CN204535163U - 一种太阳光谱选择性吸收涂层和集热器 - Google Patents
一种太阳光谱选择性吸收涂层和集热器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及太阳光谱选择性吸收涂层领域,尤其是一种太阳光谱选择性吸收涂层和集热器。选择性吸收涂层包括基底层;在基底层上依次排布有红外反射层、复合吸收层和减反层;复合吸收层自下而上依次包括金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层,红外反射层、金属亚层、金属氮化物亚层、金属氮氧化物亚层的热膨胀系数依次升高。集热器,包括壳体,在壳体上设有盖板,在盖板下方设有吸热层和保温层,吸热层为上述的吸收涂层。本实用新型的选择性吸收涂层降低了各层的界面应力,提高了涂层附着力和高低温循环稳定性。
Description
技术领域
本实用新型涉及光谱选择性吸收涂层领域,尤其是一种太阳光谱选择性吸收涂层和集热器。
背景技术
太阳能集热器采用的光谱选择性涂层膜系结构一般可以概括为基底/红外反射层/太阳光谱吸收层/表面减反射层。红外反射层为高导电率金属,对红外光谱有很高的反射率,是涂层获得低辐射性能的主要原因;表面减反层降低涂层与空气界面处太阳光的反射,使更多的太阳光能量进入吸收层,增加了太阳光谱吸收率,进而提高集热效率。
然而,红外反射金属与其上沉积的金属陶瓷、金属氮氧化物等热膨胀系数相差较大,因此涂层膜层之间界面应力较大,导致膜层在高低温实验和使用过程中有出现脱落的可能性。
发明内容
本实用新型提供了一种太阳光谱选择性吸收涂层,从而能够使所述涂层的界面处应力小,膜层附着力好。
本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
通过一种太阳光谱选择性吸收涂层,包括:
基底层;
在基底层上依次排布有红外反射层、复合吸收层和减反层;
所述的复合吸收层自下而上依次包括金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层,所述金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层的材料为对光谱具有吸收性能的材料,
其中:所述红外反射层、所述金属亚层、所述金属氮化物亚层、所述金属氮氧化物亚层的热膨胀系数依次升高。
上述的太阳光谱选择性吸收涂层中,所述金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层的折射率依次降低;
上述的太阳光谱选择性吸收涂层中,所述金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层的消光系数依次降低。
上述的太阳光谱选择性吸收涂层中,在500-2500nm范围内,所述金属亚层的折射率为3.19-6.13,所述金属氮化物亚层的折射率为3.00-4.40,所述金属氮氧化物亚层的折射率为2.38-2.20;
上述的太阳光谱选择性吸收涂层中,在380-2500nm范围内,所述金属亚层的消光系数为3.59-6.84,所述金属氮化物亚层的消光系数为1.79-0.76,所述金属氮氧化物亚层的消光系数为0.47-0.005。
上述的太阳光谱选择性吸收涂层中,所述的复合吸收层的总厚度为80nm-140nm,其中:所述金属吸收亚层的材料为Cr,其厚度为10-30nm;所述金属氮化物吸收亚层的材料为CrNx,其厚度为30nm-50nm;所述金属氮氧化物吸收亚层的材料为CrNxOy,其厚度为40nm-60nm。
上述的太阳光谱选择性吸收涂层中,所述的基底的材料为玻璃、铝、铜或不锈钢,所述基底层的厚度为0.2~10mm。
上述的太阳光谱选择性吸收涂层中,所述的红外反射层的材料的电导率大于106S·m-1,所述红外反射层的厚度为50~200nm。
上述的太阳光谱选择性吸收涂层中,所述的红外反射层为Al、Cu、Au、Ag或Ni。
上述的太阳光谱选择性吸收涂层中,所述减反层的材料为SiO2、Al2O3、ThO2、Dy2O3、Eu2O3、Gd2O3、Y2O3、La2O3、MgO或Sm2O3,所述减反层的厚度为50~150nm。
本实用新型的目的及解决其技术问题还可以采用以下技术方案来实现的
通过一种集热器,包括壳体,在所述壳体上设有盖板,在所述盖板下方设有吸热层和保温层,所述吸热层为上述的太阳光谱选择性吸收涂层。
借由上述技术方案,本实用新型提出的一种太阳光谱选择性吸收涂层至少具有下列优点:
a、金属亚层的热膨胀系数介于红外反射层金属和金属氮化物亚层之间,从而能够降低红外反射层金属、金属亚层和金属氮化物亚层界面应力,提高了涂层附着力和高低温循环稳定性。
b、本实用新型所公开的太阳光谱选择性吸收涂层吸收层包括由内到外折射率、消光系数依次降低的金属、金属氮化物和金属氮氧化物,实现在80℃的测试温度条件下,太阳光谱吸收率高于95%,辐射率低于4%。
c、本实用新型的具体实施方式中,红外金属反射层的材料在优选为铝,通过铝参与太阳光波段光谱吸收进一步提高了涂层的太阳光谱吸收率。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述,为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本实用新型提出的太阳光谱选择性吸收涂层的结构示意图;
图2是本实用新型实例1和TiNxOy膜系的紫外-红外波段吸收光谱图;
图3是本实用新型的实例1和对比例的紫外-红外波段吸收光谱图。
具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例,对依据本实用新型提出的一种太阳光谱选择性吸收涂层,详细说明如后。
实施例1
如图1所示一种太阳光谱选择性吸收涂层,包括:基底层;
在基底层上依次排布有红外反射层、复合吸收层和减反层;所述的复合吸收层自下而上依次包括金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层,所述金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层的材料为对光谱具有吸收性能的材料,其中:所述红外反射层、所述金属亚层所述金属氮化物亚层、所述金属氮氧化物亚层的热膨胀系数依次升高。
金属亚层的热膨胀系数介于红外反射层金属和金属氮化物亚层之间,从而能够降低红外反射层金属、金属亚层和金属氮化物亚层界面应力,提高了涂层附着力和高低温循环稳定性。
热能传递有传导、对流、辐射三种方式,太阳取之不尽用之不竭的热能以辐射的方式输送到地球上。太阳光谱选择性吸收涂层是实现太阳能光热转换的核心材料,一方面,它在太阳光波段(0.3μm-2.5μm)具有高的吸收率α,吸收太阳光能量将其转换为热能,另一方面,它在受热后发生黑体辐射的红外波段(2.5μm-50μm)具有低的辐射率ε,有效抑制辐射散热,实现对热能的进的多,出的少。一般说来,α越大越好,ε越小越好。但在实际制备膜时,当α达到某一数值后,要想进一步增大α,ε也会随之增大。而且,有时ε增加的值大于α增加的值,故实际应用中用α与ε的比值(α/ε)来表征涂层选择性的高低,α/ε值越大,其光谱选择性越好,并且α/ε(T)值越大越适合200℃以上的中高温应用。
本实用新型所公开的太阳光谱选择性吸收涂层的复合吸收层包括由内到外折射率、消光吸收依次降低的金属、金属氮化物和金属氮氧化物,实现在80℃的测试温度条件下,太阳光谱吸收率高于95%,辐射率低于4%。
具体实施时,所述金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层的折射率依次降低;所述金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层的消光系数依次降低。从而能够降低选择性吸收涂层对入射光的反射作用,增高所述选择性吸收涂层对光的吸收率。
具体实施时,在500-2500nm范围内,所述金属亚层的折射率为3.19-6.13,所述金属氮化物亚层的折射率为3.00-4.40,所述金属氮氧化物亚层的折射率为2.38-2.20;
在380-2500nm范围内,所述金属亚层的消光系数为3.59-6.84,所述金属氮化物亚层的消光系数为1.79-0.76,所述金属氮氧化物亚层的消光系数为0.47-0.005。
具体实施时,所述的复合吸收层的总厚度为80nm-140nm,其中:所述金属吸收亚层的材料为Cr,其厚度为10-30nm;所述金属氮化物吸收亚层的材料为CrNx,其厚度为30nm-50nm;所述金属氮氧化物吸收亚层的材料为CrNxOy,其厚度为40nm-60nm。其中:0.05<X<0.35,0.71<Y<1.45。
由于Ti、Ni等金属氧化反应活性和速度远高于氮化反应活性和速度,导致获得最佳性能吸收层的氮氧比例工艺窗口窄,需要精确控制镀膜过程中氮气和氧气的含量,氮氧比的微小变化会引起膜系吸收率、辐射率、甚至涂层颜色的明显改变,镀膜工艺稳定性差,对镀膜设备要求高。而本实用新型选择Cr,与Ti、Ni相比,对氧较不敏感,所以,CrNxOy制备的过程相对简单。
具体实施时,所述的基底的材料为玻璃、铝、铜或不锈钢。所述的基底可采用厚度范围为0.5-10mm的玻璃板;所述基底层的厚度也可采用0.2~10mm的金属材料,例如铜、铝或者不锈钢。为增加基底1的表面活性,需要经机械清洗后进行射频离子清洗,从而去除基底层表面的污染层和氧化层。
具体实施时,所述的红外反射层的材料的电导率大于106S·m-1,所述红外反射层的厚度为50~200nm。
本实用新型的另一实施例提出了一种太阳光谱选择性吸收涂层,与上述实施例相比,所述的红外反射层的材料为铝、铜、金、银、镍或铬。
所述红外金属反射层的材料优选为铝,铝在整个光波波段(太阳光波段和热辐射红外波段)相比于具有相近红外辐射性能的金、银、铜等金属,具有高折射率和消光系数,实现选择性吸收涂层在具有低红外辐射率的同时,通过铝参与太阳光波段光谱吸收进一步提高了涂层的太阳光谱吸收率。
所述的红外反射层设置于基底之上,该红外反射层的作用在于对入射的整个波段的光谱进行反射,特别是对红外光谱,尤其是波长2.5微米以上的红外光进行反射。该红外反射层的材质为铝,厚度优选50nm-130nm。
本实用新型的另一实施例提出了一种太阳光谱选择性吸收涂层,与上述实施例相比,所述减反层的厚度为50~150nm。所述的减反层为理想化学配比的SiO2介质层,在波长350nm-2500nm范围内,折射率处于1.47-1.43之间,消光系数小于0.03;厚度优选为80nm-120nm。
具体实施时,所述减反层的材料为SiO2、Al2O3、ThO2、Dy2O3、Eu2O3、Gd2O3、Y2O3、La2O3、MgO或Sm2O3,所述减反层的厚度为50~150nm。所述减反层的材料折射率较低,从而能够降低选择性吸收涂层对入射光的反射作用,增高所述选择性吸收涂层对光的吸收率。
实施例2
一种太阳光谱选择性吸收涂层的制备方法,在基底层上依次通过磁控溅射法制备红外反射层、金属亚层、金属氮化物亚层、金属氮氧化物亚层和减反层。
金属亚层的材料优选为Cr,金属氮化物亚层的材料优选为CrNx,一方面,提高了整个膜系的太阳光谱吸收率;另一方面,Cr的热膨胀系数介于红外反射层金属和金属氮化物CrNx吸收亚层之间,降低了膜系界面应力,提高了涂层附着力和高低温循环稳定性。
通过红外反射层、复合吸收层和减反层的共同作用,使太阳光在复合吸收层和红外反射层之间实现多次反射与吸收,并且红外反射层也参与部分太阳光谱吸收,从而使所述太阳光谱选择性吸收涂层具有优异的光谱选择性。所述太阳光谱选择性吸收涂层的吸收-反射过渡区陡峭,在太阳能光谱范围(0.3-2.5微米)具有较高的吸收率α,在热辐射红外区域(2-50微米)具有极低的辐射率ε,所述太阳光谱选择性吸收涂层中高温(200℃-400℃)辐射率ε低于4%,吸收率α较高(约90%),α/ε高于现有的商业产品,适合于低倍聚焦的中高温太阳能集热器;并且制备工艺简单、镀膜设备要求低,适用于大规模低成本生产。
以上基底层、红外反射层、复合吸收层和减反层是通过镀制依次制备成镀膜,所述镀制的方法为能够形成以上材料的镀膜方法即可,如磁控溅射法、电子束或热蒸发法、离子镀法、化学气相沉积法和喷涂法等。
通过喷涂法具有成本底、工艺简单的优点,但普遍存在涂层附着力差,易剥落,发射率高等缺点,并与电化学法一样存在污染问题,采用磁控溅射法制备光谱选择性吸收薄膜,则可以克服这些缺点,提高光热转换效率和涂层使用寿命,同时磁控溅射工艺方法具有薄膜沉积速度快、膜层均匀致密、便于大面积成膜和工艺环保等特点,在制备平板型太阳能集热器板芯涂层时,有利于建设大规模卧式连续自动化生产线,提高生产效率,进一步降低成本。
下面具体以磁控溅射镀膜方法为例,进行进一步说明。在玻璃、铝、铜、不锈钢等基底上依次沉积Al、Cr、CrNx、CrNxOy和SiO2薄膜。
基底的制备,选择抛光的金属板或者玻璃板,经过机械清洗后进行射频氩离子清洗去除表面污染层和氧化层,增进基底表面活性。
红外反射层的制备,通过(脉冲)直流磁控溅射法在上述的基底层表面溅射制备一层金属红外反射层,所选用的靶材可为金属铝(纯度99.7%以上)。
吸收层的制备,通过(脉冲)直流磁控溅射法在上述的红外反射层上反应溅射制备吸收层,所选用的靶材为金属Cr(纯度99.7%以上),反应气体依次为氩气(Cr层),氩气、氮气(CrNx层)、氩气、氮气、氧气(CrNxOy层)。其中CrNx、CrNxOy层也可以用CrNx靶材,通入氩气、氮气,和氩气、氧气依次沉积制备。
减反层的制备,通过(脉冲)直流反应磁控溅射法在上述的吸收层上反应磁控溅射制备减反层,所选用的靶材为硅铝靶(铝含量0-30%wt,纯度99.7%以上),反应气体为氩气和氧气。
表1为磁控溅射法制备一种太阳光谱选择性吸收涂层的各实例中单层膜的工艺控制厚度,及吸收涂层的吸收率和在2500nm处光谱反射率。
表1:
从上表我们可以看出,以实例1为基础,单独改变某个吸收亚层厚度:CrNx及CrNxOy厚度不变,Cr厚度从10-30nm范围内变化时,吸收率随Cr厚度增大而变大,辐射率随Cr厚度增大而变大;Cr及CrNxOy厚度不变,CrNx厚度从30-50nm范围内变化时,吸收率随CrNx厚度增大先增大后减小,辐射率随CrNx厚度增大而增大;Cr及CrNxOy厚度不变,CrNxOy厚度从40-60nm范围内变化时,吸收率随CrNxOy厚度增大先增大后减小,辐射率随CrNxOy厚度增大而增大。
从图3中我们可以看出,通过红外反射层、复合吸收层和减反层的共同作用,能够使所述实例1中的太阳光谱选择性吸收涂层在0.3μm-2.5μm太阳光波段的吸收率α高于对比例1~3中的吸收涂层。
表2.实施例与传统TiNxOy涂层太阳光谱吸收率和红外辐射率
本发明所述的传统TiNxOy是指吸收层为在40nm左右厚度的TiNx层上制备两层厚度为30nm左右的TiNxOy层,所述TiNxOy膜系的吸收层总厚度有90-120nm。
从图2中我们可以看出,本实用新型所公开的吸收涂层,在0.3μm-2.5μm太阳光波段的吸收率α高于TiNxOy膜系,在2.5μm-50μm波段的辐射率ε低于传统TiNxOy膜系。也就是说,通过红外反射层、复合吸收层和减反层的共同作用,α/ε高于现有的商业产品,适合于低倍聚焦的中高温太阳能集热器;并且制备工艺简单、镀膜设备要求低,适用于大规模低成本生产。
按照上述制备方法参照表1中的各层数据进行实例1的制备,具体操作步骤如下:
1)玻璃基片的清洗:首先采用中性洗涤液对玻璃基片进行初步清洗;然后在镀膜设备进片室通过射频离子源轰击玻璃基片表面进行二次清洗,其工艺参数设置如下:射频电源溅射功率为200w,工作气体Ar(纯度99.99%)流量为45sccm,工作气压为9.8×10-2mTorr,溅射时间为360s。
2)将玻璃基片经由镀膜设备进片室传送进入溅射室,其中溅射室的本底真空优于6×10-6Torr。
3)在玻璃基片上制备红外反射层Al:采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击金属铝靶(纯度99.7%)在玻璃基片上沉积金属Al膜。其工艺参数设置如下:脉冲直流电源溅射功率为1200w,工作气压为5mTorr,工作气体Ar(纯度99.99%)流量为50sccm,基片传输速率为0.4m/min,玻璃基片在金属铝靶的下方往返运动3次,基片温度为室温。
4)在(Al/玻璃)上制备吸收亚层Cr:采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击Cr靶(纯度99.7%)在(Al/玻璃)上沉积Cr膜。其工艺参数设置如下:脉冲直流电源溅射功率为1500w,工作气压为3mTorr,工作气体Ar(纯度99.99%)流量为50sccm,基片以传输速度2.3m/min在金属Cr靶下往返运动3次。
5)在(Cr/Al/玻璃)上制备吸收层CrNx:采用脉冲直流电源磁控溅射法通过轰击Cr靶(纯度99.7%)在(Al/玻璃)上沉积CrNx膜。其工艺参数设置如下:脉冲直流电源溅射功率为1500w,工作气压为3mTorr,工作气体Ar(纯度99.99%)流量为50sccm,N2(纯度99.99%)流量为50sccm,基片以传输速度1m/min在金属Cr靶下往返运动3次,基片温度为室温。6)在(CrNx/Cr/Al/玻璃)上制备吸收亚层CrNxOy:采用脉冲直流电源氧化反应磁控溅射Cr靶(纯度99.7%)方法在(CrNx/Cr/Al/玻璃)上沉积CrNxOy膜。其工艺参数设置如下:脉冲直流电源溅射功率为1500w,工作气压为3mTorr,工作气体Ar(纯度99.99%)流量为50sccm,N2(纯度99.99%)流量为50sccm,O2(纯度99.99%)流量为10sccm,基片传输速率为0.45m/min,基底玻璃在Cr靶下方往返运动5次,基片温度为室温。
7)在(CrNxOy/CrNx/Cr/Al/玻璃)上制备减反层SiO2:采用脉冲直流电源氧化反应磁控溅射硅铝靶(铝含量30%wt,纯度99.7%)方法在(CrNxOy/CrNx/Al/玻璃)上沉积SiO2膜。其镀膜工艺参数设置如下:脉冲直流电源溅射功率为2000w,工作气压为5mTorr,工作气体Ar(纯度99.99%)流量为30sccm,O2(纯度99.99%)流量为14sccm,基片传输速率为1m/min,基底玻璃在硅铝靶下方往返运动9次,基片温度为室温。
8)待完成以上制备步骤后,使样品冷却20min,出片,停机。
图2示出了本实用新型实施例和传统TiNxOy选择性吸收涂层材料在0.3-48μm波段的反射光谱。其中0.3-2.5μm波段反射光谱由日立U-4100分光光度计测试得到,2.5-48μm波段反射光谱由Bruker的Tensor27傅里叶红外光谱仪测试得到。
表2给出了本实用新型实施例和传统TiNxOy选择性吸收涂层材料的吸收率α、80℃辐射率ε,α/ε。
实施例80℃射率按照以下公式计算得到。
其中ET(λ)为工作温度T=80℃时黑体辐射随波长分布(2μm-48μm)。
其中太阳光谱吸收率按以下公式计算:
其中A(λ)为大气质量AM=1.5时太阳辐射光谱辐照度(W/m2μm),R(λ)是分光光度计测试得到的太阳光谱选择性吸收涂层反射光谱(300-2500nm)。
对比图2、表2中本实用新型实施例和传统TiNxOy涂层性能可知:本实用新型实施例与传统TiNxOy选择性吸收涂层太阳光谱吸收率相近,辐射率更低,α/ε高,具有更好的光谱选择性。光谱选择性指的是吸收率/辐射率,吸收率相近辐射率低则是光谱选择性好。
实施例3
一种集热管,所述集热管由上述的太阳光谱选择性吸收涂层构成,其中,所述集热管的内壁为所述基底层。适用于太阳能热水器和太阳能空调等低倍聚焦的中低温太阳能集热器。
优选地,本实用新型中所述的中低温太阳能集热器,其中的低温指100摄氏度以下,中温指100-400摄氏度。
以上所述,仅是本实用新型的较佳实施例而已,并非对本实用新型作任何形式上的限制,依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于,包括:
基底层;
在基底层上依次排布有红外反射层、复合吸收层和减反层;
所述的复合吸收层自下而上依次包括金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层,所述金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层的材料为对光谱具有吸收性能的材料,
其中:所述红外反射层、所述金属亚层所述金属氮化物亚层、所述金属氮氧化物亚层的热膨胀系数依次升高。
2.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于,
所述金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层的折射率依次降低;
所述金属亚层、金属氮化物亚层和金属氮氧化物亚层的消光系数依次降低。
3.根据权利要求2所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于,
在500-2500nm范围内,所述金属亚层的折射率为3.19-6.13,所述金属氮化物亚层的折射率为3.00-4.40,所述金属氮氧化物亚层的折射率为2.38-2.20;
在380-2500nm范围内,所述金属亚层的消光系数为3.59-6.84,所述金属氮化物亚层的消光系数为1.79-0.76,所述金属氮氧化物亚层的消光系数为0.47-0.005。
4.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于,
所述的复合吸收层的总厚度为80nm-140nm,
其中:
所述金属吸收亚层的材料为Cr,其厚度为10-30nm;
所述金属氮化物吸收亚层的材料为CrNx,其厚度为30nm-50nm;
所述金属氮氧化物吸收亚层的材料为CrNxOy,其厚度为40nm-60nm。
5.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于,
所述的基底的材料为玻璃、铝、铜或不锈钢,所述基底层的厚度为0.2~10mm。
6.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于,
所述的红外反射层的材料的电导率大于106S·m-1,所述红外反射层的厚度为50~200nm。
7.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于,
所述的红外反射层为Al、Cu、Au、Ag或Ni。
8.根据权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于,
所述减反层的材料为SiO2、Al2O3、ThO2、Dy2O3、Eu2O3、Gd2O3、Y2O3、La2O3、MgO或Sm2O3,所述减反层的厚度为50~150nm。
9.一种集热器,包括壳体,在所述壳体上设有盖板,在所述盖板下方设有吸热层和保温层,所述吸热层为1至8中任一项所述的太阳光谱选择性吸收涂层。
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2015
- 2015-04-03 CN CN201520201904.0U patent/CN204535163U/zh active Active
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