1. 前言
太阳能光热利用的核心技术之一就是太阳光谱选择性吸收涂层的生产技术。自二十世纪50年代末，以色列科学家Tabor提出了光谱选择性吸收理论，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[1] -[3] 。
美国再生能源国家实验室 [4] ，详细研究和测量了国际上各种集热管涂层的性能，研究表明，提高高温太阳能选择性吸收涂层的高温发射率成为设计膜层的主要目标，因为它是降低发电成本的重要因素。美国和欧洲均能测量和确定谈选择性涂层的光学性能 [5] 。对于我国仍然处于空白，通常在室温条件下利用lambda 950型分光光度计测试薄膜在400~2000 nm范围内的透射率曲线，以及多层膜系在200~2000 nm范围内的透射率曲线。采用上海技术物理研究院R2红外分析仪测量了W/W-AlN/AlN复合薄膜 [6] ，测量范围为1~22 µm，在
300 ℃
测量了三次，红外发射率分别为0.116、0.161、0.108。平均值经过计算为0.128。问题是lambda 950型分光光度计测量波长范围窄，而且是室温，R2红外分析仪测量和计算在20 μm范围的平均值，不能测量在测量波长各个部位的性能，同时在测量高温状态的试样表面发生氧化，不能准确测量。不能满足太阳能选择性涂层的要求。
我们研究研制“太阳能选择性吸收涂层光谱发射率测量系统”创新采用真空系统、积分球光学系统，精确测量与有效评定太阳能选择性吸收涂层在400~10,000 nm光谱、室温−500℃温度覆盖应用条件下的光谱辐射特性，发展太阳能选择性吸收涂层设计制备工艺的改进与创新，为新型特殊太阳能吸收涂层在红太阳能热发电技术领域中的高效应用提供有效保障。
该测量系统同样适用单质或复合材料的光谱性能的测量，不受环境气候影响。
主要技术指标：
1) 温度范围：室温~500℃；
2) 控温精度：±1℃；
3) 光谱范围：400 nm~10,000 nm；
4) 光谱分辨率：1 nm；
5) 发射率测量精度：3%；
6) 测量环境：10−4 Pa真空环境；
7) 环境温度：20℃ ± 1℃；
8) 试样尺寸：Φ30 mm，厚1 mm~2 mm。
2. 发射系数测量基本原理
热辐射是一种光谱范围0.4 μm~10 μm电磁波，其中包括可见光。热辐射及其传播特性用五个参数全面表述，分别为辐射源、辐射的功率水平、空间分布、光谱分布以及辐射的瞬时特性和偏振特性，其中后两项特性对一般辐射源而言是不必考虑的，所以描述材料表面的辐射特性只需考虑前面三个参数。
根据普朗克定律(Planck)，处于热力学温度T的绝对黑体，其单位面积上的光谱辐射功率
式中
为第一辐射常数，
为第二辐射常数。显然，该黑体单位面积上总辐射功率为
，这一结果表示为斯忒蕃–玻尔兹曼定律(Stefan-Boltzmann)
式中
为斯忒蕃–玻尔兹曼常数。
绝对黑体辐射的方向分布遵从朗伯余弦定律(Lambert)，即沿各方向的辐射亮度Lbλ均相等。
式中θ为辐射方向同表面法线间的夹角，n即表示法线方向。因此普朗克定律又可以表示为
若同样在温度T下，某一物质表面相应的辐射参量分别是Wλ、W和Lλ(θ)，则定义材料表面的光谱发射率为
全发射率为
θ方向上的方向发射率为
法向发射率为
3. 系统组成
Figure 1. Principle block of infrared emissivity
图1. 测量原理框图
变换红外光谱仪作为该测量系统的核心探测设备，辅之必须的中高温参考黑体、试样加热炉，光学系统、三通主体结构、真空及保护气系统、液体冷却等子系统，最后通过电气控制子系统将以上各子系统集成如图2。
4. 光学测量原理
采用辅助卤钨灯灯丝(辐射光谱接近太阳光谱)作为辐射源，经单色仪单色后形成不同波长(λi)的单色光，由积分球入射口进入球内，并投射在太阳能涂层试样表面，涂层反射后的全部辐射均匀分布在球壁内表面，由放置在球顶出射孔的探测器检测出其辐射亮度Lλi。在相同的条件下，检测出参考标准的辐射亮度Lsλi，二者的比值(Lλi/Lsλi)即是该涂层试样的反射率ρλi，再根据基尔霍夫能量守恒定律
得到其发射率ελi。
根据能量守恒原理，涂层材料的吸收率可以表示为
(1)
当涂层材料的表面维持在某一恒定温度条件下，其发射率和吸收率满足
(2)
当辐射源的辐射经单色仪单色后，进入积分球并投射到试样或反射标准样的表面，单色的辐射在积分球经过多次反射后，最后有积分球上端的输出口被MCT探测检测，此时探测器的输出得
(3)
其中V(λ)是探测器的电压输出，R(λ)是探测器的响应函数，
是积分球的光学常数，至于积分球的半径和积分球内表面的反射率有关。
是试样或反射标准样反射到积分球内部的辐射亮度。理想的反射材料，表面反射率在光谱范围内数值唯一，即
(4)
是材料不同波长下的反射率，
i入射辐射。
本系统中采用的反射标准样是以玻璃为基体，反射面经真空镀铝形成，它的反射率值很高且在某些波段范围内并非十分接近1。因此，对于反射标准而言，入射辐射和反射辐射遵循
(5)
根据前面的等式(3)，反射标准样和试样的反射辐射的探测器响应为
(6)
利用等式(1)，(2)及(5)，可以得出发射率的表达式为
(7)
研制了基于积分球反射计的高真空宽光谱发射率测量系统。太阳能选择性涂层由金属、化合物过渡层和化合物反射层组成。图示为100℃~500℃时的光谱发射率曲线，横坐是标单为微米的波长，纵坐标无量纲的发射率。目前采用金属–氮化铝涂层(图3)，可见光吸收率低，高温辐射率高，适用300℃以下热水器涂层；而金属–氧化物涂层(图4)，可见光吸收率高95%左右，高温辐射率低。该测量系统，准确测量评价太阳能选择性涂层的光学性能，创新设计涂层体系和优化涂层工艺奠定基础。同时为发展各种材料新型宽光谱和温度范围光谱仪进行有利探。
利用LabView编写程序，将得到的两次结果同时显示在同一坐标系中，并对两次测量结果的曲线进行点对点差值后平均，相差为1.5%，测量重复度优于系统要求的技术指标。测量误差小于3% (图5)。
Figure 2. Schematic diagram of measurement system
图2. 测量系统框图
Figure 3. Metal-nitride coating spectrum
图3. 金属–氮化物涂层光谱
Figure 4. Metal-oxide coating spectrum
图4. 金属–氧化物涂层光谱
Figure 5. Comparison of the measurement results repeatability
图5. 测量结果重复性对比
5. 结论
“太阳能选择性吸收涂层光谱发射率测量系统”采用积分球反射计作为该测量系统的核心辐射探测设备，辅之必须的可调制辐射源，试样加热炉体，三光栅塔式单色仪、真空抗氧化系统，通过该系统的研制在红外高反射积分球应用、反射测量技术、真空环境加热控温技术、非理想反射标准样反射率修正技术等方面取得了较大的突破。对于室温~500℃温度范围和400~10,000 nm光谱范围内材料的光谱发射率测量，测量重复度优于3%。
本项目为太阳能吸收涂层材料的研发提供了太阳能选择性涂层评估手段和方法，为太阳能热发电技术效率的进一步提高奠定了坚实的基础；成功填补了我国太阳能选择性吸收涂层光谱发射率测量的空白，为新型选择性吸收涂层在太阳能热发电领域中的应用提供了有效保障；在太阳能利用领域中具有非常重要的经济、社会效益和广泛的推广应用价值。
致谢
感谢中国科技部中小企业创新基金
11C
26212120482对本项目的支持。
哈尔滨工业大学戴景民教授合作。
附录
太阳能选择性涂层光谱仪
主要技术指标：
1) 温度范围：室温~500℃；
2) 控温精度：±1℃；
3) 光谱范围：400 nm~10,000 nm；
4) 光谱分辨率：1 nm；
5) 发射率测量精度：3%；
6) 测量环境：10−4 Pa真空环境；
7) 环境温度：20℃ ± 1℃；
8) 试样尺寸：Φ30 mm，厚1 mm~2 mm。
适用于太阳能选择性涂层的光谱测量和分析，设计新型涂层体系，优化涂层工艺，获得日光高吸收率，高温低辐射率的优秀涂层，提高光热发电效率。
同样适用单质材料的光谱分析，在真空条件下测量，不受环境、气候影响。