CN203274309U - 太阳能吸收涂层、涂层在衬底上的布置 - Google Patents

太阳能吸收涂层、涂层在衬底上的布置 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种用于吸收太阳光能量的太阳能吸收涂层，其中，该涂层包括具有以下堆叠顺序的多层堆叠：至少一个第一吸收层，其用于吸收太阳光的某个光谱的吸收辐射；至少一个透射电介质层，其用于吸收辐射的透射；以及至少一个第二吸收层，其用于吸收所述吸收辐射；其中，吸收层材料中的至少一个具有选自在1.5和4.0之间的范围的用于吸收辐射的吸收层材料折射率na以及选自在0.8和3.0之间的范围的用于吸收辐射的吸收层材料消光系数ka；以及透射电介质层材料，其具有选自在1.0和3.0之间的范围的用于吸收辐射的电介质层材料折射率nd，以及选自在0.0和0.2之间的范围的用于吸收辐射的电介质层材料消光系数kd。所述太阳光的某个光谱在从350nm至2500nm范围内。此外，提供了一种用于制造该布置的方法。为了在衬底的衬底表面上附着多层堆叠，使用例如溅射的薄膜沉积。该布置在发电厂中被用于将太阳能转换成电能。

Description

太阳能吸收涂层、涂层在衬底上的布置
技术领域
本发明涉及用于吸收太阳光能量的太阳能吸收涂层、涂层在衬底的衬底表面上的布置。此外，提供了该布置的使用。 
背景技术
基于集中太阳能技术的太阳场地发电厂的太阳能收集单元包括例如具有抛面镜和热接收管的槽。该热接收管被布置在反射镜的焦线中。通过该反射镜，太阳光被聚焦至热接收管，其填充有热传递流体，例如热油。经由热接收管，太阳光的能量被耦合至热传递流体中。太阳能被转换成热能。 
为了使用来将太阳光的能量耦合至热传递流体中的效率最大化，将太阳能吸收涂层附着在热接收管的表面上。此类吸收涂层一般包括具有依次被放置的薄膜层的多层堆叠，所述薄膜层具有不同的光学特性。 
吸收涂层的必需总体光学特性是用于太阳光谱（吸收辐射）的波长的高日光吸收率（低日光反射率）。 
另外，用于红外辐射的低发射率（高反射率）是有利的。 
根据US 5,523,132已知带有具有吸收层材料的吸收层的吸收涂层。该吸收层包括作为吸收层材料的金属陶瓷。该金属陶瓷是具有至少两个物理相的复合材料。一个相由作为电介质材料的至少一个复合基体材料形成。第二相由至少一种金属颗粒形成。分布在复合基体材料内的金属颗粒的量由填充因数（F.F.）给定。吸收层材料的消光系数随着金属颗粒的填充因数而增加。因此，吸收层的吸收率也随着填充因数的增加而增加（吸收层的层厚度是相同的）。另外，这些吸收层是对于红外区的电磁波而言是透明或接近透明的。 
发明内容
本发明的目的是提供一种用于太阳能的高效吸收涂层。该涂层应具有用于太阳光的高日光吸收率和用于红外辐射的低发射率。在300℃- 500℃及以上的高温下应实现这些光学特性。 
本发明的另一目的是提供一种具有太阳能吸收涂层的布置。 
本发明的另一目的是一种用于制造该布置的方法和该布置的使用。 
由在权利要求中指定的发明来实现这些目的。 
公开了一种用于吸收太阳光能量的太阳能吸收涂层，其中，该涂层包括具有以下堆叠顺序的多层堆叠：至少一个第一吸收层，其具有用于吸收太阳光的某个光谱的吸收辐射的至少一个第一吸收层材料；至少一个透射电介质层，其具有用于吸收辐射的透射的至少一个透射电介质层材料；以及至少一个第二吸收层，其具有用于吸收所述吸收辐射的至少一个第二吸收层材料；其中，吸收层材料中的至少一个具有选自在1.5和4.0之间的范围的用于吸收辐射的吸收层材料折射率na，以及选自在0.8和3.0之间的范围的用于吸收辐射的吸收层材料消光系数ka；以及透射电介质层材料，其具有选自在1.0和3.0之间的范围的用于吸收辐射的电介质层材料折射率nd，以及选自在0.0和0.2之间的范围的用于吸收辐射的电介质层材料消光系数kd。所述太阳光的某个光谱在从350nm至2500nm范围内。每个层的光学特性（吸收率A和透射T）的关系是由等式A＝1 - T给定的。用具有所述堆叠顺序的多层堆叠，太阳光被高效地耦合至多层堆叠中并被俘获在多层堆叠内。 
除太阳能吸收涂层之外，公开了太阳能吸收涂层在衬底的衬底表面上的布置，其中，吸收层中的一个被附着于衬底表面。此吸收层优选地被直接附着于衬底表面。该衬底表面优选地包括红外光反射表面。例如，该红外光反射表面是由在主体、例如热接收管上具有铜（200nm）的薄层实现的。类似于银或铝或金属合金的其他金属也是可能的。 
在另一优选实施例中，在多层堆叠的一侧上附着用于太阳光的防反射涂层，其被转移至衬底的衬底表面。由此，减少了用于耦合到热传递流体中的太阳光的损失。几乎所有太阳光都到达光学活性吸收涂层。防反射涂层包括例如氧化铝或氧化硅。其他材料或不同材料的混合物也是可能的。防反射涂层的厚度选自在30nm和200nm之间的范围，并且优选地选自在60nm和120nm之间的范围。 
在优选实施例中，衬底是用于将太阳能转换成电能的发电厂的接收管的一部分。该接收管能够载送热传递液体。被吸收的太阳能（太阳光）被转换成热传递流体的热能。借助于吸收涂层，太阳光的能量被高效地耦合到热传递液体中。 
为了解决该问题，另外提供了一种用于制造该布置的方法，包括以下步骤：a）提供具有衬底表面的衬底，以及b）在衬底的衬底表面上附着多层堆叠。为了在衬底的衬底表面上附着多层堆叠，优选地使用薄膜沉积技术。该薄膜沉积技术选自由原子层沉积、化学汽相沉积和物理汽相沉积组成的组。在优选实施例中，使用溅射作为物理汽相沉积。该溅射可以是通过RF溅射方法。优选地借助于DC电源来执行溅射。对于包含金属的靶，可以用DC溅射。为了使靶电绝缘，使用RF溅射。 
最后，描述了该布置在太阳场发电厂中的用于将太阳能转换成电能的使用，其中，借助于该布置来执行太阳光能量的吸收。例如，该布置的衬底由太阳场发电厂的日光收集单元的热接收管形成。热接收管被布置在槽的抛面反射镜的焦线中。用该反射镜，太阳光被聚焦至热接收管，其填充有热传递流体。该热传递流体是热油或熔融热盐。经由热接收管，太阳光的能量被耦合至热传递流体。由于热接收管的表面上的太阳能吸收涂层，太阳能被高效地耦合到热传递流体中。 
多层堆叠具有吸收涂层的新层分布（profile）。从而，该层被相互直接附着。堆叠的相邻层至少部分地相互覆盖。特别地，一层完全覆盖下方的层。 
单独的吸收层吸收所述吸收辐射。与透射电介质层对于吸收辐射而言是透明的或几乎透明的相反。这些层的堆叠导致具有用于在太阳场发电厂中的应用的总体良好光学特性的非常高效的吸收涂层。在超过300℃的温度下，吸收涂层吸收几乎所有太阳光辐射。另外，在这些高温下的用于红外辐射的发射率是非常低的。结果，被吸收能量能够几乎完全传递至热传递液体。 
多层堆叠可以仅由这三个层组成。但是堆叠超过这三个层是有利的。这导致吸收涂层的较高选择性。 
因此，在优选实施例中，多层堆叠包括具有另一透射电介质层材料的至少一个另一透射电介质层，其中，该另一透射电介质层材料具有选自在1.0和3.0之间的范围的用于吸收辐射的另一电介质层材料折射率ndf，以及选自在0.0和0.2之间的范围的用于吸收辐射的另一电介质层材料消光系数kdf；并且所述另一透射电介质层被直接附着于吸收层中的一个，使得此吸收层被布置在透射电介质层与所述另一透射电介质层之间。 
在另一优选实施例中，所述多层堆叠另外包括具有至少一个另一吸收层材料的至少一个另一吸收层，其中，所述另一吸收层材料具有选自在1.5和4.0之间的范围的用于吸收辐射的另一吸收层材料折射率naf以及选自在0.8和3.0之间的范围的用于吸收辐射的另一吸收层材料消光系数kaf；并且所述另一吸收层被直接附着于所述另一透射电介质层，使得所述另一透射电介质层被布置在第一吸收层与所述另一吸收层之间，或者所述另一吸收层被直接地附着于所述另一透射电介质层，使得所述另一透射电介质层被布置在第二吸收层与所述另一吸收层之间。作为所述替换的结果，将吸收层和电介质层交替地堆叠。 
在优选实施例中，吸收层材料中的至少一个是金属陶瓷。从而，两个或更多吸收层可以包括金属陶瓷。金属陶瓷包括有具有至少一个电介质基体材料的复合基体和具有至少一个金属的金属颗粒的复合材料，其中，该金属颗粒分布在复合基体中。电介质基体材料优选地选自由氧化铝（Al2O3）、氧化硅（SiO2）、氧化钛（TiO2）和氧化锆（ZrO2）组成的组。其他材料也是可能的。不同吸收层的金属陶瓷基体材料可以是相同的。但是吸收层的不同基体材料也是可能的。 
氧化铝是透明材料且可以用作透射电介质层材料或作为另一透射电介质材料。通常，吸收层的电介质基体材料可以用作透射电介质层材料。这具有优点，即减少了由于不同热膨胀系数而引起的用于热应力发生的概率。因此，优选地，透射电介质层材料选自由氧化铝、氧化硅、氧化钛和氧化锆组成的组。有利的是这些材料是相同材料，但是不是必需的，电介质基体材料和透射电介质层材料是相同材料。 
对于吸收层的吸收率而言，金属颗粒的含量是决定性的。金属颗粒导致高吸收率。在优选实施例中，金属选自由钼、钽和钨组成的组。类似于铜、铂和银的其他金属或金属的金属合金也是可能的。不同吸收层的吸收层材料可以包括具有相同金属或金属合金的金属颗粒。但是不同的金属或金属合金也是可能的。 
填充系数（每总体积的金属体积分数）越高，吸收率越高。在优选实施例中，复合材料中的金属颗粒的金属含量选自在25 vol.%和50 vol.%之间的范围且优选地选自在30 vol.%和45 vol.%之间的范围。 
更高或更低的分数也是可能的。从而，不同的吸收层材料的填充因数可以是相等或几乎相等的。但是不同的填充因数也是可能的。 
另外，层的厚度对于单独层的光学特性而言是重要的，并且因此对于吸收涂层的总体光学特性而言是重要的。在优选实施例中，吸收层中的至少一个包括选自在1nm和100nm之间的范围且特别地选自在5nm和50nm之间的范围的吸收层厚度。吸收层可以具有相同的吸收层厚度。但是在优选实施例中，吸收层厚度不同。由此，使吸收涂层的总体光学特性最优化。特别地，吸收层中的至少一个的吸收层厚度选自在5nm和30nm之间的范围且吸收层中的至少另一个的吸收层厚度选自在30nm和50nm之间的范围。 
附图说明
根据参考附图的示例性实施例的描述产生了本发明的其他特征和优点。 
图1示出了衬底的衬底表面上的太阳能吸收涂层的布置的示例的横截面。 
图2示出了衬底的衬底表面上的太阳能吸收涂层的布置的第二示例的横截面。 
图3示出了基于第一示例的太阳能吸收涂层的总体光学反射率。 
具体实施方式
给出了衬底的衬底表面14上的太阳能吸收涂层1的布置100。该衬底由热接收管10形成。在热接收管内部可以布置热传递流体11。该热传递流体是热油。在另一实施例中，热传递流体是熔盐。 
热接收管涂敷有扩散阻挡层12和红外光反射层13。红外光反射层具有约200nm的厚度且由铜组成。扩散阻挡层12包括氧化硅和氧化铝。扩散阻挡层的厚度等于约100nm。布置在热接收管的壁与红外光反射层之间的扩散阻挡层停止红外光反射层13的铜到热接收管的壁中的扩散。 
红外光反射层13形成衬底表面14，太阳能吸收涂层15被附着在其上面。 
示例1. 
用于吸收太阳光能量的太阳能吸收涂层包括具有以下堆叠顺序的多层堆叠15：具有第一吸收层材料的一个第一吸收层16、具有透射电介质材料的透射电介质层17和具有第二吸收层材料的第二吸收层18。吸收层材料是金属陶瓷。由此给出“CDC”分布。
第一吸收层16具有约30nm的第一吸收层厚度。第二吸收层18具有约5nm的第二吸收层厚度。 
第一吸收层（第一金属陶瓷层）的填充因数等于约45%。用于吸收辐射的第一吸收层材料折射率na在1.5至4.0范围内。用于吸收辐射的第一吸收层材料消光系数ka在1.0和1.5之间的范围内。第二吸收层材料具有相同的光学特性。关于替换实施例，第一和第二吸收层的特性是不同的，例如层的厚度、填充因数、基体材料和金属颗粒的金属材料。这些不同的特性导致吸收层的不同光学性质。 
中间透射电介质层具有透射层材料，其具有选自在1.0和3.0之间的范围的用于吸收辐射的电介质层材料折射率nd以及选自在0.0和0.2之间的范围的用于吸收辐射的电介质层材料消光系数kd。 
此层的厚度为约20nm。透射电介质材料是氧化铝。 
多层堆叠是由防反射层19完成的，其被转移至衬底的衬底表面。此层的厚度为约60nm。此层由氧化硅组成。替换地，此层由氧化铝组成。 
为了在热接收管的表面上制造多层堆叠，执行溅射技术。从而，对于包含金属的靶，使用DC溅射。 
在图3中，可以看到太阳能吸收涂层的反射的所计算波长相关性。 
示例2： 
另一透射电介质层20被附着在第二吸收层18上，使得第二吸收层18被布置在透射层17与另一透射层20之间。所述另一透射层具有与透射层17相同的特性。这意味着透射电介质层材料以及这些层的厚度是相同的。
另外，另一吸收层21被附着于另一透射电介质层20，使得所述另一透射电介质层被布置在第二吸收层18与另一吸收层21之间。所述另一吸收层也包括金属陶瓷。另一吸收层21的特性与第二吸收层18的特性相同。关于示例2，实现了“CDCDC”分布。 

Claims (7)

1.用于吸收太阳光能量的太阳能吸收涂层（1），其中，所述涂层包括具有以下堆叠顺序的多层堆叠（15）：
—至少一个第一吸收层（16），其具有用于吸收太阳光光谱的吸收辐射的至少一个第一吸收层材料；
—至少一个透射电介质层（17），其具有用于吸收辐射的透射的至少一个透射电介质层材料；以及
—至少一个第二吸收层（18），其具有用于吸收所述吸收辐射的至少一个第二吸收层材料；
其中
—吸收层材料中的至少一个具有用于所述吸收辐射的吸收层材料折射率na，以及用于所述吸收辐射的吸收层材料消光系数ka，其中用于所述吸收辐射的吸收层材料折射率na选自在1.5和4.0之间的范围，以及用于所述吸收辐射的吸收层材料消光系数ka选自在0.8和3.0之间的范围；以及
—所述透射电介质层材料具有用于所述吸收辐射的电介质层材料折射率nd以及用于所述吸收辐射的电介质层材料消光系数kd，其中用于所述吸收辐射的电介质层材料折射率nd选自在1.0和3.0之间的范围，以及用于所述吸收辐射的电介质层材料消光系数kd选自在0.0和0.2之间的范围。
2.根据权利要求1所述的太阳能吸收涂层，其中，所述多层堆叠包括具有至少一个另一透射电介质层材料的至少一个另一透射电介质层（29），其中
—所述另一透射电介质层材料具有选自在1.0和3.0之间的范围的用于所述吸收辐射的另一电介质层材料折射率ndf以及选自在0.0和0.2之间的范围的用于所述吸收辐射的另一电介质层材料消光系数kdf；以及
—所述另一透射电介质层被直接附着于所述吸收层中的一个，使得该吸收层被布置在所述透射电介质层与所述另一透射电介质层之间。
3.根据权利要求2所述的太阳能吸收涂层，其中，所述多层堆叠包括具有至少一个另一吸收层材料的至少一个另一吸收层（21），其中
—所述另一吸收层材料具有选自在1.5和4.0之间的范围的用于所述吸收辐射的另一吸收层材料折射率naf以及选自在0.8和3.0之间的范围的用于所述吸收辐射的另一吸收层材料消光系数kaf；以及
—所述另一吸收层被直接附着于所述另一透射电介质层，使得所述另一透射电介质层被布置在所述第一吸收层与所述另一吸收层之间，或者所述另一吸收层被直接地附着于所述另一透射电介质层，使得所述另一透射电介质层被布置在所述第二吸收层与所述另一吸收层之间。
4.根据前述权利要求中的一项所述的太阳能吸收涂层，其中，所述吸收层材料中的至少一个是金属陶瓷。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳能吸收涂层，其中，所述金属选自由钼、钽和钨组成的组。
6.根据前述权利要求1-3中任一项所述的太阳能吸收涂层，其中，所述吸收层中的至少一个包括选自在1nm和100nm之间的范围且特别地选自在5nm和50nm之间的范围的吸收层厚度。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的太阳能吸收涂层，其中，所述吸收层中的至少一个的吸收层厚度选自在5nm和30nm之间的范围且所述吸收层中的至少另一个的吸收层厚度选自在30nm和50nm之间的范围。
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