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太阳能选择性吸热涂层时太阳能热利用系统中最重要部件之一,它的稳定性能直接影响到了系统的效率和寿命。因此,开发具有高稳定性的选择性吸热涂层具有重要的应用价值。
本文以磁控溅射作为涂层的制备方式,结合前期实验室的研究基础,成功开发了能够分别在中温和高温下稳定的太阳能选择性吸热涂层,并以此为基础,成功研制了1-2米长以不锈钢管为基底的中高温太阳能集热管。
以Cr合金为基础,NiCrOxNy、NiCrOx和SiCrOxNy三种体系的选择性吸热涂层的热循环稳定性非常优异,尤其是后两体系,特别适合于中温条件下使用具有优异的中温热稳定性。NiCrOxNy体系涂层制备过程中,氧分压较高的涂层的热稳定性会优于氧分压较低的条件下制备的涂层,氧分压的增加有利于提高涂层的热稳定性能。
AgAl合金自氧化方式不能有效的制备选择性吸热涂层,只能采用共溅射的方式制备,而制备的Ag-Al2O3太阳能选择性吸热涂层在制备的过程中,提高基片温度和预先快速热处理的方法,可有效提高薄膜的热稳定性能。前者可提高涂层的致密性,而在快速热处理的过程中,可以使得薄膜的中Ag纳米粒子迅速长大而处于稳定状态,从而提高的薄膜的稳定性。
对Ag-Al2O3性能衰退机理进行了探究,涂层中的Ag主要通过向涂层表层的扩散和蒸发损失。Ag在超过300℃后以单质形式存在,但因为氧化还原是一个同时进行的过程,故Ag纳米粒子的表层氧化仍然存在。Ag表层的氧化物与Ag基体的剥离效应会加速表层Ag的损失,使得Ag-Al2O3涂层在氮气中的稳定性由于空气环境中的高温稳定性能。
以AlTi合金为基础,制备了AlTi-Al2O3吸热涂层,在500℃空气环境中涂层具有优异的热稳定性,适合于太阳能的中高温利用中使用;在此体系中,利用Al2O3和SiO2组成的双减反层结构和提高薄膜沉积时基片的温度两种方式制备的涂层,性能上与常规条件下制备的涂层并无显著差异。
利用本实验室的中试平台,优化制备工艺,得到了在500℃空气环境中长期稳定的吸热涂层。并以此为基础,结合金属玻璃的过渡封接工艺,成功制备了1-2米的太阳能中高温集热管,该集热管目前正在三水10KW太阳能热发电系统中试运行,以评估实际应用的效果。