選擇性吸收腔式集熱器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及太陽能熱發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種選擇性吸收腔式集熱器。本發(fā)明中，包括集熱腔體和涂覆在集熱腔體吸熱表面的選擇性吸收涂層；選擇性吸收涂層包括金屬反射層和在金屬反射層上形成的半導(dǎo)體吸收層。本發(fā)明克服了半導(dǎo)體材料對太陽光譜吸收率低的致命缺陷，充分發(fā)揮了半導(dǎo)體能帶截止陡以及對良金屬低紅外發(fā)射率負(fù)面影響小的優(yōu)勢，從而形成能夠在高溫情況下，最大限度吸收太陽能光譜，抑制紅外輻射的高溫高效光譜選擇性集熱器。
【專利說明】選擇性吸收腔式集熱器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能熱發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種選擇性吸收腔式集熱器。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能聚焦光熱發(fā)電是唯一可實現(xiàn)低成本儲熱、可調(diào)度、甚至不間斷發(fā)電的低碳可再生能源。聚焦太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵是如何減少太陽爐的太陽光余弦損失及提高對太陽光的吸收率，將寬帶太陽光譜最大限度地轉(zhuǎn)化為熱能，并通過減少輻射面積(提高聚焦比)和降低輻射率最大限度地降低透明窗口的黑體輻射及對流熱損失。降低余弦損失及輻射面積可由選擇系統(tǒng)的跟蹤聚焦模式來實現(xiàn)，而提高吸收率和降低輻射率則需要依靠優(yōu)化設(shè)計的集熱器和特殊表面材料來實現(xiàn)。也就是說，提高太陽光吸收率以及減少對已收集熱能的輻射損失可通過采用不同幾何結(jié)構(gòu)熱靶和采用光譜選擇性吸收層材料來實現(xiàn)。
[0003]現(xiàn)有的太陽能集熱器根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可分為管式、平板式和腔式集熱器。相對于平板式和管式結(jié)構(gòu)集熱器，腔式集熱器在同樣光學(xué)口徑和表面吸收系數(shù)條件下，具有較高的等效吸收系數(shù)、多倍于相同光學(xué)口徑的換熱面積及等于光學(xué)口徑的等效輻射面積，對提高太陽光能的吸收及在高溫集熱條件下減少熱損失，具有明顯優(yōu)勢。
[0004]在輻射面積一定的情況下，為進(jìn)一步降低輻射損失，國內(nèi)外均采用在集熱器吸熱表面上使用光譜選擇性吸收涂層。太陽光譜吸收選擇性是指材料對太陽光譜的吸收率很高，對熱輻射波段(遠(yuǎn)紅外)的吸收率較低(數(shù)值上等于其輻射率)的一種特性。為克服集熱管因輻射面積大而造成熱輻射大的弊端，國外采用傳統(tǒng)三維納米復(fù)合材料選擇性吸收涂層來抑制熱輻射。但是，三維納米復(fù)合材料選擇性吸收涂層的輻射率約為0.13，并且過渡區(qū)寬，再加上腔式集熱器的輻射特性，這種選擇性吸收層無法應(yīng)用于具有本征優(yōu)勢的腔式集熱器，從而限制了太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)化效率的進(jìn)一步提高及成本的下降。
[0005]因此，本領(lǐng)域迫切需要研發(fā)一種新型的高溫高效的光譜選擇性吸收集熱器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種選擇性吸收腔式集熱器，能夠最大限度吸收太陽能光譜和抑制紅外輻射。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種選擇性吸收腔式集熱器，包括:
[0008]集熱腔體和涂覆在集熱腔體吸熱表面的選擇性吸收涂層；
[0009]選擇性吸收涂層包括金屬反射層和在金屬反射層上形成的半導(dǎo)體吸收層。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要區(qū)別及其效果在于:該新型的集熱器，將腔體集熱結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體-金屬選擇性吸收涂層相結(jié)合，利用了腔式集熱器在相同光學(xué)口徑和材料吸收系數(shù)條件下，等效吸收系數(shù)較高這一性質(zhì)，克服了半導(dǎo)體材料對太陽光譜吸收率低的致命缺陷，而且充分發(fā)揮了半導(dǎo)體能帶截止陡以及對良金屬低紅外發(fā)射率(0.02)負(fù)面影響小的優(yōu)勢，從而能夠在高溫情況下，形成最大限度吸收太陽能光譜，抑制紅外輻射的高溫高效光譜選擇性的集熱器。[0011]可選的，半導(dǎo)體吸收層為Ge、S1、PbS, Ag2S, Cu2S, TiS2或MnS2中任一種半導(dǎo)體材料或其組合。
[0012]可選的,金屬反射層由Au、Al、Cu、Al、W、Pt中任一種低發(fā)射率的金屬制成。
[0013]可選的，集熱腔體表面和金屬反射層之間設(shè)有粘附層。能夠保證選擇性吸收涂層在高低溫循環(huán)過程中的穩(wěn)定性。
[0014]可選的，金屬反射層和半導(dǎo)體吸收層之間設(shè)有緩沖層。緩沖層能夠避免半導(dǎo)體吸收層與金屬反射層相互擴(kuò)散反應(yīng)所帶來的選擇性吸收功能的降低問題。
[0015]可選的，緩沖層采用惰性金屬或金屬反射層的氧化物制成。惰性金屬或金屬反射層的氧化物在高溫有氧條件下導(dǎo)電率較大(接近良金屬)、不與半導(dǎo)體吸收層及金屬反射層發(fā)生反應(yīng)、穩(wěn)定性高。
[0016]可選的，半導(dǎo)體吸收層和抗氧化層之間設(shè)有增透膜。增透膜解決了半導(dǎo)體由于介電常數(shù)高、界面反射大而引起的低吸收系數(shù)問題。
[0017]可選的，增透膜由MgF2、AlN-Al、Al2O3、Al2O3-W任一種材料制成。
[0018]可選的，選擇性吸收涂層表面設(shè)有抗氧化層。在選擇性吸收涂層表面設(shè)置抗氧化層來防止薄膜的高溫氧化，提高選擇性吸收涂層的高溫穩(wěn)定性與可靠性。
[0019]可選的，集熱器的工作溫度為250-500°C。較佳的，集熱器的工作溫度為400°C。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明較佳實施例的選擇性吸收腔式集熱器中集熱腔體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明較佳實施例的選擇性吸收腔式集熱器中另一集熱腔體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明較佳實施例的選擇性吸收腔式集熱器中選擇性吸收涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3是本發(fā)明較佳實施例的選擇性吸收腔式集熱器中選用Ge/Al作為半導(dǎo)體-金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)選擇性涂層的光譜吸收效率的實驗數(shù)據(jù)圖。
【具體實施方式】
[0024]在以下的敘述中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，即使沒有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現(xiàn)本申請各權(quán)利要求所要求保護(hù)的技術(shù)方案。
[0025]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。圖中相同或相似的構(gòu)件采用相同的附圖標(biāo)記表示。
[0026]圖1、圖2和圖3分別示出了本發(fā)明的選擇性吸收腔式集熱器的較佳實施例。圖1、圖2是該選擇性吸收腔式集熱器的集熱腔體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是該選擇性吸收腔式集熱器的選擇性涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]參見圖1，集熱器的腔體包括采光口 11和腔體吸收表面12，在某些其他實施方式中，只要是由開口和凹曲面的組成的腔體結(jié)構(gòu)，均可作為本發(fā)明集熱器的腔體，另一種集熱器的腔體結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)光線經(jīng)過采光口 11后，經(jīng)過在腔體內(nèi)表面的多次反射，增大了集熱器的有效吸收系數(shù)，從而實現(xiàn)了高效率的吸收。在該腔體的吸收表面12上涂覆上述選擇性吸收涂層，參見圖2，該涂層包括涂覆在腔體吸收表面的粘附層21、形成在粘附層21上的金屬反射層22、形成在金屬反射層22上的緩沖層23、形成在緩沖層23上的半導(dǎo)體吸收層24、形成在半導(dǎo)體吸收層24上的增透膜25，及涂覆在選擇性涂層表面或自身形成的抗氧化層26。
[0028]該金屬-半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)的選擇性吸收涂層，只吸收可見光，不吸收紅外光，同時也不向外輻射紅外光，增加了吸熱效率。
[0029]半導(dǎo)體吸收層24選用Ge、S1、PbS、Ag2S、Cu2S、TiS2或11 nS2中任一種或其組合的半導(dǎo)體材料。綜合考慮半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)、地表太陽輻射光譜、光吸收理論、能帶以上光譜的吸收度及對能帶以下光譜的透射度選擇合適的半導(dǎo)體材料作為太陽光譜吸收層，薄膜厚度可以為l_5um。制備方法采用真空(濺射等)或者非真空(電鍍、蒸發(fā)、化學(xué)鍍等)的方法進(jìn)行。
[0030]金屬反射層22選用Au、Al、Cu、Al、W、Pt中任一種低發(fā)射率的金屬，綜合考慮溫度穩(wěn)定性、薄膜厚度、熱發(fā)射系數(shù)等因素，選擇具有較低發(fā)射率的金屬(如Au、Al、Cu、Al、W、Pt等良金屬)，并通過濺射、電鍍、蒸發(fā)、化學(xué)鍍、銀鏡反應(yīng)等制備方法獲得金屬反射層薄膜。
[0031]粘附層21能夠保證選擇性吸收涂層在高低溫循環(huán)過程中的穩(wěn)定性?？筛鶕?jù)所選粘附層21與腔體吸收表面12、金屬反射層22的熱膨脹系數(shù)相差不大，有害元素向金屬緩沖層中的擴(kuò)散小等原則進(jìn)行選擇，通過濺射、電鍍、蒸發(fā)、化學(xué)鍍、銀鏡反應(yīng)等制備方法在吸收表面12和金屬反射層22之間加入一層粘附層21薄膜。該粘附層21并非是必要的，可根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。
[0032]緩沖層23采用惰性金屬或所述金屬反射層22的氧化物制成。為了避免半導(dǎo)體吸收層24與金屬反射層22相互擴(kuò)散反應(yīng)所帶來的選擇性吸收功能的降低，緩沖層23薄膜的選擇應(yīng)依據(jù)高溫有氧條件下導(dǎo)電率較大(接近良金屬)、不與兩者發(fā)生反應(yīng)、穩(wěn)定性高等原則進(jìn)行。該緩沖層也不是必要的，可視具體情況進(jìn)行選擇性設(shè)置。
[0033]增透膜25根據(jù)薄膜干涉效應(yīng)、上下層薄膜材料的折射率、薄膜厚度對增透膜反射率的影響等因素來進(jìn)行增透層25薄膜材料(MgF2、A1N-A1, A1203、Al2O3-W等)和結(jié)構(gòu)(單層或者多層)的選擇，增透膜解決了半導(dǎo)體由于介電常數(shù)高、界面反射大而引起的低吸收系數(shù)問題。
[0034]氧化層26，可以根據(jù)是否在有氧情況下進(jìn)行工作等條件進(jìn)行選擇。本發(fā)明的選擇性吸收涂層在高溫時，如250-500°C時，具有較強(qiáng)的抗氧化能力，可以自行生成抗氧化層26，無需再在選擇性吸收涂層表面設(shè)置抗氧化層26，具有更高的穩(wěn)定性。
[0035]參見圖3，為本發(fā)明的集熱器的光譜吸收效率的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)圖。由圖可見，該實施例選用Ge作為半導(dǎo)體吸收層，Al作為金屬反射層，以Ge/Al半導(dǎo)體-金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)作為選擇性吸收涂層，在400°C條件下，太陽能光譜選擇吸收的相關(guān)數(shù)據(jù)。由圖可見，經(jīng)過腔式結(jié)構(gòu)的放大作用，Ge半導(dǎo)體的吸收系數(shù)由0.9增大到0.98，光譜能量積分效率由88%升高到97%。所以，腔式集熱器可以克服半導(dǎo)體對太陽光譜吸收率低的致命缺陷，而充分發(fā)揮了半導(dǎo)體能帶截止陡以及對良金屬低紅外發(fā)射率低的優(yōu)勢，顯著提高集熱器的等效吸收系數(shù)和光譜能量積分效率。
[0036]因此，采用腔式集熱器，在同樣光學(xué)孔徑和材料吸收系數(shù)條件下，完全可克服半導(dǎo)體材料本征吸收率低的致命缺陷，達(dá)到較高的集熱器等效吸收系數(shù)。[0037]綜上所述，該新型的集熱器，將腔體集熱結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體-金屬選擇性吸收涂層相結(jié)合，利用了腔式集熱器在同樣光學(xué)口徑和材料吸收系數(shù)條件下，等效吸收系數(shù)較高這一性質(zhì)，克服了半導(dǎo)體材料對太陽光譜吸收率低的致命缺陷，而充分發(fā)揮了半導(dǎo)體能帶截止陡以及對良金屬低紅外發(fā)射率(0.02)負(fù)面影響小的優(yōu)勢，從而形成能夠在高溫情況下，最大限度吸收太陽能光譜，抑制紅外輻射的高溫高效光譜選擇性的集熱器。
[0038]雖然通過參照本發(fā)明的某些優(yōu)選實施方式，已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了圖示和描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作各種改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種選擇性吸收腔式集熱器，其特征在于，包括: 集熱腔體和涂覆在所述集熱腔體吸熱表面的選擇性吸收涂層； 所述選擇性吸收涂層包括金屬反射層和在所述金屬反射層上形成的半導(dǎo)體吸收層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集熱器，其特征在于，所述半導(dǎo)體吸收層為Ge、S1、PbS、Ag2S、Cu2S, TiS2或MnS2中任一種半導(dǎo)體材料或其組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集熱器，其特征在于，所述金屬反射層由Au、Al、Cu、Al、W、Pt中任一種低發(fā)射率的金屬制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集熱器，其特征在于，所述集熱腔體表面和金屬反射層之間設(shè)有粘附層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集熱器，其特征在于，所述金屬反射層和半導(dǎo)體吸收層之間設(shè)有緩沖層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的集熱器，其特征在于，所述緩沖層采用惰性金屬或所述金屬反射層的氧化物制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集熱器，其特征在于，所述半導(dǎo)體吸收層和抗氧化層之間設(shè)有增透膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的集熱器，其特征在于，所述增透膜由MgF2、A1N-A1、A1203、Al2O3-W任一種材料制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集熱器，其特征在于，所述選擇性吸收涂層表面設(shè)有抗氧化層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集熱器，其特征在于，所述集熱器的工作溫度為250-500°C。
【文檔編號】F24J2/48GK103574949SQ201210279644
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月7日
【發(fā)明者】項曉東, 張融 申請人:益科博能源科技（上海）有限公司