钒基选择性吸收涂层结构
技术领域
本发明涉及一种附着于平面或管面上、用于增强太阳能吸收效果的选择性吸收涂层结构。
背景技术
利用太阳能的光热效果，将太阳能吸收并储存在吸热介质(例如生活用水、蓄热材料)中的系统与装置，在太阳能集热领域非常常见。
一般来说，吸热介质一般储存于透明材质(如玻璃)制成的腔体内，以利于太阳光进行穿透照射。为了提高吸热效率，减少反射率，会在该透明材质朝向太阳的一面设置选择性吸收涂层。
然而，随着吸热效率的提高，在夏季空晒条件下，腔体内的温度最高可以达到300℃，对腔体的真空度和寿命有一定的影响；此时，若腔体内突然触及冷水，极容易造成腔体炸裂的事故。
因此，针对太阳集热管的使用温度限制，解决高温条件下集热管容易炸管的问题，需要设计开发一种低温条件下不影响集热效率，且能够限制集热管最高空晒温度的太阳能集热管，以期进一步提高集热管的安全性、可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种钒基选择性吸收涂层结构，使其在低温条件下不影响腔体集热效率，在高温条件下又能降低集热效率，保护太阳能集热系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种钒基选择性吸收涂层结构，形成于透明材质朝向太阳的一侧表面上，其特征在于：包括红外反射层、钒基低电阻层、钒基过渡层、钒基高电阻层和钒基减反层。
所述的钒基选择性吸收涂层结构，其中：在钒基低电阻层、钒基过渡层、钒基高电阻层和钒基减反层中分别掺杂了占总量2％～40％摩尔比的二氧化钒。
所述的钒基选择性吸收涂层结构，其中：所述红外反射层为金属铝或铜的纯金属，厚度为60-120nm。
所述的钒基选择性吸收涂层结构，其中：所述钒基低电阻层是以金属铝、钛、不锈钢、镍及其氧化物中的任意一种或任意数种的混合物为基质，再掺杂二氧化钒，其中二氧化钒占总量的摩尔比为5％-20％，涂层厚度为50-150nm，方块电阻为90～500欧姆。
所述的钒基选择性吸收涂层结构，其中：所述钒基过渡层是以金属铝、钛、不锈钢、镍、硅及其氧化物中的任意一种或任意数种的混合物为基质，再掺杂二氧化钒，其中二氧化钒占总量的摩尔比为10％～25％，涂层厚度为50-150nm，方块电阻为500～2000欧姆。
所述的钒基选择性吸收涂层结构，其中：所述钒基高电阻层是以金属铝、钛、不锈钢、镍、硅及其氧化物中的任意一种或任意数种的混合物为基质，再掺杂二氧化钒，其中二氧化钒占总量的摩尔比为15％～30％，涂层厚度为50-150nm，方块电阻为1000～10000欧姆。
所述的钒基选择性吸收涂层结构，其中：所述钒基减反层是以铝、硅的氧化物中的任意一种或混合物为基质，再掺杂二氧化钒，其中二氧化钒占总量的摩尔比为30％～50％，方块电阻大于5万欧姆。
本发明通过采用掺杂二氧化钒的选择性吸收涂层，实现了选择性吸收涂层低温条件下高吸收低发射的有利于集热的性能要求，同时达到在高温条件下低吸收高发射的状态，以降低非工作状态下的集热效率，提高集热系统的安全性和可靠性。
附图说明
图1是钒基选择性吸收涂层的结构示意图。
图2是本发明应用于全玻璃热管式真空太阳集热管的结构示意图。
附图标记说明：1-冷凝段；2-吸热段；3-钒基选择性吸收涂层；4-真空夹层；5-罩玻璃管；6-支架；7-吸气剂；8-液体工质；91-红外反射层；92-钒基低电阻层；93-钒基过渡层；94-钒基高电阻层；95-钒基减反层。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的钒基选择性吸收涂层结构，由依次形成在透明材质9朝向太阳一侧表面上的红外反射层91、钒基低电阻层92、钒基过渡层93、钒基高电阻层94和钒基减反层95组成；其中，在钒基低电阻层92、钒基过渡层93、钒基高电阻层94和钒基减反层95中分别掺杂了占总量2％～40％摩尔比的二氧化钒。
其中，各层中主要成分、二氧化钒的摩尔比及涂层厚度分别为：
红外反射层91为金属铝或铜等纯金属，不含二氧化钒，涂层厚度为60-120nm，方块电阻为0欧姆。
钒基低电阻层92是以金属铝、钛、不锈钢、镍及其氧化物中的任意一种或任意数种的混合物为基质，再掺杂二氧化钒，其中二氧化钒占总量的摩尔比为5％-20％，涂层厚度为50-150nm，方块电阻为90～500欧姆。
钒基过渡层93是以金属铝、钛、不锈钢、镍、硅及其氧化物中的任意一种或任意数种的混合物为基质，再掺杂二氧化钒，其中二氧化钒占总量的摩尔比为10％～95％，涂层厚度为50-150nm，方块电阻为500～2000欧姆。
钒基高电阻层94是以金属铝、钛、不锈钢、镍、硅及其氧化物中的任意一种或任意数种的混合物为基质，再掺杂二氧化钒，其中二氧化钒占总量的摩尔比为15％～30％，涂层厚度为50-150nm，方块电阻为1000～10000欧姆。
钒基减反层95是以铝、硅的氧化物中的任意一种或混合物为基质，再掺杂二氧化钒，其中二氧化钒占总量的摩尔比为30％～50％，方块电阻大于5万欧姆。
本发明提供的钒基选择性吸收涂层结构，可形成于平面、曲面等板状透明材质9上，也可形成于管状或球状透明材质9上，例如图2所示，是本发明应用于全玻璃热管式真空太阳集热管的结构示意图，所述集热管主要由内管(包括冷凝段1以及吸热段2，冷凝段1的直径、壁厚等参数与吸热段2均相同)与罩玻璃管5构成，吸热段2的圆头与罩玻璃管5之间以支架6固定，支架6上设有吸气剂7，吸热段2与罩玻璃管5之间具有真空夹层4，吸热段2的外壁具有所述钒基选择性吸收涂层3，吸热段2与冷凝段1的内部构成工质腔，工质腔内抽真空并放置有液体工质8，液体工质8体积与工质腔的容积比为千分之1.5～百分之二(优选为千分之三～千分之六)。
其中，所述液体工质为两种以上不同沸点的液体工质组成，其中高沸点工质体积占总体积的20％～50％，其余为低沸点工质。所述高沸点工质，是指沸点大于等于水的沸点的液态工质，包括但不限于乙二醇，丙二醇等。所述低沸点工质，是指沸点低于水的沸点的工质，包括乙醇、丙酮等。
通过采用上述钒基选择性吸收涂层3，本发明得到一种热致相变太阳能集热管，当钒基选择性吸收涂层3低于80℃时，钒基选择性吸收涂层3的吸热曲线显现出标准的两个干涉峰特征，在300-2000nm波段显示出典型的高吸收特征，而在10000nmd中远红外波段则显示低吸收低发射特性，由此可以实现集热管在80℃以下的高效集热性能；当集热管钒基选择性吸收涂层3高于80℃时，利用二氧化钒在68℃条件下由半导体态向金属态转变的特性，改变了钒基低电阻层、钒基过渡层、钒基高电阻层和钒基减反层的电阻特性，由此改变干涉型吸收曲线为非干涉型曲线，特别是钒基减反层二氧化钒的金属化，导致减反射层减反效能大幅度降低，反射性显著增强，由此显著破坏了钒基选择性吸收涂层3的选择性吸收特性，显著降低了300-2000nm波段的吸收特性，同时大幅度增加了10000nm以外中远红外的发射比，进而显著影响了集热管在高温段的集热性能，显著降低了集热管在空晒条件下的空晒温度，有效提高了集热管的安全可靠性，特别是对全玻璃热管真空太阳能集热管有更为显著的提升安全性和可靠性的意义。
本发明制造时，是采用掺杂钒的金属靶和氧气进行辅助溅射反应，在干涉型钒基选择性吸收涂层3的钒基低电阻层、钒基过渡层、钒基高电阻层和钒基减反层中均掺入了钒的氧化物，再通过高温氧化作用，实现金属离子钒和钒氧化物向二氧化钒的转变。特别是钒基减反层中二氧化钒的高效掺杂，实现了在达到钒基选择性吸收涂层3低温干涉特性的条件下，对其高温非干涉特性的改变。
