一种新型高温太阳能选择性吸收涂层制造技术

本发明专利技术涉及一种新型高温太阳能选择性吸收涂层。该太阳能选择性吸收涂层包含红外反射层，其上方第一层在太阳光谱内高吸收，而对热辐射具有高透明性；该第一层之上为第二层，其对太阳辐射和热辐射都具有高透明性；该第二层之上为第三层，其为高导电性；该第三层之上为第四层，其包含至少一层对太阳辐射和热辐射都具有高透明性的减反射层。本发明专利技术的太阳能选择性吸收涂层，能够在在显著提高太阳能吸收率的同时，不提高发射率。

A new high temperature solar selective absorption coating

【技术实现步骤摘要】
一种新型高温太阳能选择性吸收涂层
本专利技术属于太阳能技术、材料
，具体涉及一种新型高温太阳能选择性吸收涂层。
技术介绍
集热元件(HCE)是太阳能槽式热发电集热器的组成部件。槽式集热器通过用线性抛物面反射镜将太阳光聚集到一条焦线上。在这条焦线的位置放置集热元件，将太阳辐射转化成热。集热元件已经实现商业化，典型结构包含一支不锈钢管和与其同心安装的玻璃管。在不锈钢管上镀选择性涂层以提高效率，硼硅玻璃管镀减反射涂层。玻璃管和钢管之间形成一个环形空间。为了进一步提高效率，这个环形空间于两端密封并抽真空。环形空间的密封是通过在不锈钢管和硼硅玻璃管之间安装膨胀装置来实现的。膨胀装置通过不锈钢连接环，一端与玻璃管相连，另一端与不锈钢管相连。有了膨胀装置，不锈钢管和玻璃管之间的线膨胀量差异问题得以解决。选择性涂层应在太阳光谱内高吸收(低反射)，同时在集热元件目标工作温度下高反射。涂层在反射率上的这种转变被称为边缘(edge)，在这里膜层由吸收转变为反射。带有陡峭边缘的膜层在1200nm波长以上从吸收转变为反射。例如，如果膜层在1000nm波长处吸收率为100％，应该在2200nm波长处达到反射率85％或以上。要得到在高工作温度下高吸收、低反射，关键在于要在预定的截止波长上形成陡峭的边缘曲线。这个截止波长取决于选择性涂层的工作温度。工作温度越高，目标截止波长越低。大多数选择性涂层包含一个红外反射层，上面为太阳能吸收层。这种吸收层在工作温度下对黑体辐射应尽可能透明，因为这样可以得到陡峭边缘，这非常重要。如果金属陶瓷中的金属体积分数低于50％，则可以形成陡峭的边缘，或金属陶瓷中含有导电陶瓷，如TiN，代替金属作为金属陶瓷层中的金属部分。金属陶瓷层的厚度也影响边缘，较薄的金属陶瓷的边缘更陡峭。为了得到更陡峭的边缘并降低热发射率，可以制造干涉效应。将吸收层分成若干个折射率区别明显的子层可以产生所需的干涉效应。涂层顶部做减反射层可进一步优化吸收。通过制造更陡峭的边缘，或采用发射率较低的红外反射层，或减少截止波长可以降低膜层在高温下的发射率。然而，降低截止波长也会降低太阳吸收率，因此为了降低发射率而不降低吸收率，必须使用发射率尽可能低的红外反射层。银可以作为红外反射层的备选方案，但银有集聚现象。集聚现象是很薄的红外反射层聚集到一起的过程，这种效应导致涂层中产生针孔，破坏光学性能。通过与少量的铬和/或铟形成合金，可以减少银的集聚。还可以通过在银或银合金层的上方或下方布置至少一个导电层来控制附集聚。这种导电层可以由诸如钨和钼等难熔金属层和诸如氧化铝或氮化铝等电介质难熔陶瓷层制成的金属陶瓷制成。吸收层方面的先进工艺采用至少两个具有不同折射率的吸收层，并在其上加一层减反射层。吸收层一般约为50纳米厚，AR涂层(减反射层)一般为70nm厚。吸收层可以用金属陶瓷，如一层钨和钼等难熔金属、或导电难熔陶瓷，例如TiN,ZrN或ZrB2，混合在如Al2O3、AlN、SiN、AlSiN或AlSiON等非导电难熔陶瓷之中。在最先进的工艺中，金属层采用直流磁控溅射，陶瓷层采用射频或中频电源双阴极进行沉积，以避免靶中毒。最好使用旋转阴极，这样可以减少打火，材料利用率更高、功率密度也更高。镀金属陶瓷层可以将靶面对面安装、移动工件且使工件绕其轴自传来沉积，在这些对面安装的阴极之间进行镀制。最常见的吸收层是双层金属陶瓷型，有两种不同的金属体积分数。高金属体积分数层中的金属体积分数为40～50％的，低金属体积分数层的金属体积分数在15％～30％之间。最先进的选择性涂层的太阳能吸收率为96％，在400摄氏度时的发射率小于8％。然而，过去还有许多不同的吸收层有过记载。固有的选择性材料，如氧化钴，在太阳光谱中有很高的吸收，在热辐射中是完全透明的。另一种吸收层包含非常薄的使用难熔材料的反射层，例如夹在两个透明陶瓷层如氧化铝或二氧化硅之间的钼或钨。陶瓷层厚度在50～90纳米，难熔金属厚度为5～15纳米。通过干涉来实现吸收。这样的层具有极低的发射率，但太阳能吸收率只有90％左右。对于现代集热管来说性能太低，对于一个50兆瓦的电厂来说，每个百分点的效率相当于每年价值约30万美元的发电量。通过在红外反射层上方使用多个叠层，例如在红外反射层上的叠加氧化铝/钼/氧化铝/钼/氧化铝，可以进一步增加吸收。然而，涂层的厚度增加，截止波长随之增大，涂层开始剥落的风险也很大。而且这样的涂层很难制作，对于每个干涉层都需要非常精确的厚度。由于截止波长的增大，这样的涂层发射率也较高。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提供一种高温太阳能选择性吸收涂层。本专利技术采用的技术方案如下：一种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，包含红外反射层，其上方第一层在太阳光谱内高吸收，而对热辐射具有高透明性；该第一层之上为第二层，其对太阳辐射和热辐射都具有高透明性；该第二层之上为第三层，其为高导电性；该第三层之上为第四层，其包含至少一层对太阳辐射和热辐射都具有高透明性的减反射层。进一步地，第一层的厚度在15至35纳米之间；第二层厚度在15～35纳米之间；第三层厚度在5～15纳米之间；第四层厚度在50～100纳米之间。进一步地，第一层是由钴氧化物尖晶石或钴铜氧化物尖晶石或钴锰铜氧化物尖晶石制成。进一步地，第一层是由难熔金属如W、Mo、Ta、Nb、Ni或Pt掺入到电介质陶瓷中形成的陶瓷；电介质陶瓷为Al,Si,Zr的氧化物或氮化物或这些材料的混合物。进一步地，第一层是由导电陶瓷构成，所述导电陶瓷由Nb,Ti,Cr,Ta的氮化物、硅化物、硼化物、碳化物和/或ZrB2、ZrC掺入到电介质陶瓷中构成，所述电介质陶瓷为Al,Si,Zr的氧化物或氮化物或这些材料的组合。进一步地，第一层的金属体积分数为30～50％。进一步地，第二层为电介质陶瓷，其为Al,Si,Zr的氧化物或氮化物或这些材料的组合。进一步地，第三层是由难熔金属构成，其为Nb、W、Ta、Mo,、Ni或Pt。进一步地，其中第三层是由导电陶瓷构成，其为Nb,Ti,Cr,Ta的氮化物、硅化物、硼化物、碳化物和/或ZrB2、ZrC。进一步地，第四层是电介质陶瓷，其为Al,Si,Zr的氧化物或氮化物或这些材料的组合。进一步地，所述红外反射层为铝、铂、镍、银或银合金，或钼、钨，或高导电性的陶瓷ZrB2、ZrN或TiSi2。进一步地，所述红外反射层为ZrB2，用化学气相法沉积。进一步地，所述红外反射层夹在抗集聚防护层之间，所述抗集聚防护层是由导电陶瓷构成，所述导电陶瓷由Nb,Ti,Cr,Ta的氮化物、硅化物、硼化物、碳化物和/或ZrB2、ZrC掺入到电介质陶瓷中，所述电介质陶瓷为Al,Si,Zr的氧化物或氮化物或这些材料的组合。进一步地，红外反射层由钨构成，所述钨层用磁控溅射制得，气压0.15-0.4Pa，采用直流电源，电流密度50-150w/cm2，优选80w/cm2，厚度在200-700本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，包含红外反射层，其上方第一层在太阳光谱内高吸收，而对热辐射具有高透明性；该第一层之上为第二层，其对太阳辐射和热辐射都具有高透明性；该第二层之上为第三层，其为高导电性；该第三层之上为第四层，其包含至少一层对太阳辐射和热辐射都具有高透明性的减反射层。/n

【技术特征摘要】
1.一种太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，包含红外反射层，其上方第一层在太阳光谱内高吸收，而对热辐射具有高透明性；该第一层之上为第二层，其对太阳辐射和热辐射都具有高透明性；该第二层之上为第三层，其为高导电性；该第三层之上为第四层，其包含至少一层对太阳辐射和热辐射都具有高透明性的减反射层。


2.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，第一层的厚度在15至35纳米之间；第二层厚度在15～35纳米之间；第三层厚度在5～15纳米之间；第四层厚度在50～100纳米之间。


3.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，第一层是由钴氧化物尖晶石或钴铜氧化物尖晶石或钴锰铜氧化物尖晶石制成。


4.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，第一层是由难熔金属如W、Mo、Ta、Nb、Ni或Pt掺入到电介质陶瓷中形成的陶瓷；电介质陶瓷为Al,Si,Zr的氧化物或氮化物或这些材料的混合物。


5.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，第一层是由导电陶瓷构成，所述导电陶瓷由Nb,Ti,Cr,Ta的氮化物、硅化物、硼化物、碳化物和/或ZrB2、ZrC掺入到电介质陶瓷中构成，所述电介质陶瓷为Al,Si,Zr的氧化物或氮化物或这些材料的组合。


6.根据权利要求4或5所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，第一层的金属体积分数为30～50％。


7.根据权利要求1的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，第二层为电介质陶瓷，其为Al,Si,Zr的氧化物或氮化物或这些材料的组合。


8.根据权利要求1所述的太阳能选择性吸收涂层，其特征在于，第三层是由难熔金属构成，其为Nb、W、Ta、Mo,、Ni或Pt。


9.根据权利要求1所述的太阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：康楚钒，
申请(专利权)人：康楚钒，
类型：发明
国别省市：山东;37