功率射頻磁控濺射系統，太陽(yáng)能選擇性涂層設計模型及程序，太陽(yáng)能選擇性涂層的高溫光譜真空測量設備及技術(shù)和集熱管系統的熱效率真空測量裝置。

　　(2)大功率射頻磁控濺射的關(guān)鍵技術(shù)在于設計合適的靶系統，靶與陽(yáng)極之間的間隙和附加的匹配網(wǎng)絡(luò )使得電源的輸出功率全部均勻加在負載上。

　　(3)應用等效媒質(zhì)理論Maxwell Garnett(MG)理論計算各個(gè)金屬陶瓷的膜層成分和厚度，使太陽(yáng)能選擇性吸收膜層的反射率最大，發(fā)射率最小�？茖W(xué)的計算和指導太陽(yáng)能選擇性涂層的制備工藝。

　　(4)建立了真空太陽(yáng)能選擇性涂層的高溫光譜測量系統，創(chuàng )造性采用積分球方法，準確測量室溫到500 ℃，300 到10000 nm 的光譜性能，氧化物-金屬陶瓷涂層優(yōu)于Cu-SST-AlN 涂層。

　　(5)真空集熱管熱效率測量系統，在集熱管工作的真空條件下，無(wú)須封裝，直接測量涂層的不銹鋼管外表面溫度和硅硼玻璃管內表面溫度，建立的傳熱過(guò)程，計算和評價(jià)集熱管系統的熱損失和熱效率。