光谱选择性纳米复合涂层及光热转换应用

发布时间：2020-11-12 05:58

　　 随着化石能源的消耗,能源紧缺的问题日渐突出,同时传统化石能源的开发和使用带来了一系列环境问题。开发清洁新能源部分替代传统化石能源是解决这两个问题的重要途径。太阳能作为一种清洁能源,具有总量大分布广泛的特点,对其开发利用可以有效缓解能源紧缺和环境污染的问题。目前,主要有三种利用手段:太阳能光化学转换存储、太阳能光伏发电和太阳能光热转换利用,其中光热转换效率可达80%以上,应用也最为广泛。在太阳能光热转换过程中,最关键的部件是光热转换器上的太阳光谱选择吸收表面,该表面具有对太阳辐射高效吸收的特点,同时自身热发射率低可抑制辐射损失,其性能的优劣决定整个系统效率的高低。太阳能光谱选择吸收表面种类繁多,其中应用最为广泛的是金属陶瓷涂层表面,由金属纳米颗粒随机镶嵌于电介质中组成。这种涂层在太阳能中低温利用中(500℃C)具有较高的光热转换效率,然而在更高温下吸收率明显下降,其原因在于材料内部金属纳米颗粒的聚集长大。为了提高系统的稳定性,满足实际应用高温环境对高效光热转换和系统长期稳定的要求,本文提出纳米颗粒分层化替代传统金属陶瓷纳米晶随机分布结构的设计思想,抑制纳米颗粒间的聚集长大,提高光热转换材料的热稳定,同时通过涂层表面辐射特性的调控获得优异的光谱选择吸收性,使系统的高效稳定运行。具体包括以下三方面的内容:(1)CrAlO基单相纳米复合涂层的辐射特性及其光谱选择吸收表面的研究。采用阴极电弧离子镀技术在不同的氧气流量下制备Cr2Al合金纳米晶-AlCrOx非晶电介质复合材料,采用X射线衍射仪和透射电子显微镜观察涂层内部纳米晶的大小和分布,研究涂层沉积工艺对其显微结构的影响。进一步采用分光光度计测定涂层在300-2500 nm波段的反射和透射光谱,并基于纳米复合涂层的介电函数模型,计算其光学参数,研究涂层的微结构和表面辐射特性之间的关系。基于单层涂层的光学参数和典型四层结构,设计太阳光谱选择吸收表面,详细研究各层的成分和厚度对表面反射光谱的影响,优化其对太阳辐射的吸收率。基于优化后的四层结构光谱选择择吸收表面,制备出太阳光谱选择吸收表面,测定其吸收率和发射率;在500-800℃范围内对制备的光谱选择吸收表面进行热处理,详细研究涂层在高温条件下的微结构和表面辐射特性的变化,获得表面涂层高温下的稳定性和失效机理。采用时域有限差分数值技术求解麦克斯韦方程计算纳米颗粒在辐射场下的光吸收特性,研究涂层纳米颗粒的大小、分布和周围介质对涂层光吸收特性的影响,深入理解涂层光吸收过程的本质。为了进一步提高AlCrO基复合涂层光谱选择吸收表面的热稳定性,在涂层中掺入N元素以提高其致密度抑制扩散,详细研究了掺氮对涂层结构、性能及热稳定的影响。(2)TiAlON基双相纳米复合涂层的辐射特性及其光谱选择吸收表面的研究。采用阴极电弧离子镀技术在不同比例的氧气和氮气流量下制备双相(Ti3AlN、TiN)纳米晶-AlTiONx非晶电介质复合涂层,采用X射线衍射仪和透射电子显微镜观察涂层内部的纳米晶的大小和分布,采用分光光度计测定涂层在300-2500 nm波段的反射和透射光谱;基于纳米复合涂层的介电函数模型,拟合涂层的反射和透射光谱,获得涂层的光学参数,研究涂层中的纳米相的变化对涂层辐射性能的影响规律。基于单层涂层的光学参数,设计四层结构光谱选择吸收表面,研究涂层中不同纳米相表面的反射光谱的变化,获得最优吸收率条件下的涂层结构。制备太阳光谱选择吸收表面,测定其吸收率和发射率,对涂层在450-600℃的大气环境下热处理,详细研究涂层高温下的微结构和表面辐射特性的演变规律。理论采用时域有限差分技术求解麦克斯韦方程,研究两相纳米晶TiN和Ti3AlN同时存在的条件下涂层吸收性能的变化,揭示双相纳米晶涂层的光吸收机理。(3)光热转换涂层太阳能海水淡化的应用研究。针对太阳能局部热法海水淡化技术效率低的问题,提出太阳能仿生蒸发泵的设计概念。通过将TiAlON基双相纳米晶光热转涂层沉积于NiO多孔介质表面,利用TiAlON基涂层的强吸光特性使NiO表面对太阳辐射高吸收,将太阳辐射能量聚焦于多孔体表面;同时利用NiO多孔体的低导热和毛细抽吸力作用通过一维管道将水分抽吸至多孔体表面进行蒸发。从实验上详细研究蒸发泵在不同太阳输入功率密度条件下的蒸发速率、蒸发温度及光热转换效率。理论上基于光热能量传递过程中能量守恒的基本定律,研究不同输入能量下蒸发泵的通过辐射和对流的热损失,从而预测泵的光热转换效率,证明实验测量结果的准确性。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1
【部分图文】：

图１．１中国与世界一次能源的探明剩余储量对比??

阳能资源非常丰富，陆地表面每年接收太阳辐射能量高达ＳｘｌＯｉｇｋＩ，全国三分之二以??上面积的年日照时间超过２０００小时，全国各地年太阳辐照总量达到３３５０－８３７０ＭＩ／ｍ２。??如图１．２所示，除了四川盆地，我国大部分地区的太阳辐射都在可利用范围以上，其中??西部青藏地区太阳能资源非常丰富，其能量超过１７００ｋＷ＿ｈ／ｍ２。其次，太阳能分布十??分广泛。特别是在基础电力设施缺乏的边远地区，太阳能可以作为分布式供能满足当??地的能源需求。此外，太阳能的用途非常广泛，其应用领域包括太阳光热利用、太阳能??光伏发电、太阳能光化学转换等［２（）］。??由上分析可知，太阳能是一种储量丰富用途广泛的清洁能源，如何高效合理开发??利用太阳能意义重大。在诸多太阳能利用方式中，光热转换利用效率最高，最具有开发??前景。然而，目前的太阳能光热实际利用转换效率还存在提升的空间。太阳能是一种辐??射能，其与接收太阳能的物质之间的作用机理尚未形成统一解释。通过研宄物质表面??的辐射特性

大气层的吸收后，主要包括臭氧对紫外线的吸收，二氧化碳和水蒸气对红外线的吸收，??云层反射和散射，到达地面的辐射强度一般在１０００?Ｗ／ｍ２左右［２２］。??如图１．３所示，地面太阳福射主要集中在３００－３０００?ｎｍ波段：３８０?ｎｍ以下为紫外??波段；３８０－７６０ｎｍ为可见光波段；７６０－３０００ｎｍ为红外波段。其中紫外波段的能量约占??９％，可将光波段约占４３％，红外波段约占４８％。在太阳能的利用过程中，３００－３０００?ｎｍ??波段是主要的研究对象。??太阳辐射??热能??１１丨丨喔＿丨１＂＿晒丨一?Ｉ?咖?Ｘ????????—一＾―ＥａｙａＷＢｌＢ—？?—??ｍｉｎｉｌ?Ｉ?１１１??图１．４太阳能光热利用的主要方式??３??
【参考文献】

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本文编号：2880348