真空技术的发展与展望

二、真空技术在能源方面的应用

最近，人们对能源危机的关注已逐渐淡薄，但如何根本问题并没有得到解决。能源问题是一个长期地、不容乐观地重要问题。从长远的观点看，要研究用新能源代替旧能源。如太阳能利用技术，在不久的将来，有可能达到实用化。日本曾提出到1990年，总能源的需要量的2％将由新能源代替。将核聚变装置列为2l世纪达到实用化的目标。现在各国都在进行太阳热利用技术。典型的太阳热利用技术即对太阳热发电系统的研究。

日本于1981年在香川县建成了第一座1MW的太阳热实验发电厂。采用塔式聚光和曲面聚光两种方式。这两种方式的额定输出均为1000kW。在美国、法国、俄罗斯、德国、西班牙及意大利等国都将太阳热发电厂的研究开发列入了国家计划。这些工厂的容量为500kW～10MW，并已建成应用。

太阳热发电系统是由聚热装置、热传输管、蓄热装置、发电机和计量控制装置所组成。

太阳热发电的聚热温度范围很宽，约为150～550℃。要想获得150℃以上的热能，就必须有聚光装置。聚光的方式有很多种，但多数都采用反射镜。镜面材料多使用银和铝等。表面镜由于膜面暴露在大气之中，受氧化和摩擦等因素的影响，会使反射率较低。黑面镜的缺陷是在于基板和膜面的界面上，发生污染。

近来，由于高分子材料制作的软镜具有重复性好、透过率高、能大量生产、成本低等特点，而倍受重视。

选择吸收面对有效利用太阳能极为重要。在选择吸收面的制作上，采用了真空技术。高温聚热装置中采用了聚热管。为防止由聚热管造成的对流损失，用透明玻璃管覆盖在聚热管外面，玻璃管内保持真空状态。

下面将按原理把选择吸收面的光吸收选择性，分类说明如下：

1、利用半导体膜的谱带之间的迁移而产生基础吸收。

在红外线领域具有高反射率的金属表面上，涂上一层吸收波长为1～3μ的半导体膜，就制成了选择吸收面。用Si、Cu、PbS、Ge、CuO、Cr2O3等材料作为半导体膜。这种结构的膜，它可吸收阳光转变为热能；对红外线则呈透明体。由于金属表面的作用使得辐射率变小，可以更有效地利用太阳能。由于Si、Ge对太阳光的折射率高，涂上SiO2等材料的减反射膜，对太阳光的吸收率变好。

2、利用薄模干涉形成减反射效应。

在基板上制成具有高反射率的金属膜，在膜上叠加干涉滤光镜。干涉滤光镜由电介质膜+半透明金属膜+电介质膜所组成。像这样结构的膜，可见光在电介质膜中被吸收，而红外线透过干涉滤光镜被金属膜面反射而使辐射率变小。采用这种方式的选择吸收面的例子如：Al2O3/MO／Al2O3／MO基板，及利用光干涉效应的单层膜一耐温性极好的金属碳化物，金属氮化物，如ZrCx、HfCx等。作成槽型抛物面镜收集器（带有ZrCx／Zr选择吸收面）。

3、利用表面和膜结构形成的反射特性与波长的相互关系。

在加工成深沟和棱角的表面上，垂直入射的太阳光，在沟与棱角的间隙中，经多次反射而被吸收。这种面会因高温加热而引起性能劣化，其原因可能由于蒸发、热分解、热膨胀造成的剥离和表面成份变化，紫外线照射引起的化学反应或机械损伤等因素造成的。太阳光利用技术，也就是利用太阳光来发电，它是通过太阳电池吸收阳光，先变为直流电再转换为交流电加以利用的。太阳电池就是将阳光直接转变为电能的元件。这种太阳光利用技术，过去仅被用在宇宙卫星、台灯电源和边远地区的通讯电源。现在的价格仍较高（日本资料报道于1984年时其价格为3000日元／瓦），所以应用范围有限。

如能在太阳能电池的主体材料上加以研究和改进，降低太阳能电池的成本，改进制作太阳电池生产的工艺，这种技术是会得到进一步发展的。如日本曾在对3Kw的个人住宅，20Kw集体住宅，200Kw学校用装置，lOOKw工厂用装置以及1000Kw集中的大容量装置等进行了研究。这些装置的大部分电力，最终将联接到电力系统上去，同现有发电厂组合运行，向形成综合电力调配系统方向发展。

非晶硅太阳电池的制造，如辉光放电分解法，反应溅射法，真空蒸发法等，多采用真空技术。

辉光放电分解法：将被稀释的氢和氩等加入到硅烷等低压气体中引起辉光放电，在等离子区分解硅烷，可使非晶硅堆积在低温基板上。

另一种是反应溅射法：把结晶硅作为阴极，在10-3～10-1托非活性气体中，加上高压使其放电。因放电产生正离子轰击阴极，阴极材料就被溅射出来。如果在阴极附近安置一块低温基板，基板上将堆积起非晶硅膜。

太阳电池不仅要求高效、廉价和大面积等特点，而且要求暴露在自然条件下具有良好的稳定性。

非晶硅的优点很多，能在玻璃、不锈钢、塑料等基板上作成大面积廉价的薄膜；比结晶硅光吸收系数大，能带宽度比结晶硅宽。

核聚变是人类未来的可靠能源，它的实现是全世界人们的愿望。目前，世界上最先进的磁场封闭式托卡马克型核聚变装置，很多国家都在开发研制。美国正在研制TFTR型，欧洲共同体制作JET型，俄罗斯研制T-15型，日本研制JT-60型的托卡马克型核聚变装置。

大型聚变装置的建造和运行，大大推动了高新技术的开发，特别是真空技术、低温技术、磁体技术、大功率脉冲电源技术和射频加热技术以及遥控处理技术等。

核聚变装置的真空室用来长时间包容高温等离子体。例如欧洲联合环JET真空室是一个全焊接的双层壁结构的环型容器。总容积为200m3，焊缝总长达8000m。这种真空室漏气率很低，在室温和500℃时要满足3000余年渗入真空室l升气体的极微小的漏率。可控聚变装置用的高真空泵采用涡轮分子泵和低温泵，前者用于检漏，后者则用于抽排聚变反应废气的主泵。工作于4.5K的具有活性炭吸附剂的低温泵，所吸留的废气中，除了氘氚核反应产物氦灰外，还有大量未能参与核反应的氘和氚。把回收后的氘和氚再注入到大环真空室中，把除氚外的杂质气体按环保要求排放出去。

这种装置的研究，可通过国际合作攻关，人类有望在2l世纪中期建成氘一氚核聚变示范电站，最终目标是提供市场销售用电的核聚变发电站，为2l世纪的新能源和经济发展做出应有的贡献。

等离子体科学技术和真空科学技术将会得到协同发展，并将为探索宇宙结构和物质起源等重大基础科学研究中起着重要的作用。