高温度辐射选择性涂层及相关设备的制作方法
【专利摘要】一种太阳能接收器包括波长选择性涂层，该波长选择性涂层包括：第一扩散阻挡层、金属IR反射层、太阳能吸收层、抗反射层和/或硬涂层保护层。以高太阳能吸收系数和低热发射率为特征的选择性吸收器涂层可以用于将所捕获的太阳能辐射转变为可用热量。在实施例中，提供了更加高效的选择性涂层，其将相对高的太阳能吸收率（例如，大于大约0.96）和相对低的热发射率（例如，在700℃下小于大约0.07）相结合，并且例如在户外条件下热稳定的在600℃之上。在太阳能场中这种涂层的使用可以在大约600℃或者更高的操作温度下允许太阳能场操作效率的增加。
【专利说明】高温度辐射选择性涂层及相关设备
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年3月13日提交的美国临时申请N0.61/779，773的权益，通过引用方式将其全部内容并入本文中。
【技术领域】
[0003]概括而言，本公开涉及太阳能选择性涂层，并且更具体而言，涉及用在太阳能塔系统的组件中的太阳能选择性涂层。
【发明内容】
[0004]本公开涉及一种具有波长选择性涂层的太阳能接收器，该波长选择性涂层包括:第一扩散阻挡层、金属红外线(IR)反射层、太阳能吸收层、抗反射层和/或硬涂层保护层。
[0005]以高太阳能吸收系数和低热发射为特征的选择性吸收器涂层可以用在太阳能热能应用中，以将所捕获的太阳能辐射转变为可用热量。可以使用基于CERME(陶瓷/金属混合物)的薄层系统。可以通过气相沉积或者溅射来产生这种分层系统。
[0006]从基板表面开始并且向涂层的外部发展的层系统可以包括下列层中的任何一种:金属IR反射层、太阳能吸收层、抗反射层和硬涂层保护层。金属IR反射层可以包括在红外线范围中具有高反射性的金属，例如，贵金属或者难熔金属硅化物。太阳能吸收层可以包括CERMET。该CERMET可以包括金属，例如，钼、镍、钯、钨、铬或者钥，该金属嵌入在氧化物(例如，Al2O3或者S13)中。抗反射层可以包括纯氧化物，例如S12或A1203。
[0007]此外，太阳能选择涂层可以包括粘接层，以提供涂层到基板的良好粘接。在一些实施例中，基板可以包括碳钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢或超合金。
[0008]大于600°C的操作温度可以加速吸收层之内的扩散过程并且穿过太阳能选择性涂层的多个层。这些扩散过程对整个系统的性能起负面作用。在极其高的温度处，来自基板的元素可以扩散到吸收器涂层中，这可以引起该层特性的改变。例如，铁、锰、钥、铬或镍可以扩散到该层系统中。
[0009]在所公开主题的实施例中，提供了更加高效的选择性涂层，其将相对高的太阳能吸收率(例如，大于大约0.96)和相对低的热发射率(例如，在700°C时小于大约0.07)相结合，并且理想地在户外条件下热稳定的在600°C之上，这可以在大约600°C或者更高的操作温度下允许太阳能场操作效率的增加。
[0010]一些实施例涉及太阳能选择性涂层，该太阳能选择性涂层可以依次包括下列涂层:第一扩散阻挡层，其包括至少一种扩散阻挡材料；金属IR反射层；太阳能吸收层；以及抗反射层。在一个或多个实施例中，太阳能选择性涂层可以在至少600°c的长期操作温度处针对AMl.5光谱具有至少95%的吸收率。太阳能吸收层可以具有大约80nm到120nm之间的厚度。扩散阻挡材料可以包括选自S1x、SiN, T12, T1x、金属/AlOx CERMET和金属/S1x CERMET中的至少一种。太阳能选择性涂层还可以包括与第一扩散阻挡层相邻的第二扩散阻挡层。第一扩散阻挡层和第二扩散阻挡层中的一个可以包括选自S1x、SiN, T12,T1x中的至少一种，而第一扩散阻挡层和第二扩散阻挡层中的另一个可以包括选自金属/AlOx CERMET和金属/S1x CERMET中的至少一种。
[0011 ] 在一些实施例中，太阳能选择性涂层还可以包括基板的自然氧化层。基板包括碳钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢或超合金中的至少一种。
[0012]IR反射层可以包括贵金属和难熔金属硅化物中的至少一种。太阳能吸收层可以为CERMET层。CERMET层的陶瓷部分可以包括氧化铝或氧化硅中的至少一种，并且CERMET层的金属部分可以包括钼、镍、钯、钨、铬或者钥中的至少一种。在一些实施例中，太阳能选择性涂层还可以包括在IR反射层和太阳能吸收层之间的第三扩散阻挡层。第三扩散阻挡层可以包括选自Si0x、SiN、Ti02、Ti0x*的至少一种。太阳能选择性涂层还可以包括硬涂层保护层。在一些实施例中，太阳能吸收层是厚硬涂层保护层，并且太阳能吸收层可以具有大于120nm的厚度。
[0013]—些实施例涉及涂层金属制品(coated metal article),该金属制品可以包括金属层，该金属层包括碳钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢或超合金。太阳能选择性涂层可以设置在所述金属层的表面上。太阳能选择性涂层可以包括:(a)第一扩散阻挡层，其包括至少一个扩散阻挡材料；(b)金属IR反射层；(C)太阳能吸收层；(d)抗反射层jP(e)硬涂层保护层。太阳能选择性涂层可以在至少600°C的长期操作温度处针对AMl.5光谱具有至少95%的吸收率。金属层可以形成导管，并且太阳能选择性涂层设置在导管的外表面上。金属层的外表面可以为抛光面。
[0014]在一些实施例中，涂层金属制品包括太阳能接收器的一部分。
[0015]一些实施例涉及包括上述涂层金属制品的太阳能热能系统。
[0016]当结合附图来考虑时，所公开主题的实施例的目的和优点将从下面的描述变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]将参照附图来在下文中描述这些实施例，其中，这些附图未必按比例绘制。在适当的情况下，一些特征可以不被说明，以助于基础特征的说明和描述。在整个附图中，相同的参考标号指代相同的元件。
[0018]图1A是示出根据所公开主题的实施例的具有单个太阳能塔的太阳能热系统的正视图的简化图。
[0019]图1B是示出根据所公开主题的实施例的具有多个太阳能塔的太阳能热系统的正视图的简化图。
[0020]图2A是示出根据所公开主题的实施例的太阳能塔的接收器中的管道的附视图的简化图。
[0021]图2B是示出根据所公开主题的实施例的图2A的接收器管道的等距视图的简化图。
[0022]图3A是示出根据所公开主题的实施例的图2A的接收器管道中的一个接收器管道的横截面视图的简化图。
[0023]图3B-图3C是示出根据所公开主题的实施例的具有不同涂层的图3A的接收器管道的表面截面的横截面视图的简化图。与目标102相关联的一个或多个瞄准点上。2域中部署的超过50000个定日镜。
反本。每个塔可以具有相应的目标，该目标湛100八在其上具有塔102八并且至少部分！绕。类似地，第二太阳能塔1008在其上具的日射的太阳能场104围绕。例如，多个塔3射产生蒸汽(即蒸发太阳能接收器)，而多祖为使用日射来使蒸汽过热(即过热太阳能:多个可以具有蒸发太阳能接收器和过热太图18示出了有限数量的组件。应当理解的.学元件、控制系统、传感器、管线、发生器和卜或多个流体导管或者管道，该流体导管或电或者传热流体。例如，管道可以被配置为加压水和/或加压蒸汽。参考图2八-图28，I。接收器部分200的管道202可以以单行文所描述的涂层/处理中的一个或多个可以施加到管道202的外表面的至少一部分，如图3A-图3C所示。图3B-图3C示出图3A的管道202的特写的横截面视图312，示出具有(如图3B所示)和不具有(如图3C所示)施加到管道202的壁的顶部硬涂层保护层的太阳能选择性吸收器涂层。应当注意到，图中所示出的这些层没有按比例绘制。相反，出于说明目的，这些层的相对尺寸已经被夸大。
[0029]管道202具有将管道202的内部容积311与外部环境隔开的金属壁314。可以被预加热并且/或者加压的水和/或蒸汽(或者其它传热流体或者工作流体)流过该管道的内部容积。金属壁314的外部表面侧316可以从定日镜的场接收反射的日射，以加热金属壁314，并且由此加热流过的水和/或蒸汽。
[0030]涂层被施加到的基板可以选自碳钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢或超合金中的至少一种。基板可以为平面的、弯曲的或者管状的，并且可以作为用于太阳能接收器的太阳能吸收器管(例如，管道202)。
[0031]管道的金属壁314的外部表面侧316可以可选地在施加任何其它层之间之前地被预处理。例如，表面316可以经受喷砂处理或者抛光。使用基于CERMET (陶瓷-金属混合物)的主要薄层系统，其通过各种沉积法(例如，CVD, PVD,电子束沉积等)或者溅射来产生。施加到外部表面316的一个或多个涂层可以提高太阳能日射的吸收并且/或者保护金属表面。
[0032]在一些实施例中，基板外部表面316可以被预处理。例如，该预处理可以包括抛光或者喷砂处理基板表面。在预处理之后，可以清洗该表面，以从基板的表面移除任何残渣。基板随后可以经历热处理，其中，自然氧化层可以形成在基板表面。热处理可以出现在大约4001:、5001:、6001:、6501:、7001:或7501:的温度处。自然氧化层可以有助于阻止基板扩散到太阳能选择性涂层中。
[0033]在一些实施例中，可以通过各种合适方法(例如但不限于:物理气相沉积(PVD)方法、化学气相沉积(CVD)方法、电子束(e-beam)方法以及溅射方法)中的至少任何一种来施加太阳能选择性吸收器涂层中的层。太阳能选择性涂层可以单独地或者结合一个或多个表面处理来施加在基板上。例如，金属制品可以设置有基板表面处理，例如但不限于喷砂处理或者抛光。
[0034]存在许多能够用于沉积涂层的可用处理。最常见的处理出现在真空下并且分类为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。在PVD处理中，薄膜直接从气相冷凝到固相。CVD涉及以下技术，在该技术中，生长的膜在组成和属性上基本上不同于气相的组件。
[0035]平面磁控(magnetixm)溅射为用于沉积薄膜的真空处理。该处理提供由其制成涂层的材料板(被称为靶(target))，并且使用布置在靶之后的有力磁控磁体来在靶的前面创建用于带电粒子特别是电子的磁阱。当翻转磁控驱动电源并且靶在低压气体(例如大约5毫托的氩)上保持在负电压(例如，?-300V或者更低)时，创建了“等离子体”。等离子体包括在高能状态中的电子和气体离子。氩离子(或者其它带正电的粒子)全速地被吸引到靶表面。当离子撞击靶时，在足够的能量下，原子从靶表面被敲出，以移动到基板并且随后与基板结合。该处理称为溅射。来自靶的被溅射的原子不带有负电或者正电，所以原子可以直接走出磁阱。此外，靶表面还释放电子，这些电子被保留在以下磁阱中，在该磁阱处，电子的能量用于产生更多氩离子(或者其它带正电粒子)。这意味着被吸收到靶表面的离子恒定补充，使得磁控可以不断地进行操作。磁场通过维持较高密度离子来极大地提高沉积速率，这使得电子/气体分子碰撞过程更加有效。
[0036]可以基于用于产生在膜的沉积和生长过程中涉及的蒸汽和能量的方法来把PVD分类。在一些示例中，该方法可以包括蒸发和/或溅射。
[0037]在设计有效的太阳能选择性涂层中，应当考虑层的厚度。例如，太阳能选择性涂层可以施加到一个或多个管道(例如，管道202)的管道集合的外表面(或者其至少一部分)。例如，涂层可以设置为450nm-600nm之间的厚度。
[0038]根据所公开主题的一个或多个实施例的太阳能选择性涂层可以展示下面特征中的一个或多个:
[0039](I)太阳能选择性涂层在可以超过600°C的操作温度下针对AMl.5光谱具有大于95%的吸收率。
[0040](2)施加到金属制品(例如，碳钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢或超合金)的涂层具有足够的耐热性(即，不随着时间推移而烧蚀)，以随着持续时间(即在加速的暴露条件下成百上千的连续小时，例如，至少1000小时)的推移而经受高温(例如，至少550°C、600°C、650°C或者更高)；并且
[0041](3)将太阳能选择性涂层施加到厚度为大约450nm-600nm之间的金属制品。
[0042]在图3B中示出的实施例中，太阳能选择性吸收器涂层320从管道202的外表面316朝着外部依次包括下列层:第一扩散阻挡层321、第二扩散阻挡层322、金属IR反射层323、太阳能吸收层324、抗反射层325和硬涂层保护层326。可以使用基于CERMET(陶瓷-金属混合物)的主要薄层系统，其通过气相沉积或者溅射来产生。第一扩散阻挡层和/或第二扩散阻挡层可以为薄膜层。薄膜层可以描述为具有小于10nm厚度的那些层。在该示例中提及的层可以具有本文下面所描述的组成。
[0043]在图3C中示出的实施例中，太阳能选择性吸收器涂层330从管道202的外表面316朝着外部依次包括下列层:第一扩散阻挡层321、第二扩散阻挡层322、金属IR反射层323、太阳能吸收层324和抗反射层325。在该实施例中，太阳能吸收层可以用作厚硬涂层，由此向涂层以及基板提供保护。
[0044]在一些实施例中，太阳能选择性涂层可以包括作为扩散阻挡层的厚膜层。可以使用厚膜层代替第一扩散阻挡层321和第二扩散阻挡层322的组合。厚膜扩散阻挡层可以包括SiC/SiN、搪瓷、Al2O3和S12的陶瓷类混合物、厚金属层(例如，镍)或金刚石硬涂层。厚膜扩散阻挡层的厚度可以大于lOOnm。
[0045]图3B-图3C的实施例或者及其变型还可以被修改为包括在IR反射层(例如，323)和太阳能吸收层(例如，324)之间的第三扩散阻挡层(未示出)。该第三扩散阻挡层可以为Si0x、SiN、Ti02、Ti0x、金属 /AlOx CERMET 和金属 /S1xCERMET 中的一种。
[0046]在极高温度(例如，大约500°C和600°C之间，或者更高，其可以出现在太阳能热能系统中)处，来自基板的元素可以扩散到太阳能选择性涂层中，这可能引起涂层属性的变化。例如，铁、锰、钥、铬或者镍可以扩散到层系统中。为了阻止基板和吸收器涂层之间的扩散及其伴随的负面效应，可以设置至少一个扩散阻挡层。扩散阻挡层阻止或者减少在太阳能选择性涂层中的运输和扩散过程，该运输和扩散过程可以包括来自基板的运输以及通过基板的气体扩散。
[0047]第一扩散阻挡层321可以包括S1x、SiN, T12, T1x、金属/AlOx CERMET和金属/S1x CERMET中的至少一种。第一扩散阻挡层321可以具有50nm到10nm之间的厚度。在一些实施例中，第一扩散阻挡层321可以具有50nm到80nm之间的厚度。
[0048]太阳能选择性涂层可以包括第二扩散阻挡层322。第二扩散阻挡层322可以与第一扩散阻挡层321相邻。第二扩散阻挡层322可以具有60nm到120nm之间的厚度。在一些实施例中，第二扩散阻挡层可以具有70nm到10nm之间的厚度。在一些实施例中，第一扩散阻挡层和第二扩散阻挡层中的一个可以包括选自Si0x、SiN、Ti02、Ti0x中的至少一种，第一扩散阻挡层和第二扩散阻挡层中的另一个包括选自金属/AlOx CERMET和金属/S1xCERMET中的至少一种。
[0049]金属IR反射层223通常包括在红外线区域中具有高反射性的金属，例如，银、钼、镍、钯、钨、铬或钥。IR反射性材料可以包括硅化物、硼化物、碳化物和上述其它合适难熔金属化合物。IR反射层323还可以包括选自包括钼、钯、银、铑、钌、铟、金和锇组中的至少一种贵金属。
[0050]CERMET为高太阳能吸收金属-非传导性复合物,其包括非传导性或陶瓷基体中的细金属粒子或浸溃有金属的多孔氧化物。像这样，CERMET可以用作太阳能吸收层。太阳能吸收层324可以包括金属(例如钼、镍、钯、钨、铬或者钥)，其嵌入到氧化物(例如，Al2O3, S12)中。
[0051]抗反射层32 5可以包括纯氧化物，例如S12或八1203。抗反射涂层(AR)涂层为施加到光学表面的非传导性涂层，以减少在某个波长范围中那个表面的光学反射率。可以通过引入一个或多个额外的光学界面来实现这种属性，使得来自所有不同界面的反射波通过相消干涉来较大地彼此抵销。在最简单的情况中，被设计为法线入射(即，垂直于入射表面)的抗反射涂层使用单个四分之一波长的材料层，其折射率接近于两个相邻介质的折射率的几何平均值。通过获得来自两个界面的相等幅度的两种反射，反射通过相消干涉彼此抵消。
[0052]当/I1 =时，可以最小化反射，其中，Ii1为薄层的折射率，并且Iic^Pns为两个介质的指数。这种AR涂层可以将普通玻璃的反射从每表面大约百分之四减少至大约百分之二。实际AR涂层依赖于中间层，不仅出于其反射系数的直接减少，还为了使用薄层的干涉效应。如果精确地控制层厚度，使得它恰好为光的波长的四分之一(即，四分之一波长涂层)，则来自薄层的前侧和后侧的反射将相消干涉并且彼此抵消。这可以显著地减少来自表面的反射，使得大部分的光被传输通过。
[0053]难熔金属氧化物化合物(例如，Hf02、Ta2O3> T12Y2O3和ZrO2)可以用作AR涂层和吸收层中的材料，因为它们的折射率、它们的化学、力学和热稳定性、以及它们相对高的熔点。难熔金属或非金属氧化物(例如，S12, MgO, Al2O3,和Ta205)、氟化物(例如，AlF2, MgF2,和YF3)、氮化物(例如，TiN, TaN)和氮氧化物(S1xNY和AlOxN)化合物还可以用于AR涂层，因为它们低折射率，并且还可以用作AR涂层和吸收层中的高折射率材料。
[0054]在一些实施例中，难熔金属和贵金属用作为AR涂层，以用于它们的高熔点。难容过渡金属为拥有高熔点和沸点的金属。
[0055]硬涂层可以用于需要高温度稳定性和极好耐磨性的应用。可以使用几微米厚度的涂层。硬涂层保护层(例如，如图3B中示出的层326)可以包括氧化物、氮化物、碳化物、硼 6011111 88.511111 24011111 2011111 11211111 8011111
“特大号30410，其在涂层应用之前已经被I的温度且持续30分钟，以形成自然氧化食覆的基板在6501处被存储1720小时。111.5光谱的?95%的吸收率和在6501下〔到太阳能选择性层中的情况下，实际上I尺维持稳定。I的温度且持续30分钟，以形成自然氧化食覆的基板在6501时存储2000小时。
111.5光谱的?95%的吸收率和在6501处太阳能选择性层中的情况下，实际上1尺范持稳定。
可以使用其它形成。此外，前述描述在一些示例可以延伸至生产技术。例如，数量和技此外，虽然本文已经描述特定材料、化学品才料、化学品(元素或组分)或者组件也是可这围之内被组合、重新排列、省略等，以产生的对应使用中有时用于使优点突出。
”高温辐射选择性涂层及相关设备。本公开羊细地示出并且描述特定实施例，以示出本认在没有脱离这种原理的情况下另外实现。之内的所有这种替换物、修改、等同物和变
【权利要求】
1.一种在太阳能中心塔上使用的太阳能选择性涂层，所述涂层依次包括: 第一扩散阻挡层； 金属IR反射层； 太阳能吸收层；以及 抗反射层； 其中，所述第一扩散阻挡层包括至少一种扩散阻挡材料，并且 所述太阳能选择性涂层在至少600°C的长期操作温度处针对AMl.5光谱具有至少95%的吸收率。
2.根据权利要求1所述的太阳能选择性涂层，其中，所述太阳能吸收层具有大约80nm到120nm之间的厚度。
3.根据权利要求1所述的太阳能选择性涂层，其中，所述扩散阻挡材料包括选自S1x、SiN、Ti02、Ti0x、金属 /AlOx CERMET 和金属 /S1x CERMET 中的至少一种。
4.根据权利要求1、2或者3中任一项所述的太阳能选择性涂层，还包括与所述第一扩散阻挡层相邻的第二扩散阻挡层。
5.根据权利要求4所述的太阳能选择性涂层，其中，所述第一扩散阻挡层和第二扩散阻挡层中的一个包括选自Si0x、SiN、Ti02和T1x中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的太阳能选择性涂层，其中，所述第一扩散阻挡层和第二扩散阻挡层中的另一个包括选自金属/AlOx CERMET和金属/S1x CERMET中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的太阳能选择性涂层，还包括基板的自然氧化层，其中，所述太阳能选择性涂层被布置在所述基板上。
8.根据权利要求7所述的太阳能选择性涂层，其中，所述基板包括碳钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢或超合金中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的太阳能选择性涂层，其中，所述IR反射层包括贵金属和难熔金属硅化物中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的太阳能选择性涂层，其中，所述太阳能吸收层为CERMET层。
11.根据权利要求10所述的太阳能选择性涂层，其中，所述CERMET的陶瓷部分包括氧化铝和氧化硅中的至少一种，并且所述CERMET的金属部分包括钼、镍、钯、钨、铬或者钥中的至少一种。
12.根据上述权利要求中的任一项所述的太阳能选择性涂层，还包括在所述IR反射层和太阳能吸收层之间的第三扩散阻挡层。
13.根据权利要求12所述的太阳能选择性涂层，其中，所述第三扩散阻挡层包括选自S1x, SiN, T12, T1x 中的至少一种。
14.根据权利要求1所述的太阳能选择性涂层，还包括硬涂层保护层。
15.根据权利要求1所述的太阳能选择性涂层，其中，所述太阳能吸收层为厚硬涂层保护层。
16.根据权利要求1所述的太阳能选择性涂层，其中，所述太阳能吸收层具有大于120nm的厚度。
17.—种在太阳能中心塔中使用的涂层金属制品，所述涂层金属制品包括: 金属层，所述金属层包括碳钢、低合金钢、高合金钢、不锈钢或超合金；以及设置在所述金属层的表面上的太阳能选择性涂层，所述太阳能选择性涂层包括: 第一扩散阻挡层； 金属IR反射层； 太阳能吸收层； 抗反射层；以及 硬涂层保护层， 其中，所述扩散阻挡层包括至少一种扩散阻挡材料，并且所述太阳能选择性涂层在至少600°C的长期操作温度处针对AMl.5光谱具有至少95%的吸收率。
18.根据权利要求17所述的涂层金属制品，其中，所述金属层形成导管，并且所述太阳能选择性涂层设置在所述导管的外表面上。
19.根据权利要求18所述的涂层金属制品，其中，所述金属层的所述外表面为抛光面。
20.根据权利要求17所述的涂层金属制品，其中，所述涂层金属制品包括所述太阳能中心塔的太阳能接收器的一部分。
21.根据权利 要求17所述的涂层金属制品，其中，所述太阳能选择性涂层在700°C处具有小于大约0.07的发射率。
22.—种太阳能热能系统，包括权利要求17所述的涂层金属制品。
【文档编号】F24J2/48GK104048432SQ201410090258
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】阿斐·彻宁, 克里斯蒂娜·希尔德布兰特, 安德烈亚斯·格奥尔格, 汤姆斯·克罗耶尔, 沃尔夫冈·格雷夫 申请人:亮源工业（以色列）有限公司