专利名称：高效率太阳热接收器的制作方法
技术领域：
本文公开的主体大体涉及太阳热能，并且更具体而言涉及用于利用太阳热能的接 收器。
背景技术：
太阳能热功率系统使用反射的太阳光作为热源来驱动发电。将太阳能转换成可用 形式的能量的一种方式是通过聚光式太阳能功率系统。聚光式太阳能功率系统大体依赖反 射表面来将太阳的光线反射到公共的、聚焦的吸热区域，即中心接收器。中心接收器是反射 的太阳的光线的目标，反射的太阳光高度聚集在中心接收器处，并且可在超过500摄氏度 的高温处被聚集。在中心接收器处产生的热可随后用于现有的功率或热发生系统，例如蒸 汽涡轮驱动的发电装置，以产生电或以别的方式为其它系统提供热能。为了在太阳热接收器的表面上产生热，合乎需要的是尽可能多地吸收在地球表面 处入射的太阳光谱。但是，由于因为高温接收器表面暴露于环境空气引起的对流的原因，会 发生大量的热损失。另外，由于电磁能再辐射到太空中的原因，会发生热损失。最小化这些 热损失源将改进太阳热接收器的效率。
发明内容
在第一实施例中，提供了一种接收器面板。该接收器面板包括多个导热纳米结构 和衬底，其中，衬底支承该多个导热纳米结构。在第二实施例中，提供了一种太阳能功率装置。该太阳能功率装置包括塔架和固 定到塔架上的接收器。接收器包括至少一个接收器面板，该至少一个接收器面板包括多个 吸热纳米结构和吸热金属衬底。该金属衬底支承该多个吸热纳米结构。太阳能功率装置还 包括一个或多个反射结构，一个或多个反射结构构造成以便将入射能反射在接收器上。在第三实施例中，提供了一种接收器面板。该接收器面板包括多个金属纳米线和 金属衬底。该多个金属纳米线相对于金属衬底基本正交。接收器面板还包括半透明或透明 电介质，半透明或透明电介质形成罩或涂层，以便为多个金属纳米线保持非氧化环境。接 收器面板进一步包括抗反射涂层和低放射涂层，抗反射涂层构造成以便增加范围为从约 330nm至约2500nm的波长通过电介质的透射，低放射涂层构造成以便将至少约3000nm的波 长反射回到该多个金属纳米线。
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得 更好理解，在附图中，相似的符号在所有图中表示相似的部件，其中图1是根据本文公开的技术的某些实施例的太阳能功率系统的示意图；图2是根据本文公开的技术的某些实施例的另一个太阳能功率系统的示意图；图3是根据本文公开的技术的某些实施例的接收器面板的一部分的概略性侧视图；图4是根据本文公开的技术的某些实施例的、具有指数匹配薄膜的接收器面板的 一部分的概略性侧视图；图5是根据本文公开的技术的某些实施例的、具有覆盖体的接收器面板的一部分 的概略性侧视图；图6是根据本文公开的技术的某些实施例的、具有罩的接收器面板的一部分的概 略性侧视图；图7是根据本文公开的技术的某些实施例的、具有低放射涂层和抗反射涂层的图 5所示的接收器面板的一部分的概略性侧视图；以及图8是根据本文公开的技术的某些实施例的、具有低放射涂层和抗反射涂层的图 6所示的接收器面板的一部分的概略性侧视图。部件列表10太阳能功率系统12 塔架14中心接收器16定日镜组场18光学反射表面20 太阳22发电表面24太阳能盘/发动机系统26太阳能收集器28发动机30接收器面板32 衬底34多个导热/吸热纳米结构36纳米结构的直径38纳米结构的高度40分开距离42指数匹配薄膜44覆盖体45封装层46封装层的厚度47 罩48金属缘边50 窗口52窗口的厚度54 端口56低放射涂层58抗反射涂层
60低放射涂层的厚度62抗反射涂层的厚度64入射光
具体实施例方式下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施 例的简明描述，可能不会在说明书中对实际实现的所有特征进行描述。应当理解，当例如在 任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对实现而言专有的决定来 实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，开发者的具体目标可 在不同的实现之间彼此有所改变。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但 尽管如此，对受益于本公开的那些普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造 的例行任务。当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意在 指的是存在一个或多个元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意在为包括性的，并且指的是 在所列元件以外，可存在额外的元件。运行参数和/或环境状况的任何实例均不排除所公 开的实施例的其它参数/状况。现在转到附图，并且首先参照图1，示出了太阳能功率系统10的一个实施例的示 意图。该示意图描述了塔架12、附连到塔架12的顶部上的中心接收器14，以及定日镜场 16。接收器14可包括一个或多个接收器面板。定日镜场16包括一个或多个定日镜，该一 个或多个定日镜包括光学反射表面18，光学反射表面18被恰当地安装、驱动和/或控制，以 便在白天的时间期间跟踪太阳20并且将太阳的光线反射到中心接收器14。中心接收器14 被加热到高温(例如500摄氏度或更高)，在此之后，大体通过使传热流体流过接收器14或 邻近接收器14而流动来提取热。传热流体可包括合成油、熔盐、有机流体、水或空气。接收 器14可为管形接收器，其中，管道或管直接延伸穿过接收器14的面板。备选地，接收器14 可为平面的或体积式接收器，其中，管道或管从接收器14的面板的背面提取热。热然后从 接收器14传递到发电装置22，例如蒸汽涡轮驱动的发电装置，以将热量热转换成电。图2示出了太阳能功率系统10的另一个实施例的示意图。太阳能功率系统10包 括太阳能盘/发动机系统对，太阳能盘/发动机系统M包括多个反射太阳能收集器沈、接 收器14和发动机观。接收器14可直接结合到发动机中或构成单独的单元。该多个太阳 能收集器沈在白天的时间期间跟踪太阳20，并且将太阳的光线反射在位于盘系统M的焦 点处的接收器14处。然后接收器14收集的热可传递到发动机观。发动机观包括工作流 体。发动机观内的冷的工作流体被压缩，并且热从接收器14传递到发动机28，以加热经压 缩的工作流体，在此之后，通过涡轮或使用活塞来使工作流体膨胀，以产生机械动力。然后 机械动力可传递到发电装置22。额外的实施例可结合接收器在较小型应用(例如屋顶热收 集器、太阳能热水器、太阳能驱动的空调系统等)中的使用来捕获太阳热能。图3示出了用于在接收器14(图1和2)中使用的接收器面板30的一个实施例的 概略性侧视图。接收器面板30的实施例可布置成以便制成平的表面。备选地，接收器面板 30可以以圆柱形方式来布置。接收器面板30包括衬底32，衬底32支承多个导热或吸热纳 米结构34，多个导热或吸热纳米结构34构造成以便将热传递到衬底32。衬底32可包括金属或其它适当的导热或吸热材料。衬底32可包括的金属的实例是INCONEL 、镍、外层 涂有氧化铝的铝，或外层涂有氧化钛的钛。在一个实施例中，衬底32的范围可为从约2mm 至约3mm厚。接收器面板30的实施例可包括附连到接收器面板30的背面上的热提取管道系 统。热可从衬底32传递到管道系统。备选地，接收器面板30可包括在接收器面板30内的 薄壁管道。这些管道可包覆有多个导热纳米结构34，以最大程度地增加传热。因此，热可通 过管道系统的薄壁从纳米结构34传递到流过管道的传热流体。在一个实施例中，管道系统 的壁的范围可为从约2mm至约25mm厚。对于纳米结构34，在衬底32上使用纳米图案化的表面减少了光的散射和衍射，并 且从而减少了太阳热能的损失。在一个实施例中，导热纳米结构34相对于衬底32基于垂 直地对准(即正交)。在备选实施例中，多个导热纳米结构34可在它们相对于衬底32的 对准方面有所不同。导热纳米结构34可在截面方面有所不同，并且可(例如)具有管形、 圆形、正方形、长方形、三角形或任何其它适当的多边形截面。在一个实施例中，导热纳米结 构；34的厚度或直径36的范围可为从约5nm至约lOOOnm。在一个这种实施例中，导热纳米 结构；34的高度38的范围可为从约0. Ιμπι至约10 μ m。在某些实施例中，多个纳米结构34 中的各个之间的分开距离40的范围可为从约50nm至约3 μ m。导热纳米结构34的大小、形 状和分布可确定和/或构造成允许接收器面板30更高效地吸收所关注的特定的光谱区。在一个实施例中，该多个导热纳米结构34可包括吸热或导热金属，以更有效地吸 收光和热。在多个导热纳米结构34上入射的光可在该多个纳米结构34内被吸收或反射。 当入射光在该多个纳米结构34内部分地反射时，光将进一步被吸收和部分地反射，直到吸 收了基本所有的能量。例如，具有管形形状的纳米结构可包括高效率吸收体，例如碳。具有 备选形状(例如线形状(纳米线))的纳米结构可包括镍、银、铜、钴或其它适当的金属，以 及/或者这些金属的相应的氧化物。在紫外线、可见光和近红外光谱范围里，这些金属是高 吸收性的。另外，在另一个实施例中，纳米结构可包括诸如锑化铟或砷化铟的半导体材料。 除了高吸收性的纳米结构，该多个导热纳米结构34可包括在约300nm至约3μπι的光谱范 围上具有低的放射率的金属氧化物，例如氧化锡、氧化锌或氧化铟。导热纳米结构34的成 分还可确定成以便允许接收器面板30更高效地吸收所关注的特定的光谱区。该多个导热纳米结构34可以以多种方式制成。接收器面板30的一个实施例包括 直接将该多个纳米结构；34从衬底32中湿法蚀刻出来，其中，衬底32包括吸热或导热金属 (例如INCONEL )。一个备选实施例包括将铝薄膜淀积在衬底32上以及通过酸性阳 极处理来在衬底32上产生纳米多孔阳极化氧化铝模板。该多个导热纳米结构34然后可电 镀到纳米孔中，相对于衬底32垂直地对准。可采用另外的方法来制造纳米结构34，例如使 用在衬底上图案化的光掩膜，后面是将纳米结构34化学气相淀积、以掠射角物理气相淀积 (溅射和气化)、直接化学合成、等离子体或液体蚀刻，或成核到衬底32的暴露区域上。结 合干法蚀刻技术(例如反应性离子蚀刻(RIE)或感应耦合等离子体(ICP)蚀刻)而形成金 属或电介质纳米掩膜也可用来制造纳米结构34。图4示出了接收器面板30的另一个实施例的概略性侧视图。接收器面板30包括 支承多个导热或吸热纳米结构；34的衬底32和光学(折射)指数匹配薄膜42。在描绘的实 施例中，指数匹配薄膜42可设置在多个纳米结构34和衬底32之间。如在上面的实施例中的那样，衬底32可包括导热或吸热金属。指数匹配薄膜42可包括单个层或多个层。另外， 指数匹配薄膜42还可为分级的。指数匹配薄膜42可增强衬底32的金属和该多个纳米结 构34之间的光学匹配。另外，该指数匹配薄膜可促进该多个纳米结构34和衬底32之间的 粘附。接收器面板30的周围的大气可被加热到至少500摄氏度的温度。该多个导热纳 米结构在暴露于大气时暴露于这种温度可导致纳米结构34的氧化，或者可使纳米结构34 的吸收能力显著地退化。备选地，接收器面板30的周围的高温大气暴露于25至50摄氏度 的环境空气温度可导致热通过对流传递到环境空气。由于这些考量，图5示出了接收器面板30的另一个实施例。该接收器面板30包 括支承多个导热或吸热纳米结构34的衬底32，如上所述，以及封装该多个纳米结构34的 覆盖体44。在所描绘的实施例中，覆盖体44被提供为封装层45，其覆盖衬底32和纳米结 构34。接收器面板30可包括覆盖体44，以减少或消除纳米结构34的氧化，以及/或者减 少或消除对流性传热。在所描绘的实施例中，封装层45可完全或部分地由透明或半透明电 介质材料(例如二氧化硅或石英)形成。可通过将电介质材料直接溅射或真空淀积到该多 个纳米结构34上来获得封装层45。备选地，可通过化学气相淀积或其它适当的涂覆过程来 淀积电介质材料。封装层45的厚度46的范围可大体为从约3 μ m至约5 μ m或更大，并且 在一个实施例中可从衬底表面延伸到约10 μ m。本领域技术人员会理解，封装层45可能并 非如图5所描绘的那样是平的，而是可采用下面的纳米结构34的形状和粗糙度，即可以以 关于下面的纳米结构34相似的方式淀积封装层45。在图6中示出了覆盖体44的一个备选实施例。接收器面板30还包括支承多个导 热或吸热纳米结构34的衬底32和罩47的形式的覆盖体44，罩47封闭多个纳米结构34。 所描绘的罩47包括铜焊到衬底32上的金属缘边48，以及焊接或铜焊到金属缘边48上的 窗口 50，窗口 50包括透明或半透明的电介质材料(例如二氧化硅、石英或蓝宝石)。在一 个实施例中，窗口 50的厚度52的范围可为从约2mm至约25mm。接收器面板30可包括端 口 54，以用于从罩47中移除空气，且然后密封罩47，以在该罩47中留有真空。另外，在另 一个实施例中，端口 M可用来将诸如氩气或氮气的惰性气体注射到罩47中。除了对流之外，还由于电磁能再辐射到太空中而损失了大量的热。图7示出了接 收器面板30的一个另外的实施例。类似于图5中的实施例，接收器面板30包括支承多个 导热或吸热纳米结构34的衬底32，以及覆盖该多个纳米结构34的封装层45。所描绘的接 收器面板30还包括低放射涂层56和抗反射涂层58。在一个实施例中，低放射涂层56构造 成以便将约2500nm至约14μπι(长波长IR)的波长反射回到该多个导热纳米结构34。在一 个实施例中，低放射涂层56还允许具有范围为从约350nm至约2500nm的波长的太阳能辐 射透射到该多个纳米结构34。在一种实现中，低放射涂层56可包括多层氧化锡和银，并且 低放射涂层56的厚度60可为大约lOOnm。其它多层电介质涂层堆也可用来实现长波长反 射器，其会将热捕获在接收器中。低放射涂层56可设置在抗反射涂层58上面或下面，或者 可设置在透明或半透明覆盖体44上或下面。抗反射涂层58构造成以便经受住接收器面板30的表面处的高温。另外，在一个 实施例中，抗反射涂层构造成以便最大程度地增大约330nm至约2500nm的波长内的光到该 多个导热纳米结构34的透射。抗反射涂层58可包括多层电介质材料。在一个实施例中，抗反射涂层58的厚度62的范围可为从约0. 1 μ m至约2 μ m。抗反射涂层58可设置在低放 射涂层56的上面或下面，或者在透明或半透明覆盖体44上或下面。在一个实施例中，不具 有抗反射涂层58的且被提供为覆盖体44的一部分的石英窗口透射入射辐射的93%，而具 有抗反射涂层58的相同的石英窗口可透射入射辐射的99%。在一个备选实施例中，在首先真空或溶液淀积薄的缓冲层之后，可通过宽带隙纳 米线(例如aiO、SnO2等)的直接溶液淀积过程来将透明纳米结构(例如纳米杆)制造在 封装体或覆盖体44的表面上。备选地，可通过首先淀积薄的指数匹配的电介质层，以及然 后使用一排金属纳米掩膜(例如镍)(其通过光刻法或在退火之后随机地将金属薄膜分成 纳米岛(例如纳米球光刻法)而形成)将纳米结构干法蚀刻到该层中，来将透明纳米结构 形成于覆盖体44上。这些结构形成了全方向抗反射涂层。这些纳米结构中断了连续的平 滑表面，并且导致了散射，以及向前传播到表面中，从而引起以法向入射角和高达高的输入 角到达下面的衬底的光的增强的宽带传输。如图8中所看到的那样，结合抗反射涂层58和低放射涂层56最大程度地增加了 接收器面板30获得和保留的太阳热能的量。图8示出了具有低放射涂层56和抗反射涂层 58两者的类似于图6的接收器面板30的一个实施例。入射光64透射通过抗反射涂层58、 低放射涂层56和窗口 50，在此之后，多个导热纳米结构34吸收太阳热能中的一些。由于在 接收器面板30处存在的至少500摄氏度的温度的原因，黑体辐射可朝向太空再辐射回去。 但是，在描绘的实施例中，低放射涂层56将约2500nm至约14 μ m的波长反射回到该多个纳 米结构34，以捕获热。上面的实施例的技术作用包括增加太阳能接收器捕获的热。另外，另一个技术作 用是显著地减少了由于对流和再辐射引起的热的热损失。这允许太阳热发电装备从在地球 的表面上的入射光中产生更多的电。另一个技术作用是使用了纳米级结构来改进对热能的 捕获和/或传输。本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人 员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的 可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果 这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括 与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要 求书的范围之内。
权利要求
1.一种接收器面板(30)，包括:多个垂直地定向的纳米结构(34)；衬底(32)，其中，所述衬底(32)支承所述多个垂直地定向的纳米结构(34)；以及封装层(45)，其设置在所述垂直地定向的纳米结构(34)之上，使得所述垂直地定向的 纳米结构(34)不暴露于氧化环境，其中，所述封装层G5)包括真空淀积或溅射到所述多个 纳米结构(34)和所述衬底(32)上的Si02。
2.根据权利要求1所述的接收器面板(30)，其特征在于，所述多个纳米结构(34)蚀刻 到所述衬底(3 中。
3.根据权利要求1所述的接收器面板(30)，其特征在于，所述接收器面板(30)进一步 包括增强所述多个纳米结构(34)和所述衬底(32)之间的光学匹配的指数匹配薄膜02)。
4.根据权利要求1所述的接收器面板(30)，其特征在于，所述接收器面板(30)进一 步包括抗反射涂层(58)，所述抗反射涂层(58)构造成以便增加范围为从约330nm至约 2500nm的波长通过所述封装层0 的透射。
5 根据权利要求1所述的接收器面板(30)，其特征在于，所述接收器面板(30)进一步 包括低放射涂层(56)，所述低放射涂层(56)构造成以便将至少约2500nm的波长反射回到 所述多个纳米结构(34)。
6.一种接收器面板(30)，包括衬底(32)；形成于所述衬底(32)上的多个纳米结构(34)；以及半透明或透明电介质，其在所述多个纳米结构(34)之上形成密封的罩的至少一部分， 以便为所述多个纳米结构(34)保持非氧化环境。
7.根据权利要求6所述的接收器面板(30)，其特征在于，所述接收器面板(30)进一 步包括抗反射涂层(58)，所述抗反射涂层(58)构造成以便增加范围为从约330nm至约 2500nm的波长通过所述密封的罩的透射。
8.根据权利要求6所述的接收器面板(30)，其特征在于，所述接收器面板(30)进一步 包括低放射涂层(56)，所述低放射涂层(56)构造成以便将至少约2500nm的波长反射回到 所述多个纳米结构(34)。
9.根据权利要求6所述的接收器面板(30)，其特征在于，所述电介质包括SiO2或蓝宝石。
10.根据权利要求6所述的接收器面板(30)，其特征在于，所述多个纳米结构(34)包 括碳纳米管。
全文摘要
本发明涉及一种高效率太阳热接收器。根据本公开，提供了一种接收器面板(30)，其包括多个导热纳米结构(34)。导热纳米结构(34)可提供于支承该多个导热纳米结构(34)的衬底(32)上。在一个实施例中，导热纳米结构(34)可相对于衬底(32)的表面基本正交。
文档编号F24J2/46GK102141310SQ20111003728
公开日2011年8月3日 申请日期2011年2月1日 优先权日2010年2月1日
发明者K·R·朗, L·察卡拉科斯, M·M·迈尔斯, M·萨凯米, R·R·科德曼 申请人:通用电气公司