[发明专利]一种太阳能选择性吸收涂层

说明书

技术领域

本发明专利属于太阳能领域，具体涉及一种太阳能选择性吸收涂层。

背景技术

太阳能选择性吸收涂层沉积在太阳集热管上，太阳集热管的光热转换效率为式中B是外玻璃管的透光率(一般采用0.91)，α是涂层的太阳吸收比，ε_eff是集热管有效热发射比，由涂层热发射比ε和外玻璃管热发射比决定。由材料在红外区的折射率和消光系数决定。σ是斯蒂芬-波尔兹曼常数(5.67×10^-8W/m²·K⁴)，T₁和T₂分别是集热管的内管和外管温度(K)，C是聚光系数，I是太阳光的总辐射功率(W/m²)。太阳吸收比α用公式在波长0.3-2.5μm计算得到,式中θ是入射角，λ是波长，A(λ)是太阳辐射光谱(W/m²·μm)，R(θ，λ)是涂层的反射比。从宏观分析，太阳光是电磁波，涂层对太阳光的吸收及反射、透射遵循麦克斯韦理论，同时遵循菲涅尔理论。根据理论分析，R(θ，λ)由材料在可见光和近红外折射率和消光系数决定。

上世纪八十年代，澳大利亚悉尼大学在实验室研制成功渐变型金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层，九十年代在中国开发并大量生产。渐变型太阳能吸收涂层结构首先由悉尼大学Richie和Window在1977年提出。太阳能选择性吸收涂层主要由三部分组成：靠近基材的是红外反射金属层，选用导电性较好的金属，如铝、铜、银等金属，纳米级金属薄膜材料；然后是吸收层，由金属-陶瓷复合材料组成，纳米级金属粒子均匀分布在陶瓷材料中组成复合材料；最外层是减反层，由透明的纳米级陶瓷薄膜材料组成。渐变型太阳能吸收涂层中有多层金属陶瓷吸收层(如10层)，从减反射层向里，金属体积含量呈梯度增加。而每一层内部金属粒子分布均匀，金属体积含量固定不变。靠近减反射层，金属体积含量最少，靠近金属红外反射层，金属体积含量最多。不同金属体积含量复合材料薄膜，具有不同的光学常数n（折射率）和k（消光系数），具有不同的吸收α(θ，λ)和反射R(θ，λ)特性。渐变型太阳能吸收涂层的多层吸收层结构可以有效的吸收太阳辐射。这种涂层调试参数比较多，吸收比和近红外发射比不容易达到理想值。

悉尼大学章其初，发明了干涉吸收型金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层，吸收层由2层或3层含有不同金属体积含量的金属陶瓷组成。太阳辐射被涂层内部吸收和相位干涉效应有效地吸收。与渐变膜相比，太阳吸收比大大增加，可达0.95-0.99。这一发明已在澳大利亚、美国等国批准发明专利。章其初发明了采用双金属靶在溅射气体Ar和反应气体N₂或O₂中同时直流磁控溅射制备耐高温的太阳吸收涂层，一金属靶反应溅射制备陶瓷成分；另一金属靶非反应溅射制备金属成分。这一发明已在中国批准发明专利（申请号96102331.7，公开号CN1159553A）。这种涂层调试参数比渐变型太阳能吸收涂层少很多，调试也相对容易。但是，每一种金属体积含量的涂层对应一种折射率和消光系数，调试过程中，需要找出两个吸收层比较合适的金属含量，并找到比较合适的膜层厚度，同时，找到比较合适的减反层厚度，才能得到优良的R(θ,λ)，实际工作有一定难度。

目前，太阳能选择性吸收涂层专利，其涂层结构基本以渐变型太阳能选择性吸收涂层和干涉型太阳能选择性吸收涂层为基础，仅进行金属和陶瓷成分的更换。这种渐变型和干涉型太阳能选择性吸收涂层一般由红外反射层、吸收层和减反层组成。吸收层又由两层或多层组成。

太阳选择性吸收涂层整体对太阳辐射的吸收比受众多因素影响，例如红外反射层的材质与粗糙度，吸收层的光学性质、厚度、材料种类，减反层的厚度与光学性质等。要提高太阳能选择性吸收涂层的吸收比，降低发射比，需要依次调节每个吸收层的金属含量、厚度，并同时调节减反层的厚度。根据排列组合，需要调试的工艺参数很多，光学性能参数不容易调到合理值。与渐变型太阳选择性吸收涂层相比，干涉型吸收涂层，吸收层数减少了很多，调试工艺相对容易。但是，要得到最佳的光学性能，每层吸收层的金属含量有多种选择，膜层厚度也有多种选择，因此，调试工艺比较烦琐。

发明内容