CN103574949A - 选择性吸收腔式集热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能热发电技术领域，公开了一种选择性吸收腔式集热器。本发明中，包括集热腔体和涂覆在集热腔体吸热表面的选择性吸收涂层；选择性吸收涂层包括金属反射层和在金属反射层上形成的半导体吸收层。本发明克服了半导体材料对太阳光谱吸收率低的致命缺陷，充分发挥了半导体能带截止陡以及对良金属低红外发射率负面影响小的优势，从而形成能够在高温情况下，最大限度吸收太阳能光谱，抑制红外辐射的高温高效光谱选择性集热器。

Description

选择性吸收腔式集热器

技术领域

本发明涉及太阳能热发电技术领域，特别涉及一种选择性吸收腔式集热器。

背景技术

太阳能聚焦光热发电是唯一可实现低成本储热、可调度、甚至不间断发电的低碳可再生能源。聚焦太阳能热发电的关键是如何减少太阳炉的太阳光余弦损失及提高对太阳光的吸收率，将宽带太阳光谱最大限度地转化为热能，并通过减少辐射面积（提高聚焦比）和降低辐射率最大限度地降低透明窗口的黑体辐射及对流热损失。降低余弦损失及辐射面积可由选择系统的跟踪聚焦模式来实现，而提高吸收率和降低辐射率则需要依靠优化设计的集热器和特殊表面材料来实现。也就是说，提高太阳光吸收率以及减少对已收集热能的辐射损失可通过采用不同几何结构热靶和采用光谱选择性吸收层材料来实现。

现有的太阳能集热器根据其几何结构可分为管式、平板式和腔式集热器。相对于平板式和管式结构集热器，腔式集热器在同样光学口径和表面吸收系数条件下，具有较高的等效吸收系数、多倍于相同光学口径的换热面积及等于光学口径的等效辐射面积，对提高太阳光能的吸收及在高温集热条件下减少热损失，具有明显优势。

在辐射面积一定的情况下，为进一步降低辐射损失，国内外均采用在集热器吸热表面上使用光谱选择性吸收涂层。太阳光谱吸收选择性是指材料对太阳光谱的吸收率很高，对热辐射波段（远红外）的吸收率较低（数值上等于其辐射率）的一种特性。为克服集热管因辐射面积大而造成热辐射大的弊端，国外采用传统三维纳米复合材料选择性吸收涂层来抑制热辐射。但是，三维纳米复合材料选择性吸收涂层的辐射率约为0.13，并且过渡区宽，再加上腔式集热器的辐射特性，这种选择性吸收层无法应用于具有本征优势的腔式集热器，从而限制了太阳能热发电系统的光热转化效率的进一步提高及成本的下降。

因此，本领域迫切需要研发一种新型的高温高效的光谱选择性吸收集热器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种选择性吸收腔式集热器，能够最大限度吸收太阳能光谱和抑制红外辐射。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种选择性吸收腔式集热器，包括：

集热腔体和涂覆在集热腔体吸热表面的选择性吸收涂层；

选择性吸收涂层包括金属反射层和在金属反射层上形成的半导体吸收层。

本发明与现有技术相比，主要区别及其效果在于：该新型的集热器，将腔体集热结构与半导体-金属选择性吸收涂层相结合，利用了腔式集热器在相同光学口径和材料吸收系数条件下，等效吸收系数较高这一性质，克服了半导体材料对太阳光谱吸收率低的致命缺陷，而且充分发挥了半导体能带截止陡以及对良金属低红外发射率（0.02）负面影响小的优势，从而能够在高温情况下，形成最大限度吸收太阳能光谱，抑制红外辐射的高温高效光谱选择性的集热器。

可选的，半导体吸收层为Ge、Si、PbS、Ag₂S、Cu₂S、TiS₂或MnS₂中任一种半导体材料或其组合。

可选的，金属反射层由Au、Al、Cu、Al、W、Pt中任一种低发射率的金属制成。

可选的，集热腔体表面和金属反射层之间设有粘附层。能够保证选择性吸收涂层在高低温循环过程中的稳定性。

可选的，金属反射层和半导体吸收层之间设有缓冲层。缓冲层能够避免半导体吸收层与金属反射层相互扩散反应所带来的选择性吸收功能的降低问题。

可选的，缓冲层采用惰性金属或金属反射层的氧化物制成。惰性金属或金属反射层的氧化物在高温有氧条件下导电率较大（接近良金属）、不与半导体吸收层及金属反射层发生反应、稳定性高。

可选的，半导体吸收层和抗氧化层之间设有增透膜。增透膜解决了半导体由于介电常数高、界面反射大而引起的低吸收系数问题。

可选的，增透膜由MgF₂、AlN-Al、Al₂O₃、Al₂O₃-W任一种材料制成。

可选的，选择性吸收涂层表面设有抗氧化层。在选择性吸收涂层表面设置抗氧化层来防止薄膜的高温氧化，提高选择性吸收涂层的高温稳定性与可靠性。

可选的，集热器的工作温度为250-500℃。较佳的，集热器的工作温度为400℃。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的选择性吸收腔式集热器中集热腔体的结构示意图；

图2是本发明较佳实施例的选择性吸收腔式集热器中另一集热腔体的结构示意图；

图2是本发明较佳实施例的选择性吸收腔式集热器中选择性吸收涂层的结构示意图。

图3是本发明较佳实施例的选择性吸收腔式集热器中选用Ge/Al作为半导体-金属复合结构选择性涂层的光谱吸收效率的实验数据图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。图中相同或相似的构件采用相同的附图标记表示。

图1、图2和图3分别示出了本发明的选择性吸收腔式集热器的较佳实施例。图1、图2是该选择性吸收腔式集热器的集热腔体结构示意图，图3是该选择性吸收腔式集热器的选择性涂层的结构示意图。

参见图1，集热器的腔体包括采光口11和腔体吸收表面12，在某些其他实施方式中，只要是由开口和凹曲面的组成的腔体结构，均可作为本发明集热器的腔体，另一种集热器的腔体结构如图2所示。当光线经过采光口11后，经过在腔体内表面的多次反射，增大了集热器的有效吸收系数，从而实现了高效率的吸收。在该腔体的吸收表面12上涂覆上述选择性吸收涂层，参见图2，该涂层包括涂覆在腔体吸收表面的粘附层21、形成在粘附层21上的金属反射层22、形成在金属反射层22上的缓冲层23、形成在缓冲层23上的半导体吸收层24、形成在半导体吸收层24上的增透膜25，及涂覆在选择性涂层表面或自身形成的抗氧化层26。

该金属-半导体复合结构的选择性吸收涂层，只吸收可见光，不吸收红外光，同时也不向外辐射红外光，增加了吸热效率。

半导体吸收层24选用Ge、Si、PbS、Ag₂S、Cu₂S、TiS₂或M nS₂中任一种或其组合的半导体材料。综合考虑半导体能带结构、地表太阳辐射光谱、光吸收理论、能带以上光谱的吸收度及对能带以下光谱的透射度选择合适的半导体材料作为太阳光谱吸收层，薄膜厚度可以为1-5um。制备方法采用真空（溅射等）或者非真空（电镀、蒸发、化学镀等）的方法进行。

金属反射层22选用Au、Al、Cu、Al、W、Pt中任一种低发射率的金属，综合考虑温度稳定性、薄膜厚度、热发射系数等因素，选择具有较低发射率的金属（如Au、Al、Cu、Al、W、Pt等良金属），并通过溅射、电镀、蒸发、化学镀、银镜反应等制备方法获得金属反射层薄膜。

粘附层21能够保证选择性吸收涂层在高低温循环过程中的稳定性。可根据所选粘附层21与腔体吸收表面12、金属反射层22的热膨胀系数相差不大，有害元素向金属缓冲层中的扩散小等原则进行选择，通过溅射、电镀、蒸发、化学镀、银镜反应等制备方法在吸收表面12和金属反射层22之间加入一层粘附层21薄膜。该粘附层21并非是必要的，可根据具体情况进行选择。

缓冲层23采用惰性金属或所述金属反射层22的氧化物制成。为了避免半导体吸收层24与金属反射层22相互扩散反应所带来的选择性吸收功能的降低，缓冲层23薄膜的选择应依据高温有氧条件下导电率较大（接近良金属）、不与两者发生反应、稳定性高等原则进行。该缓冲层也不是必要的，可视具体情况进行选择性设置。

增透膜25根据薄膜干涉效应、上下层薄膜材料的折射率、薄膜厚度对增透膜反射率的影响等因素来进行增透层25薄膜材料（MgF₂、AlN-Al、Al₂O₃、Al₂O₃-W等）和结构（单层或者多层）的选择，增透膜解决了半导体由于介电常数高、界面反射大而引起的低吸收系数问题。

氧化层26，可以根据是否在有氧情况下进行工作等条件进行选择。本发明的选择性吸收涂层在高温时，如250-500℃时，具有较强的抗氧化能力，可以自行生成抗氧化层26，无需再在选择性吸收涂层表面设置抗氧化层26，具有更高的稳定性。

参见图3，为本发明的集热器的光谱吸收效率的相关实验数据图。由图可见，该实施例选用Ge作为半导体吸收层，Al作为金属反射层，以Ge/Al半导体-金属复合结构作为选择性吸收涂层，在400℃条件下，太阳能光谱选择吸收的相关数据。由图可见，经过腔式结构的放大作用，Ge半导体的吸收系数由0.9增大到0.98，光谱能量积分效率由88％升高到97％。所以，腔式集热器可以克服半导体对太阳光谱吸收率低的致命缺陷，而充分发挥了半导体能带截止陡以及对良金属低红外发射率低的优势，显著提高集热器的等效吸收系数和光谱能量积分效率。

因此，采用腔式集热器，在同样光学孔径和材料吸收系数条件下，完全可克服半导体材料本征吸收率低的致命缺陷，达到较高的集热器等效吸收系数。

综上所述，该新型的集热器，将腔体集热结构与半导体-金属选择性吸收涂层相结合，利用了腔式集热器在同样光学口径和材料吸收系数条件下，等效吸收系数较高这一性质，克服了半导体材料对太阳光谱吸收率低的致命缺陷，而充分发挥了半导体能带截止陡以及对良金属低红外发射率（0.02）负面影响小的优势，从而形成能够在高温情况下，最大限度吸收太阳能光谱，抑制红外辐射的高温高效光谱选择性的集热器。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种选择性吸收腔式集热器，其特征在于，包括：

集热腔体和涂覆在所述集热腔体吸热表面的选择性吸收涂层；

所述选择性吸收涂层包括金属反射层和在所述金属反射层上形成的半导体吸收层。

2.根据权利要求1所述的集热器，其特征在于，所述半导体吸收层为Ge、Si、PbS、Ag₂S、Cu₂S、TiS₂或MnS₂中任一种半导体材料或其组合。

3.根据权利要求1所述的集热器，其特征在于，所述金属反射层由Au、Al、Cu、Al、W、Pt中任一种低发射率的金属制成。

4.根据权利要求1所述的集热器，其特征在于，所述集热腔体表面和金属反射层之间设有粘附层。

5.根据权利要求1所述的集热器，其特征在于，所述金属反射层和半导体吸收层之间设有缓冲层。

6.根据权利要求5所述的集热器，其特征在于，所述缓冲层采用惰性金属或所述金属反射层的氧化物制成。

7.根据权利要求1所述的集热器，其特征在于，所述半导体吸收层和抗氧化层之间设有增透膜。

8.根据权利要求7所述的集热器，其特征在于，所述增透膜由Mg F₂、AlN-Al、Al₂O₃、Al₂O₃-W任一种材料制成。

9.根据权利要求1所述的集热器，其特征在于，所述选择性吸收涂层表面设有抗氧化层。

10.根据权利要求1所述的集热器，其特征在于，所述集热器的工作温度为250-500℃。

Images