中高温太阳能高选择性吸收涂层的制备与研究

发布时间：2020-11-13 01:28

　　 在石化等一系列不可再生的能源渐渐减少的背景下,现有的世界能源结构将会发生重大变化,太阳能将会逐步代替现有的常规能源,成为人类生产生活必不可少的重要能源,对太阳能的光热利用的研究已经成为当今科学界的一大热点,在世界各地掀起一股新的科研浪潮。太阳能高选择性吸收涂层的主流制备方法(磁控溅射法)存在工艺复杂,生产成本高,效率低下等问题,一直制约着大规模应用,故本论文针对上述问题,提出了一种新的合成思路以及简约的工艺,同时还解决了涂层的耐热性能,主要研究内容及成果如下:第一部分:以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、甲酸和双端羟基聚醚改性硅油(THPDMS)为原料,ε-己内酰胺封端剂,二月桂酸二丁基锡以及三乙胺为催化剂,合成封端多异氰酸酯交联剂,验证了交联剂成功合成,然后与树脂高温交联固化。通过红外核磁表征,成功合成封端含硅氧烷多异氰酸酯交联剂,并利用原位红外和DSC联合表征出封端含硅氧烷多异氰酸酯交联剂的解封端温度160-170℃和与端羟基树脂固化温度180℃。通过拉伸表征证实了交联剂中THPDMS的加入,会使胶膜的断裂伸长率和拉伸强度都大幅度提高,提高空白胶膜的韧性和机械强度。通过热失重表征,发现没加THPDMS的胶膜在250℃开始分解,而加了THPDMS的热分解全部在300℃以上,最高可达350℃,基本满足中高温太阳能吸收涂层的要求。同时通过拉曼光谱仪分析胶膜煅烧后残留物的石墨化程度以及原子力显微镜观察残留物表面形貌,进一步证实了随着THPDMS含量增加,胶膜热稳定性加强。第二部分:采用Cu(NO_3)_2·3H_2O、Cr(NO_3)_3·9H_2O、MnCl_2·4H_2O为主要原料,以NaOH作为沉淀剂制备黑色粉体。采用硅溶胶和有机硅树脂复合的粘结剂,通过各种测试,得到含量10%左右的硅溶胶的涂膜综合性能最佳。通过热重分析,证明此涂膜符合中高温涂层要求。通过光谱仪器得出粉体中Cr(NO_3)_3·3H_2O用量较多时,所制得的涂层的吸收率α_s较大、发射率ε_T较低;当加入较多Cu(NO_3)_2·3H_2O的粉体时,涂层吸收率α_s会有所降低,但发射率ε_T相对升高。从粉体SEM图来看,粉体表面的凸起结构和孔洞结构对一定波长的光起到散射作用,增加了光的反射次数,从而增加了吸收率,且不易发生表面的团聚,大大提高了金属颗粒的热稳定性。通过XRD分析粉体的晶型,发现实验得到的粉体是复合氧化物CuCrMnO_x。第三部分:利用溶胶-凝胶法制备了Fe_xCu_yMn_zO,并采用CaCO_3联合高温煅烧方法,在功能性粉体上制造针状结构,采用上述硅树脂和硅溶胶,配合一定比例助剂和功能性粉体,通过高压喷涂的方法均匀涂覆在铝板上。XRD表征证明了粉体煅烧处理后形成了Fe_xCu_yMn_zO晶态,结合XPS表征和能量谱图定量表征得到粉体A的化学结构大致为CuMn_3FeO_4,XPS还证实了粉体各元素以化学键共存。并通过UV3600以及TENSOR27光学仪器考察了涂层的紫外-可见-红外波段的吸收率和远红外波段的发射率,得到了紫外-可见-红外波段高吸收率和远红外波段低发射率的太阳能高选择性吸收涂层。利用粒径分析仪探究粉体煅烧时间,得到最佳反应时间为8 h。用SEM表征粉体表面结构,探究出CaCO_3添加量对粉体表面形貌的影响,从而对涂层的发射率的影响。利用硅片作为底材,在其表面刻蚀出类似金字塔的棱锥结构。通过SEM对其表面形貌进行表征,并利用AFM从三维角度来解析硅片刻蚀形貌,发现刻蚀时间长短影响硅片表面类金字塔的密度,联合UV3600光学仪器对涂覆在硅片上涂层进行表征,发现涂层吸收率增加,并且类金字塔结构越密集吸收率越高。通过实际测量发现涂层具有高选择性吸收太阳光能力,也进一步证实了太阳能高选择性吸收体现在紫外-可见光-红外区域的高吸收,远红外区域的低发射。
【学位单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB306;TK51
【部分图文】：

第一章 绪论背景及意义肺腑，森罗万象罗心胸‖，古往今来，煜煜的阳光总是给人也是大自然的―造物者‖，是能源的源泉，可以这样说，人类今世界，在石化等一系列不可再生的能源渐渐减少的大背景会发生重大变化，太阳能源将会逐步代替现有的常规能源，的重要能源，太阳能的利用的研究已经成为当今科学界研究用没有界限，在全球范围内的任何地方都可以进行开发和利，应用前景广阔。目前，全球能源供应问题日显突出，世界续发展战略，太阳能光热利用技术的开发应用已成为研究热的科研浪潮[2-3]。

按工作温度分类，分为低温工作领域和中高温工作领域。太阳能热水器、太阳能海水淡化等集热温度在 100 ℃以下属于低温工作领域，而高温工作领域一般配有太阳光聚集系统，如蝶式太阳能光热发电站[10]、塔式太阳能光热发电站[11]和中心聚光太阳能热发电站[12]等工作温度在 200 ℃以上。1.2.1 中心聚光太阳能热发电（CSP）30 兆瓦～200 兆瓦范围内的中心聚光太阳能发电厂现已在加利福尼亚州和欧洲地区成功运行。与此同时，2016 年 9 月，中国宣布建立 20 个的中心聚光太阳能热发电（CSP）项目，预计到 2018 年将安装 1.4 亿瓦的容量[14]。全世界几乎每天都在计划建造新的聚光太阳能发电厂[15]。聚光的太阳能收集器非常有效，也完全取代了传统发电厂使用的化石燃料。就像化石燃料常规电厂一样，集中太阳能发电厂的可用性接近 100 ％，但没有二氧化碳、有害空气污染物、氮氧化物、挥发性有机化合物和化石燃料的温室气体的排放。在图 1-2 中，左侧较大的红色正方形表示热沙漠地区，如果覆盖着太阳能发电厂，将产生与世界目前使用的电力相当的电力。较小的广场显示了提供欧盟所需电力的相应区域[16]，这就意味着太阳能热发电具有广阔的前景。

提高这种设备整体效率的关键在于是提高工作流体（HTF）的温度，以提高热力循环（热能到机械能和电能转换）的卡诺效率[20]。这种改进的一个障碍是 HTF 的热稳定性，因为合成油在 400 ℃（673 K）以上的温度下不稳定，故工作温度在 500-565 ℃（773-838 K）的范围内采用熔盐（MS）或加压蒸汽（DSG）作为 HTF。在用熔盐（MS）或加压蒸汽（DSG）作为传热流体情况下，经受集中太阳辐射以加热 HTF 的太阳能接收器或集热元器件（HCE）具有约 550-600 ℃（838-873K）的表面温度[21]。因此，高温线性聚光太阳能发电厂发展的主要障碍就是集热元器件（HCE）的热稳定性，更具体地说是考验其太阳能高选择性吸收涂层（SSAC）的热稳定性[22-23]。图 1-3 是太阳能光热转换的实际应用场景，太阳光照射在所有物体表面基本上都会吸收一定太阳能转化成热能，但是并不是每一种材料都能高效吸收太阳能并转化热能，所以提高发电综合效率的又一关键要素就是吸收太阳能材料的吸收效率[24-27]。归根结底，对于总共厚度仅为几百纳米的多层薄膜（太阳能选择性吸收涂层），不仅仅在热能转化电能上起到关键作用，更主要是它们在吸收集中的太阳能并将其转化为热量（光热转换）过程中起中流砥柱的作用，同时限制辐射热的损失，因此是太阳能光热利用的核心元件[28]。
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本文编号：2881531