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0前言
自北京清華陽光能源開發(fā)有限責(zé)任公司（以下簡稱“清華陽光”）首席科學(xué)家、清華大學(xué)教授殷志強(qiáng)于20世紀(jì)70年代發(fā)明鋁氮鋁選擇性吸收涂層和全玻璃真空太陽集熱管，開創(chuàng)我國太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)以來，我國太陽能熱利用技術(shù)、裝備、市場等得到了快速發(fā)展。2011年，我國太陽能熱水系統(tǒng)安裝面積達(dá)到了5760萬m2，較2010年增長17.6%，總保有量為19360萬m2，增長15.2%。
作為太陽能熱水系統(tǒng)的元件———太陽能集熱管，技術(shù)、裝備也取得了驕人的成績。截至2011年，太陽能集熱管生產(chǎn)線達(dá)到2100條，產(chǎn)量達(dá)到4.9億支。太陽能集熱管種類也形成以47/37mm、58/47mm為主的系列產(chǎn)品。太陽能集熱管結(jié)構(gòu)也由初期雙層同軸太陽能集熱管，經(jīng)歷3層同軸太陽能集熱管向玻璃熱管方向發(fā)展，實現(xiàn)了太陽能集熱管由有水對流換熱向無水相變換熱技術(shù)的轉(zhuǎn)變，解決了有水管存在的諸如易凍、易碎、易漏、易結(jié)垢等諸多問題，引領(lǐng)著太陽能集熱管換熱技術(shù)的發(fā)展方向。太陽能集熱管生產(chǎn)裝備也由早期的手工加工，單機(jī)生產(chǎn)的勞動密集型向自動化、集約化、規(guī)模化方向發(fā)展，形成以清華陽光自主研發(fā)的國際首條全玻璃太陽能集熱管全自動化生產(chǎn)線為代表，引領(lǐng)著太陽能集熱管裝備的發(fā)展方向。
作為太陽能集熱管的核心技術(shù)———太陽能選擇性吸收涂層，也由早期的普通鋁氮鋁選擇性吸收涂層，發(fā)展到以皇明三靶涂層和清華陽光紫金涂層為代表的高性能選擇性吸收涂層。涂層吸收比可以達(dá)到0.94以上，發(fā)射比0.06以下，并能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定生產(chǎn)，性能基本達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)的極限水平。
由此可見，對于太陽能集熱管而言，無論是換熱結(jié)構(gòu)、選擇性吸收涂層還是裝備自動化水平，均達(dá)到先進(jìn)水平。在短期內(nèi)無法對上述技術(shù)取得質(zhì)的突破。因此，近期，太陽能集熱管技術(shù)向什么樣的方向發(fā)展，并能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)是擺在太陽能科研技術(shù)人員面前的關(guān)鍵問題。而能夠在太陽能集熱管上應(yīng)用并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)必須滿足兩個基本條件：1.符合太陽能集熱管技術(shù)發(fā)展方向；2.規(guī)模化生產(chǎn)成本能夠為市場所接受。
1發(fā)展方向分析
如圖1所示，全玻璃真空太陽集熱管主要由罩玻璃管、帶有選擇性吸收涂層的內(nèi)管、真空夾層、吸氣劑膜和卡子等部件組成，而全玻璃熱管式真空太陽能集熱管則比普通太陽能集熱管增加了冷凝端和換熱工質(zhì)。太陽能集熱管的主要材料為硼硅玻璃3.3。目前，太陽能集熱管罩玻璃管的透射比為0.90。
也就是說，太陽能光譜照射到太陽能集熱管上，經(jīng)過罩玻璃的反射和吸收后，僅有90%能量透過罩玻璃管到達(dá)內(nèi)管外表面的選擇性吸收涂層，為選擇性吸收涂層所吸收。但目前選擇性吸收涂層性能已達(dá)到極限水平。如要進(jìn)一步提高太陽能集熱管集熱性能，則提高罩玻璃管的透射比是最佳方法。而單獨(dú)要求提高硼硅玻璃材料本身的透射比，不但成本高昂，技術(shù)難度極大，技術(shù)提升也有限，無法為市場所接受。因此，在太陽能集熱管罩玻璃制備AR膜以提高罩玻璃管透視比是比較好的選擇。而太陽能能量主要集中在300nm~2400nm的光譜范圍之間，這對AR膜制備提出極高的要求。
隨著增透膜的不斷開發(fā)和研究，光學(xué)增透膜的鍍膜技術(shù)也在不斷地發(fā)展。光學(xué)增透膜的厚度要控制在可見光波長1/4左右，對增透膜均勻度的要求也非常苛刻。盡管如此,在太陽能科研人員的不懈探索中，還是掌握了不少行之有效、先進(jìn)的鍍膜技術(shù)。目前，常用的鍍膜方法有真空蒸鍍、化學(xué)氣相沉積、溶膠—凝膠鍍膜等方法。三者相比較，溶膠—凝膠（Sol-gel）鍍膜設(shè)備簡單、能在常溫常壓下操作、膜層均勻性高、微觀結(jié)構(gòu)可控，適于不同形狀、尺寸的基片，能通過控制配方、制備工藝得到高性能、低成本的太陽能罩玻璃AR膜，是AR膜最具競爭力的制備方法之一。
2Sol-gel法AR膜技術(shù)原理
增透膜增加透射光強(qiáng)度實質(zhì)是作為電磁波光波在傳播過程中，在不同介質(zhì)的分界面上，由于邊界條件的不同，改變了其能量的分布。對于單層薄膜來說，當(dāng)增透膜兩邊介質(zhì)不同時，薄膜厚度為1/4波長的奇數(shù)，并且薄膜的折射率時（分別是介質(zhì)1、介質(zhì)2的折射率），才可以使入射光全部透過介質(zhì)。一般光學(xué)透鏡是在空氣中使用，對于一般折射率在1.5左右的光學(xué)玻璃，為使單層膜達(dá)到100%的增透效果，可以使n1=1.23,或接近1.23。
光學(xué)增透膜的研制，不僅要考慮它的透射率，而且還要考慮它的硬度、耐熱性、耐寒性、與玻璃等光體的接合力度、耐光照射性、吸熱強(qiáng)度等因素，能滿足這么多條件的材料，可想而知要找到是很困難的。由于一般光學(xué)介質(zhì)都是玻璃，并在空氣中使用，而且增透膜的折射率應(yīng)接近1.23。現(xiàn)實中折射率小于氟化鎂（折射率為1.38）的鍍膜材料很少見，而且像氟化鎂能很好地滿足各種條件的材料更是稀少。因此，現(xiàn)在一般都用氟化鎂鍍制增透膜。隨著溶膠-凝膠技術(shù)的發(fā)展，通過制備多孔的SiO2涂層，可以實現(xiàn)1.0~1.5之間具有不同折射率的增透膜，從而解決了增透涂層折射率的問題，也使增透涂層在太陽能集熱管上實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化成為可能。
溶膠－凝膠法就是用含高化學(xué)活性組分的化合物做前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，凝膠網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動性的溶劑，形成凝膠。凝膠經(jīng)過干燥、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米亞結(jié)構(gòu)的材料。
其最基本的反應(yīng)是：
l.水解反應(yīng)：M(OR)n+H2O→M(OH)x(OR)n－x+xROH
2.聚合反應(yīng)：－M－OH+HO－M－→－M－O－M－+H2O－M－OR+HO－M－→－M－O－M－+ROH
溶膠凝膠法制備SiO2增透涂層基本工藝：采用硅酸乙酯類
物質(zhì)做前驅(qū)物，采用醇類物質(zhì)（如乙醇）作為溶劑，經(jīng)過水解，酸或堿作為催化劑處理后，形成酸溶膠或堿性溶膠。然后通過滾涂法、旋涂法或提拉法等工藝手段，在基體表面制備硅溶膠涂層，經(jīng)干燥后形成SiO2凝膠，最后在經(jīng)過嚴(yán)格的熱處理工藝，在基體表面形成滿足使用要求的多孔SiO2增透涂層。
因此，影響SiO2增透涂層的關(guān)鍵因素主要包括：1.硅溶膠的配置；2.基材前處理；3.鍍膜工藝與設(shè)備；4.熱處理工藝與設(shè)備。硅溶膠的種類主要有酸性硅溶膠、堿性硅溶膠和酸堿復(fù)合型硅溶膠。不同的硅溶膠制備的SiO2增透涂層性能也有較大的差異。一般而言，堿性硅溶膠增透性能很好，應(yīng)用到太陽能集熱管上單面AR涂層可以提高透射比3.0%，雙面AR涂層可以提高透射比達(dá)到6.0%以上。但堿性硅溶膠附著力較差，因此不適宜鍍制在罩玻璃管的外表。酸性硅溶膠的附著力較好，但折射率較高，應(yīng)用到罩玻璃管上，單面AR涂層可以增加透射1.5%，雙面可增加3.0%。為了使AR涂層不但具有良好的透射比，而且也具有良好的附著力，可以采用酸堿復(fù)合法實現(xiàn)AR膜涂層的制備，涂層附著力和透射比均在酸性硅溶膠和堿性硅溶膠AR涂層性能之間。另外，通過改進(jìn)和優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)和工藝，可以實現(xiàn)具有良好附著力和增透性能多孔SiO2增透涂層。
由于太陽能集熱管是在大氣環(huán)境下使用。如果太陽能集熱管罩玻璃管采用雙面AR膜技術(shù)，則要求罩玻璃管外表面的AR膜具有非常好的耐候性，不能受氣候和環(huán)境因素影響，在較長時間內(nèi)保證AR膜的增透效果，這對AR涂層技術(shù)提出了極高的要求。通過實驗表明，如果不能很好地處理AR膜涂層的耐候性問題，在較長時間內(nèi)，在大氣中的SiO2增透涂層透射比會迅速下降，甚至導(dǎo)致整個鍍有SiO2增透涂層基片的透射比還不如沒有增透涂層的玻璃基片。這可能是因SiO2增透涂層具有多孔特性導(dǎo)致耐候性迅速下降，進(jìn)而導(dǎo)致透射比迅速下降。就全玻璃真空太陽能集熱管而言，如果僅將多孔SiO2涂層鍍制在罩玻璃管內(nèi)表面，則SiO2增透涂層完全不受外部環(huán)境的影響，因而可以長期保持良好的增透作用，并與太陽能集熱管使用壽命相同。
基于上述原因，在未完全了解AR膜耐候性問題的情況下，可以采用罩玻璃管內(nèi)鍍膜的方法提高罩玻璃管的增透性。
罩玻璃管內(nèi)表面鍍有AR膜的太陽能集熱管。直線位置具有明顯的分界線特征。直線下部為鍍有AR膜部分，顏色較深，表面太陽能光譜反射較小，而直線上面未鍍膜區(qū)域太陽能集熱管顏色較淺，表明該段太陽能可見光部分反射較高。在太陽能集熱管圓頭處預(yù)留一部分未鍍AR膜區(qū)域，使AR膜涂層對比特征更為明顯，顯示出AR膜集熱管明顯的外觀和高透射特征
3AR膜實驗及分析
圖2為太陽能集熱管對比測試數(shù)據(jù)圖表，如圖2-A所示，為單支太陽能集熱管罩玻璃不同點內(nèi)表面單面鍍AR膜透射曲線。其中未鍍膜透射比為0.900，鍍膜罩玻璃管透射比0.931之間，平均透射比增加3%。
圖2-B為同一管兩種情況的測試數(shù)據(jù)，包括太陽能集熱管帶外管吸收，內(nèi)管選擇性吸收涂層吸收比，和罩玻璃管的透射比。其中A為罩玻璃管有AR膜，B為沒有AR膜的太陽能集熱管。圖2-B可以看出A管內(nèi)管吸收比0.917，比B管吸收比0.921低0.4%，罩玻璃透射則增加3%，而B管A管帶外管太陽 能集熱管平均吸收比為0.891，比B管高出2.2%。如果消除內(nèi)管吸收比差異的影響，帶外管透射比應(yīng)在2.5%左右。由此可見通過增加罩玻璃透射比可以增加太陽能集熱管吸收性能。
通過對兩支太陽能集熱管空曬對比測試，測試結(jié)果顯示。
從環(huán)溫開始，在溫升30℃的條件下，鍍有AR膜太陽能集熱管空曬溫度比無AR膜太陽能集熱管提高1℃，兩支太陽能管空曬對比最終溫差在4℃～6℃之間。
通過對太陽能集熱管熱損和性能對比測試。兩支太陽能集熱管熱損均為0.71，發(fā)射比為0.06，沒有差異。
通過對兩支太陽能集熱管進(jìn)行老化對比測試，測試結(jié)果顯示，吸氣劑鏡面消失率沒有顯著差異。
由此可見：采用罩玻璃管內(nèi)表面鍍AR膜，能夠顯著提高集熱管集熱性能。
4AR膜涂覆工藝流程
罩玻璃管內(nèi)表面鍍AR膜工藝流程與設(shè)備原理（見圖3）AR膜涂覆工藝流程主要包括：上管、密封鎖緊、上液、上液面檢測、停止上液、放液、下液面檢測、干燥、密封解鎖、下管等。
上管：將罩玻璃管口向下，罩玻璃管尾管向上放置，管口插入聯(lián)箱，罩玻璃管尾管端支撐在罩玻璃管支撐板上。密封鎖緊：通過密封裝置實現(xiàn)對罩玻璃管和聯(lián)箱的連接與密封。
上液：液體開關(guān)一打開，上液泵啟動。儲液箱中的鍍膜溶液通過上液泵進(jìn)入聯(lián)箱，并進(jìn)入罩玻璃管內(nèi)。
上液面檢測：上液泵對罩玻璃管上液時，通過液位傳感器檢測罩玻璃管內(nèi)液面的位置。
停止上液：當(dāng)液位傳感器檢測到上液面位置達(dá)到設(shè)定參數(shù)時，液體開關(guān)二關(guān)閉，上液泵關(guān)閉，停止上液。
放液：停止上液后，打開液體開關(guān)，罩玻璃管內(nèi)的溶液則通過流量控制裝置和液體開關(guān)一以一定的速度流入儲液箱內(nèi)，實現(xiàn)罩玻璃管內(nèi)的液面以一定的速度下降，實現(xiàn)對罩玻璃管內(nèi)表面的鍍膜。
下液面檢測：當(dāng)罩玻璃管內(nèi)的液體全部流入儲液箱后，液位傳感器檢測到下液面位置達(dá)到設(shè)定參數(shù)時，液體開關(guān)一關(guān)閉，完成鍍膜。
干燥：液體開關(guān)一關(guān)閉后，打開氣體開關(guān)，啟動抽氣泵，空氣通過罩玻璃管尾管進(jìn)入到罩玻璃管內(nèi)，對罩玻璃管內(nèi)表面的涂層進(jìn)行干燥，氣體隨之進(jìn)入聯(lián)箱，最后被抽氣泵抽走，實現(xiàn)對罩玻璃管內(nèi)表面涂層的干燥。也可以通過抽氣泵對聯(lián)箱內(nèi)充氣，氣體從罩玻璃管管口進(jìn)入，從罩玻璃管尾管排出，對罩玻璃管內(nèi)表面的涂層實現(xiàn)干燥。
密封解鎖：對罩玻璃管管口和聯(lián)箱6的密封連接進(jìn)行解鎖。
下管:將鍍膜的太陽能集熱管罩玻璃管取下，準(zhǔn)備進(jìn)行下一批鍍膜工序。
由此可見，采用上述方法可以簡單、方便、快捷地在罩玻璃內(nèi)表面制備AR膜，工藝簡單，生產(chǎn)方便，成本低廉，能夠滿足大規(guī)模生產(chǎn)需要。
該工序可以在太陽能集熱管裝配前實施，完全可以融合到現(xiàn)有的太陽能集熱管生產(chǎn)線中，而不需要做過多改進(jìn)。但要求罩玻璃管內(nèi)表面比較潔凈，生產(chǎn)環(huán)境比較潔凈，才能保證良好的鍍膜質(zhì)量。
6總結(jié)
采用SoL-gel法制備太陽能集熱管罩玻璃管AR膜將是近幾年太陽能集熱管涂層技術(shù)主要研究和發(fā)展方向。在太陽能集熱管罩玻璃管內(nèi)表面制備AR涂層可以有效提高太陽能集熱管的技術(shù)和性能指標(biāo)，具有明顯的外觀特征和高透射性能，不影響太陽能集熱管的熱損和真空品質(zhì)。生產(chǎn)設(shè)備簡單，成本低廉，便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
作者:韓成明
自北京清華陽光能源開發(fā)有限責(zé)任公司（以下簡稱“清華陽光”）首席科學(xué)家、清華大學(xué)教授殷志強(qiáng)于20世紀(jì)70年代發(fā)明鋁氮鋁選擇性吸收涂層和全玻璃真空太陽集熱管，開創(chuàng)我國太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)以來，我國太陽能熱利用技術(shù)、裝備、市場等得到了快速發(fā)展。2011年，我國太陽能熱水系統(tǒng)安裝面積達(dá)到了5760萬m2，較2010年增長17.6%，總保有量為19360萬m2，增長15.2%。
作為太陽能熱水系統(tǒng)的元件———太陽能集熱管，技術(shù)、裝備也取得了驕人的成績。截至2011年，太陽能集熱管生產(chǎn)線達(dá)到2100條，產(chǎn)量達(dá)到4.9億支。太陽能集熱管種類也形成以47/37mm、58/47mm為主的系列產(chǎn)品。太陽能集熱管結(jié)構(gòu)也由初期雙層同軸太陽能集熱管，經(jīng)歷3層同軸太陽能集熱管向玻璃熱管方向發(fā)展，實現(xiàn)了太陽能集熱管由有水對流換熱向無水相變換熱技術(shù)的轉(zhuǎn)變，解決了有水管存在的諸如易凍、易碎、易漏、易結(jié)垢等諸多問題，引領(lǐng)著太陽能集熱管換熱技術(shù)的發(fā)展方向。太陽能集熱管生產(chǎn)裝備也由早期的手工加工，單機(jī)生產(chǎn)的勞動密集型向自動化、集約化、規(guī)模化方向發(fā)展，形成以清華陽光自主研發(fā)的國際首條全玻璃太陽能集熱管全自動化生產(chǎn)線為代表，引領(lǐng)著太陽能集熱管裝備的發(fā)展方向。
作為太陽能集熱管的核心技術(shù)———太陽能選擇性吸收涂層，也由早期的普通鋁氮鋁選擇性吸收涂層，發(fā)展到以皇明三靶涂層和清華陽光紫金涂層為代表的高性能選擇性吸收涂層。涂層吸收比可以達(dá)到0.94以上，發(fā)射比0.06以下，并能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定生產(chǎn)，性能基本達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)的極限水平。
由此可見，對于太陽能集熱管而言，無論是換熱結(jié)構(gòu)、選擇性吸收涂層還是裝備自動化水平，均達(dá)到先進(jìn)水平。在短期內(nèi)無法對上述技術(shù)取得質(zhì)的突破。因此，近期，太陽能集熱管技術(shù)向什么樣的方向發(fā)展，并能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)是擺在太陽能科研技術(shù)人員面前的關(guān)鍵問題。而能夠在太陽能集熱管上應(yīng)用并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)必須滿足兩個基本條件：1.符合太陽能集熱管技術(shù)發(fā)展方向；2.規(guī)模化生產(chǎn)成本能夠為市場所接受。
1發(fā)展方向分析
如圖1所示，全玻璃真空太陽集熱管主要由罩玻璃管、帶有選擇性吸收涂層的內(nèi)管、真空夾層、吸氣劑膜和卡子等部件組成，而全玻璃熱管式真空太陽能集熱管則比普通太陽能集熱管增加了冷凝端和換熱工質(zhì)。太陽能集熱管的主要材料為硼硅玻璃3.3。目前，太陽能集熱管罩玻璃管的透射比為0.90。
也就是說，太陽能光譜照射到太陽能集熱管上，經(jīng)過罩玻璃的反射和吸收后，僅有90%能量透過罩玻璃管到達(dá)內(nèi)管外表面的選擇性吸收涂層，為選擇性吸收涂層所吸收。但目前選擇性吸收涂層性能已達(dá)到極限水平。如要進(jìn)一步提高太陽能集熱管集熱性能，則提高罩玻璃管的透射比是最佳方法。而單獨(dú)要求提高硼硅玻璃材料本身的透射比，不但成本高昂，技術(shù)難度極大，技術(shù)提升也有限，無法為市場所接受。因此，在太陽能集熱管罩玻璃制備AR膜以提高罩玻璃管透視比是比較好的選擇。而太陽能能量主要集中在300nm~2400nm的光譜范圍之間，這對AR膜制備提出極高的要求。
隨著增透膜的不斷開發(fā)和研究，光學(xué)增透膜的鍍膜技術(shù)也在不斷地發(fā)展。光學(xué)增透膜的厚度要控制在可見光波長1/4左右，對增透膜均勻度的要求也非常苛刻。盡管如此,在太陽能科研人員的不懈探索中，還是掌握了不少行之有效、先進(jìn)的鍍膜技術(shù)。目前，常用的鍍膜方法有真空蒸鍍、化學(xué)氣相沉積、溶膠—凝膠鍍膜等方法。三者相比較，溶膠—凝膠（Sol-gel）鍍膜設(shè)備簡單、能在常溫常壓下操作、膜層均勻性高、微觀結(jié)構(gòu)可控，適于不同形狀、尺寸的基片，能通過控制配方、制備工藝得到高性能、低成本的太陽能罩玻璃AR膜，是AR膜最具競爭力的制備方法之一。
2Sol-gel法AR膜技術(shù)原理
增透膜增加透射光強(qiáng)度實質(zhì)是作為電磁波光波在傳播過程中，在不同介質(zhì)的分界面上，由于邊界條件的不同，改變了其能量的分布。對于單層薄膜來說，當(dāng)增透膜兩邊介質(zhì)不同時，薄膜厚度為1/4波長的奇數(shù)，并且薄膜的折射率時（分別是介質(zhì)1、介質(zhì)2的折射率），才可以使入射光全部透過介質(zhì)。一般光學(xué)透鏡是在空氣中使用，對于一般折射率在1.5左右的光學(xué)玻璃，為使單層膜達(dá)到100%的增透效果，可以使n1=1.23,或接近1.23。
光學(xué)增透膜的研制，不僅要考慮它的透射率，而且還要考慮它的硬度、耐熱性、耐寒性、與玻璃等光體的接合力度、耐光照射性、吸熱強(qiáng)度等因素，能滿足這么多條件的材料，可想而知要找到是很困難的。由于一般光學(xué)介質(zhì)都是玻璃，并在空氣中使用，而且增透膜的折射率應(yīng)接近1.23。現(xiàn)實中折射率小于氟化鎂（折射率為1.38）的鍍膜材料很少見，而且像氟化鎂能很好地滿足各種條件的材料更是稀少。因此，現(xiàn)在一般都用氟化鎂鍍制增透膜。隨著溶膠-凝膠技術(shù)的發(fā)展，通過制備多孔的SiO2涂層，可以實現(xiàn)1.0~1.5之間具有不同折射率的增透膜，從而解決了增透涂層折射率的問題，也使增透涂層在太陽能集熱管上實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化成為可能。
溶膠－凝膠法就是用含高化學(xué)活性組分的化合物做前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，凝膠網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動性的溶劑，形成凝膠。凝膠經(jīng)過干燥、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米亞結(jié)構(gòu)的材料。
其最基本的反應(yīng)是：
l.水解反應(yīng)：M(OR)n+H2O→M(OH)x(OR)n－x+xROH
2.聚合反應(yīng)：－M－OH+HO－M－→－M－O－M－+H2O－M－OR+HO－M－→－M－O－M－+ROH
溶膠凝膠法制備SiO2增透涂層基本工藝：采用硅酸乙酯類
物質(zhì)做前驅(qū)物，采用醇類物質(zhì)（如乙醇）作為溶劑，經(jīng)過水解，酸或堿作為催化劑處理后，形成酸溶膠或堿性溶膠。然后通過滾涂法、旋涂法或提拉法等工藝手段，在基體表面制備硅溶膠涂層，經(jīng)干燥后形成SiO2凝膠，最后在經(jīng)過嚴(yán)格的熱處理工藝，在基體表面形成滿足使用要求的多孔SiO2增透涂層。
因此，影響SiO2增透涂層的關(guān)鍵因素主要包括：1.硅溶膠的配置；2.基材前處理；3.鍍膜工藝與設(shè)備；4.熱處理工藝與設(shè)備。硅溶膠的種類主要有酸性硅溶膠、堿性硅溶膠和酸堿復(fù)合型硅溶膠。不同的硅溶膠制備的SiO2增透涂層性能也有較大的差異。一般而言，堿性硅溶膠增透性能很好，應(yīng)用到太陽能集熱管上單面AR涂層可以提高透射比3.0%，雙面AR涂層可以提高透射比達(dá)到6.0%以上。但堿性硅溶膠附著力較差，因此不適宜鍍制在罩玻璃管的外表。酸性硅溶膠的附著力較好，但折射率較高，應(yīng)用到罩玻璃管上，單面AR涂層可以增加透射1.5%，雙面可增加3.0%。為了使AR涂層不但具有良好的透射比，而且也具有良好的附著力，可以采用酸堿復(fù)合法實現(xiàn)AR膜涂層的制備，涂層附著力和透射比均在酸性硅溶膠和堿性硅溶膠AR涂層性能之間。另外，通過改進(jìn)和優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)和工藝，可以實現(xiàn)具有良好附著力和增透性能多孔SiO2增透涂層。
由于太陽能集熱管是在大氣環(huán)境下使用。如果太陽能集熱管罩玻璃管采用雙面AR膜技術(shù)，則要求罩玻璃管外表面的AR膜具有非常好的耐候性，不能受氣候和環(huán)境因素影響，在較長時間內(nèi)保證AR膜的增透效果，這對AR涂層技術(shù)提出了極高的要求。通過實驗表明，如果不能很好地處理AR膜涂層的耐候性問題，在較長時間內(nèi)，在大氣中的SiO2增透涂層透射比會迅速下降，甚至導(dǎo)致整個鍍有SiO2增透涂層基片的透射比還不如沒有增透涂層的玻璃基片。這可能是因SiO2增透涂層具有多孔特性導(dǎo)致耐候性迅速下降，進(jìn)而導(dǎo)致透射比迅速下降。就全玻璃真空太陽能集熱管而言，如果僅將多孔SiO2涂層鍍制在罩玻璃管內(nèi)表面，則SiO2增透涂層完全不受外部環(huán)境的影響，因而可以長期保持良好的增透作用，并與太陽能集熱管使用壽命相同。
基于上述原因，在未完全了解AR膜耐候性問題的情況下，可以采用罩玻璃管內(nèi)鍍膜的方法提高罩玻璃管的增透性。
罩玻璃管內(nèi)表面鍍有AR膜的太陽能集熱管。直線位置具有明顯的分界線特征。直線下部為鍍有AR膜部分，顏色較深，表面太陽能光譜反射較小，而直線上面未鍍膜區(qū)域太陽能集熱管顏色較淺，表明該段太陽能可見光部分反射較高。在太陽能集熱管圓頭處預(yù)留一部分未鍍AR膜區(qū)域，使AR膜涂層對比特征更為明顯，顯示出AR膜集熱管明顯的外觀和高透射特征
3AR膜實驗及分析
圖2為太陽能集熱管對比測試數(shù)據(jù)圖表，如圖2-A所示，為單支太陽能集熱管罩玻璃不同點內(nèi)表面單面鍍AR膜透射曲線。其中未鍍膜透射比為0.900，鍍膜罩玻璃管透射比0.931之間，平均透射比增加3%。
圖2-B為同一管兩種情況的測試數(shù)據(jù)，包括太陽能集熱管帶外管吸收，內(nèi)管選擇性吸收涂層吸收比，和罩玻璃管的透射比。其中A為罩玻璃管有AR膜，B為沒有AR膜的太陽能集熱管。圖2-B可以看出A管內(nèi)管吸收比0.917，比B管吸收比0.921低0.4%，罩玻璃透射則增加3%，而B管A管帶外管太陽 能集熱管平均吸收比為0.891，比B管高出2.2%。如果消除內(nèi)管吸收比差異的影響，帶外管透射比應(yīng)在2.5%左右。由此可見通過增加罩玻璃透射比可以增加太陽能集熱管吸收性能。
通過對兩支太陽能集熱管空曬對比測試，測試結(jié)果顯示。
從環(huán)溫開始，在溫升30℃的條件下，鍍有AR膜太陽能集熱管空曬溫度比無AR膜太陽能集熱管提高1℃，兩支太陽能管空曬對比最終溫差在4℃～6℃之間。
通過對太陽能集熱管熱損和性能對比測試。兩支太陽能集熱管熱損均為0.71，發(fā)射比為0.06，沒有差異。
通過對兩支太陽能集熱管進(jìn)行老化對比測試，測試結(jié)果顯示，吸氣劑鏡面消失率沒有顯著差異。
由此可見：采用罩玻璃管內(nèi)表面鍍AR膜，能夠顯著提高集熱管集熱性能。
4AR膜涂覆工藝流程
罩玻璃管內(nèi)表面鍍AR膜工藝流程與設(shè)備原理（見圖3）AR膜涂覆工藝流程主要包括：上管、密封鎖緊、上液、上液面檢測、停止上液、放液、下液面檢測、干燥、密封解鎖、下管等。
上管：將罩玻璃管口向下，罩玻璃管尾管向上放置，管口插入聯(lián)箱，罩玻璃管尾管端支撐在罩玻璃管支撐板上。密封鎖緊：通過密封裝置實現(xiàn)對罩玻璃管和聯(lián)箱的連接與密封。
上液：液體開關(guān)一打開，上液泵啟動。儲液箱中的鍍膜溶液通過上液泵進(jìn)入聯(lián)箱，并進(jìn)入罩玻璃管內(nèi)。
上液面檢測：上液泵對罩玻璃管上液時，通過液位傳感器檢測罩玻璃管內(nèi)液面的位置。
停止上液：當(dāng)液位傳感器檢測到上液面位置達(dá)到設(shè)定參數(shù)時，液體開關(guān)二關(guān)閉，上液泵關(guān)閉，停止上液。
放液：停止上液后，打開液體開關(guān)，罩玻璃管內(nèi)的溶液則通過流量控制裝置和液體開關(guān)一以一定的速度流入儲液箱內(nèi)，實現(xiàn)罩玻璃管內(nèi)的液面以一定的速度下降，實現(xiàn)對罩玻璃管內(nèi)表面的鍍膜。
下液面檢測：當(dāng)罩玻璃管內(nèi)的液體全部流入儲液箱后，液位傳感器檢測到下液面位置達(dá)到設(shè)定參數(shù)時，液體開關(guān)一關(guān)閉，完成鍍膜。
干燥：液體開關(guān)一關(guān)閉后，打開氣體開關(guān)，啟動抽氣泵，空氣通過罩玻璃管尾管進(jìn)入到罩玻璃管內(nèi)，對罩玻璃管內(nèi)表面的涂層進(jìn)行干燥，氣體隨之進(jìn)入聯(lián)箱，最后被抽氣泵抽走，實現(xiàn)對罩玻璃管內(nèi)表面涂層的干燥。也可以通過抽氣泵對聯(lián)箱內(nèi)充氣，氣體從罩玻璃管管口進(jìn)入，從罩玻璃管尾管排出，對罩玻璃管內(nèi)表面的涂層實現(xiàn)干燥。
密封解鎖：對罩玻璃管管口和聯(lián)箱6的密封連接進(jìn)行解鎖。
下管:將鍍膜的太陽能集熱管罩玻璃管取下，準(zhǔn)備進(jìn)行下一批鍍膜工序。
由此可見，采用上述方法可以簡單、方便、快捷地在罩玻璃內(nèi)表面制備AR膜，工藝簡單，生產(chǎn)方便，成本低廉，能夠滿足大規(guī)模生產(chǎn)需要。
該工序可以在太陽能集熱管裝配前實施，完全可以融合到現(xiàn)有的太陽能集熱管生產(chǎn)線中，而不需要做過多改進(jìn)。但要求罩玻璃管內(nèi)表面比較潔凈，生產(chǎn)環(huán)境比較潔凈，才能保證良好的鍍膜質(zhì)量。
6總結(jié)
采用SoL-gel法制備太陽能集熱管罩玻璃管AR膜將是近幾年太陽能集熱管涂層技術(shù)主要研究和發(fā)展方向。在太陽能集熱管罩玻璃管內(nèi)表面制備AR涂層可以有效提高太陽能集熱管的技術(shù)和性能指標(biāo)，具有明顯的外觀特征和高透射性能，不影響太陽能集熱管的熱損和真空品質(zhì)。生產(chǎn)設(shè)備簡單，成本低廉，便于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
作者:韓成明
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