多层干涉型太阳光热吸收涂层的设计制备与热稳定性研究

发布时间：2020-09-14 10:23

　　 随着大量化石能源的消耗,由此引发的能源问题和环境问题等日渐成为世界关注的焦点。因此,开发和利用可再生清洁能源迫在眉睫。太阳能作为一种储量丰富的可再生清洁能源,受到越来越多的关注。目前利用太阳能的方式主要有光电转换、光热转换等。其中,光热转换是利用太阳能最直接、最简单也是历史最悠久的方式。太阳光谱选择性吸收涂层作为光热转换的主要载体,其性能对太阳能光热转换效率以及太阳能热利用和推广至关重要。本论文基于金属／介质干涉型多层结构,通过光学软件设计高性能的吸收涂层,采用磁控溅射方法制备彩色吸收涂层和高温太阳光谱吸收涂层,并进一步研究吸收涂层在大气和真空环境下的热稳定性。论文具体内容如下：(1)基于金属／介质多层膜结构,通过光学软件设计、利用磁控溅射方法在已沉积Cu薄膜的石英衬底上制备高性能的AIN/Ti/AIN/Ti/AIN吸收涂层并进一步研究其热稳定性。理论优化的吸收涂层吸收率为0.959,实验沉积的吸收涂层吸收率约为0.95,发射率约为0.07。将吸收涂层置于大气和真空环境中在不同温度下进行退火处理,并从吸收涂层的晶体结构、形貌和光学性质三方面研究了该Ti/AIN多层膜结构吸收涂层的热稳定性。在大气环境400℃或者真空环境600℃内进行退火,吸收涂层的吸收率变化量均小于0.011,发射率的变化量均小于0.02,且其PC值均小于0.05。这些结果表明AIN/Ti/AIN/Ti/AIN吸收涂层在大气环境400℃或真空环境600℃内具有较好的热稳定性。(2)通过光学软件设计了紫色、蓝色、蓝绿色、黄绿色和橙黄色等颜色的Ti/SiO2/Ti/TiO2/SiO2高性能彩色吸收涂层,采用磁控溅射法制备出相应的吸收涂层。这些吸收涂层的吸收率均达到0.95,发射率均低于0.09,具有良好的光学性能。此外,还研究了蓝色吸收涂层在大气和真空环境下不同温度退火处理的热稳定性。结果表明,真空环境下,随着退火温度升高,吸收涂层的吸收率逐渐减小,发射率及其变化量均逐渐增大,且涂层的色差也逐渐增大；当退火温度为500℃及更高温度时,吸收涂层的光学性能发生退化。与真空环境下退火相比,大气环境下退火后吸收涂层性能退化更明显,吸收涂层在大气环境400℃退火处理就遭到氧化,光学性能变差。(3)基于Mo/Si3N4多层膜结构,通过光学软件设计了不同膜层的太阳光谱选择性吸收涂层。五层的吸收涂层Mo/Si3N4/具有良好的光学性能,并进一步研究了该吸收涂层在大气和真空环境高温下的热稳定性。吸收涂层的光学性能表明,吸收涂层在大气环境625℃具有良好的热稳定性,而在大气环境650℃高温下,吸收涂层的光学性能变差,主要是因为涂层中的Mo遭到部分氧化。同时,与大气环境退火相比,吸收涂层在真空环境下具有更好的热稳定性,且吸收涂层在真空环境800℃高温下仍具有良好的光学性能。说明吸收涂层Mo/Si3N4/Mo/Si3N4/SiO2可用于高温集热器。
【学位单位】：福建师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TK519
【部分图文】：

太阳能热发电是太阳能热利用另外一个重要方向。聚光集热器将太阳光聚集在逡逑面积较小的吸热面上并转换成热能，通过传统电力装置循环发电。根据聚光方式不逡逑同，太阳能热发电可分为槽式、塔式和碟式兰种＾８＾，如图１－１所示。逡逑国W W逡逑（ａ）槽式聚光太阳能热发电（ｂ）塔式聚光太阳能热发电（Ｃ）碟式聚光太阳能热发电逡逑图１－１邋Ｈ种聚光太阳能热发电图逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈ邋ｏｆ邋ｔｈｒｅｅ邋ｔｙｐｅｓ邋ｏｆ邋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ邋ｓｏｌａｒ邋ｐｏｗｅｒ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．逡逑其中，（ａ）是槽式聚光热发电，它是利用槽型抛物面反射镜将太阳光反射到位于逡逑－２－逡逑

１．３．１理想太阳光谱选择性吸收涂层逡逑太阳光谱选择性吸收涂层就是对太阳光谱吸收具有选择性的材料。吸收涂层应逡逑尽可能多地吸收太阳能，也应尽可能少地向周围损失能量。图１－２为埋想太阳光谱逡逑选择性吸收涂层反射光谱曲线（实线）及归一化的ＡＭ１．５太阳辖射谱和８０邋°Ｃ黑体福逡逑射谱（虚线）。图中，理想吸收涂层在太阳光谱区域反射率为零，即吸收涂层对太阳逡逑福射能量完全吸收；而在红外光谱区域完全反射，即吸收涂层不向外福射任何能量。逡逑ｎ逡逑｝巧洰逦树饼！逦：逦？、逡逑０－８－料逦／邋＼逡逑0邋Ｓ邋？：、逦？逦？？逡逑１。６－邋／邋＼逡逑Ｓ0‘４＿邋Ｉ邋皿非邋Ｉ气逦．１邋扣ｏｃｋＭｙ邋说逡逑气邋２－声！；ｋ邋／逦．．．．．．逡逑０．０１：逦Ｊｉｌ邋ｉｄ／逦逦Ｊ逡逑０．３逦１逦１０逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇ邋化（（ｉｒｎ；逡逑图１－２理想太阳光谱选择性吸收涂层反射曲线与太阳福射谱的关系逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｉｄｅａｌ邋ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ邋ｏｆ邋ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ邋ａｂｓｏｒｂｅｒ邋（ｓｏｌｉｄ邋ｌｉｎｅ），邋ａｎｄ邋Ｕｉｅ邋ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｏｆ邋化ｅ邋ｓｏｌａｒ逡逑ｈｒａｄｉａｎｃｅ邋ａｔ邋ＡＭ邋１．５邋ａｎｄ邋化ｅ邋ｉｄｅａｌ邋ｂｌａｃｋｂｏｄｙ邋ｅｍｉｓｓｉｖｅ邋ｓｐｅｃｔｒａ邋ａｔ邋８０邋°Ｃ邋（ｄｏｔｔｅｄ邋ｌｉｎｅ）．逡逑－３－逡逑

１．３．１理想太阳光谱选择性吸收涂层逡逑太阳光谱选择性吸收涂层就是对太阳光谱吸收具有选择性的材料。吸收涂层应逡逑尽可能多地吸收太阳能，也应尽可能少地向周围损失能量。图１－２为埋想太阳光谱逡逑选择性吸收涂层反射光谱曲线（实线）及归一化的ＡＭ１．５太阳辖射谱和８０邋°Ｃ黑体福逡逑射谱（虚线）。图中，理想吸收涂层在太阳光谱区域反射率为零，即吸收涂层对太阳逡逑福射能量完全吸收；而在红外光谱区域完全反射，即吸收涂层不向外福射任何能量。逡逑ｎ逡逑｝巧洰逦树饼！逦：逦？、逡逑０－８－料逦／邋＼逡逑0邋Ｓ邋？：、逦？逦？？逡逑１。６－邋／邋＼逡逑Ｓ0‘４＿邋Ｉ邋皿非邋Ｉ气逦．１邋扣ｏｃｋＭｙ邋说逡逑气邋２－声！；ｋ邋／逦．．．．．．逡逑０．０１：逦Ｊｉｌ邋ｉｄ／逦逦Ｊ逡逑０．３逦１逦１０逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇ邋化（（ｉｒｎ；逡逑图１－２理想太阳光谱选择性吸收涂层反射曲线与太阳福射谱的关系逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｉｄｅａｌ邋ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ邋ｏｆ邋ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ邋ａｂｓｏｒｂｅｒ邋（ｓｏｌｉｄ邋ｌｉｎｅ），邋ａｎｄ邋Ｕｉｅ邋ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ邋ｃｕｒｖｅｓ邋ｏｆ邋化ｅ邋ｓｏｌａｒ逡逑ｈｒａｄｉａｎｃｅ邋ａｔ邋ＡＭ邋１．５邋ａｎｄ邋化ｅ邋ｉｄｅａｌ邋ｂｌａｃｋｂｏｄｙ邋ｅｍｉｓｓｉｖｅ邋ｓｐｅｃｔｒａ邋ａｔ邋８０邋°Ｃ邋（ｄｏｔｔｅｄ邋ｌｉｎｅ）．逡逑－３－逡逑

【共引文献】

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本文编号：2818059