CN101273238B - 镍-氧化铝涂覆的太阳能吸收器 - Google Patents

镍-氧化铝涂覆的太阳能吸收器 Download PDF

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Abstract

一种太阳能吸收器(1)具有用至少三个薄层(11-13)覆盖的基底(2)。最外层(13)优选是抗反射层。最内层(11)由嵌入在介电基体中的纳米颗粒构成。所述颗粒选自C、Al、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag和Sn，并且所述介电基体选自氧化铝、氧化硅和氧化钛。如果使用在氧化铝基体中的Ni颗粒，则采用在0.15-0.25之间、优选在0.18-0.23之间的铝与镍原子比率。在优选实施例中，第二层(12)也由嵌入在氧化铝介电基体中的纳米颗粒构成，这里其中铝与镍原子比率在0.8-1.2之间。在优选实施例中，最内层(11)具有68-98nm的厚度(D1)，而第二层(12)具有50-80nm的厚度(D2)。镍颗粒具有5-10nm的优选平均直径。在优选实施例中，抗反射层(13)具有1.38-1.46的在太阳光谱波段中的折射率，例如氧化硅或混合氧化硅，并具有48-78nm的厚度(D3)。

Description

镍-氧化铝涂覆的太阳能吸收器
技术领域
本发明一般涉及太阳能集热器(thermal solar collector)系统，更具体地，涉及光谱选择性涂覆的太阳能吸收器(solar absorber)。
背景技术
在过去的30年期间，太阳能系统已吸引了越来越多的商业兴趣。在地球上潜在地可用的大量太阳辐射构成实际上无限的能源。利用太阳能的一种备选方案是使用太阳能集热器系统。典型地，太阳能收集器(collector)系统的一个非常重要的元件是太阳能集热器。目前主导市场的有两种收集器类型，即平板型和真空管型。这两种结构的最重要部分是吸收器，其利用光-热转换将太阳辐射转换为热。典型地，所吸收的热量备转移到液体或气体媒质，该媒质流经连接到吸收器的管道。由对流、辐射和传导引起损耗。通过分别用透明玻璃覆盖吸收器并使收集器箱绝热，减轻对流和传导。通过处理吸收器表面，可降低辐射损耗。
大多数吸收器被构造为翼片(fin)吸收器，并由具有良好导热性和高红外反射性的金属板例如铝或铜构成。该板优选涂覆有光谱选择性吸收的薄表面层。一个理想的吸收器应吸收所有的太阳辐射，但避免作为红外辐射即热而损耗所吸收的能量。
在文章[1]中，调研了其基底被两个薄层覆盖的吸收器。覆盖基底的第一层由嵌入氧化铝的介电基体(matrix)中的镍纳米颗粒构成。最佳涂覆具有65体积百分比的溶液镍含量，0.1μm的厚度以及约10nm的颗粒尺寸。最外层是抗反射层。裸露的第一层提供0.83的标称太阳能吸收率和0.03的标称热发射率。通过添加抗反射层，太阳能吸收率可增大至0.92的最大值。根据[2]，发现最佳抗反射层为氧化铝层，而氧化硅和混合氧化硅抗反射层提供0.90-0.91的吸收率。然而，氧化铝不能耐受必要的加速老化测试，因此不能被用于商业产品中。
即使具有这样高的吸收率值，入射的太阳辐射的高达8％将根本不被吸收。然而，大多数商业系统会受益于更小的损耗。在[3]中，可以得到这样的结论，包括更多层的吸收器至少理论上会进一步提高效率。利用一般知识，由其它类型的多层吸收器系统预计有不大于5％的损耗(即0.95的吸收率)。
发明内容
现有技术的太阳能吸收器的一个普遍问题在于，它们仍呈现不希望的高辐射损耗。现有技术的太阳能吸收器的另一个问题在于，制造成本过高。又一个问题在于，引导商业可用的太阳能吸热器的制造工艺利用复杂且昂贵的真空技术。
因此，本发明的一个一般目的在于提供特别地在吸收率方面改进的太阳能吸收器。本发明的另一目的是提供这样的改进的太阳能吸收器，其允许成本有效且环境友好的制造。本发明的又一目的是提供太阳能吸收器，其允许避免真空技术的制造。
通过根据本发明的装置，实现上述目的。一般地说，太阳能吸收器具有用至少三个薄层覆盖的基底。最外层优选为抗反射层。最内层有嵌入氧化铝的介电基体中的镍纳米颗粒构成，其中铝与镍的原子比率在0.15-0.25之间，优选在0.18-0.23之间。在优选实施例中，第二层也由嵌入氧化铝的介电基体中的纳米颗粒构成，这里其中铝与镍原子比率在0.8-1.2之间。在优选实施例中，最内层具有68-98nm的厚度，而第二层具有50-80nm的厚度。镍颗粒具有5-10nm的优选平均直径。在优选实施例中，抗反射层具有在太阳能光谱波段的1.38-1.46的折射率，例如氧化硅或混合氧化硅，其中厚度为48-78nm。
利用本发明的一个优点在于实现具有出乎意料高的吸收率的太阳能吸收器，其中所吸收的入射太阳辐射中的损耗限于3％，即约为现有类似系统系统的三分之一，并且明显低于预期可以实现的值。此外，可以在环境压力下以成本有效和环境友好的方式进行该制造。
附图说明
通过参考结合附图给出的以下描述，可以最好地理解本发明及其其它目的和优点，在附图中：
图1是典型热太阳能系统的示意图；
图2是典型平板太阳能收集器的截面示意图；
图3是示例太阳能强度分布和黑体发射的图；
图4是根据本发明的太阳能吸收器的实施例的截面示意图；以及
图5是示例对于根据本发明的吸收器和对于根据现有技术的吸收器的反射率测量结果的图。
具体实施方式
图1示例了典型热太阳能系统50，其中可以利用根据本发明的太阳能收集器20。太阳41发射太阳辐射40，该太阳辐射40落在太阳能收集器20上。通过泵30将液体或气体媒质经过入口管31泵送到太阳能收集器20，在该太阳能收集器20处由太阳辐射40产生的热加热液体或气体媒质。通过出口管32将经加热的液体或气体媒质传送到热交换器箱33。在热交换器34中，在液体或气体媒质返回到太阳能收集器20之前，将液体或气体媒质的部分热量传送到箱33的液体或气体媒质。第二热交换器35使用交换器箱33中的液体或气体媒质的热量来加热通过入口管37输入的水。在出口管36中提供经加热的水以用于任何目的。
图2示例了平板太阳能收集器20的实施例，其中可以有利地利用根据本发明的吸收器。太阳能收集器20包括外壳22，其包括多个太阳能吸收器1。太阳能吸收器1与用于热媒质的管25传导接触。太阳能吸收器1典型地通过绝热材料23与外壳22热隔离。通过在太阳能吸收器1上方提供透明玻璃21，产生实质上为不流动空气的空气间隙24，防止从太阳能吸收器1的对流。
图3图示出将太阳能强度分布示例为曲线100的图。为了以最佳方式利用可用的能量，太阳能吸收器表面的吸收率在波段104内应该很高。同时，所有的体发射与该温度和发射特性对应的热辐射。在波段105中具有高反射率的表面涂覆可以因而最小化所发射的热辐射。对应于100℃、200℃和300℃的黑体发射分布分别由曲线101、102和103表示。因此理想地光谱选择性太阳能吸收器在波段104中具有高吸收率，并且在波段105中具有高反射率。
图4示例了根据本发明的太阳能吸收器1的当前优选实施例。基底2被第一层11、第二层12和第三层13覆盖。第一层11和第二层12是主吸收层，而第三层13用作抗反射和保护层。在该实施例中基底2由铝制成，但也可以使用具有良好热传导性和高红外反射性的其它基底，例如铜或不锈钢。
第一层11包括嵌入氧化铝介电基体中的镍纳米颗粒。太阳能吸收器1的性能对于铝与镍的原子比率比较敏感。优选的铝与镍原子比率为0.2。在铝与镍原子比率为0.18-0.23的范围内，相信性能仍很优良，在0.15-0.25的范围内，性能仍被评估为好于现有技术预言所预期的性能。第一层11的厚度D1在68至98nm的范围内，其中最优选厚度约为82nm。大多数镍颗粒的尺寸为5-10nm，从而镍颗粒的平均直径在5-10nm的范围内。颗粒优选实质上为球形的。
第二层12也包括嵌入氧化铝介电基体中的镍纳米颗粒。在该层中太阳能吸收器1的性能对于镍含量也比较敏感。优选的铝与镍原子比率为0.95。在铝与镍原子比率为0.8-1.2的范围内，性能被评估为好于现有技术预言所预期的性能。第二层12的厚度D2在50至80nm的范围内，其中最优选厚度为65nm。并且在该层中，大多数镍颗粒的尺寸为5-10nm，从而镍颗粒的至少平均直径在5-10nm的范围内。颗粒优选实质上为球形的。
第三层13是抗反射层。实验已证明，下面将更详细描述的纯氧化硅或混合氧化硅实际上是有用的。然而，折射率的实部在1.38至1.46范围内的其它抗反射材料也将工作得很好。在本实施例中发现抗反射层的最佳厚度为约62nm，至少优选在48-78nm的范围内。
调研了具有根据上述实施例的组分的吸收器。在图5中，分别示出了根据本发明的吸收器和根据[1]的吸收器的反射率曲线106、107。容易看出显著的改善。
在上述实施例中，利用三层结构。然而，也可以使吸收器具有更多层，例如被抗反射层覆盖的三个吸收层。那么，根据本发明，使得最内层具有上述组分是有用的。
此外，三层结构中的最外层也可用于吸收目的。该结构可以在没有抗反射层的情况下工作，或者最外层可以是这样的层，其同时用作相对于下面的层的抗反射层且本身用作吸收层。
本发明的给出的实施例的两个内层主要基于具有嵌入的镍颗粒的氧化铝的介电基体。然而，可以通过添加或改变为其它元素或化合物，改性或改变该介电基体。例如，该介电基体可以由替代氧化铝的氧化硅或氧化钛，或者这些基体材料的任何组合构成。同样，也可以通过添加或改变为其它元素或化合物的颗粒来调整特性。可能的颗粒元素为C、Al、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag或Sn或者这些元素的组合。特别地，对于氧化铝基体，可以使用Mg、Ca、Ti、Mn、Ni、Zn或Sn或者这些元素的组合，并且C也可以是一种可能的颗粒候选。对于氧化硅基体，可以使用Al、Mg、Ca、Ti、Mn、Fe、Co、Zn、Ag或Sn或者这些元素的组合。
在氧化铝中镍的情况下，在第一层中铝与镍原子比率应保持在0.15-0.25的范围内。对于基体和颗粒元素的其它组合，可应用其它范围，该范围必须根据组合而确定。
可以以不同方式进行根据本发明的吸收器的制造，但发现溶液-化学和溶胶凝胶方法非常适合。以三个步骤制造图4的实施例的吸收器。首先，用包含镍和铝离子的溶液涂覆基底。首先，制备铝前体(precursor)溶液和镍前体溶液，随后以要求的比率混合这些溶液。将混合后的溶液旋涂到基底上。然后对涂覆的基底进行热处理，形成第一吸收层。为了将镍离子还原成金属镍，在无氧的气氛中进行热处理。在用于进行的测试吸收器的热处理中，在热处理期间使氮气在表面上方流动。温度逐渐增加到450-580℃的最高温度，以完全去除残留的有机基团。
可以不同地加热开始的两个镍-氧化铝吸收层。为了节省能量、时间和成本，将它们加热至较低的温度、并且在添加最后的抗反射层时进行最终的高温热处理就足够了。可选地，可以在具有抗反射层的情况下进行最后的高温热处理之前，可以用UV光简单地固化开始的两个镍-氧化铝吸收层。
其次，在第一层的顶上由不同浓度的镍和铝离子的溶液沉积第二层，随后与第一层的制造类似地进行热处理。
最后，在顶上添加抗反射涂覆溶液。产生为测试吸收器而选择的氧化硅或混合氧化硅抗反射层的方法是基于本身在现有技术中已知的溶胶凝胶方法。存在大量不同的基于溶液的工序以产生氧化硅或混合氧化硅，但对于测试吸收器采用以下方法。将四乙氧基硅烷TEOS和甲基三乙氧基硅烷MTES用作起始材料。如果仅仅使用TEOS，所得到的膜将由100％的氧化硅构成。混合TEOS和MTES将产生混合的氧化硅膜，MTES相对于TEOS的比例约高，所得到的涂层越柔韧。首先用溶剂例如乙醇然后用稀释的HCl来混合TEOS，以便水解TEOS。然后添加MTES(如果存在)，发生进一步的水解。将溶液旋涂到第二层上，此后进行又一热处理，形成抗反射层。将抗反射层加热至约300-500℃。
上述实施例应被理解为本发明的一些示例性实例。本领域技术人员将理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以对实施例进行各种修改、组合和改变。特别地，在技术允许的情况下，在不同实施例中的不同部分溶液可以组合为其它配置。然而，本发明的范围受到所附权利要求的限制。
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Claims (20)

1.一种太阳能吸收器(1)，包括：
基底(2)；
第一层(11)，覆盖所述基底(2)；以及
第二层(12)，覆盖所述第一层(11)；
所述第一层(11)基于具有嵌入的颗粒的介电基体；
其特征在于
第三层(13)，覆盖所述第二层(12)；
所述第一层(11)的所述介电基体包括选自氧化铝、氧化硅和氧化钛的至少一种氧化物；
所述嵌入的颗粒包括以下元素中的至少一种：C、Al、Mg、Ca、Ti、V、C r、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag和Sn；
从而如果使用具有嵌入的镍颗粒的氧化铝介电基体，所述第一层(11)具有范围在0.15-0.25的铝与镍原子比率。
2.根据权利要求1的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述第一层(11)的所述介电基体包括氧化铝，以及所述嵌入的颗粒包括镍，从而所述第一层(11)具有范围在0.15-0.25的铝与镍原子比率。
3.根据权利要求2的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述第一层(11)具有范围在0.18-0.23的铝与镍原子比率。
4.根据权利要求2或3的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述第一层(11)具有68-98nm的厚度(D1)。
5.根据权利要求2至4中任何一项的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述第二层(12)基于具有嵌入的镍颗粒的氧化铝介电基体。
6.根据权利要求5的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述第二层(12)具有0.8-1.2的铝与镍原子比率。
7.根据权利要求5或6的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述第二层(12)具有50-80nm的厚度(D2)。
8.根据权利要求2或3的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述第三层(13)是抗反射层。
9.根据权利要求8的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述第三层(13)具有在太阳光谱波段中范围在1.38至1.46的折射率实部n。
10.根据权利要求9的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述第三层(13)由氧化硅或混合氧化硅构成。
11.根据权利要求8的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述第三层(13)具有48-78nm的厚度(D3)。
12.根据权利要求2或3的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述镍颗粒具有范围在5-10nm的平均直径。
13.根据权利要求1的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述第一层(11)的所述介电基体包括氧化硅和氧化钛中的至少一种。
14.根据权利要求1或13的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述嵌入的颗粒包括以下元素中的至少一种：C、Al、Mg、Ca、Ti、Mn、Co、Zn、Ag和Sn。
15.根据权利要求14的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述第一层(11)的所述介电基体包括至少氧化铝，以及所述嵌入的颗粒包括以下元素中的至少一种：C、Mg、Ca、Ti、Mn、Zn和Sn。
16.根据权利要求1或13的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述第一层(11)的所述介电基体包括至少氧化硅，以及所述嵌入的颗粒包括以下元素中的至少一种：Al、Mg、Ca、Ti、Mn、Fe、Co、Zn、Ag和Sn。
17.根据权利要求1或13的太阳能吸收器(1)，其特征在于，所述嵌入的颗粒基本上为球形。
18.一种太阳能收集器(20)，包括至少一个根据权利要求1或13的太阳能吸收器(1)。
19.一种太阳能集热器系统(50)，包括至少一个根据权利要求18的太阳能收集器(20)。
20.一种太阳能集热器系统(50)，包括至少一个根据权利要求19的太阳能收集器(20)。
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