[发明专利]一种原位自生长的太阳选择性吸收膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳选择性吸收膜制备技术领域，具体涉及一种原位自生长的泡沫状纳米结构的高吸收低辐射太阳选择性吸收膜及其制备方法。

背景技术

太阳能光热转化是一种能量转换效率和利用率高而且成本低廉，可在全社会广泛推广的太阳能利用方式。当前太阳能热利用活跃，并已形成产业。无论是太阳能热水器还是太阳能光热发电集热管，都要有一个用来吸收太阳辐射的核心装置，即太阳光谱选择性吸收涂层。该涂层要求在可见-近红外波段(0.3～2.5μm)具有较高吸收率，在红外波段(2.5μm～20μm)具有较低发射率。而对于一个实际应用中的受热体，其热辐射能量集中在波长为3.0～30.0μm的红外光谱范围内，为了减少热损失，防止吸收的短波能量又以长波形式辐射掉，就要在热辐射波段内保持尽可能低的热发射比(通常用ε表示)。总之，就是要使吸收表面在最大限度地吸收太阳辐射的同时，尽可能减小其辐射热损失。具有这一特性的材料成为当今太阳能集热管和选择性吸收膜领域研究的热点。

目前市场上出现的选择性吸热膜已有黑铬、AIN/Al、NiCrN_xO_y、TiN_xO_y等。镀铬薄膜，因电镀液污染环境，目前已逐渐淘汰；AIN/Al虽然光热性能较好，但无法在高温空气中长期工作，所以也逐渐减少；目前较多使用的NiCrN_xO_y、TiN_xO_y等吸热膜，其制作工艺较复杂，需要同时严格控制两种气体的比例，也需要用到较精密的磁控溅射仪。中国专利公开号CNI584445A所公开的NiCrN_xO_y吸热膜在对NiCr金属含量做了渐变后，最好吸收率才达到92％，最低辐射率为0.1。中国专利公开号CN101240944A及CN201196495Y所公开的TiN_xO_y薄膜，其表面再加载一层SiO₂减反膜后，吸收率可达到96％，发射率低于4％，以上膜层也需要在制备的过程中较精确地控制氮气和氧气的含量。为此，从大规模制膜技术角度考虑，需要引入新的工艺技术，从而获得廉价高性能的选择性吸收膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种原位自生长的泡沫状纳米结构的高吸收低辐射太阳光谱选择性吸收膜及其制备方法。

本发明所述的一种原位自生长的太阳选择性吸收膜，由不锈钢金属基片衬底和在不锈钢金属基片衬底上原位自生长的泡沫状纳米结构吸收薄膜组成(如图1所示)；吸收薄膜的厚度为1～3μm，过厚会增加热发射率，太薄会影响吸收率，膜层厚度可由反应时间调整控制。吸收薄膜的膜层中及膜表面分布有较均匀的由类尖晶石结构(如图2的XRD图所示可知)的Fe_3-x-yCr_xNi_yO₄(x＝0.18～0.27,y＝0.25～0.35)纳米粒子团，粒径是20～60nm，孔隙的尺寸是20～80nm(如图3的SEM图可知)。薄膜元素的摩尔组成比可由电子能谱数据可得。

本发明所述的一种原位自生长的太阳选择性吸收膜的制备方法，其步骤如下：

1)将不锈钢片表面用酒精棉擦拭，使表面变光滑和洁净；

2)将表面光滑和洁净的不锈钢片放入到5M～20M的NaOH溶液中，再一起加入到反应釜中，在100～250摄氏度下反应6～40h；

3)将反应釜取出后自然冷却至室温，再将反应产物超声7～25h；

4)将不锈钢片取出后用去离子水洗涤，最后在20～90摄氏度下干燥，从而在不锈钢片表面得到原位自生长的太阳选择性吸收膜。

本发明吸收薄膜的特点是结构简单，制备工艺简单，环境友好，膜与基底连接牢固，热稳定性好。同时具有高吸收率、低发射率，且耐候性强、使用寿命长等优异性能。

所述的不锈钢金属基片衬底是SS201、SS202、SS302、SS408、SS410、SS416、SS409、SS440、SS316L、SS304等不锈钢中的一种。该不锈钢中，按质量百分数计，含铬(Cr：16.00～18.00％)、镍(Ni：10.00～14.0％)、锰(Mn：≤2.00％)、磷(P：≤0.045％)、硫(S：≤0.030％)等，厚度为0.2～2mm。

吸收薄膜的折射率可以通过调节膜表面的微织构、膜层中的孔隙大小及分布、膜表面的孔隙大小及分布等来实现，进而控制从膜表面到不锈钢基底、从陶瓷性到金属性的过渡。