專利名稱：太陽能集熱管鋼芯選擇性吸收涂層制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太陽能集熱管鋼芯選擇性吸收涂層制備方法，屬于太陽能應用領 域。
背景技術：
槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是由槽式拋物面聚光鏡將太陽光聚焦在一條線上，在這條 焦線上安裝有管狀熱量吸收器(集熱管)，用來以吸收聚焦后的太陽輻射能。管內的流體 被轉換來的太陽能加熱后，流經換熱器加熱工質，轉換為高溫高壓的熱蒸汽，再借助于蒸汽 循環(huán)動力來發(fā)電。槽式太陽能熱發(fā)電技術相對成熟，所以在世界得到廣泛地推廣應用，這類 電站分布于阿爾及利亞、澳大利亞、埃及、印度、伊朗、意大利、摩洛哥、墨西哥、西班牙、美國 等太陽能資源豐富的國家。該系統(tǒng)中高溫真空管接收器是整個系統(tǒng)的核心部件，由以色列 Solel公司(前身為LUZ公司)提供。德國Schott公司對高溫真空管作了改進一是為防 止兩端溫度過高影響封接質量，在局部增加了太陽輻射反射圈；二是力求最大限度減少遮 光面積，使真空管有效利用長度大于96% ；三是調整相關玻璃材料配方，使可伐合金與玻璃 管封接得更好。在槽式拋物面聚焦發(fā)電中，提高集熱管上太陽能選擇性吸收涂層的性能和 提高涂層的工作溫度超過400°C能夠提高太陽能轉換成熱能的效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種太陽能集熱管鋼芯選擇性吸收涂層制備方法。該涂層制備方法應 提高集熱管上太陽能選擇性吸收涂層的性能和在涂層的工作溫度超過400°C能夠提高太陽 能光熱轉換效率。本發(fā)明所采用的技術方案是一種太陽能集熱管鋼芯選擇性吸收涂層制備方法， 該制備方法采用直流濺射金屬靶材，射頻濺射氧化物靶材及反應共濺射的方法制備選擇性 涂層的反射金屬層，吸收層和減反射層；使用的設備主要包括真空系統(tǒng)、平面磁控濺射、柱 狀磁控濺射、偏壓電源加熱系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)，把不銹鋼管安裝在水冷真空室中的 公轉自轉工件架上，在不銹鋼管上制備X-Y膜系制備步驟為一、設計膜層結構1、首先制備單層X膜和Y膜，測量折射系數(shù)n和消光系數(shù)k，2、分別對具有不同組分的X膜和Y膜的光學參數(shù)進行計算，3、用TFC薄膜設計軟件進行建模，模擬出最優(yōu)化太陽能選擇性吸收涂層的結構，4、將理論模擬計算結果反演到制備工藝上。利用膜厚儀精確檢測調控調整制備X 膜/高摻雜X-Y膜/低摻雜X-Y膜/純Y膜，5、利用Lambda 950分光光度計，紅外發(fā)射率檢測儀等檢測設備測量反射率，透射 率，發(fā)射率等多層膜光學參數(shù)，6、理論與結果相互印證對比，得到制備符合要求的膜層的最佳工藝；二、制備X-Y膜系工藝過程
1、真空室抽氣過程(1)打開水閥開關。并檢查各個管路通水是否順暢，(2)打開機械泵，(3)打開預抽閥，抽氣抽至500Pa，打開羅茨泵，再抽氣到5Pa，在抽氣的過程中將 分子泵的電源打開4 5分鐘，(4)關閉預抽閥，打開前級閥1分鐘后，開高閥，開分子泵抽高真空，直到壓強到工 藝要求，2、按照操作規(guī)程，加熱，開轉架，3、按照工藝規(guī)程，送Ar氣，4、用等離子體清洗不銹鋼管，5、采用平面磁控濺射X靶濺射沉積，制備X反射層，6、采用射頻磁控濺射Y濺射沉積Y和平面磁控濺射X靶濺射沉積X，同時沉積形成 吸收層，X和Y的比例和沉積率取決于濺射功率，7、單獨采用射頻磁控濺射濺射沉積Y膜，沉積率取決于濺射功率。所述X-Y膜系中的X為W、Mo或A1金屬，Y為Si02、A1203或A1N陶瓷。上述關于X膜和Y膜模擬計算的理論基礎是等效媒質理論認為，當一種材料微 粒均勻鑲嵌在另一種基體材料中構成宏觀結構均勻一致的復合材料時，材料的介電性能可 用一種均勻材料的介電性能來等效，而這種材料的介電常數(shù)就是所研究的非均質材料的等 效介電常數(shù)。MG理論是由Maxwell和Garnett于1904年和1906年分別提出的，起始于 Clausius-Mossotti公式，適用于介質基體中嵌埋了球形金屬顆粒的金屬陶瓷體系并做了 如下假定(1)極少量的金屬微粒分散于介質基體中，微粒之間的距離比較大，微粒之間沒有 相互作用，各自散射；(2)微粒被瞬態(tài)場誘導極化；(3)外場可用Lorentz局域場進行修正如果介質的介電常數(shù)為￡ 1，金屬球形顆粒的介電常數(shù)為￡2，則二相復合體系的 介電常數(shù)￡可以用公式表示
s2 + 28l + 2/(e2-sl)e MG= e ,l2+2el_/(E2_sl)式中f是金屬體積分數(shù)。在光頻范圍內復合體系的復折射率N與等效復介電常數(shù)￡之間的關系可用公式 3~2表不N =n +ik= Vb式中n，k分別為復合體系的光學折射率和消光系數(shù)本發(fā)明的有益效果是這種太陽能集熱管鋼芯選擇性吸收涂層制備方法由于在模 擬理論計算的基礎上得到制備符合要求的膜層的最佳工藝，該工藝簡單，操作方便，產品質 量可靠，適合組織大規(guī)幕工業(yè)生產。該涂層制備方法提高了集熱管上太陽能選擇性吸收涂 層的性能和在涂層的工作溫度超過400°C能夠提高太陽能轉換成電能的效率，減少其發(fā)電 成本。


圖1是一種太陽能集熱管鋼芯選擇性吸收涂層設備主視圖。圖2是一種太陽能集熱管鋼芯選擇性吸收涂層設備俯視圖。圖3是真空室結構圖。圖中1、水冷真空室，2、公轉自轉工件架，3、托架傳動軸絕緣，4、鍍膜不銹鋼管，5、 加熱器，6、柱狀磁控濺射靶，7、傳動軸，8、轉架動力馬達，9、10、金屬磁控濺射源，11、12、射 頻磁控濺射靶，13、真空室門，14、測溫熱電偶，15、膜厚測試儀，16、高閥，17、分子泵，18、前 級閥，19、預抽閥，20、旁通閥，21、羅茨泵，22、機械泵。
具體實施例方式圖1、2、3示出了一種太陽能集熱管鋼芯選擇性吸收涂層設備圖。這種金屬陶瓷涂 層設備主要包括一個真空室和一個真空系統(tǒng)，真空室與真空系統(tǒng)通過管道連接在一起，鍍 膜不銹鋼管4安裝在真空室中的由外置電機驅動的轉架機構上；它還包括安裝在真空室上 的金屬磁控濺射源9、10和射頻磁控濺射靶11、12 ；真空室內設有加熱器5、柱狀磁控濺射靶 6、測溫熱電偶14、膜厚測試儀15 ；真空系統(tǒng)經一個高閥16與真空室連接，高閥16的出口設 有預抽閥19，預抽閥19的出口一路經旁通閥20連接機械泵22和羅茨泵21，另一路經前級 閥18連接分子泵17，預抽閥19的出口還直接連接羅茨泵21。水冷真空室1采用的轉架機構位于真空室的底部，轉架動力馬達8位于真空室的 外部，真空室的一側設有一個真空室門13。該設備可以方便制備各種金屬薄膜或陶瓷薄膜寸。實施例1 金屬薄膜制備方法1、按照操作規(guī)程抽真空，加熱，開轉架；2、按照工藝規(guī)程，送Ar氣；3、等離子體清洗工件；4、平面磁控濺射金屬靶制備薄膜，打開擋板，可采用兩個直流電源或中頻電源單 獨制備金屬薄膜(復合金屬合金薄膜同理)；5、柱狀磁控濺射靶，采用直流電源，制備金屬薄膜；6、制備金屬薄膜或制備復合金屬合金薄膜，可采用中頻電源濺射平面金屬靶與直 流電源濺射柱狀金屬靶聯(lián)合使用，沉積率由真空氣體壓強和濺射電流控制。實施例2 陶瓷薄膜制備方法采用陶瓷靶材射頻濺射沉積或平面磁控濺射反應濺射沉積方法制備陶瓷薄膜。實施例3 :Si02薄膜制備方法1、按照操作規(guī)程抽真空，加熱，開轉架；2、按照工藝規(guī)程，送Ar氣；3、等離子體清洗工件；4、采用射頻磁控濺射(Si02)靶，打開擋板，射頻等離子體濺射沉積。沉積率主要 取決射頻功率。實施例4 :A1-N薄膜制備方法
1、按照操作規(guī)程抽真空，加熱，開轉架；2、按照工藝規(guī)程，送Ar氣；3、等離子體清洗工件；4、由柱狀磁控濺射鋁靶，采用直流電源濺射反應沉積或中頻電源濺射反應沉積工 藝，反應氣體由Ar和N2氣體混合氣組成，形成薄膜的相成分和組織結構取決于氣體比例和 濺射電壓-電流。 實施例5 :Mo-Si02薄膜制備方法1、按照操作規(guī)程抽真空，加熱，開轉架；2、按照工藝規(guī)程，送Ar氣；3、等離子體清洗工件；4、采用平面磁控濺射Mo靶濺射沉積金屬Mo，制備金屬反射層；5、采用射頻磁控濺射(氧化硅靶)濺射沉積Si02和平面磁控濺射Mo靶濺射沉積 金屬Mo同時沉積形成吸收層，金屬和Si02的比例和沉積率取決于濺射功率；6、單獨采用射頻磁控濺射濺射沉積Si02薄膜，沉積率取決于濺射功率。實施例6 :Mo-AlN薄膜制備方法1、按照操作規(guī)程抽真空，加熱，開轉架；2、按照工藝規(guī)程，送Ar氣；3、等離子體清洗工件；4、采用平面磁控濺射Mo靶濺射沉積金屬Mo，制備金屬反射層；5、通入Ar和N2混合氣體，采用柱狀磁控濺射(A1靶)濺射沉積A1N和平面磁控濺射Mo靶濺射沉積金屬Mo共沉積形成吸收層，金屬和A1N的比例和沉 積率取決于濺射功率和氣體比例；6、單獨采用柱狀磁控濺射靶濺射沉積A1N減反薄膜，相結構和成分取決于氣體比 例和濺射功率。
權利要求
一種太陽能集熱管鋼芯選擇性吸收涂層制備方法，該制備方法采用直流濺射金屬靶材，射頻濺射氧化物靶材及反應共濺射的方法制備選擇性涂層的反射金屬層，吸收層和減反射層；使用的設備主要包括真空系統(tǒng)、平面磁控濺射、柱狀磁控濺射、偏壓電源加熱系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)，把不銹鋼管(4)安裝在水冷真空室(1)中的公轉自轉工件架(2)上，在不銹鋼管(4)上制備X-Y膜系；其特征在于所述X-Y膜系制備步驟為一、設計膜層結構(1)、首先制備單層X膜和Y膜，測量折射系數(shù)n和消光系數(shù)k，(2)、分別對具有不同組分的X膜和Y膜的光學參數(shù)進行計算，(3)、用TFC薄膜設計軟件進行建模，模擬出最優(yōu)化太陽能選擇性吸收涂層的結構，(4)、將理論模擬計算結果反演到制備工藝上。利用膜厚儀精確檢測調控調整制備X膜/高摻雜X-Y膜/低摻雜X-Y膜/純Y膜，(5)、利用分光光度計，紅外發(fā)射率檢測儀等檢測設備測量反射率，透射率，發(fā)射率等多層膜光學參數(shù)，(6)、理論與結果相互印證對比，得到制備符合要求的膜層的最佳工藝；二、制備X-Y膜系工藝過程1>、真空室抽氣過程(1)打開水閥開關。并檢查各個管路通水是否順暢，(2)打開機械泵(22)，(3)打開預抽閥(19)，抽氣抽至500Pa，打開羅茨泵(21)，再抽氣到5Pa，在抽氣的過程中將分子泵(17)的電源打開4～5分鐘，(4)關閉預抽閥(19)，打開前級閥(18)1分鐘后，開高閥(16)，開分子泵(17)抽高真空，直到壓強到工藝要求，2>、按照操作規(guī)程，加熱，開轉架，3>、按照工藝規(guī)程，送Ar氣，4>、用等離子體清洗不銹鋼管(4)，5>、采用平面磁控濺射X靶濺射沉積，制備X反射層，6>、采用射頻磁控濺射Y濺射沉積Y和平面磁控濺射X靶濺射沉積X，同時沉積形成吸收層，X和Y的比例和沉積率取決于濺射功率，7>、單獨采用射頻磁控濺射濺射沉積Y膜，沉積率取決于濺射功率。
2.據權利要求1所述的太陽能集熱管鋼芯選擇性吸收涂層制備方法，其特征在于所 述X-Y膜系中的X為W、Mo或Al金屬，Y為Si02、Al2O3或AlN陶瓷。
全文摘要
一種太陽能集熱管鋼芯選擇性吸收涂層制備方法，屬于太陽能應用領域。這種選擇性吸收涂層制備方法在模擬理論計算的基礎上設計太陽能選擇性吸收涂層及制備膜層的最佳工藝，該工藝簡單，操作方便，產品質量可靠，適合組織大規(guī)模工業(yè)生產。該涂層制備方法提高了集熱管上太陽能選擇性吸收涂層的性能和涂層的工作溫度超過400℃，能夠提高太陽能光熱轉換效率。
文檔編號C23C14/16GK101871093SQ20101020969
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月19日 優(yōu)先權日2010年6月19日
發(fā)明者李劍鋒 申請人:大連交通大學