CN102627006A - 中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层 - Google Patents

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王军伟
路阳
董洪峰
马榕彬
杨效田
李文生
朱昌盛
徐建琳
王克振
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Abstract

中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层，在吸热器基体上制备吸收层，吸收层由具有核壳结构的颗粒组成，每一个颗粒包括中心的核状吸收体和周围减反射壳，吸收体是纳米金属颗粒，要求它在0.3～2.5μm和大于2.5μm波长段的理想吸收率分别为1和0，减反射壳由纳米尺寸的陶瓷颗粒组成，外层陶瓷颗粒熔化后形成硬壳，内层是松散陶瓷颗粒；这种核壳结构能够减缓工况条件下因冷热循环导致涂层开裂、剥落程度，防止吸收体氧化失效，延长其使用寿命，提高光-热转化效率。

Description

中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层
技术领域
本发明涉及太阳能光-热利用领域，尤其是中高温太阳能吸热器光谱选择性吸收涂层材料研究方面。
背景技术
太阳能吸热器接收聚光器(如碟式聚光器、槽式聚光器和定日镜)聚焦的高密度太阳辐射，加热流经吸热器里面的传热介质，将低品位太阳辐射热能转化为利用价值高的高品位热量。在低温段，为居民提供生活热水；在中温段，用于工业干燥、烘烤等工序；在高温段，用于太阳能热发电。从目前工程应用经验发现，吸热器效率是制约整个系统效率的瓶颈，而提高吸热器效率的关键是提高吸热器表面光-热转化效率。
为了提高太阳能吸热器光-热转化效率，1954年在美国召开的国际太阳能会议上，以色列科学家泰勒和美国科学家吉尔顿柯尔论证了制作选择性涂层表面的可能性，他们被视为太阳能吸收涂层研究鼻祖。其基本理论是基于普朗克定律、维恩位移定律和基尔霍夫定理，设计一种太阳能光谱选择性吸收涂层，吸收层的理想状态是在集中了太阳95％以上能量的0.3～2.5μm波长段吸收率为1，而波长大于2.5μm是吸收率为0。目前，各种光谱选择性吸收涂层均基于这一理论基础，并且从单层结构发展为双层、以至多层结构。并且正在从低温向更高温方向发展。但无论是双层结构还是多层结构，最上面是陶瓷减反射层，如Al2O3，SiO2，MgO，Si3N4，TiO2，Ta2O5，ZrO2，Nd2O3，MgF2，SrF2等，不仅对0.3～2.5μm波长太阳辐射反射率较低，减少反射能量损失；而且在中高温段可以防御吸收层被氧化破坏。下一层是吸收层，如Mo、W、Cr、Co、Ni等纯金属。最底层是吸热器基体。对于多层结构，其特点在于吸收层是有不同金属含量的金属-陶瓷复合结构构成。低温下吸收层也可以采用金属氧化物半导体结构。
但是，目前太阳能光谱选择性吸收涂层的减反射层、金属吸收层均呈层状结构，由于金属的热膨胀系数远远大于陶瓷，涂层工作在中高温度下，要经历无数次热-冷循环过程，拉应力将会导致减反射层开裂，裂纹成为氧分子通往金属吸收层的通道，致使吸收层金属被氧化而失效；在高温下氧化压应力会导致涂层剥落，最终吸热器表面吸收率下降。这一现象在中高温吸热器涂层中尤为明显。为了避免氧原子对吸收层的破坏，其中一种方法是进一步提高真空管的真空度，但这不仅对本来技术难度很高的金属-玻璃封接来说，在中高温条件下更为困难；而且增加制造成本。
发明内容
本发明的目的是克服目前中高温条件下太阳能光谱选择性吸收涂层失效问题，尤其是中高温条件下因开裂、剥落而导致吸收层氧化失效问题，在不降低目前太阳能吸热器涂层吸热效率基础上，进一步提高吸热效率。
本发明是中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层，吸收层(2)附着在吸热器基体1上，吸收层2由具有核壳结构的金属-陶瓷颗粒组成，每一个颗粒包括中心的吸收体3和外层的减反射壳4，减反射壳4外层熔化后将各个颗粒连接在一体，并附着在吸热器基体1上，减反射壳4内层是松散的颗粒。
本发明的有益效果：1.在不降低目前涂层吸热效率基础上，提高中高温条件下太阳能光谱选择性吸收涂层抗开裂和抗剥落能力，延长使用寿命。2.本发明将传统减反射与吸收二维层状结合拓展为减反射壳与吸收体三维核壳结合的结构，纳米吸热体颗粒可以在目前吸收层吸收基础上进一步提高吸收效率。
附图说明
图1为本发明的涂层结构示意图，图2为本发明的吸收层结构图，图3为本发明的纳米核壳结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层，吸收层2附着在吸热器基体1上，如图2、图3所示，吸收层2由具有核壳结构的金属-陶瓷颗粒组成，每一个颗粒包括中心的吸收体3和外层的减反射壳4，减反射壳4外层熔化后将各个颗粒连接在一体，并附着在吸热器基体1上，减反射壳4内层是松散的颗粒。吸收体3是粒径小于2.5μm的颗粒。吸收体3的材质是对0.3～2.5μm波长太阳能光谱吸收率很高，理想值为1，而对大于2.5μm波长段，吸收率很低，理想值是0。减反射壳4由纳米尺度陶瓷颗粒构成，该材质对太阳能反射率很低，理想值是0。
吸收体3在材料方面，要求对0.3～2.5μm的太阳光谱吸收率最大，理想值为1，而对大于2.5μm的波长吸收率最低，理想值是0，并且高温性质稳定，如Mo、W、Cr、Pl、Ru、Ir等金属材料。这与目前常规太阳能光谱选择性吸收涂层的吸收层材料要求一样，对现有吸热器涂层的吸收率影响不大。吸收体3在结构方面，要求颗粒直径在纳米尺度，最大为300nm，因为小于入射光波波长，才可以表现出金属带间跃迁和小颗粒共振现象，能够增加对太阳光吸收强度，吸收效率在现有层状吸收层基础上可得到进一步提高。
减反射壳4在材料方面，要求对太阳辐射的反射率最低，理想值为0；透过率最高，理想值为1。可以采用Al2O3，SiO2，MgO，Si3N4，TiO2等常规太阳能光谱选择性吸收涂层的减反射层材料。在结构方面，要求其尺度小于100nm，便于形成壳状结构。
减反射壳4包裹在吸收体3外面，形成具有金属-陶瓷复合结构的粉体颗粒。首先，尽管金属材质的吸收体3热膨胀系数较大，但是由于单个纳米级颗粒尺寸较小，所以总的膨胀量不大，加热-冷却循环过程中热应力较小。其次，由于纳米材料熔点相对于大块材料而言较低，所以可以采用中等温度加热方式，使减反射壳4外层多个纳米颗粒熔化并粘结成壳状，而靠近吸收体3的内层陶瓷仍然呈颗粒状，如图3所示，内层松散的陶瓷颗粒可以转动或平动，位置相互协调，降低应力，避免开裂；核壳结构颗粒之间以及它们与基体1之间依靠熔化的壳连接。第三，即使存在扩展裂纹，但一旦扩展进入减反射壳4内层，也被分散的纳米颗粒的转动和平动所湮灭，阻止其进一步扩展；第四，由于不同颗粒之间存在松散的纳米陶瓷颗粒，一个颗粒的陶瓷壳破裂，不会影响周围其它核壳结构颗粒。

Claims (4)

1.中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层，吸收层(2)附着在吸热器基体(1)上，其特征在于：吸收层(2)由具有核壳结构的金属-陶瓷颗粒组成，每一个颗粒包括中心的吸收体(3)和外层的减反射壳(4)，减反射壳(4)外层熔化后将各个颗粒连接在一体，并附着在吸热器基体(1)上，减反射壳(4)内层是松散的颗粒。
2.根据权利要求1所述的中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层，其特征在于吸收体(3)是粒径小于2.5μm的颗粒。
3.根据权利要求1所述的中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层，其特征在于吸收体(3)的材质是对0.3～2.5μm波长太阳能光谱吸收率很高，理想值为1，而对大于2.5μm波长段，吸收率很低，理想值是0。
4.根据权利要求1所述的中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层，其特征在于减反射壳(4)由纳米尺度陶瓷颗粒构成，该材质对太阳能反射率很低，理想值是0。
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