CN202133166U - 用于聚光太阳能热发电集热管内管的高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构 - Google Patents

用于聚光太阳能热发电集热管内管的高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构 Download PDF

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俞科
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Abstract

本实用新型所公开的是一种用于聚光太阳能热发电集热管内管的高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构，包括不锈钢基体（1），以其在不锈钢基体（1）表面，由内到外依次是Ti膜（2），TiAlON膜（3）和Al2O3膜（4）为主要特征，具有膜系结构合理，高温抗氧化能力强，太阳能吸收率高而反射率低，使用寿命长等特点。

Description

用于聚光太阳能热发电集热管内管的高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构
技术领域
本实用新型涉及一种用于太阳能热发电集热管内管的耐高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构。
背景技术
高温太阳能热发电集热管内管表面的太阳能吸收膜（也称之为涂层），主要分为以槽式热发电为主的选择性吸收涂层和以塔式热发电为主的选择性吸收涂层。为了最大限度地提高太阳能热发电效率，拥有高太阳能吸收率和低反射率的涂层，是理想的太阳能吸收涂层。
本实用新型所述集热管，是槽式聚光太阳能热发电集热器的集热管。
由于目前常用汽轮发电机的进汽温度在500℃以上，因而与其配套的太阳能集热器的不锈钢内管外壁温度，要达到400℃以上。
然而，已有的槽式太阳能集热器不锈钢内管外壁的选择性太阳能吸收膜（涂层），所采用的是TiN膜或TiAlN膜。这种TiN或TiAlN膜由于其成分结构性不足，而其高温抗氧化性能很差，通常只能在350~400℃温度范围内正常工作。无疑，已有的不锈钢内管外壁的所述太阳能选择性吸收膜，是无法胜任槽式聚光太阳能热发电集热管所担当的工作任务的。
为此，提供一种在400℃以上温度条件下，能够长期正常工作的聚光太阳能热发电集热器不锈钢内管外壁的选择性吸收膜，已成为当前急迫需要解决的研发课题。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种吸收率高，发射率低，高温抗氧化能力强的用于聚光太阳能热发电集热管内管的高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构。以适应槽式聚光太阳能热发电对其集热器不锈钢内管所应当具备的性能要求。
本实用新型实现其目的的技术构想，一是鉴于Al2O3的耐高温能力强，在高温条件下工作稳定，而采用在中频反应磁控溅镀膜过程中会生成Al2O3的TiAlON金属陶瓷吸收膜层，作为本实用新型所述吸收膜膜系中的选择性吸收膜（层）；二是采用Ti/TiAlON/Al2O3的膜系结构。其中，最内层的Ti膜层为粘结层和减反射层，TiAlON为选择性吸收膜层，最外层的Al2O3膜层为减反射层和保护层。TiAlON是一种优质的高硬度，耐磨和抗氧化材料，且其具有低的电阻率，在中、远红外区具有低的辐射特性；三是在某种高性能要求条件下，将所述TiAlON膜层改成由高N含量的第一TiAlON膜层与低N含量的第二TiAlON膜层组成所述TiAlON金属陶瓷吸收膜层；以有效利用所述第一TiAlON膜层与第二TiAlON膜层的相互干涉，而在保证其高温抗氧化性能的同时，进一步提高其太阳能吸收率，降低其发射率。从而实现本实用新型的目的。
基于以上所述的实现本实用新型目的的技术构想和相关认知，本实用新型实现其目的的技术方案是：
一种用于聚光太阳能热发电集热管内管的高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构，包括不锈钢基体，其创新点在于，在不锈钢基体表面，由内到外依次是Ti膜，TiAlON膜和Al2O3膜。由此构成3层膜系结构。
由以上所给出的技术方案可以明了，在本实用新型的TiAlON膜中，由于O气（氧气）的存在，而在其中频反应磁控溅射镀膜过程中，由于Al比Ti活泼而抢先与O气反应生成Al2O3。由于熔点高，抗氧化能力强的惰性Al2O3的存在，而大幅度提高了TiAlON膜的高温抗氧化能力，从而实现了本实用新型的目的。
在上述技术方案中，本实用新型还主张，所述TiAlON膜，包括高N含量的第一TiAlON膜和低N含量的第二TiAlON膜，且由内到外依次布置。这一技术方案的目的在于，在保持其高温抗氧化性能的同时，进一步提高本实用新型的太阳能吸收率，降低其发射率。
在上述技术方案中，本实用新型还主张，所述高N含量的第一TiAlON膜和低N含量的第二TiAlON膜的厚度均在60~90nm范围，且两者的总厚度在120~180 nm范围内。这一技术方案，是在多次反复试验的基础上所遴选的最佳厚度，但不局限于此。
在上述技术方案中，本实用新型还主张，所述Ti膜的厚度在100~150nm范围内，Al2O3膜的厚度在50~100nm范围内。但不局限于此。试验证明，该技术方案的性价比最好。
在上述技术方案中，本实用新型还主张，所述TiAlON膜内含的Ti和Al的质量分数比为1︰1。
在上述技术方案中，本实用新型还主张，所述高N含量的第一TiAlON膜和低N含量的第二TiAlON膜内含的Ti和Al的质量分数比为1︰1，而两者内含N的质量分数比为1.1~1.5︰1。
试验结果显示，以上所述的在TiAlON膜层中的Ti和Al的质量分数比，可以通过多功能镀膜机的Ti靶和Al靶的开靶时间，以及偏压电源的电压高低，分别调节实现；而所述含N（氮）质量分数比，可通过通N流量和通N时间分别调节实现。
应当说明的是，所述在TiAlON膜层中的Ti和Al的质量分数比以及所述N的含量质量分数比，对于TiAlON膜层高温抗氧性能力及其太阳能吸收率的高低，有着至关重要的意义，建议应当予以慎重掌控。
上述技术方案得以具体实施后，本实用新型所具有的膜系结构合理，高温抗氧化能力强，太阳能吸收率相对较高、发射率相对较低和使用寿命长等特点，是显而易见的。
附图说明
图1是本实用新型一种具体实施方式的膜系结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式之一，如附图1所示。
一种用于聚光太阳能热发电集热管内管的高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构，包括不锈钢基体1，在不锈钢基体1表面，由内到外依次是Ti膜2，TiAlON膜3和Al2O3膜4。所述TiAlON膜3，包括高N含量的第一TiAlON膜3-1和低N含量的第二TiAlON膜3-2，且由内到外依次布置。所述高N含量的第一TiAlON膜3-1和低N含量的第二TiAlON膜3-2的厚度均在60~90nm范围，且两者的总厚度在120~180 nm范围内。所述Ti膜2的厚度在100~150nm范围内，Al2O3膜4的厚度在50~100nm范围内。所述TiAlON膜3内含的Ti和Al的质量分数比为1︰1。所述高N含量的第一TiAlON膜3-1和低N含量的第二TiAlON膜3-2内含的Ti和Al的质量分数比为1︰1，而两者内含N的质量分数比为1.1~1.5︰1。由此构成4层膜系结构。
具体实施方式之二，请参读附图1.
一种用于聚光太阳能热发电集热管内管的高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构，包括不锈钢基体1，在不锈钢基体1表面，由内到外依次是Ti膜2，TiAlON膜3和Al2O3膜4。所述Ti膜2的厚度在100~150nm范围内，TiAlON膜3的厚度在120~180nm范围内，Al2O3膜4的厚度在50~100nm范围内。所述TiAlON膜3内含的Ti和Al的质量分数比为1︰1。由此构成3层膜系结构。
本实用新型膜系制备的简要描述是，采用电弧溅射一体技术，具体地说，是将阴极电弧和非平衡溅射技术结合到一起，进行镀膜的。所述基体不锈钢管1采用316L不锈钢管，采用多功能真空镀膜机，靶材为Ti，中频反应磁控孪生靶中的一对为Ti靶，另一对为Al靶。经过清洗、烘干的所述不锈钢管沿圆柱状镀膜室内圆周方向一边公转一边自转。先启动多弧Ti靶，在不锈钢管外表面上沉积100~150nm厚的Ti膜2；然后开启中频电源启动孪生Ti靶和Al靶，并通N和O气，通过反应磁控溅射在Ti膜2表面沉积120~180nm厚的TiAlON膜3；关闭Ti靶，停止通N气，继续通过反应磁控溅射，在TiAlON膜3的表面沉积50~100nm厚的Al2O3膜4，即完成所述膜系的镀膜工作过程。
由于本实用新型膜系中的Ti膜2，为电弧镀膜，因而Ti膜2与不锈钢管1表面的粘着力强，不易脱离，这对于提高本实用新型的使用寿命，是具有明显的积极意义的。而TiAlON膜3和Al2O3膜4，均为中频反应磁控溅射膜，其膜层结构致密，膜层厚薄均匀，其不但具有很高的强度和硬度等机械物理性能，而且对于提高其太阳能吸收率、降低其发射率的作用，都是非常明显的。
本实用新型初样测试结果显示，其高温抗氧化温度达到≥450℃，太阳能吸收率达到≥96%，发射率达到≤4%。取得了令人满意的效果。
本实用新型的应用范围，不受其说明书描述的限制。

Claims (4)

1.一种用于聚光太阳能热发电集热管内管的高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构，包括不锈钢基体（1），其特征在于，在不锈钢基体（1）表面，由内到外依次是Ti膜（2），TiAlON膜（3）和Al2O3膜（4）。
2.根据权利要求1所述的用于聚光太阳能热发电集热管内管的高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构，其特征在于，所述TiAlON膜（3），包括高N含量的第一TiAlON膜（3-1）和低N含量的第二TiAlON膜（3-2），且由内到外依次布置。
3.根据权利要求2所述的用于聚光太阳能热发电集热管内管的高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构，其特征在于，所述高N含量的第一TiAlON膜（3-1）和低N含量的第二TiAlON膜（3-2）的厚度均在60~90nm范围，且两者的总厚度在120~180 nm范围内。
4.根据权利要求1所述的用于聚光太阳能热发电集热管内管的高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构，其特征在于，所述Ti膜（2）的厚度在100~150nm范围内，Al2O3膜（4）的厚度在50~100nm范围内。
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CN102226593A (zh) * 2011-05-07 2011-10-26 常州龙腾太阳能热电设备有限公司 用于聚光太阳能热发电集热管内管的高温抗氧化选择性吸收膜的膜系结构
CN102721218A (zh) * 2012-06-29 2012-10-10 苏州嘉言能源设备有限公司 太阳能中温选择性吸收涂层

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