專利名稱：一種太陽能平板集熱器吸收膜的制作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能平板集熱器技術領域，更具體地，涉及一種太陽能平板集熱器吸收膜。
背景技術：
太陽能，一般是指太陽光的輻射能量，在現代一般用作發電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減少下，才有意把太陽能進一步發展。太陽能的利用有被動式利用(光熱轉換)和光電轉換兩種方式。太陽能發電一種新興的可再生能源。太陽能平板集熱器是一種吸收太陽輻射并將產生的熱能傳遞到傳熱介質的裝置。雖然太陽能集熱器本身不是全部的太陽能利用系統，也不是直接面向消費者的終端產品，但它是組成各種太陽能熱利用系統的關鍵部件。無論是太陽能熱水器、太陽灶、太陽能溫室，還是太陽能制冷空調、太陽能海水淡化、太陽能熱發電等等，都離不開太陽能集熱器，都是以太陽能集熱器作為系統的動力或者核心部件。太陽能集熱器可以用多種方法進行分類，其中包括按傳熱介質的類型進行分類、按進入采光口的太陽輻射是否改變方向進行分類、按是否跟蹤太陽進行分類、按是否有真空空間分類、按工作溫度進行分類等。綜合各種集熱器類型，真空管集熱器和平板集熱器應用最為普遍，其中相較真空管集熱器而言，平板集熱器具有吸收效率高，安裝簡便，使用壽命長，占地面積小，易于與建筑結合等特點。歐美等國的太陽能集熱產品，目前主要以平板式集熱器居多，而國內則以真空管集熱式占優。近年隨著制備技術、新型吸熱膜系等領域的發展，平板集熱器在國內的發展也越來越得到重視。集熱器的熱性能是太陽能產品中的重要標準，其主要技術來自于集熱器的吸收涂層，選擇性薄膜一直是太陽能利用技術領域中的一項重要研究課題，據統計，70%的集熱器使用高選擇性的PVD或濺射涂層，11%采用黑鉻，19%的集熱器使用漆涂的太陽能涂層。太陽光譜選擇性吸收膜系的制備方法為濺射鍍膜，設備操作簡易，所制備膜層吸收率較高，膜系質量較高，適用于大面積批量生產。磁控濺射方法在選擇性吸收膜系制備方面應用較為廣泛，但仍有進一步改進的空間。集熱器的關鍵部件就是太陽能集熱器板芯，現在大多采用銅鋁復合的板狀材料制成。現有太陽能平板集熱器吸收膜大多吸收率較低，發射率較高，而且膜系結構復雜，膜層不牢固、不穩定。
發明內容
本發明為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷，提供一種能夠實現吸收可見波段和反射紅外波段的太陽能光譜的太陽能平板集熱器吸收膜。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是:一種太陽能平板集熱器吸收膜，其中，膜系結構為
G I Ci1Mj1Ca2M2P2C I A，其中，G代表基底，A代表空氣，M1代表金屬反射層，M2代表金屬吸收層，C代表介質層，a i代表金屬反射層札的厚度，α 2金屬吸收層M2的厚度，ββ 2代表介質層C的厚度。吸收膜在基底G上單面鍍制金屬反射層M1、介質層C、金屬吸收層M2、介質層C。單面鍍制的新型吸收可見波段和反射紅外波段的太陽能平板集熱器吸收膜結構，該膜系結構使得吸收膜在可見區吸收和近紅外反射的前提下具有較高的有效太陽能集熱器吸收光譜的吸收率，且具有較低的發射率。此吸收膜提高了太陽能平板集熱器的吸熱效果，并通過較寬的紅外反射設計使太陽能平板集熱器發射率大幅下降，能有效提高吸熱深度。進一步的，所述的基底G的材料為銅或不銹鋼；所述的金屬反射層M1的材料為Ag或Al ;所述的介質層C的材料為Al2O3或SiO2 ;所述的金屬吸收層M2的材料為W或Mo。其中除基底外的吸收膜層均采用磁控濺射方法制備，制備后所述的金屬反射層M1的厚度α I不小于50nm ;所述的介質層C的厚度β丨為65 90nm、β 2為75 IOOnm ;所述的金屬吸收層M2的厚度α 2為5 20nm。本發明的膜系主要結構為由金屬反射層M1、介質層C、金屬吸收層M2和介質層C組成的四層結構，是一種能夠實現吸收可見波段和反射紅外波段的吸收膜。通過選取具有選擇吸收性質的金屬材料與介質材料形成干涉膜系，并在膜系底層引入金屬紅外反射層，使膜系所達到的效果是:在380nm-1000nm波段實現高吸收，平均吸收率大于95%，在2500nm以上波段實現高反射，平均反射率大于95%以上。本發明具有較寬的可見光高吸收段及紅外波段的高反射設計。與現有技術相比，有益效果是:本發明太陽能平板集熱器吸收膜的寬吸收帶設計能有效提高吸收膜的吸熱效果，使其具有大于90%的高吸收率，同時在紅外波段的高反射設計使膜系的發射率相對市場現有產品進一步降低。吸收膜的單面結構具有光譜特性穩定、膜系結構簡單、膜層牢固、耐候性強的優點，滿足太陽能平板集熱器的長期使用要求，且具有良好的制備重復性。膜系結構適合通用的優化軟件，能夠達到更佳的效果。
圖1是本發明的吸收膜結構示意圖。圖2是本發明吸收膜各層功能示意圖(反射率)示意圖。圖3是優化前整體膜系設計吸收率曲線示意圖。圖4是優化后整體膜系設計吸收率曲線示意圖。圖5是優化后整體膜系設計反射率示意圖。圖6吸收膜實測吸收光譜示意圖。
具體實施例方式附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產品的尺寸；對于本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。如圖1所示，一種太陽能平板集熱器吸收膜，其中，膜系結構為
G I Ci1Mj1Ca2M2P2C I A，其中，G代表基底，A代表空氣，M1代表金屬反射層，M2代表金屬吸收層，C代表介質層，a i代表金屬反射層M1的厚度，α 2金屬吸收層M2的厚度，β pβ 2代表介質層C的厚度。吸收膜在基底G上單面鍍制金屬反射層M1、介質層C、金屬吸收層M2、介質層C。單面鍍制的新型吸收可見波段和反射紅外波段的太陽能平板集熱器吸收膜，該膜系結構使得吸收膜在可見區吸收和近紅外反射的前提下具有較高的有效太陽能集熱器吸收光譜的吸收率，且具有較低的發射率。進一步的，基底G的材料為銅或不銹鋼；金屬反射層M1的材料為Ag或Al ;介質層C的材料為Al2O3或SiO2 ;金屬吸收層M2的材料為W或Mo。膜系主要結構為金屬反射層札、介質層C、金屬吸收層M2和介質層C組成的四層結構。如圖1所示，本結構的平板太陽能集熱器吸收膜，它主要包括集熱器的基底1、形成在銅基底I上金屬紅外反射層2、形成在金屬紅外反射層2上的介質干涉層3、形成在介質干涉層3上的金屬吸收層4、形成在金屬吸收層4上減反層5。膜系各層功能如圖2所示，底層金屬紅外反射層2實現全波段的高反射，減少集熱器內部向外輻射，降低熱損失；介質干涉層3具有減反作用，同時與金屬吸收層4及減反層5形成干涉膜系，加寬吸收波段范圍；金屬吸收層4實現膜系的選擇性吸收功能；減反層5降低太陽光在膜系表面的反射損耗同時起到膜系的保護作用。其中，除基底外的吸收膜層均采用磁控濺射方法制備，制備后所述的金屬反射層M1的厚度α I不小于50nm ;所述的介質層C的厚度β丨為65 90nm、β 2為75 IOOnm ;所述的金屬吸收層M2的厚度α 2為5 20nm。本結構是在基底單面鍍制的由金屬和介質材料組成的吸收膜:
G I α 具 β !C a 2 M2 β 2C I A
圖3是以四分之一中心波長光學厚度的整體膜系設計吸收率曲線，為了能夠得到更好吸收可見波段和反射紅外波段的吸收光譜，從實用性角度出發，對所有膜層只進行厚度優化，并且優化精度為小數點后兩位。優化軟件使用“Essential Macleod"商用光學鍍膜軟件，優化后的具體膜系結構為:65.19 MJ7.78C11.86 M292.50C其中M1J2代表金屬，C代表介質材料，各具體數值為在550nm監控波長下的各層厚度值。優化結果如圖4所示的吸收譜線，圖5是優化后的反射譜線，使用高精度鍍膜機完全可以實現該設計結果。本發明使用國產全自動磁控射頻鍍膜機進行了實驗鍍制。選擇銅材料作為基底，鍍制選擇性吸收膜系，由于測試儀器測試條件要求，同時放入不同的基材(S1、SiO2表面雙面拋光)作為特性測試樣品基底。本底真空氣壓控制在5X 10_4帕。濺鍍金屬膜材料方法采用射頻濺射，通入氬氣(流量70sCCm)，氣壓維持在0.3帕，金屬反射層和金屬吸收層的濺射功率分別為280W和100W ;生成介質膜材料采用反應濺鍍，濺射功率280W，通入氬氣(流量60sccm)和氧氣(流量lOsccm)，工作氣壓維持在0.3帕。整個膜系鍍制通過自動控制方式實現，直至鍍制完成取片。基于上述理論設計及實驗制備，用島津公司的分光光度計，型號UV — 3101PC，測量波長范圍380nm至3200nm的吸收譜，如圖6所示。實驗結果表明，在多次鍍制與測量中顯示了良好的穩定性和重復性。在此不再敘述，附圖中描述位置關系僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制。 顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護范圍之內。
權利要求
1.一種太陽能平板集熱器吸收膜，其特征在于，膜系結構為 G I Ci1Mj1Ca2M2P2C I A，其中，G代表基底，A代表空氣，M1代表金屬反射層，M2代表金屬吸收層，C代表介質層，a i代表金屬反射層M1的厚度，a 2金屬吸收層M2的厚度，β pβ2代表介質層C的厚度。
2.根據權利要求1所述的一種太陽能平板集熱器吸收膜，其特征在于，所述的基底G的材料為銅或不銹鋼。
3.根據權利要求1所述的一種太陽能平板集熱器吸收膜，其特征在于，所述的金屬反射層M1的材料為Ag或Al。
4.根據權利要求1所述的一種太陽能平板集熱器吸收膜，其特征在于，所述的介質層C的材料為Al2O3或SiO2。
5.根據權利要求1所述的一種太陽能平板集熱器吸收膜，其特征在于，所述的金屬吸收層M2的材料為W或Mo。
6.根據權利要求3所述的一種太陽能平板集熱器吸收膜，其特征在于，所述的金屬反射層M1的厚度a I不小于50nm。
7.根據權利要求4所述的一種太陽能平板集熱器吸收膜，其特征在于，所述的介質層C的厚度β丨為65 90nm、β 2為75 lOOnm。
8.根據權利要求5所述的一種太陽能平板集熱器吸收膜，其特征在于，所述的金屬吸收層M2的厚度a 2為5 20nm。
9.根據權利要求1至8任一所述的一種太陽能平板集熱器吸收膜，其特征在于，吸收膜在基底G上單面鍍制金屬反射層M1、介質層C、金屬吸收層M2、介質層C。
全文摘要
本發明涉及太陽能平板集熱器技術領域，更具體地，涉及一種太陽能平板集熱器吸收膜。一種太陽能平板集熱器吸收膜，膜系結構為G︱α1M1β1Cα2M2β2C︱A，其中，G代表基底，A代表空氣，M1代表金屬反射層，M2代表金屬吸收層，C代表介質層，α1代表金屬反射層M1的厚度，α2金屬吸收層M2的厚度，β1、β2代表介質層C的厚度。膜系結構使得吸收膜在可見區吸收和近紅外反射的前提下具有較高的有效太陽能集熱器吸收光譜的吸收率，且具有較低的發射率。此吸收膜提高了太陽能平板集熱器的吸熱效果，并通過較寬的紅外反射設計使太陽能平板集熱器發射率大幅下降，能有效提高吸熱深度。
文檔編號B32B15/00GK103148621SQ201310070770
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月6日 優先權日2013年3月6日
發明者江紹基, 鐘金池, 黃辰迪, 余麗娜 申請人:中山大學