:本发明涉及太阳能槽式聚光热发电利用,具体涉及一种可用于高温真空集热管的太阳光谱选择性吸收涂层。
背景技术
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背景技术:
1、槽式聚光太阳能热发电系统通过真空太阳能集热管将收集到的太阳光转换为热能,来推动涡轮机发电。而真空太阳能集热管之所以能够将太阳光高效转换为热能,所依赖的是沉积在其内管表面的太阳光谱选择性吸收涂层。太阳光谱选择性吸收涂层是一种在太阳光波段(0.3μm~2.5μm)具有高吸收率,而在中红外波段(2.5μm~20μm)具有低发射率的光学薄膜。因此,太阳光谱选择性吸收涂层能够将入射的太阳光高效转换为热能,并减少真空太阳能集热管以热辐射损耗的能量。根据热机原理,提高涡轮机高温温度,可有效提高热机效率,进而降低槽式聚光太阳能热发电系统的发电成本。而涡轮机的工作温度主要受限于太阳光谱选择性吸收涂层的高温稳定性,因而有必要研发出能够在高温下(≥550℃)光学性能保持稳定的太阳光谱选择性吸收涂层,以满足真空太阳能集热管在更高温度下稳定服役的需求,并提高集热管的工作寿命。这是国内外在太阳能聚光热发电技术领域的重要研究课题之一。
2、目前对太阳光谱选择性吸收涂层已经开展了大量的研究,旨在提高太阳光谱选择性吸收涂层的光谱选择性(即光热转换效率)、高温稳定性与服役寿命。在中低温太阳能热利用领域普遍采用的al-aln基太阳光谱选择性吸收涂层具有光学性能优良、制备工艺简单、成本低等优点,但该涂层在聚焦热发电所要求的高温下具有较差的热稳定性,不能满足高温槽式光热电站的应用需求。而金属陶瓷基太阳光谱选择性吸收涂层,如w-al2o3、mo-al2o3、mo-sio2、wni-al2o3和w-ti-al2o3基太阳光谱选择性吸收涂层表现出较高的吸收率、较低的红外发射率以及良好的耐温性,但由于氧化物为绝缘体,这些涂层在实际生产当中都需要通过磁控溅射中的大功率射频技术制备大面积薄膜,沉积速率慢,大功率射频电源受到限制,设备昂贵,极大增加了工业化生产的成本。
3、由此可知,目前高温槽式聚光太阳能热发电电站的低成本商业化运行,需要光学性能良好(吸收率高、发射率低)、耐高温,并且制备工艺简单、成本低的太阳光谱选择性吸收涂层及其相应的制备技术。本技术中,以过渡金属氮化物作为主吸收层的太阳光谱选择性吸收涂层,不仅具有较高的吸收率和较低的红外发射率,并且还能够在高温下表现出良好的热稳定性,尤其是涂层的制备可采用直流磁控溅射技术,成本低、工艺简单。因此,以过渡金属氮化物作为主吸收层的太阳光谱选择性吸收涂层具有广阔的应用前景。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种太阳光谱选择性吸收涂层,适用于高温(工作温度为600℃~800℃)槽式聚光太阳能热发电系统中应用的真空集热管,目前在高达800℃的高温下稳定工作的太阳光谱选择性吸收涂层很少,而需求紧迫。该涂层不但具有较高的吸收率和较低的红外发射率,而且能够在高温下(达到800℃)保持光学性能稳定。另外,涂层制备工艺简单、生产周期短、材料原料丰富廉价。
2、本发明开发了一种耐高温的太阳光谱选择性吸收涂层,该涂层可被沉积于吸热体基材表面,从底部至顶部由三层薄膜构成,各单层的功能、组成与制备方法如下:
3、第1层为红外反射层,由金属(如w、mo、ag、cu等)薄膜构成;在制备红外反射层时,以金属靶材和ar气分别作为溅射源和溅射气体,通过直流溅射的方法进行制备。该层在红外波段具有较高的反射率和较低的发射率,能够降低整体涂层的红外发射率。
4、第2层为吸收层,成分上由mo、al和si与其氮化物的混合物构成。吸收层采用mo靶、al靶和si靶作为溅射源,通过反应共溅射的方法制备,溅射气体和反应气体分别为ar气和n2,通过改变mo靶和al靶的溅射功率以及n2的流量,能够得到具有不同材料成分的吸收层。该吸收层具备本征吸收特性,自身能够对太阳光进行吸收,并且该层还能够与其它层之间产生干涉相消,从而进一步增强对入射太阳光的吸收作用。
5、第3层为减反层,由陶瓷膜构成,如aln、al2o3、si3n4、sio2等,该层具有两个亚层,位于底部的亚层中不能含有氧元素,并且底部亚层的折射率高于顶部的亚层。减反层采用反应溅射方法制备,通过改变溅射靶材的种类(如al靶、si靶)以及反应气体的类型(如n2、o2),能够调控减反层亚层的材料成分和光学折射率。这两个减反射亚层具有增透、减反、耐磨的作用,并且两个亚层之间的干涉相消还能够提高涂层的光吸收率,此外,位于第二层的减反射亚层还能够抑制高温下涂层内部层与层之前的氧元素扩散。
6、本发明所提供的太阳光谱选择性吸收涂层由金属红外反射层、mo、al、si与其氮化物的混合物组成的吸收层和双干涉减反层构成,该涂层在太阳光波段具有高吸收率,而在中红外波段具有低发射率。此外,由于涂层具有特殊的膜系结构,并且吸收层中含有难熔金属mo及其氮化物,因此涂层在高温下具有良好的热稳定性,尤其在真空环境中可以耐温到800℃的高温。在该涂层的制备过程中,固定各个靶材,只需调节反应气体的流量或靶材的溅射功率,工艺简单、操作方便;该涂层具有较快的沉积速率,生产周期短,工艺成本低,并且该涂层的实验重复性好。能够满足高温真空太阳能集热管的使用需求。
1.一种光谱选择性吸收涂层,其特征在于,由三层薄膜结构组成,最底层为金属红外反射膜,中间层是以mo、al、si与其氮化物的混合物为组成成分的吸收层,表面层是以两层陶瓷膜组成的双干涉减反射层。
2.如权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于,所述最底层金属红外反射膜,采用金属靶直流磁控溅射、以ar气作为溅射气体制备。
3.如权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于,所述中间层由mo、al、si与其氮化物的混合物组成,沉积时以ar气为溅射气体,以n2为反应气体,采用mo、al和si靶同时反应溅射制备。
4.如权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于,所述表面层为两层陶瓷减反射层,沉积时以ar气作为溅射气体,采用陶瓷靶射频溅射、陶瓷靶射频反应溅射或金属靶反应溅射制备。
5.如权利要求1所述的太阳光谱选择性吸收涂层,其特征在于,所述表面层为可形成干涉减反射效应的双亚层结构,由厚度和折射率不同的两个亚层构成,不同的折射率通过调整溅射时溅射靶材或反应气体的类型获得。
6.一种制备太阳光谱选择性吸收涂层的方法,包括下述三个步骤: