[發(fā)明專利]制備用于大氣環(huán)境下高溫太陽能選擇性吸收涂層的新工藝

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610382413.X
• 申請日: 2016-06-02
• 公開（公告）號: CN105779926B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宮殿清;徐英杰;崔澤琴;程旭東;程銀龍
• 申請（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號: C23C4/129
• 分類號: C23C4/129;C23C4/06;C23C4/18
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙)14100
• 代理人: 朱源

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及制備應(yīng)用于大氣環(huán)境下的高溫太陽能選擇性吸收涂層，具體是一種制備太陽能選擇性吸收涂層的新工藝。

背景技術(shù)

能源危機(jī)是目前人類生存所面臨的嚴(yán)重危機(jī)之一。與眾多化石能源相比，太陽能可以近似看作一種取之不盡用之不竭的清潔能源。太陽能源于太陽內(nèi)部的熱核反應(yīng)，氫是反應(yīng)材料，由于在太陽內(nèi)部深處的極高溫度和上面各層存在的巨大壓力，發(fā)生了氫變?yōu)楹さ臒岷司圩兎磻?yīng)，反應(yīng)過程中虧損的質(zhì)量便轉(zhuǎn)化成了能量向空間輻射。而人類所使用的化石燃料，其能量從根本上講也來自太陽能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與目前人類所能開發(fā)的核能、地?zé)岬饶芰肯啾?，地球所截取的太陽輻射能總量較其總儲量大5000多倍。而地球每年接受的太陽能總量則是已探明原油儲量的近千倍，是世界年耗總能量的一萬余倍。因而太陽能應(yīng)用是一個(gè)很有潛力的研究。

但是，在利用集熱器吸收太陽能時(shí)，入射太陽光的能量在集熱器表面會有反射損失、傳導(dǎo)和對流損失、輻射損失。剩余部分才是能為傳熱媒質(zhì)帶走而得到利用的有效部分。因此，為了最大限度地利用入射太陽光的能量，就必須盡量抑制這些熱損失。對于傳導(dǎo)和對流損失，可以通過在吸熱面表面加蓋透明蓋板，使用透明隔熱材料或使用真空管集熱器等方法來降低這方面的熱損失。對于抑制表面的反射損失和輻射損失，則是利用光譜選擇性吸收涂層來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)輻射的能量投射到物體表面時(shí)，同時(shí)會發(fā)生吸收、反射和透射現(xiàn)象。對同一波長的光波而言，材料的吸收率和發(fā)射率相等，即吸收率高則相應(yīng)地發(fā)射率也高。但吸收率α與反射率r及透射率t會遵從關(guān)系式：α+r+t=1。對于不透明材料而言，由于t=0，則α+r=1。而對于黑色物體來說，r≈0，則α≈l。將這一要求指標(biāo)化，就是需要高的吸收率（α）和低的發(fā)射率（ε）。根據(jù)以上討論，可知在表面上制備太陽能選擇性吸收涂層是一個(gè)理想的方法。然而，太陽能的分布并不均勻，其光輻射能量主要分布在波長λ為0.3 ~ 2.5 μm的光譜區(qū)內(nèi)，也就是說太陽輻射能主要分布在可見光和近紅外區(qū)。而物體受熱發(fā)生黑體輻射的能量主要分布在波長為2 ~ 100 μm的光譜區(qū)中，也就是主要在遠(yuǎn)紅外區(qū)。因此，最有效的太陽能選擇性吸收涂層是在太陽光譜范圍內(nèi)，即λ<2.5 μm，有α≈1(即r≈0)；而在λ>2.5μm，即熱輻射波長范圍內(nèi)，有ε≈0(即r≈1或α≈0) 。但在實(shí)際制備涂層時(shí)，當(dāng)α達(dá)到某一數(shù)值后，要想進(jìn)一步增大α，ε也會隨之增大。而且，有時(shí)ε增加的值大于α增加的值，故研究中經(jīng)常應(yīng)用α與ε的比值(α/ε)來表征涂層選擇性的高低。在太陽能選擇性吸收涂層的實(shí)際應(yīng)用中，還要考慮環(huán)境因素對其性能的影響，例如溫度、濕度、酸堿度等因素都可能使涂層的性能受影響。

太陽能選擇性吸收涂層的研究始于上個(gè)世紀(jì)中葉。之前的太陽能集熱器一直使用黑板漆和無光黑漆作為吸收涂層，這種涂層沒有選擇性。直到1954年，在第一次世界太陽能大會上以色列專家泰勒和美國專家吉爾頓柯爾論證了制作高吸收率和低發(fā)射率的選擇性涂層表面的可能性，并且分別提出黑鎳和黑鉻兩種表面涂層。之后，澳大利亞、以色列、德國、日本等國都投入巨資進(jìn)行相關(guān)研究，開發(fā)出一系列的選擇性吸收涂層。其中，澳大利亞悉尼大學(xué)研究出涂層的3層結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種經(jīng)典結(jié)構(gòu)，已被普遍采用。這種結(jié)構(gòu)里層是亮金屬反射層，中間是太陽能吸收層，外層是減反射層。日本科學(xué)家設(shè)計(jì)出了在鋁做基板，上面覆蓋有機(jī)樹脂的涂層。Pathkar則在玻璃襯底上沉積黑鈷。Reis提出在鈷基體上涂覆黑鎳、電鍍黑鎳等涂層。Kalleder采用溶膠—凝膠法從一種可水解、可縮聚的化合物中制取含碳母體用作涂層材料。

從上個(gè)世紀(jì)70年代末，我國逐漸開展太陽能利用方面的研究。清華大學(xué)、北京市太陽能研究所、遼寧省能源研究所、中國科學(xué)院上海硅酸所、北京有色金屬研究總院等單位和一些太陽能企業(yè)開始研究開發(fā)選擇性吸收涂層，先后研制出硫化鉛/瀝青漆涂層、黑鉻涂層、黑鈷涂層、鋁氮氧漸變型選擇性吸收涂層。

之后，清華大學(xué)在氬氣中采用磁控濺射工藝制備出Al-N、Al-N-O涂層；上海硅酸鹽研究所提出以有機(jī)材料、玻璃及金屬為基板的黑鋁涂層；李守祥研制了采用O、N共同參與的鋁陰極反應(yīng)的涂層；沈陽臺陽太陽能公司研制并應(yīng)用了表層為鋁—氮膜，吸收層為鋁—碳膜的涂層；張?jiān)粕教岢隽擞晌鼰岵牧虾驼辰Y(jié)劑組成的涂料型涂層；青島建工學(xué)院發(fā)明了一種由吸光劑、粘結(jié)劑、溶劑和助劑組成的涂層；李先航提出了金屬陶瓷型涂層。