选择性高吸收太阳能薄膜研究
发布时间：2020-07-30 12:50
【摘要】：太阳能是理想和洁净的新能源和可再生能源，也是人类最值得开发利用的第一大替代能源。由于全球范围内的不可再生能源快速消耗，环境污染带来的压力逐年增加，太阳能利用技术必然会得到高速发展。 在太阳能热利用技术中，太阳能集热器是将太阳辐射转变为热能的重要器件。而太阳能选择性吸收薄膜是太阳能集热器的主要功能组件，是太阳能光热转换中最为关键的部分，也是获得高光热转换效率的重要途径。 本文从太阳能选择性吸收薄膜的基本原理出发，对材料选择、吸收机理以及制备方法等方面进行了介绍，对太阳能选择性吸收薄膜的国内外发展现状进行了论述。选择最合适的方法，提出了一种高吸收太阳能选择性吸收薄膜的方案。 选择自身性能优良的金属和介质材料，设计了以Ti-Si3N4-Ti-Si3N4为膜系结构的太阳能选择性吸收薄膜，采用光学薄膜的导纳图解设计理论，利用介质薄膜1/4法则算出介质膜的厚度、MATLAB编程计算出半透明金属吸收层的厚度，从而确定膜系各层薄膜的厚度。使用Essential Macleod模拟软件计算出该膜系的反射率及光学导纳，对膜系的光学性能进行仿真模拟。模拟结果显示：该膜系在可见光-近红外光区的平均反射率在4%~5%之间，吸收率在95%~96%之间，满足设计要求。 采用JGP560型磁控溅射镀膜机在玻璃基底上镀制Ti(100nm)-Si3N4(60~70nm)-Ti (10~20nm)-Si3N4(60~70nm)薄膜，验证薄膜设计计算结果以及Essential Macleod软件仿真结果的正确性。实验结果表明：Ti(100nm)-Si3N4(64nm)-Ti(15nm)-Si3N4(64nm)薄膜在可见光近红外光区的平均反射率在5%~7%之间，其吸收率在93%~95%之间，满足设计要求。 最后对该太阳能选择性吸收薄膜性能分析做了总结，并对今后的研究发展进行了展望。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK513.1;TB383.2
【图文】：
图 1.1 太阳光谱和黑体辐射及理想的和实际的反射谱Fig. 1.1 Solar radiation spectrum and blackbody radiation spectrum如图1.1所示，在给同一温度T下，一个实际物体的单色发射率与其在对同波长辐射的吸收率相等，并且对于所有表面来说，其单色吸收率与发射率之比是相同的。太阳能选择性吸收薄膜的最基本的理论依据就是，在不同的温度、相同的波长下，物体的吸收率也不会等于发射率；在不同的波长、相同的温度下，物体的吸收率与发射率也不会相等。太阳光的主要辐射波长在0.3~2.5μm之间，而实际物体表面的接收波长则是在5~50μm之间，所以太阳能选择性吸收薄膜的主要作用就是获得对0.3~2.5μm范围内太阳辐射能的高吸收。1.2.2 材料选择与吸收机理从上世纪八十年代以来
510nm处实现相消干涉。此种薄膜在很多方面具有很好的稳定性，特别是在高温的稳定性下，它的发射率非常低。上述几类选择性吸收膜结构如图1.2所示：图 1.2 五类选择性吸收薄膜[21]Fig. 1.2 Five types of solar spectrally selective films[21]1.2.3 太阳能选择性吸收薄膜的制备方法薄膜的制作工艺极大地影响了薄膜的光学特性。不同工艺方法制备的薄膜，不仅光学性能存在差异，其在组织结构、机械、电学上都会存在各个差异。其常用的制备方法包括电化学沉积法、化学转换着色法、溶胶凝胶法、高频磁控溅射法、真空蒸发沉积法以及离子喷涂法等[22-25]。近几年也开发了不少新工艺，比如金属-陶瓷复合镀、塑料镀和电刷镀等。下面简单地介绍一下其常用的制备方法[26]：1） 电化学沉积法：即在生产上应用比较广泛的电镀法。将部件放置在含有所需要沉积元素的溶液中，然后通入电流进行镀制。其溶液中的极板作为正极，所需要镀制的部件作为负极。薄膜厚度由电镀时间控制。电镀法的优点包括其设备工艺比较成熟，电镀材料种类繁多，生产效率比较高，成本较低，而且还可以电镀大型工件，还能保持设备连续生产运作；但其缺点也比较明显，用该法制备组成4
光波是电磁波，所以麦克斯韦方程和物质方程建立了空间任意磁场强度与其所在的介质性能两者的联系。在介质中的电场以及磁场强度表示为0 00 02exp i( )2exp i( )E E t k rH H t k r BEt ， 并利用B H，可得 0 00 0/rNNH k E k Ec 0 0 0 Ny。在光波段， 1r ，所以0H Y ( k E)。 波动光学理论，电磁波在两种介质界面的振幅反射、透射系数透射系数：
本文编号：2775565
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK513.1;TB383.2
【图文】：
图 1.1 太阳光谱和黑体辐射及理想的和实际的反射谱Fig. 1.1 Solar radiation spectrum and blackbody radiation spectrum如图1.1所示，在给同一温度T下，一个实际物体的单色发射率与其在对同波长辐射的吸收率相等，并且对于所有表面来说，其单色吸收率与发射率之比是相同的。太阳能选择性吸收薄膜的最基本的理论依据就是，在不同的温度、相同的波长下，物体的吸收率也不会等于发射率；在不同的波长、相同的温度下，物体的吸收率与发射率也不会相等。太阳光的主要辐射波长在0.3~2.5μm之间，而实际物体表面的接收波长则是在5~50μm之间，所以太阳能选择性吸收薄膜的主要作用就是获得对0.3~2.5μm范围内太阳辐射能的高吸收。1.2.2 材料选择与吸收机理从上世纪八十年代以来
510nm处实现相消干涉。此种薄膜在很多方面具有很好的稳定性，特别是在高温的稳定性下，它的发射率非常低。上述几类选择性吸收膜结构如图1.2所示：图 1.2 五类选择性吸收薄膜[21]Fig. 1.2 Five types of solar spectrally selective films[21]1.2.3 太阳能选择性吸收薄膜的制备方法薄膜的制作工艺极大地影响了薄膜的光学特性。不同工艺方法制备的薄膜，不仅光学性能存在差异，其在组织结构、机械、电学上都会存在各个差异。其常用的制备方法包括电化学沉积法、化学转换着色法、溶胶凝胶法、高频磁控溅射法、真空蒸发沉积法以及离子喷涂法等[22-25]。近几年也开发了不少新工艺，比如金属-陶瓷复合镀、塑料镀和电刷镀等。下面简单地介绍一下其常用的制备方法[26]：1） 电化学沉积法：即在生产上应用比较广泛的电镀法。将部件放置在含有所需要沉积元素的溶液中，然后通入电流进行镀制。其溶液中的极板作为正极，所需要镀制的部件作为负极。薄膜厚度由电镀时间控制。电镀法的优点包括其设备工艺比较成熟，电镀材料种类繁多，生产效率比较高，成本较低，而且还可以电镀大型工件，还能保持设备连续生产运作；但其缺点也比较明显，用该法制备组成4
光波是电磁波，所以麦克斯韦方程和物质方程建立了空间任意磁场强度与其所在的介质性能两者的联系。在介质中的电场以及磁场强度表示为0 00 02exp i( )2exp i( )E E t k rH H t k r BEt ， 并利用B H，可得 0 00 0/rNNH k E k Ec 0 0 0 Ny。在光波段， 1r ，所以0H Y ( k E)。 波动光学理论，电磁波在两种介质界面的振幅反射、透射系数透射系数：
【参考文献】
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1 黄群武;耐候性太阳选择性吸收涂层的研究[D];天津大学;2007年
本文编号：2775565
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