[发明专利]用于生产高温接收器太阳能装置的基底的光学选择性涂层的方法及获得的相关材料

说明书

本发明涉及一种用于生产用于在高温下进行操作的适合于在电能生产厂中吸收太阳辐射的接收器装置的基底的光学选择性涂层的方法。

在集中式太阳热能发电厂中，太阳辐射被集中于接收器装置上，该接收器装置使其转换成由热载体流体(thermovector fluid)储存的热能。为了优化能量转换过程，此装置必须能够经受高温、最大化太阳辐射的吸收并且同时由于高温而最小化辐射发射的能量损耗。

为了此目的，接收器可以覆盖有具有合适的配方的薄涂层，该薄涂层具有特殊的光学特性并且在电磁波谱范围内对接收器给出高的吸收率，电磁波谱范围包括太阳辐射和红外热辐射范围内的低发射率。这种材料的光学特性必须倾向于理想模型并且在太阳辐照度范围内由100％吸收率(α＝l，反射率0％)表示且在热发射率范围内由发射率0％(ε＝0，反射率100％)表示。在考虑光谱范围的情况下，这些性能的这种显著不连续的理想定位取决于操作温度并且被便利地定位在约2微米(2,000纳米)的波长处。

当前在世界上操作的太阳能发电厂在高至约400℃的温度下操作，但是为了确保发电厂的总效率，它们倾向于被增加到高至550℃或更高。

温度的增加与一系列技术问题相冲突，这些问题之一确定地由接收器装置的涂层的耐热性、耐化学性和耐机械性以及另外的光学效率表示，如前所述的光学效率需要高的太阳能吸收率和最小的热发射率。

C.E.Kennedy的“Review of Mid-to High-Temperature Solar Selective Absorber Materials”(NREL Technical Report 520-31267,2002年7月)提供了用于生产选择性涂层的技术方案的广泛分析，还集中于这些装置可以操作的温度。

在最感兴趣的解决方案中，提到了基于“金属陶瓷(CERMET)”的多层涂层：金属陶瓷是分散至陶瓷基体中的金属的纳米结构的复合材料。涂层的层具有数十/数百纳米的厚度，并且通过入射辐射的折射部分和反射部分的干扰，引起了前面提到的光学性能的不连续性。

多层的构造通常由第一金属反射层、一系列具有可变的折射指数的金属陶瓷的两个或更多个层以及最终的抗反射层构成，该抗反射层通常由例如SiO₂或已经用于复合材料中的相同的陶瓷材料组成。存在许多用于将这种多层沉积在接收器装置上的方法，在工业实践中，大多数便利且有效的方法都由等离子体蒸发(溅射)组成。

在WO-2009/051595中，即使在纯粹的规划阶段中，大量的氧化物和陶瓷例如TiO₂、HfO₂、Y₂O₃、ZrO₂、Ta₂O₅以及再者结合有Au、Ag、Ta、W、Mo的对应的硼化物、氮化物和氧氮化物被建议用于制备金属陶瓷(CERMET)，开发各自的化学性能、热性能和反射性能。在某些情况下，该研究进行直到使这些材料的可能组合理论模型化。特别地，关于组合W/ZrO₂的计算被呈现并且认为是有希望的，然而，其被模型化为金属陶瓷多层并且不被模型化为金属陶瓷(分散于陶瓷基体中的金属)。同时，据断言，对基于组分的物理化学特性的某些组合的预期兴趣在理论模型化中未被证实(正如Pt/ZrO₂的情况)。实际上，该文件要求了复合材料(多层或金属陶瓷)的权利，其中IR反射层是至少硅化钛，任选地是贵金属，且吸收层由金属和半金属的氧化物或氧氮化物组成。金属氧化物可以是Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo或W的氧化物。难熔金属硅化物由至少一种具有式Ti_xSi_y的硅化钛组成，其中x＝1,3,5,y＝1,2,4。

相同的推测标准存在于已经引用的综述NREL Technical Report520-31267,2002年7月中。在表2中，列出了高温材料，提供了基于其稳定性的等级。钢基底上的金属陶瓷W-Al₂O₃、Cu的基底上的W-A1N、不锈钢上的ZrO_x/ZrC_x/Zr在这些材料中具有最高等级。