1.课题研究的意义及背景

能源的发展促进了人类文明的进步，纵观千年历史，人类凭借着对煤，石油，天然气等化石燃料的开发创造了灿烂的文化。但开发传统能源时面临两个问题：一是化石能源在燃烧时会释放二氧化碳，二氧化硫等气体，进而造成温室效应、热污染等一系列问题；二是煤等化石燃料属于不可再生的能源，自然界的储量已不能满足人类未来的需求，数据显示：全球煤资源仅可供我们使用约100年，天然气资源则只有约50年的时间。所以开发利用新型能源，促进能源变革，减少能源利用对环境的污染已经刻不容缓。^[1]

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，是解决上述危机的一种理想能源，我国目前对于太阳能的利用然而由于其到达地球后的能量密度比较低，给大规模的开发利用带来一定的困难，这就决定了将太阳能直接用于日常生活和工业生产之前，必须提高其能量密度。太阳能选择性吸收涂层的优点在于对可见光的吸收率非常高，同时自身的红外辐射率却较低，能够把能量密度较低的太阳能转换成高能量密度的热能，对太阳能起到较好富集的作用。因此，制备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, 对提高集热器效率至关重要。

本文研究的内容包括采用不同的金属材料比例及制备方法来得到实验所需要的选择性吸收涂层：利用光学显微镜进行分析，研究太阳能光谱选择吸收性图层的光学性能、热稳定性。根据所得实验数据提出实验的改进方案。^[2-5]

2.选择性吸收的基本原理

2.1选择性吸收的原理

传统观点认为，黑色表面比其他颜色表面的吸光能力强，所以太阳能热水器的集热板一般都涂成黑色。这薄薄的黑色涂层既能吸光，又进行光热转换，对于太阳能利用效果影响很大。然而，黑涂层并非是吸收太阳能的理想涂层，肉眼感觉到涂层黑的程度并不能说明吸热性能的优劣。其实，普通表面可以比作是一个有漏洞的口袋，一方面它能把阳光装进口袋里，另一方面它又把装进口袋的太阳能以热辐射的形式散发出去，表面的温度越高，”漏掉”的能量就越多。显然，这种表面吸收的能量多，跑掉的能量也多，其转化效率极低。选择性涂层系统是一种”非全黑”表面，这种表面对太阳光是黑的，对红外光是白的，它保留了普通黑表面吸收太阳光的能力，同时弥补了普通黑表面热损失的漏洞。由维恩位移定律可知：在不同的温度下，黑体辐射的波长有一个极大值，随着温度的升高，波长的峰值向短波方向移动。太阳的表面温度6000K辐射波长峰值集中在 0.5um附近,而一般物体温度不超过500K波长峰值在6um以上。从量子论的角度来分析，任何物质只吸收特定波长的波，它所吸收光子的能量必须能使原子从基态跃迁到激发态或者使分子振动，辐射光的波长必须与吸收光的波长能量匹配。太阳能辐射的能量主要集中在短波段，而集热器向外辐射的能量主要集中在红外段，两者的光谱线不重合。从理论上讲，可以制备出一种涂层材料，其吸收表面在太阳光谱范围内具有较高的吸收比,在红外光谱范围内保持尽可能低的热发射比。换句话说，就是要使吸收表面在最大限度地吸收太阳辐射的同时，尽可能减小其辐射热损失。这样就可以充分地利用太阳能，提高太阳能的利用效率。^[6-12]

2.2选择性吸收的发展与应用

选择性吸收理论是由以色列物理学家泰伯在20世纪50年代末提出的。几十年来,选择性吸收涂层一直是太阳能热利用技术领域中一项十分活跃的研究课题。泰伯的创见至今仍被誉为近代太阳能热转换技术领域的重大突破。此后,世界各国对各种太阳能光谱选择性吸收涂层展开了大量的深入的研究与开发。对于选择性涂层而言,从理论基础到制备工艺,已经形成了较完整的学科体系,是太阳能热利用技术领域的一个重要分支。当今,在国际市场上用的太阳能热水系统的集热器(包括平板型和真空型)绝大多数都应用了光谱选择性吸收原理。