[发明专利]具有散射表面的太阳能集热管

说明书

技术领域

本发明为具有散射表面的太阳能集热管，属于太阳能利用技术领域。

背景技术

太阳能热利用领域，当前的发展重点是中高温集热，工作温度超过400℃的集热管，可用于热发电。

中高温集热管中，一般采用高倍聚光技术，聚光比可以高达80。光热转化效率是关键指标，往往一个百分点的提高都是尽力追求的。虽然采用聚光结构，但由于制备精度和玻璃形变等问题存在，不可能达到理想聚焦的程度，焦点处的光斑基本上与集热管直径可以相比。这就使得入射光线与集热管表面夹角分布在0度到90度的整个范围内。大角度入射时，反射率接近100%。简单的计算表明，集热表面的吸收比不到光完全垂直入射时的90%。除此之外，上下午日光偏斜时，入射光与集热管表面的夹角变得更大，吸收率进一步降低。当垂直入射时的吸收比达到0.95时，平均吸收比只有0.8左右。

当前，光线垂直入射时的吸收比已经难以进一步提高，改善光线非垂直入射时的吸收比，必将成为提高光热转化效率的关键步骤。

从热辐射理论可知，黑体或灰体的吸收比，与光线的入射角度无关。自然界并不存在理想的黑体或灰体，但是尺寸与光波长可以相比的粗糙表面可以近似视为灰体，制造接近理想灰体的粗糙吸收表面是解决问题的关键。

发明内容

针对太阳能高温热利用中存在的问题，本发明提出一种新型太阳能集热管，大幅度增大对非垂直入射光的吸收率，达到更高的光热转化效率。

具有散射表面的太阳能集热管，由金属内管、玻璃外管、密封波纹管等组成，内管外表面上设置太阳能吸收涂层，该太阳能吸收涂层由内而外依次为金属薄膜光反射层、光吸收层、介质减反射层。本发明的技术特征在于，所述的金属内管的外表面与金属薄膜光反射层之间设置一层具有粗糙起伏结构的氧化铝或氮氧化铝膜，其上的各层，包括金属薄膜光反射层、光吸收层和介质减反射层也都呈现粗糙起伏结构。

所述的具有粗糙起伏结构的氧化铝、氮化铝或氮氧化铝薄膜采用如下方法制备：在金属内管的外表面首先沉积一层铝与氮化铝的混合薄膜，或者铝与氧化铝的混合薄膜，或者铝与氮氧化铝的混合薄膜，然后在去离子水中煮沸，将其中的单质铝成分去除，得到具有粗糙起伏结构的氧化铝或氮氧化铝薄膜；所述混合薄膜中的单质铝成分，部分被氧化，部分以氢氧化铝形式溶于水中。

需要说明的是，所述表面的起伏程度太小，则吸收比改善不大，如果起伏太大，则发射比将增大。为了不使发射比增大，起伏的横向和深度尺寸都不能大于辐射中心波长的1/4。当集热管工作在400℃时，其辐射中心波长大约为4mm，起伏程度应控制在0.3-1.0mm之间。如果采用喷砂等机械方法处理金属内管表面，得到的粗糙起伏结构横向和深度尺寸过大，必将导致发射比大幅度提高，造成得不偿失的效果。

与已有技术相比，本发明结构简单，性能突出，材料普通，工艺成本不高，适合大规模生产。

附图说明

附图为本发明的结构示意图。

其中11—金属内管，12—具有粗糙起伏结构的氧化铝或氮氧化铝薄膜， 13—金属薄膜光反射层，14—光吸收层，15—介质减反射层，16—玻璃外管。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进一步进行说明。

实施例1：集热管内管采用不锈钢管，沉积一层300纳米厚的氧化铝-铝混合薄膜，在去离子水中煮成具有粗糙起伏结构的氧化铝薄膜，用磁控溅射方法依次沉积120纳米厚的金属钼反射层、光吸收层和80纳米厚的氧化铝减反射层。光吸收层由2层薄膜构成，分别是40纳米厚的钼含量50%的氧化铝/钼薄膜和60纳米厚的钼含量15%的氧化铝/钼薄膜。该太阳能吸收涂层的吸收比为0.95，400℃时的发射比小于0.13，80倍聚光条件下的光热转化效率超过85%。

实施例2：集热管内管采用不锈钢管，沉积一层300纳米厚的氮氧化铝-铝混合薄膜，在去离子水中煮成具有粗糙起伏结构的氮氧化铝薄膜，用磁控溅射方法依次沉积100纳米厚的金属钼反射层、光吸收层和80纳米厚的氧化铝减反射介质层。光吸收层由4层薄膜构成，分别为40纳米厚的氧化铝薄膜、10纳米厚的钼薄膜、40纳米厚的氧化铝薄膜和6纳米厚的钼薄膜。该太阳能吸收涂层的吸收比为0.95，400℃时的发射比小于0.13，80倍聚光条件下的光热转化效率超过85%。

实施例3：集热管内管采用不锈钢管，沉积一层300纳米厚的氮化铝-铝混合薄膜，在去离子水中煮成具有粗糙起伏结构的氮氧化铝薄膜，用磁控溅射方法依次沉积100纳米厚的金属铜反射层、光吸收层、80纳米厚的氧化铝作为减反射介质层。光吸收层由2层薄膜构成，分别为40纳米厚的钼体积比为40%的钼/氧化铝薄膜和40纳米厚的钼体积比为25%的钼/氧化铝薄膜。该太阳能吸收涂层的吸收比为0.95，400℃时的发射比小于0.13，80倍聚光条件下的光热转化效率超过85%。