[发明专利]中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光-热利用领域，尤其是中高温太阳能吸热器光谱选择性吸收涂层材料研究方面。

背景技术

太阳能吸热器接收聚光器(如碟式聚光器、槽式聚光器和定日镜)聚焦的高密度太阳辐射，加热流经吸热器里面的传热介质，将低品位太阳辐射热能转化为利用价值高的高品位热量。在低温段，为居民提供生活热水；在中温段，用于工业干燥、烘烤等工序；在高温段，用于太阳能热发电。从目前工程应用经验发现，吸热器效率是制约整个系统效率的瓶颈，而提高吸热器效率的关键是提高吸热器表面光-热转化效率。

为了提高太阳能吸热器光-热转化效率，1954年在美国召开的国际太阳能会议上，以色列科学家泰勒和美国科学家吉尔顿柯尔论证了制作选择性涂层表面的可能性，他们被视为太阳能吸收涂层研究鼻祖。其基本理论是基于普朗克定律、维恩位移定律和基尔霍夫定理，设计一种太阳能光谱选择性吸收涂层，吸收层的理想状态是在集中了太阳95％以上能量的0.3～2.5μm波长段吸收率为1，而波长大于2.5μm是吸收率为0。目前，各种光谱选择性吸收涂层均基于这一理论基础，并且从单层结构发展为双层、以至多层结构。并且正在从低温向更高温方向发展。但无论是双层结构还是多层结构，最上面是陶瓷减反射层，如Al₂O₃，SiO₂，MgO，Si₃N₄，TiO₂，Ta₂O₅，ZrO₂，Nd₂O₃，MgF₂，SrF₂等，不仅对0.3～2.5μm波长太阳辐射反射率较低，减少反射能量损失；而且在中高温段可以防御吸收层被氧化破坏。下一层是吸收层，如Mo、W、Cr、Co、Ni等纯金属。最底层是吸热器基体。对于多层结构，其特点在于吸收层是有不同金属含量的金属-陶瓷复合结构构成。低温下吸收层也可以采用金属氧化物半导体结构。

但是，目前太阳能光谱选择性吸收涂层的减反射层、金属吸收层均呈层状结构，由于金属的热膨胀系数远远大于陶瓷，涂层工作在中高温度下，要经历无数次热-冷循环过程，拉应力将会导致减反射层开裂，裂纹成为氧分子通往金属吸收层的通道，致使吸收层金属被氧化而失效；在高温下氧化压应力会导致涂层剥落，最终吸热器表面吸收率下降。这一现象在中高温吸热器涂层中尤为明显。为了避免氧原子对吸收层的破坏，其中一种方法是进一步提高真空管的真空度，但这不仅对本来技术难度很高的金属-玻璃封接来说，在中高温条件下更为困难；而且增加制造成本。

发明内容

本发明的目的是克服目前中高温条件下太阳能光谱选择性吸收涂层失效问题，尤其是中高温条件下因开裂、剥落而导致吸收层氧化失效问题，在不降低目前太阳能吸热器涂层吸热效率基础上，进一步提高吸热效率。

本发明是中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层，吸收层(2)附着在吸热器基体1上，吸收层2由具有核壳结构的金属-陶瓷颗粒组成，每一个颗粒包括中心的吸收体3和外层的减反射壳4，减反射壳4外层熔化后将各个颗粒连接在一体，并附着在吸热器基体1上，减反射壳4内层是松散的颗粒。

本发明的有益效果：1.在不降低目前涂层吸热效率基础上，提高中高温条件下太阳能光谱选择性吸收涂层抗开裂和抗剥落能力，延长使用寿命。2.本发明将传统减反射与吸收二维层状结合拓展为减反射壳与吸收体三维核壳结合的结构，纳米吸热体颗粒可以在目前吸收层吸收基础上进一步提高吸收效率。

附图说明

图1为本发明的涂层结构示意图，图2为本发明的吸收层结构图，图3为本发明的纳米核壳结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层，吸收层2附着在吸热器基体1上，如图2、图3所示，吸收层2由具有核壳结构的金属-陶瓷颗粒组成，每一个颗粒包括中心的吸收体3和外层的减反射壳4，减反射壳4外层熔化后将各个颗粒连接在一体，并附着在吸热器基体1上，减反射壳4内层是松散的颗粒。吸收体3是粒径小于2.5μm的颗粒。吸收体3的材质是对0.3～2.5μm波长太阳能光谱吸收率很高，理想值为1，而对大于2.5μm波长段，吸收率很低，理想值是0。减反射壳4由纳米尺度陶瓷颗粒构成，该材质对太阳能反射率很低，理想值是0。