專利名稱：鎳-氧化鋁涂覆的太陽能吸收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及太陽能集熱器(thermal solar collector)系統(tǒng)，更具 體地，涉及光譜選擇性涂覆的太陽能吸收器(solar absorber )。
背景技術(shù)：
在過去的30年期間，太陽能系統(tǒng)已吸引了越來越多的商業(yè)興趣。在地 球上潛在地可用的大量太陽輻射構(gòu)成實(shí)際上無限的能源。利用太陽能的一 種備選方案是使用太陽能集熱器系統(tǒng)。典型地，太陽能收集器(collector) 系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的元件是太陽能集熱器。目前主導(dǎo)市場的有兩種收集 器類型，即平板型和真空管型。這兩種結(jié)構(gòu)的最重要部分是吸收器，其利 用光-熱轉(zhuǎn)換將太陽輻射轉(zhuǎn)換為熱。典型地，所吸收的熱量備轉(zhuǎn)移到液體或 氣體媒質(zhì)，該媒質(zhì)流經(jīng)連接到吸收器的管道。由對流、輻射和傳導(dǎo)引起損 耗。通過分別用透明玻璃覆蓋吸收器并使收集器箱絕熱，減輕對流和傳導(dǎo)。 通過處理吸收器表面，可降低輻射損耗。大多數(shù)吸收器被構(gòu)造為翼片(fm)吸收器，并由具有良好導(dǎo)熱性和高 紅外反射性的金屬板例如鋁或銅構(gòu)成。該板優(yōu)選涂覆有光譜選擇性吸收的 薄表面層。 一個(gè)理想的吸收器應(yīng)吸收所有的太陽輻射，但避免作為紅外輻 射即熱而損耗所吸收的能量。在文章[lj中，調(diào)研了其基底被兩個(gè)薄層覆蓋的吸收器。覆蓋基底的第 一層由嵌入氧化鋁的介電基體(matrix)中的鎳納米顆粒構(gòu)成。最佳涂覆 具有65體積百分比的溶液鎳含量，0.1nm的厚度以及約10nm的顆粒尺寸。 最外層是抗反射層?？寐兜牡谝粚犹峁?.83的標(biāo)稱太陽能吸收率和0.03 的標(biāo)稱熱發(fā)射率。通過添加抗反射層，太陽能吸收率可增大至0.92的最大值。根據(jù)[2]，發(fā)現(xiàn)最佳抗反射層為氧化鋁層，而氧化硅和混合氧化硅抗反 射層提供0.卯-0.91的吸收率。然而，氧化鋁不能耐受必要的加速老化測試， 因此不能^f皮用于商業(yè)產(chǎn)品中。即使具有這樣高的吸收率值，入射的太陽輻射的高達(dá)8%將根本不被 吸收。然而，大多數(shù)商業(yè)系統(tǒng)會受益于更小的損耗。在[31中，可以得到這 樣的結(jié)論，包括更多層的吸收器至少理論上會進(jìn)一步提高效率。利用一般 知識，由其它類型的多層吸收器系統(tǒng)預(yù)計(jì)有不大于5%的損耗(即0.95的 吸收率)。發(fā)明內(nèi)容現(xiàn)有技術(shù)的太陽能吸收器的一個(gè)普遍問題在于，它們?nèi)猿尸F(xiàn)不希望的 高輻射損耗?，F(xiàn)有技術(shù)的太陽能吸收器的另一個(gè)問題在于，制造成本過高。 又一個(gè)問題在于，引導(dǎo)商業(yè)可用的太陽能吸熱器的制造工藝?yán)脧?fù)雜且昂 貴的真空技術(shù)。因此，本發(fā)明的一個(gè)一般目的在于提供特別地在吸收率方面改進(jìn)的太 陽能吸收器。本發(fā)明的另一目的是提供這樣的改進(jìn)的太陽能吸收器，其允 許成M效且環(huán)境友好的制造。本發(fā)明的又一目的是提供太陽能吸收器，其允許避免真空技術(shù)的制造。通過根據(jù)所附的專利權(quán)利要求的裝置，實(shí)現(xiàn)上述目的。 一般地說，太 陽能吸收器具有用至少三個(gè)薄層覆蓋的基底。最外層優(yōu)選為抗反射層。最 內(nèi)層有嵌入氧化鋁的介電基體中的鎳納米顆粒構(gòu)成，其中鋁與鎳的原子比 率在0.15-0.25之間，優(yōu)選在0.18-0.23之間。在優(yōu)選實(shí)施例中，第二層也 由嵌入氧化鋁的介電基體中的納米顆粒構(gòu)成，這里其中鋁與鎳原子比率在 0.8-1.2之間。在優(yōu)選實(shí)施例中，最內(nèi)層具有68-98mn的厚度，而第二層具 有50-80nm的厚度。鎳顆粒具有5-10nm的優(yōu)選平均直徑。在優(yōu)選實(shí)施例 中，抗反射層具有在太陽能光譜波段的1.38-1.46的折射率，例如氧化硅或 混合氧化珪，其中厚度為48-78nm。利用本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)具有出乎意料高的吸收率的太陽能吸收器，其中所吸收的入射太陽輻射中的損耗限于3%，即約為現(xiàn)有類似系 統(tǒng)系統(tǒng)的三分之一，并且明顯低于預(yù)期可以實(shí)現(xiàn)的值。此外，可以在環(huán)境 壓力下以成本有效和環(huán)境友好的方式進(jìn)行該制造。


通過參考結(jié)合附圖給出的以下描述，可以最好地理解本發(fā)明及其其它 目的和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中圖1是典型熱太陽能系統(tǒng)的示意圖；圖2是典型平板太陽能收集器的截面示意圖；圖3是示例太陽能強(qiáng)度分布和黑體發(fā)射的圖；圖4是才艮據(jù)本發(fā)明的太陽能吸收器的實(shí)施例的截面示意圖；以及圖5是示例對于根據(jù)本發(fā)明的吸收器和對于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的吸收器的 反射率測量結(jié)果的圖。
具體實(shí)施方式
圖1示例了典型熱太陽能系統(tǒng)50,其中可以利用4艮據(jù)本發(fā)明的太陽能 收集器20。太陽41發(fā)射太陽輻射40，該太陽輻射40落在太陽能收集器 20上。通過泵30將液體或氣體媒質(zhì)經(jīng)過入口管31泵送到太陽能收集器20， 在該太陽能收集器20處由太陽輻射40產(chǎn)生的熱加熱液體或氣體4某質(zhì)。通 過出口管32將經(jīng)加熱的液體或氣體媒質(zhì)傳送到熱交換器箱33。在熱交換 器34中，在液體或氣體媒質(zhì)返回到太陽能收集器20之前，將液體或氣體 媒質(zhì)的部分熱量傳送到箱33的液體或氣體媒質(zhì)。第二熱交換器35使用交 換器箱33中的液體或氣體媒質(zhì)的熱量來加熱通過入口管37輸入的水。在 出口管36中提供經(jīng)加熱的水以用于任何目的。圖2示例了平板太陽能收集器20的實(shí)施例，其中可以有利地利用根據(jù) 本發(fā)明的吸收器。太陽能收集器20包括外殼22，其包括多個(gè)太陽能吸收 器l。太陽能吸收器1與用于熱々某質(zhì)的管25傳導(dǎo)接觸。太陽能吸收器l典 型地通過絕熱材料23與外殼22熱隔離。通過在太陽能吸收器1上方提供透明玻璃21，產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上為不流動空氣的空氣間隙24,防止從太陽能吸收 器1的對流。圖3圖示出將太陽能強(qiáng)度分布示例為曲線100的圖。為了以最佳方式 利用可用的能量，太陽能吸收器表面的吸收率在波段104內(nèi)應(yīng)該很高。同 時(shí)，所有的體發(fā)射與該溫度和發(fā)射特性對應(yīng)的熱輻射。在波段105中具有 高反射率的表面涂覆可以因而最小化所發(fā)射的熱輻射。對應(yīng)于100'C、 200 'C和300'C的黑體發(fā)射分布分別由曲線101、 102和103表示。因此理想地 光語選擇性太陽能吸收器在波段104中具有高吸收率，并且在波段105中 具有高反射率。圖4示例了根據(jù)本發(fā)明的太陽能吸收器1的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例?；? 被第一層ll、笫二層12和第三層13覆蓋。第一層ll和第二層12是主吸 收層，而第三層13用作抗反射和保護(hù)層。在該實(shí)施例中基底2由鋁制成， 但也可以使用具有良好熱傳導(dǎo)性和高紅外反射性的其它基底，例如銅或不 銹鋼 第一層ll包括"氧化鋁介電基體中的鎳納米顆粒。太陽能吸收器l 的性能對于鋁與鎳的原子比率比較敏感。優(yōu)選的鋁與鎳原子比率為0.2。在 鋁與鎳原子比率為0.18-0.23的范圍內(nèi)，相信性能仍很優(yōu)良，在0.15-0.25 的范圍內(nèi)，性能仍被評估為好于現(xiàn)有技術(shù)預(yù)言所預(yù)期的性能。第一層11 的厚度D1在68至98nm的范圍內(nèi)，其中最優(yōu)選厚度約為82nm,大多數(shù) 鎳顆粒的尺寸為5-10nm，從而鎳顆粒的平均直徑在5-10nm的范圍內(nèi)。顆 粒優(yōu)選實(shí)質(zhì)上為球形的。第二層12也包括嵌入氧化鋁介電基體中的鎳納米顆粒。在該層中太陽 能吸收器1的性能對于鎳含量也比較敏感。優(yōu)選的鋁與鎳原子比率為0.95。 在鋁與鎳原子比率為0.8-1.2的范圍內(nèi)，性能被評估為好于現(xiàn)有技術(shù)預(yù)言所 預(yù)期的性能。第二層12的厚度D2在50至80nm的范圍內(nèi)，其中最優(yōu)選 厚度為65nm。并且在該層中，大多數(shù)鎳顆粒的尺寸為5-10nm,從而鎳顆 粒的至少平均直徑在5-10nm的范圍內(nèi)。顆粒優(yōu)選實(shí)質(zhì)上為球形的。第三層13是抗反射層。實(shí)驗(yàn)已證明，下面將更詳細(xì)描述的純氧化硅或混合氧化珪實(shí)際上是有用的。然而，折射率的實(shí)部在1.38至1.46范圍內(nèi)的 其它抗反射材料也將工作得很好。在本實(shí)施例中發(fā)現(xiàn)抗反射層的最佳厚度 為約62nm，至少優(yōu)選在48-78nm的范圍內(nèi)。調(diào)研了具有根據(jù)上述實(shí)施例的組分的吸收器。在圖5中，分別示出了 根據(jù)本發(fā)明的吸收器和根據(jù)[1的吸收器的反射率曲線106、 107。容易看出 顯著的改善。在上述實(shí)施例中，利用三層結(jié)構(gòu)。然而，也可以使吸收器具有更多層， 例如被抗反射層覆蓋的三個(gè)吸收層。那么，根據(jù)本發(fā)明，使得最內(nèi)層具有 上述組分是有用的。此外，三層結(jié)構(gòu)中的最外層也可用于吸收目的。該結(jié)構(gòu)可以在沒有抗 反射層的情況下工作，或者最外層可以是這樣的層，其同時(shí)用作相對于下 面的層的抗反射層且本身用作吸收層。本發(fā)明的給出的實(shí)施例的兩個(gè)內(nèi)層主要基于具有嵌入的鎳顆粒的氧化 鋁的介電基體。然而，可以通過添加或改變?yōu)槠渌鼗蚧衔?，改性?改變該介電基體。例如，該介電基體可以由替代氧化鋁的氧化硅或氧化鈥， 或者這些基體材料的任何組合構(gòu)成。同樣，也可以通過添加或改變?yōu)槠渌?元素或化合物的顆粒來調(diào)整特性?？赡艿念w粒元素為C、 Al、 Mg、 Ca、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn、 Ag或Sn或者這些元素的組合。 特別地，對于氧化鋁基體，可以4吏用Mg、 Ca、 Ti、 Mn、 Ni、 Zn或Sn或 者這些元素的組合，并且C也可以是一種可能的顆粒候選。對于氧化硅基 體，可以使用Al、 Mg、 Ca、 Ti、 Mn、 Fe、 Co、 Zn、 Ag或Sn或者這些 元素的組合。在氧化鋁中鎳的情況下，在第一層中鋁與鎳原子比率應(yīng)保持在 0.15-0.25的范圍內(nèi)。對于基體和顆粒元素的其它組合，可應(yīng)用其它范圍， 該范圍必須根據(jù)組合而確定?？梢砸圆煌绞竭M(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的吸收器的制造，但發(fā)現(xiàn)溶液-化學(xué)和 溶膠凝膠方法非常適合。以三個(gè)步驟制造圖4的實(shí)施例的吸收器。首先， 用包含樣和鋁離子的溶液涂覆基底。首先，制備鋁前體(precursor )溶液和鎳前體溶液，隨后以要求的比率混合這些溶液。將混合后的溶液旋涂到 基底上。然后對涂覆的基底進(jìn)行熱處理，形成第一P及收層。為了將鎳離子 還原成金屬鎳，在無氧的氣氛中進(jìn)行熱處理。在用于進(jìn)行的測試吸收器的熱處理中，在熱處理期間使氮?dú)庠诒砻嫔戏搅鲃?。溫度逐漸增加到450-580 。C的最高溫度，以完全去除殘留的有機(jī)基團(tuán)?？梢圆煌丶訜衢_始的兩個(gè)鎳-氧化鋁吸收層。為了節(jié)省能量、時(shí)間和 成本，將它們加熱至較低的溫度、并且在添加最后的抗反射層時(shí)進(jìn)行最終 的高溫?zé)崽幚砭妥銐蛄??？蛇x地，可以在具有抗反射層的情況下進(jìn)行最后 的高溫?zé)崽幚碇?，可以用UV光簡單地固化開始的兩個(gè)鎳-氧化鋁吸收層。其次，在第一層的頂上由不同濃度的鎳和鋁離子的溶液沉積第二層， 隨后與第 一層的制造類似地進(jìn)行熱處理。最后，在頂上添加抗反射涂覆溶液。產(chǎn)生為測試吸收器而選擇的氧化 硅或混合氧化硅抗反射層的方法是基于本身在現(xiàn)有技術(shù)中已知的溶膠凝膠 方法。存在大量不同的基于溶液的工序以產(chǎn)生氧化硅或混合氧化硅，但對 于測試吸收器采用以下方法。將四乙氧基昧烷TEOS和甲基三乙氧基法烷 MTES用作起始材料。如果僅僅使用TEOS，所得到的膜將由100%的氧 化硅構(gòu)成?；旌蟃EOS和MTES將產(chǎn)生混合的氧化硅膜，MTES相對于 TEOS的比例約高，所得到的涂層越柔韌。首先用溶劑例如乙醇然后用稀 釋的HC1來混合TEOS，以便水解TEOS。然后添加MTES (如果存在)， 發(fā)生進(jìn)一步的水解。將溶液旋涂到第二層上，此后進(jìn)行又一熱處理，形成 抗反射層。將抗反射層加熱至約300-500'C。上述實(shí)施例應(yīng)被理解為本發(fā)明的一些示例性實(shí)例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將 理解，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以對實(shí)施例進(jìn)行各種修改、組合 和改變。特別地，在技術(shù)允許的情況下，在不同實(shí)施例中的不同部分溶液 可以組合為其它配置。然而，本發(fā)明的范圍受到所附^=又利要求的限制。參考文獻(xiàn)[I] T. Bostr6m et al" "Solution-chemical derived nickel-alumina coatingsfor thermal solar absorbers", Solar energy 74 (2003) pp. 497-503. [2T. Bostr6m et al" "Anti reflection coatings for solution-chemically derived nickel-alumina solar absorbers", Solar energy materials and solar cells, vol. 84， Issues 1-4, October 2004， pp. 183-191.[31 T. Bostr6m, "A New Generation of Spectrally Selective Solar Absorbers and Thermal Solar Systems", Licentiate thesis, Faculty of Science and Technology, Uppsala University, inarch 2004.
權(quán)利要求
1.一種太陽能吸收器(1)，包括基底(2)；第一層(11)，覆蓋所述基底(2)；以及第二層(12)，覆蓋所述第一層(11)；所述第一層(11)基于具有嵌入的顆粒的介電基體；其特征在于第三層(13)，覆蓋所述第二層(12)；所述第一層(11)的所述介電基體包括選自氧化鋁、氧化硅和氧化鈦的至少一種氧化物；所述嵌入的顆粒包括以下元素中的至少一種C、Al、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag和Sn；從而如果使用具有嵌入的鎳顆粒的氧化鋁介電基體，所述第一層(11)具有范圍在0.15-0.25的鋁與鎳原子比率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的太陽能吸收器(1)，其特征在于，所述第一層 (11)的所述介電基體包括氧化鋁，以及所述嵌入的顆粒包括鎳，從而所述第一層(11)具有范圍在0.15-0.25的鋁與鎳原子比率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的太陽能吸收器(1)，其特征在于，所述第一層 (11)具有范圍在0.18-0.23的鋁與鎳原子比率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3的太陽能吸收器(1)，其特征在于，所述第 一層(11)具有68-98nm的厚度(Dl)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中任何一項(xiàng)的太陽能吸收器(1)，其特征在 于，所述第二層(12)基于具有嵌入的鎳顆粒的氧化鋁介電基體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的太陽能吸收器(1)，其特征在于，所述第二層 (12 )具有0.8-1.2的鋁與鎳原子比率。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6的太陽能吸收器(1),其特征在于，所述第 二層(12 )具有50-80nm的厚度(D2 )。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2至7中任何一項(xiàng)的太陽能吸收器(1)，其特征在 于，所述第三層(13)是抗反射層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的太陽能吸收器(1)，其特征在于，所述第三層 (13 )具有在太陽光i普波段中范圍在1.38至1.46的折射率實(shí)部n。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的太陽能吸收器(1)，其特征在于，所述第三層 (13)由氧化硅或混合氧化硅構(gòu)成。
11. 才艮據(jù)權(quán)利要求8至10中任何一項(xiàng)的太陽能吸收器(1)，其特征 在于，所述第三層(13)具有48-78nm的厚度(D3)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求2至11中任何一項(xiàng)的太陽能吸收器(1)，其特征 在于，所述鎳顆粒具有范圍在5-10nm的平均直徑。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l的太陽能吸收器(1)，其特征在于，所述第一層 (11)的所述介電基體包括氧化硅和氧化鈦中的至少一種。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1或13的太陽能吸收器(1)，其特征在于，所述 嵌入的顆粒包括以下元素中的至少一種C、 Al、 Mg、 Ca、 Ti、 V、 Cr、 Mn、 Fe、 Co、 Cu、 Ni、 Zn、 Ag和Sn。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的太陽能吸收器(1),其特征在于，所述嵌入 的顆粒包括以下元素中的至少一種C、 Al、 Mg、 Ca、 Ti、 Mn、 Co、 Zn、 Ag和Sn。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的太陽能吸收器(1)，其特征在于，所述第一 層(11)的所述介電基體包括至少氧化鋁，以及所述嵌入的顆粒包括以下 元素中的至少一種C、 Mg、 Ca、 Ti、 Mn、 Zn和Sn。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14或15的太陽能吸收器(1)，其特征在于，所述 第一層(11)的所述介電基體包括至少氧化硅，以及所述嵌入的顆粒包括 以下元素中的至少一種Al、 Mg、 Ca、 Ti、 Mn、 Fe、 Co、 Zn、 Ag和Sn。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1至17中任何一項(xiàng)的太陽能吸收器(1),其特征 在于，所述嵌入的顆?；旧蠟榍蛐?。
19. 一種太陽能收集器(20)，包括至少一個(gè)4艮據(jù)權(quán)利要求1至18 中任何一項(xiàng)的太陽能吸收器(1)。
20. —種太陽能集熱器系統(tǒng)(50)，包括至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求19 的太陽能收集器(20)。
全文摘要
一種太陽能吸收器(1)具有用至少三個(gè)薄層(11-13)覆蓋的基底(2)。最外層(13)優(yōu)選是抗反射層。最內(nèi)層(11)由嵌入在介電基體中的納米顆粒構(gòu)成。所述顆粒選自C、Al、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag和Sn，并且所述介電基體選自氧化鋁、氧化硅和氧化鈦。如果使用在氧化鋁基體中的Ni顆粒，則采用在0.15-0.25之間、優(yōu)選在0.18-0.23之間的鋁與鎳原子比率。在優(yōu)選實(shí)施例中，第二層(12)也由嵌入在氧化鋁介電基體中的納米顆粒構(gòu)成，這里其中鋁與鎳原子比率在0.8-1.2之間。在優(yōu)選實(shí)施例中，最內(nèi)層(11)具有68-98nm的厚度(D1)，而第二層(12)具有50-80nm的厚度(D2)。鎳顆粒具有5-10nm的優(yōu)選平均直徑。在優(yōu)選實(shí)施例中，抗反射層(13)具有1.38-1.46的在太陽光譜波段中的折射率，例如氧化硅或混合氧化硅，并具有48-78nm的厚度(D3)。
文檔編號F24J2/00GK101273238SQ200680028605
公開日2008年9月24日 申請日期2006年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月2日
發(fā)明者T·博斯特羅姆 申請人:桑斯翠普有限公司