多弧离子镀制备AlCrN基太阳能选择性吸收涂层及光学性能研究

发布时间：2020-07-04 05:02

【摘要】：随着科技的不断进步,人类社会对能源的需求将越来越巨大,但是目前传统化石能源的消耗巨大,储量日益减少。因此,开发和利用清洁高效的新能源成为未来社会发展的一个重要方向。近年来,太阳能光热发电系统作为太阳能资源利用的一种重要方法,已逐渐成为各国研究的热点领域,而其中的核心部件,太阳能选择性吸收涂层的种类和制备工艺也受到了极大的关注,包括Al、Ti、CrN、AlCrNO、TiNO在内的多种金属及其氮化物,氮氧化物作为太阳能选择性吸收涂层的热门备选材料,其制备工艺和选择性吸收性能得到了广泛的研究。本论文采用多弧离子镀工艺在不锈钢基体表面沉积SS/AlCrN基太阳能选择性吸收涂层。通过制定正交试验设计方案,研究了在不同沉积电流、沉积时间和氮气流量下AlCrN层的光学吸收性能和热发射性能,从而得到了优化的工艺参数,制备出优化后的SS/AlCrN基太阳能选择性吸收涂层,借助扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子谱仪(XPS)分别对涂层的微观形貌、元素组成、物相种类和元素化合状态进行分析表征。发现表面结构比较光滑,存在少量的金属颗粒,涂层的主要物相包括金属相(Al、Cr)和陶瓷相(AlN和Cr_2N)。优化后的涂层具有较好的光学选择性吸收性能,吸收率为0.733,发射率为0.146。为进一步优化涂层的选择性吸收性能,在SS/AlCrN表面沉积一层Al_2O_3减反层,以降低涂层的光学反射率,从而提高其光学吸收效果。通过改变减反层的沉积电流,得到三种不同厚度的表面减反层,研究发现随着沉积时间的增加,减反层表面颗粒的尺寸增大,同时厚度呈线性趋势增长,表层的物相主要为非晶态的Al_2O_3。对涂层的光学性能测试发现,当减反层的沉积时间为1 min时,减反层的厚度为91.7 nm时,得到了能量转化效率最高的SS/AlCrN/Al_2O_3涂层,其光学吸收率为0.832,发射率为0.159。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4
【图文】：

太阳能光热电站可以更加完美地嵌入到传统火力发电站，对于未来的能源升级也将带来极大的便利。图1-1 为浙江中控太阳能技术有限公司于 2016 年 8 月 26 日投产的德令哈 10 MW 塔式熔盐光热电站，输出功率达到 8.04MW，是国内首个商业化运营的塔式热发电项目，也是国内第一座、世界上第三座实现熔盐储热功能的商业化运营电站。图 1-1 德令哈 10MW 塔式熔盐光热电站Fig. 1-1 10MW molten salt concentrated solar power1.2 太阳能选择性吸收涂层吸收机理太阳能选择性吸收涂层是太阳能光热发电系统中的核心部件，其主要任务是完成太阳能向热能的高效转化，它利用太阳辐射能量与地球上常见的红外辐射能量光谱分布的不同而设计的。图 1-2 显示了太阳辐射能量与地球上常见的红外辐射能量依光谱分布的关系。其中，可以利用 6000 K 的黑体辐射曲线对太阳辐射出射度进行拟合。利用黑体辐射函数则可以计算出它们的能量分布范围。从图中可以看到太阳能辐射主要集中在紫外波长部分到近红外的部分，其中 90 %的能量集中分布在电磁波波长小于 1.6 μm 的范围内[6]。以 27 ℃到 500 ℃温度范围为例，地表物体常见红外辐射主要分布在 2.5 μm ~25 μm 的电磁波波长范围，属于中红外光。正是由于太阳光谱能量与物体受热辐射能量在波长上的分布差别，人们设计了太阳能选择性吸收涂层[9]。太阳能选择性吸收涂层需要在太阳光谱波段范围内(0.3μm~2.5μm)能最大可能吸收太阳能量[10,11]

太原理工大学硕士研究生学位论文一步提高涂层的选择性吸收效率。常见的可用作基体层的金属材料有 Al[20]，不锈钢(SS)[30-34]，W[35-37]，Ni[27, 38]等。 金属陶瓷复合吸收属陶瓷复合涂层是在电介质中掺入细小的金属颗粒从而形成一种复合涂层电介质内部的金属含量通常用金属体积分数(填充因子) f[11, 13, 20, 22]来表示。 的大小，得到性能优良的选择性吸收涂层。金属陶瓷复合涂层对太阳光的吸由两部分组成：一是本征吸收效果，如图 1-4 所示，主要是由于电介质中的光波的吸收，产生能带跃迁和共振，从而吸收太阳光谱能量；另一部分是依原理，进一步减少涂层反射率，从而达到复合吸收的效果[35, 38-40]。Abdolahi[39]研究了制备的 Co-Al2O3金属陶瓷复合吸收涂层中 Co 和 Al2O3的相对含量性能的影响，发现 80%Co-20%Al2O3的涂层的选择性吸收性能最好，吸收发射率为 0.351。

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

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本文编号：2740677