中高溫太陽能納米核殼結構光譜選擇性吸收塗層的製作方法

2023-06-03 11:50:11

專利名稱：中高溫太陽能納米核殼結構光譜選擇性吸收塗層的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能光-熱利用領域，尤其是中高溫太陽能吸熱器光譜選擇性吸收塗層材料研究方面。
背景技術：
太陽能吸熱器接收聚光器(如碟式聚光器、槽式聚光器和定日鏡)聚焦的高密度太陽輻射，加熱流經吸熱器裡面的傳熱介質，將低品位太陽輻射熱能轉化為利用價值高的高品位熱量。在低溫段，為居民提供生活熱水；在中溫段，用於エ業乾燥、烘烤等エ序；在高溫段，用於太陽能熱發電。從目前工程應用經驗發現，吸熱器效率是制約整個系統效率的瓶頸，而提聞吸熱器效率的關鍵是提聞吸熱器表面光_熱轉化效率。為了提高太陽能吸熱器光-熱轉化效率，1954年在美國召開的國際太陽能會議上，以色列科學家泰勒和美國科學家吉爾頓柯爾論證了製作選擇性塗層表面的可能性，他們被視為太陽能吸收塗層研究鼻祖。其基本理論是基於普朗克定律、維恩位移定律和基爾霍夫定理，設計ー種太陽能光譜選擇性吸收塗層，吸收層的理想狀態是在集中了太陽95%以上能量的O. 3 2. 5 μ m波長段吸收率為I,而波長大於2. 5 μ m是吸收率為O。目前,各種光譜選擇性吸收塗層均基於這一理論基礎，並且從單層結構發展為雙層、以至多層結構。並且正在從低溫向更高溫方向發展。但無論是雙層結構還是多層結構，最上面是陶瓷減反射層，如 Al2O3, SiO27MgO, Si3N4, TiO2, Ta2O5, ZrO2, Nd2O3, MgF2, SrF2 等，不僅對 O. 3 2. 5 μ m 波長太陽輻射反射率較低，減少反射能量損失；而且在中高溫段可以防禦吸收層被氧化破壞。下ー層是吸收層，如M0、W、Cr、C0、Ni等純金屬。最底層是吸熱器基體。對於多層結構，其特點在於吸收層是有不同金屬含量的金屬-陶瓷複合結構構成。低溫下吸收層也可以採用金屬氧化物半導體結構。但是，目前太陽能光譜選擇性吸收塗層的減反射層、金屬吸收層均呈層狀結構，由於金屬的熱膨脹係數遠遠大於陶瓷，塗層工作在中高溫度下，要經歷無數次熱-冷循環過程，拉應カ將會導致減反射層開裂，裂紋成為氧分子通往金屬吸收層的通道，致使吸收層金屬被氧化而失效；在高溫下氧化壓應カ會導致塗層剝落，最終吸熱器表面吸收率下降。這ー現象在中高溫吸熱器塗層中尤為明顯。為了避免氧原子對吸收層的破壞，其中ー種方法是進ー步提高真空管的真空度，但這不僅對本來技術難度很高的金屬-玻璃封接來說，在中高溫條件下更為困難；而且增加製造成本。

發明內容
本發明的目的是克服目前中高溫條件下太陽能光譜選擇性吸收塗層失效問題，尤其是中高溫條件下因開裂、剝落而導致吸收層氧化失效問題，在不降低目前太陽能吸熱器塗層吸熱效率基礎上，進ー步提高吸熱效率。本發明是中高溫太陽能納米核殼結構光譜選擇性吸收塗層，吸收層(2)附著在吸熱器基體I上，吸收層2由具有核殼結構的金屬-陶瓷顆粒組成，每ー個顆粒包括中心的吸收體3和外層的減反射殼4，減反射殼4外層熔化後將各個顆粒連接在一體，並附著在吸熱器基體I上，減反射殼4內層是鬆散的顆粒。本發明的有益效果1.在不降低目前塗層吸熱效率基礎上，提高中高溫條件下太陽能光譜選擇性吸收塗層抗開裂和抗剝落能力，延長使用壽命。2.本發明將傳統減反射與 吸收ニ維層狀結合拓展為減反射殼與吸收體三維核殼結合的結構，納米吸熱體顆粒可以在目前吸收層吸收基礎上進ー步提高吸收效率。


圖I為本發明的塗層結構示意圖，圖2為本發明的吸收層結構圖，圖3為本發明的納米核殼結構示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發明中高溫太陽能納米核殼結構光譜選擇性吸收塗層，吸收層2附著在吸熱器基體I上，如圖2、圖3所示，吸收層2由具有核殼結構的金屬-陶瓷顆粒組成，每ー個顆粒包括中心的吸收體3和外層的減反射殼4，減反射殼4外層熔化後將各個顆粒連接在一體，並附著在吸熱器基體I上，減反射売4內層是鬆散的顆粒。吸收體3是粒徑小於2. 5 μ m的顆粒。吸收體3的材質是對O. 3 2. 5 μ m波長太陽能光譜吸收率很高，理想值為1，而對大於2. 5μπι波長段，吸收率很低，理想值是O。減反射殼4由納米尺度陶瓷顆粒構成，該材質對太陽能反射率很低，理想值是O。吸收體3在材料方面，要求對O. 3 2. 5 μ m的太陽光譜吸收率最大，理想值為1，而對大於2. 5 μ m的波長吸收率最低，理想值是0，並且高溫性質穩定，如Mo、W、Cr、P1、Ru、Ir等金屬材料。這與目前常規太陽能光譜選擇性吸收塗層的吸收層材料要求一祥，對現有吸熱器塗層的吸收率影響不大。吸收體3在結構方面，要求顆粒直徑在納米尺度，最大為300nm,因為小於入射光波波長，才可以表現出金屬帶間躍遷和小顆粒共振現象，能夠增加對太陽光吸收強度，吸收效率在現有層狀吸收層基礎上可得到進ー步提高。減反射殼4在材料方面，要求對太陽輻射的反射率最低，理想值為O ;透過率最高，理想值為I。可以採用Al2O3, SiO27MgO, Si3N4, TiO2等常規太陽能光譜選擇性吸收塗層的減反射層材料。在結構方面，要求其尺度小於lOOnm，便於形成殼狀結構。減反射殼4包裹在吸收體3外面，形成具有金屬-陶瓷複合結構的粉體顆粒。首先，儘管金屬材質的吸收體3熱膨脹係數較大，但是由於單個納米級顆粒尺寸較小，所以總的膨脹量不大，加熱-冷卻循環過程中熱應カ較小。其次，由於納米材料熔點相對於大塊材料而言較低，所以可以採用中等溫度加熱方式，使減反射殼4外層多個納米顆粒熔化並粘結成殼狀，而靠近吸收體3的內層陶瓷仍然呈顆粒狀，如圖3所示，內層鬆散的陶瓷顆粒可以轉動或平動，位置相互協調，降低應力，避免開裂；核殼結構顆粒之間以及它們與基體I之間依靠熔化的殼連接。第三，即使存在擴展裂紋，但一旦擴展進入減反射殼4內層，也被分散的納米顆粒的轉動和平動所湮滅，阻止其進ー步擴展；第四，由於不同顆粒之間存在鬆散的納米陶瓷顆粒，一個顆粒的陶瓷殼破裂，不會影響周圍其它核殼結構顆粒。
權利要求
1.中高溫太陽能納米核殼結構光譜選擇性吸收塗層，吸收層(2)附著在吸熱器基體(I)上，其特徵在幹吸收層(2)由具有核殼結構的金屬-陶瓷顆粒組成，每ー個顆粒包括中心的吸收體(3)和外層的減反射殼(4)，減反射売(4)外層熔化後將各個顆粒連接在一體，並附著在吸熱器基體(I)上，減反射売(4)內層是鬆散的顆粒。
2.根據權利要求I所述的中高溫太陽能納米核殼結構光譜選擇性吸收塗層，其特徵在於吸收體(3)是粒徑小於2. 5 μ m的顆粒。
3.根據權利要求I所述的中高溫太陽能納米核殼結構光譜選擇性吸收塗層，其特徵在於吸收體(3)的材質是對O. 3 2. 5 μ m波長太陽能光譜吸收率很高，理想值為I，而對大於2.5 μ m波長段，吸收率很低，理想值是O。
4.根據權利要求I所述的中高溫太陽能納米核殼結構光譜選擇性吸收塗層，其特徵在於減反射殼(4)由納米尺度陶瓷顆粒構成，該材質對太陽能反射率很低，理想值是O。
全文摘要
中高溫太陽能納米核殼結構光譜選擇性吸收塗層，在吸熱器基體上製備吸收層，吸收層由具有核殼結構的顆粒組成，每一個顆粒包括中心的核狀吸收體和周圍減反射殼，吸收體是納米金屬顆粒，要求它在0.3～2.5μm和大於2.5μm波長段的理想吸收率分別為1和0，減反射殼由納米尺寸的陶瓷顆粒組成，外層陶瓷顆粒熔化後形成硬殼，內層是鬆散陶瓷顆粒；這種核殼結構能夠減緩工況條件下因冷熱循環導致塗層開裂、剝落程度，防止吸收體氧化失效，延長其使用壽命，提高光-熱轉化效率。
文檔編號F24J2/48GK102627006SQ20111039707
公開日2012年8月8日 申請日期2011年12月2日 優先權日2011年12月2日
發明者徐建琳, 成波, 朱昌盛, 李文生, 楊效田, 王克振, 王軍偉, 王智平, 肖榮振, 董洪峰, 路陽, 馬榕彬 申請人:蘭州理工大學