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真空集热管核心材料:选择性吸收涂层

2012-8-19 09:56| 发布者: csp| 查看: 3873| 评论: 1|来自: CSPPLAZA光热发电网

   一、选择性吸收涂层基本概念:

  1.太阳辐射。太阳组成为氢氦元素的等离子体并不断进行热核反应,表面温度大约为6000K,不断以电磁波的形式向外辐射能量,其中20亿分之一左右的能量经过8分钟的光程到达地球大气上层,相当于全世界发电量的几十万倍。

  2.太阳光谱与太阳常数.太阳主要以电磁辐射的形式传输能量。其中在0.3~3μm波长范围内的光线占总太阳光的98%之多。太阳常数:1353瓦/米2。

  3.吸热板辐射。

太阳光谱选择性吸收涂层的研究与发展

  吸收和辐射

  从物理角度来讲,黑色意味着光线的几乎全部的吸收.被吸收的光能即转化为热能。因此为了最大限度地实现太阳能的光热转换,似乎用黑色的涂层材料就可满足了,但实际情况并非如此。这主要是材料本身还有一个热辐射问题。从量子物理的理论可知,黑体辐射的波长范围大约在2-l00μm之间,黑体辐射的强度分布只与温度和波长有关,辐射强度的峰值对应的波长在10μm附近。

  选择性吸收涂层的理论基础

  由于太阳光谱的波长分布范围基本上与热辐射不重叠,据此,以色列科学家Tabor于上个世纪50年代末,提出了光谱选择性吸收理论。要实现最佳的太阳能热转换,可以找到一种材料使其同时满足以下两个条件:

  ①在太阳光谱内有尽量高的吸收率;

  ②在热辐射波长范围内有尽可能发射率ε。

太阳光谱选择性吸收涂层的研究与发展

太阳光谱选择性吸收涂层的研究与发展

  二、平板选涂层的发展与应用

  平板集热器涂层材料的应用和发展主要

  分为以下三个阶段:1,涂料型阶段;2,电化学涂层阶段;3,真空镀膜涂层阶段。

  用于平板集热器的涂料型吸收涂层

  其中代表性的选择性吸收涂料主要是铁锰铜氧化物,使用时将其和黏合剂混合在一起喷涂到吸热板表面。该涂层已有二十多年历史目前仍有部分在使用,其主要特点是工艺简单、成本低廉,缺点是使用过程中容易老化从而引起性能下降。

  目前最新动态是德国安铝公司研制的聚酯型选择性吸收涂层,其耐候性有了本质性的提高,但是涂层发射比较高,正在进行进一步改进并小批量的试生产应用。

  用于平板集热器的电化学型型吸收涂层

  主要代表是:黑铬涂层;铝阳极化着色涂层。其中铝阳极化涂层技术最成熟、应用最广泛,这里不再详细介绍。下面主要介绍一下黒铬涂层的研究与应用。

  黑铬涂层。黑铬涂层主要用于铜吸热板表面。黑铬涂层从问世到现在,经受了30多年的实践检验,它不但具有优良的光学性能而且也具有非常优异的耐热耐湿耐候性能,该涂层的太阳吸收率可高达95%以上而红外发射率控制在10%以下。其主要缺点是若生产过程对废液不加以控制的话,容易对环境造成一定程度的污染。但经过工艺设计控制,是完全可以实现无污染生产的。主要代表厂家是桑普和深圳海达客公司。

太阳光谱选择性吸收涂层的研究与发展

太阳光谱选择性吸收涂层的研究与发展

深圳海达克公司开发的宽幅黒铬连续镀生产线

  凭借原有的连续电镀成套技术,2006年底,公司开始对电镀黑铬铜带产品进行研发,一年后形成了窄带(宽度<200mm)产品批量生产能力;为适应国内平板太阳能集热器向整板发展的新形势,公司在多年从事窄带电镀黑铬生产的基础上,从2011年初启动了“宽幅连续电沉积太阳能黑铬吸热板工艺及装备”的研究工作,并耗资500多万元建成一条连续化生产线。经过一年多的运行调试,目前具备正式生产条件,年产可达到200万平方米。并成功地实现在铝板上沉积黒铬涂层。

太阳光谱选择性吸收涂层的研究与发展

  金属陶瓷材料,以及中频电源以及射频溅射技术的采用,大大提高了涂层的耐候性。连续化的生产方式不但提高了生产效率,还提高了产品质量的稳定性并降低了产品的生产成本。涂层耐候性能。

  三、中高温吸收涂层的发展与应用

  随着太阳能中高温技术的研究发展与应用,与之相应的中高温涂层技术也开展的十分活跃。先后出现了各种不停地材料和生产工艺。材料方面主要是一些难熔金属的陶瓷材料。生产工艺大多采用中频和射频溅射技术。

太阳光谱选择性吸收涂层的研究与发展

直通式真空管高温选择性吸收涂层

  早期的以色列luz公司采用Mo/Al2O3膜系,射频溅射术。工作温度可达390C。随后,接替它的以色列Solel公司和德国Schott公司,对涂层材料和工艺进行了进一步的提高,提升了涂层的工作温度使其超了400C。

  高温涂层的性能要求

  由于涂层要求在400C以上的高温下工作,这就要求涂层必须具有良好的热稳定性,和光学稳定性。而根据基尔霍夫定律,涂层的发射比与温度的4次方成正比,这就意味着涂层在温度升高的情况下变化很大。所以如何保证涂层在高温条件下,具有较低的发射比就成为高温涂层技术等的关键所在。它综合了涂层的膜系设计、材料的选择和工艺控制等一系列关键技术。

  中温选择性吸收涂层

  澳大利亚悉尼大学ZHANGQC和MILLSDR等人,在渐变AIN-Al的基础上,研制以AlN介质为基体的金属陶瓷选择性吸收涂层,采用直流反应溅射沉积AlN介质,并用直流共溅射方法将不锈钢、钨等金属粒子注入介质基体,提高了溅射速率和工作温度,同时也大幅度降低了膜层成本。根据测试掺入不锈钢的AIN可耐受350C以下的工作温度要求,是一种理想的中温选择性吸收涂层。

  国内对中高温涂层的研究与应用

  国内近年来对中高温涂层的研究工作从未间断过,以清华大学和北京市太阳能研究所为代表的一些单位,都先后取得了不同的成果。据报道,皇明公司已向西班牙出口27,000米用于太阳能热发电的镀膜高温集热管。

  自上个世纪九十年代以来,选择性吸收表面材料和结构的研究已日臻成熟。随着集热器品质和技术的不断提高,出现许多新的涂层材料和生产工艺。采用中频磁控溅射生产干涉性金属陶瓷选择性吸收涂层,是当前的主流方向,其中主要以德国为代表,在金属卷带上连续沉积金属陶瓷吸收涂层。连续化生产方式是涂层技术的一次重要飞跃。

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引用 huida1989 2012-8-24 13:08
澳大利亚悉尼大学ZHANGQC的镀膜技术 --- Himin

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