隨著化石能源的消耗,能源緊缺的問題日漸突出,同時傳統(tǒng)化石能源的開發(fā)和使用帶來了一系列環(huán)境問題。開發(fā)清潔新能源部分替代傳統(tǒng)化石能源是解決這兩個問題的重要途徑。太陽能作為一種清潔能源,具有總量大分布廣泛的特點,對其開發(fā)利用可以有效緩解能源緊缺和環(huán)境污染的問題。目前,主要有三種利用手段:太陽能光化學轉換存儲、太陽能光伏發(fā)電和太陽能光熱轉換利用,其中光熱轉換效率可達80%以上,應用也最為廣泛。在太陽能光熱轉換過程中,最關鍵的部件是光熱轉換器上的太陽光譜選擇吸收表面,該表面具有對太陽輻射高效吸收的特點,同時自身熱發(fā)射率低可抑制輻射損失,其性能的優(yōu)劣決定整個系統(tǒng)效率的高低。太陽能光譜選擇吸收表面種類繁多,其中應用最為廣泛的是金屬陶瓷涂層表面,由金屬納米顆粒隨機鑲嵌于電介質中組成。這種涂層在太陽能中低溫利用中(500℃C)具有較高的光熱轉換效率,然而在更高溫下吸收率明顯下降,其原因在于材料內部金屬納米顆粒的聚集長大。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,滿足實際應用高溫環(huán)境對高效光熱轉換和系統(tǒng)長期穩(wěn)定的要求,本文提出納米顆粒分層化替代傳統(tǒng)金屬陶瓷納米晶隨機分布結構的設計思想,抑制納米顆粒間的聚集長大,提高光熱轉換材料的熱穩(wěn)定,同時通過涂層表面輻射特性的調控獲得優(yōu)異的光譜選擇吸收性,使系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。具體包括以下三方面的內容:(1)CrAlO基單相納米復合涂層的輻射特性及其光譜選擇吸收表面的研究。采用陰極電弧離子鍍技術在不同的氧氣流量下制備Cr2Al合金納米晶-AlCrOx非晶電介質復合材料,采用X射線衍射儀和透射電子顯微鏡觀察涂層內部納米晶的大小和分布,研究涂層沉積工藝對其顯微結構的影響。進一步采用分光光度計測定涂層在300-2500 nm波段的反射和透射光譜,并基于納米復合涂層的介電函數(shù)模型,計算其光學參數(shù),研究涂層的微結構和表面輻射特性之間的關系�；趩螌油繉拥墓鈱W參數(shù)和典型四層結構,設計太陽光譜選擇吸收表面,詳細研究各層的成分和厚度對表面反射光譜的影響,優(yōu)化其對太陽輻射的吸收率�；趦�(yōu)化后的四層結構光譜選擇擇吸收表面,制備出太陽光譜選擇吸收表面,測定其吸收率和發(fā)射率;在500-800℃范圍內對制備的光譜選擇吸收表面進行熱處理,詳細研究涂層在高溫條件下的微結構和表面輻射特性的變化,獲得表面涂層高溫下的穩(wěn)定性和失效機理。采用時域有限差分數(shù)值技術求解麥克斯韋方程計算納米顆粒在輻射場下的光吸收特性,研究涂層納米顆粒的大小、分布和周圍介質對涂層光吸收特性的影響,深入理解涂層光吸收過程的本質。為了進一步提高AlCrO基復合涂層光譜選擇吸收表面的熱穩(wěn)定性,在涂層中摻入N元素以提高其致密度抑制擴散,詳細研究了摻氮對涂層結構、性能及熱穩(wěn)定的影響。(2)TiAlON基雙相納米復合涂層的輻射特性及其光譜選擇吸收表面的研究。采用陰極電弧離子鍍技術在不同比例的氧氣和氮氣流量下制備雙相(Ti3AlN、TiN)納米晶-AlTiONx非晶電介質復合涂層,采用X射線衍射儀和透射電子顯微鏡觀察涂層內部的納米晶的大小和分布,采用分光光度計測定涂層在300-2500 nm波段的反射和透射光譜;基于納米復合涂層的介電函數(shù)模型,擬合涂層的反射和透射光譜,獲得涂層的光學參數(shù),研究涂層中的納米相的變化對涂層輻射性能的影響規(guī)律�；趩螌油繉拥墓鈱W參數(shù),設計四層結構光譜選擇吸收表面,研究涂層中不同納米相表面的反射光譜的變化,獲得最優(yōu)吸收率條件下的涂層結構。制備太陽光譜選擇吸收表面,測定其吸收率和發(fā)射率,對涂層在450-600℃的大氣環(huán)境下熱處理,詳細研究涂層高溫下的微結構和表面輻射特性的演變規(guī)律。理論采用時域有限差分技術求解麥克斯韋方程,研究兩相納米晶TiN和Ti3AlN同時存在的條件下涂層吸收性能的變化,揭示雙相納米晶涂層的光吸收機理。(3)光熱轉換涂層太陽能海水淡化的應用研究。針對太陽能局部熱法海水淡化技術效率低的問題,提出太陽能仿生蒸發(fā)泵的設計概念。通過將TiAlON基雙相納米晶光熱轉涂層沉積于NiO多孔介質表面,利用TiAlON基涂層的強吸光特性使NiO表面對太陽輻射高吸收,將太陽輻射能量聚焦于多孔體表面;同時利用NiO多孔體的低導熱和毛細抽吸力作用通過一維管道將水分抽吸至多孔體表面進行蒸發(fā)。從實驗上詳細研究蒸發(fā)泵在不同太陽輸入功率密度條件下的蒸發(fā)速率、蒸發(fā)溫度及光熱轉換效率。理論上基于光熱能量傳遞過程中能量守恒的基本定律,研究不同輸入能量下蒸發(fā)泵的通過輻射和對流的熱損失,從而預測泵的光熱轉換效率,證明實驗測量結果的準確性。
【學位單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1
【部分圖文】：

圖１．１中國與世界一次能源的探明剩余儲量對比??

陽能資源非常豐富，陸地表面每年接收太陽輻射能量高達ＳｘｌＯｉｇｋＩ，全國三分之二以??上面積的年日照時間超過２０００小時，全國各地年太陽輻照總量達到３３５０－８３７０ＭＩ／ｍ２。??如圖１．２所示，除了四川盆地，我國大部分地區(qū)的太陽輻射都在可利用范圍以上，其中??西部青藏地區(qū)太陽能資源非常豐富，其能量超過１７００ｋＷ＿ｈ／ｍ２。其次，太陽能分布十??分廣泛。特別是在基礎電力設施缺乏的邊遠地區(qū)，太陽能可以作為分布式供能滿足當??地的能源需求。此外，太陽能的用途非常廣泛，其應用領域包括太陽光熱利用、太陽能??光伏發(fā)電、太陽能光化學轉換等［２（）］。??由上分析可知，太陽能是一種儲量豐富用途廣泛的清潔能源，如何高效合理開發(fā)??利用太陽能意義重大。在諸多太陽能利用方式中，光熱轉換利用效率最高，最具有開發(fā)??前景。然而，目前的太陽能光熱實際利用轉換效率還存在提升的空間。太陽能是一種輻??射能，其與接收太陽能的物質之間的作用機理尚未形成統(tǒng)一解釋。通過研宄物質表面??的輻射特性

大氣層的吸收后，主要包括臭氧對紫外線的吸收，二氧化碳和水蒸氣對紅外線的吸收，??云層反射和散射，到達地面的輻射強度一般在１０００?Ｗ／ｍ２左右［２２］。??如圖１．３所示，地面太陽福射主要集中在３００－３０００?ｎｍ波段：３８０?ｎｍ以下為紫外??波段；３８０－７６０ｎｍ為可見光波段；７６０－３０００ｎｍ為紅外波段。其中紫外波段的能量約占??９％，可將光波段約占４３％，紅外波段約占４８％。在太陽能的利用過程中，３００－３０００?ｎｍ??波段是主要的研究對象。??太陽輻射??熱能??１１丨丨喔＿丨１＂＿曬丨一?Ｉ?咖?Ｘ????????—一＾―ＥａｙａＷＢｌＢ—？?—??ｍｉｎｉｌ?Ｉ?１１１??圖１．４太陽能光熱利用的主要方式??３??
【參考文獻】

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本文編號：2880348