CN102207341A - 中高温直通式太阳能金属集热管 - Google Patents

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Abstract

一种中高温直通式太阳能金属集热管，包括金属基管，所述的金属基管的外表面自内而外依次覆盖为抗腐蚀涂层和吸收涂层，其中抗腐蚀涂层为高磷化学镀镍涂层，该高磷化学镀镍涂层的厚度为10-20μm，而吸收涂层自内而外依次为金属红外反射子涂层、金属陶瓷中高温吸热子涂层以及减反射子涂层；克服了存在着在中高温200～500℃下的材料腐蚀问题、吸热涂层的耐高温以及抗氧化问题，实现了抗腐蚀、耐高温、高压、成本低、制备工艺简单以及实用性强的中高温直通式太阳能金属集热管。

Description

中高温直通式太阳能金属集热管
技术领域
本发明属于太阳能光热利用技术领域，具体涉及一种中高温直通式太阳能金属集热管，特别是一种适用于菲涅尔太阳能热发电系统中使用的中高温太阳能金属集热管。
背景技术
随着国民经济的迅速增长，对能源的需求日益旺盛，能源短缺以及化石能源所产生的环境污染问题日益尖锐。可再生能源资源潜力大，可持续利用，在满足能源需求、改善能源结构、减少环境污染、促进经济发展等方面发挥了重要作用，已引起了国际社会的广泛关注。可再生能源，主要是指太阳能、风能、生物质能和潮汐能等。从资源量、分布范围、清洁性、技术可靠性等方面分析，太阳能都比其它可再生能源更具优越性。太阳能发电技术是能源技术发展的热点，也是国际可再生能源技术发展的重点。
太阳能具有资源充足、长寿、分布广泛、安全、清洁以及技术可靠的优点。由于太阳能可以转换成多种其他形式的能量，因此应用范围非常广泛。其中太阳能发电在我国具有很大的发展潜力。我国太阳能资源丰富，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时，与美国相近，比欧洲、日本优越得多。我国太阳能资源的理论储量达每年17000亿吨标准煤，约等于数万个三峡工程发电量的总和。
其中菲涅尔太阳能热发电技术以其结构简单、成本低等优势，具有良好的商业化前景。菲涅尔太阳能热发电系统是利用具有跟踪太阳运动装置的主反射镜列将太阳光反射聚集到二次曲面的二级反射镜和集热管上，集热管将太阳光的辐射能转化为热能，并加热集热管内高温高压的水，产生蒸汽推动汽轮机发电机组发电。而中高温直通式太阳能金属集热管是菲涅尔太阳能热发电系统的核心部件。目前，太阳能热发电用集热管一般采用玻璃-金属真空太阳能集热管，而菲涅尔太阳能热发电系统直接采用金属集热管，该金属集热管存在着在中高温200～500℃下的材料腐蚀问题、吸热涂层的耐高温以及抗氧化问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种中高温直通式太阳能金属集热管，克服了存在着在中高温200～500℃下的材料腐蚀问题、吸热涂层的耐高温以及抗氧化问题，实现了抗腐蚀、耐高温、高压、成本较低、制备工艺简单以及实用性强的中高温直通式太阳能金属集热管。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种中高温直通式太阳能金属集热管，包括金属基管1，所述的金属基管1的外表面自内而外依次覆盖为抗腐蚀涂层2和吸收涂层3，其中抗腐蚀涂层2为高磷化学镀镍涂层，该高磷化学镀镍涂层的厚度为10-20μm，而吸收涂层3自内而外依次为金属红外反射子涂层31、金属陶瓷中高温吸热子涂层32以及减反射子涂层33，金属红外反射子涂层31的金属材料采用Nb、Cu、Al、Ti、Mg、Rh、Ag或Au，该金属红外反射子涂层31的厚度为0.2-0.5μm，金属陶瓷中高温吸热子涂层32的材料采用NbN、Nb、TiN、Ti、TiAl、TiAlN、TiAlON、TiAlO、Cr2O3、Cr、HfO2、Hf、ZrN或Zr，该金属陶瓷中高温吸热子涂层32的厚度为0.3-0.5μm，减反射子涂层33的材料采用TiO2、Ta2O5、Nb2O5、Al2O3、SiO2或Si3N4，该减反射子涂层33的厚度为0.2-0.5μm。
所述的金属基管1的材料为碳钢。
所述的抗腐蚀涂层2采用化学镀镍方法制备。
所述的金属红外反射子涂层31采用真空磁控溅射镀膜工艺制备。
所述的金属陶瓷中高温吸热子涂层32采用真空磁控溅射镀膜工艺制备。
所述的减反射子涂层33采用真空磁控溅射镀膜工艺制备，该减反射子涂层33的结构为单层结构或双层结构。
通过在中高温直通式太阳能金属集热管的金属基管1的外表面自内而外依次覆盖为抗腐蚀涂层2和吸收涂层3，其中抗腐蚀涂层2为高磷化学镀镍涂层，该高磷化学镀镍涂层的厚度为10-20μm，而吸收涂层3自内而外依次为金属红外反射子涂层31、金属陶瓷中高温吸热子涂层32以及减反射子涂层33，高磷化学镀镍涂层的非晶态结构使其非常均匀的Ni-P固溶体组织中不存在晶界、位错、孪晶或其他缺陷，而且，非晶态镀层表面钝化膜是高度均匀的非晶结构，无位错、层错等缺陷，韧性也好，不容易发生机械损伤，另外抗腐蚀涂层2的制备采用化学镀镍的方法，该方法成本低、操作简便、镀层致密、性能优良，并且易于大规模应用；减反射子涂层33可有效抑制集热管表面的光束能量的反射，提高了集热管表面的吸收性能，因此克服了存在着在中高温200～500℃下的材料腐蚀问题、吸热涂层的耐高温以及抗氧化问题，使得高温直通式太阳能金属集热管不需真空封装，可直接在高温、空气环境下应用，同时在高温下具有高的吸收率(α＞0.09)和低的发射率(ε＜0.1)和高的耐温性能，涂层耐温性能可达到500℃，该金属集热管简化了传统集热管制备工艺，降低了其生产成本，另外这样还使得高温直通式太阳能金属集热管能采用高温高压水蒸气为工质，直接进行汽轮机透平发电。避免了玻璃-金属真空集热管采用导热油为工质，必须经过二次换热产生高温、高压水蒸气的过程，而且由于导热油耐温性能一般不超过450℃，且须经过二次换热过程产生高温、高压水蒸气，因此其产生的蒸气参数较低，难以直接采用常规汽轮机透平发电，增加了发电成本、降低了发电效率，而本发明由于增加了抗腐蚀涂层2，使集热管抗腐蚀性能提高至20年，可完全满足集热管甚至在海滨盐雾环境下的使用要求，另外该发明的金属基管1可采用成本很低的碳钢为基管，可显著降低金属集热管的生产成本，实现了抗腐蚀、耐高温、高压、成本较低、制备工艺简单以及实用性强的中高温直通式太阳能金属集热管。
附图说明
图1是本发明的剖视结构示意图。
图2是本发明的吸收涂层的剖视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更详细的说明。
如图1所示，中高温直通式太阳能金属集热管，包括金属基管1，所述的金属基管1的外表面自内而外依次覆盖为抗腐蚀涂层2和吸收涂层3，其中抗腐蚀涂层2为高磷化学镀镍涂层，该高磷化学镀镍涂层的厚度为10-20μm，如图2所示，而吸收涂层3自内而外依次为金属红外反射子涂层31、金属陶瓷中高温吸热子涂层32以及减反射子涂层33，金属红外反射子涂层31的金属材料采用Nb、Cu、Al、Ti、Mg、Rh、Ag或Au，该金属红外反射子涂层31的厚度为0.2-0.5μm，金属陶瓷中高温吸热子涂层32的材料采用NbN、Nb、TiN、Ti、TiAl、TiAlN、TiAlON、TiAlO、Cr2O3、Cr、HfO2、Hf、ZrN或Zr，该金属陶瓷中高温吸热子涂层32的厚度为0.3-0.5μm，减反射子涂层33的材料采用TiO2、Ta2O5、Nb2O5、Al2O3、SiO2或Si3N4，该减反射子涂层33的厚度为0.2-0.5μm。所述的抗腐蚀涂层2采用化学镀镍方法制备。所述的金属红外反射子涂层31采用真空磁控溅射镀膜工艺制备。所述的金属陶瓷中高温吸热子涂层32采用真空磁控溅射镀膜工艺制备。所述的减反射子涂层33采用真空磁控溅射镀膜工艺制备，该减反射子涂层33的结构为单层结构或双层结构。所述的金属基管1的材料为碳钢。
本发明的工作原理为：当跟踪太阳运动装置的主反射镜列将太阳光反射聚集到中高温直通式太阳能金属集热管上时，首先减反射子涂层33抑制集热管表面的光束能量的反射，以此加强集热管表面的吸收性能，随后金属陶瓷中高温吸热子涂层32进行光热能量转换，金属红外反射子涂层31减少集热管红外辐射损失。抗腐蚀涂层2的高磷化学镀镍涂层防止高温环境下集热管的腐蚀。

Claims (6)

1.一种中高温直通式太阳能金属集热管，包括金属基管(1)，其特征在于：所述的金属基管1的外表面自内而外依次覆盖为抗腐蚀涂层(2)和吸收涂层(3)，其中抗腐蚀涂层(2)为高磷化学镀镍涂层，该高磷化学镀镍涂层的厚度为1cm-2cm，而吸收涂层(3)自内而外依次为金属红外反射子涂层(31)、金属陶瓷中高温吸热子涂层(32)以及减反射子涂层(33)，金属红外反射子涂层(31)的金属材料采用Nb、Cu、Al、Ti、Mg、Rh、Ag或Au，该金属红外反射子涂层31的厚度为0.2-0.5μm，金属陶瓷中高温吸热子涂层(32)的材料采用NbN、Nb、TiN、Ti、TiAl、TiAlN、TiAlON、TiAlO、Cr2O3、Cr、HfO2、Hf、ZrN或Zr，该金属陶瓷中高温吸热子涂层(32)的厚度为0.3-0.5μm，减反射子涂层(33)的材料采用TiO2、Ta2O5、Nb2O5、Al2O3、SiO2或Si3N4，该减反射子涂层(33)的厚度为0.2-0.5μm。
2.根据权利要求1所述的中高温直通式太阳能金属集热管，其特征在于：所述的金属基管(1)的材料为碳钢。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的中高温直通式太阳能金属集热管，其特征在于：所述的抗腐蚀涂层(2)采用化学镀镍方法制备。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的中高温直通式太阳能金属集热管，其特征在于：所述的金属红外反射子涂层(31)采用真空磁控溅射镀膜工艺制备。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的中高温直通式太阳能金属集热管，其特征在于：所述的金属陶瓷中高温吸热子涂层(32)采用真空磁控溅射镀膜工艺制备。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的中高温直通式太阳能金属集热管，其特征在于：所述的减反射子涂层(33)采用真空磁控溅射镀膜工艺制备，该减反射子涂层(33)的结构为单层结构或双层结构。
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