【摘要】：隨著科技的不斷進(jìn)步,人類社會對能源的需求將越來越巨大,但是目前傳統(tǒng)化石能源的消耗巨大,儲量日益減少。因此,開發(fā)和利用清潔高效的新能源成為未來社會發(fā)展的一個(gè)重要方向。近年來,太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)作為太陽能資源利用的一種重要方法,已逐漸成為各國研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域,而其中的核心部件,太陽能選擇性吸收涂層的種類和制備工藝也受到了極大的關(guān)注,包括Al、Ti、CrN、AlCrNO、TiNO在內(nèi)的多種金屬及其氮化物,氮氧化物作為太陽能選擇性吸收涂層的熱門備選材料,其制備工藝和選擇性吸收性能得到了廣泛的研究。本論文采用多弧離子鍍工藝在不銹鋼基體表面沉積SS/AlCrN基太陽能選擇性吸收涂層。通過制定正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,研究了在不同沉積電流、沉積時(shí)間和氮?dú)饬髁肯翧lCrN層的光學(xué)吸收性能和熱發(fā)射性能,從而得到了優(yōu)化的工藝參數(shù),制備出優(yōu)化后的SS/AlCrN基太陽能選擇性吸收涂層,借助掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、X射線衍射儀(XRD)、X射線光電子譜儀(XPS)分別對涂層的微觀形貌、元素組成、物相種類和元素化合狀態(tài)進(jìn)行分析表征。發(fā)現(xiàn)表面結(jié)構(gòu)比較光滑,存在少量的金屬顆粒,涂層的主要物相包括金屬相(Al、Cr)和陶瓷相(AlN和Cr_2N)。優(yōu)化后的涂層具有較好的光學(xué)選擇性吸收性能,吸收率為0.733,發(fā)射率為0.146。為進(jìn)一步優(yōu)化涂層的選擇性吸收性能,在SS/AlCrN表面沉積一層Al_2O_3減反層,以降低涂層的光學(xué)反射率,從而提高其光學(xué)吸收效果。通過改變減反層的沉積電流,得到三種不同厚度的表面減反層,研究發(fā)現(xiàn)隨著沉積時(shí)間的增加,減反層表面顆粒的尺寸增大,同時(shí)厚度呈線性趨勢增長,表層的物相主要為非晶態(tài)的Al_2O_3。對涂層的光學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn),當(dāng)減反層的沉積時(shí)間為1 min時(shí),減反層的厚度為91.7 nm時(shí),得到了能量轉(zhuǎn)化效率最高的SS/AlCrN/Al_2O_3涂層,其光學(xué)吸收率為0.832,發(fā)射率為0.159。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG174.4
【圖文】：

太陽能光熱電站可以更加完美地嵌入到傳統(tǒng)火力發(fā)電站，對于未來的能源升級也將帶來極大的便利。圖1-1 為浙江中控太陽能技術(shù)有限公司于 2016 年 8 月 26 日投產(chǎn)的德令哈 10 MW 塔式熔鹽光熱電站，輸出功率達(dá)到 8.04MW，是國內(nèi)首個(gè)商業(yè)化運(yùn)營的塔式熱發(fā)電項(xiàng)目，也是國內(nèi)第一座、世界上第三座實(shí)現(xiàn)熔鹽儲熱功能的商業(yè)化運(yùn)營電站。圖 1-1 德令哈 10MW 塔式熔鹽光熱電站Fig. 1-1 10MW molten salt concentrated solar power1.2 太陽能選擇性吸收涂層吸收機(jī)理太陽能選擇性吸收涂層是太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，其主要任務(wù)是完成太陽能向熱能的高效轉(zhuǎn)化，它利用太陽輻射能量與地球上常見的紅外輻射能量光譜分布的不同而設(shè)計(jì)的。圖 1-2 顯示了太陽輻射能量與地球上常見的紅外輻射能量依光譜分布的關(guān)系。其中，可以利用 6000 K 的黑體輻射曲線對太陽輻射出射度進(jìn)行擬合。利用黑體輻射函數(shù)則可以計(jì)算出它們的能量分布范圍。從圖中可以看到太陽能輻射主要集中在紫外波長部分到近紅外的部分，其中 90 %的能量集中分布在電磁波波長小于 1.6 μm 的范圍內(nèi)[6]。以 27 ℃到 500 ℃溫度范圍為例，地表物體常見紅外輻射主要分布在 2.5 μm ~25 μm 的電磁波波長范圍，屬于中紅外光。正是由于太陽光譜能量與物體受熱輻射能量在波長上的分布差別，人們設(shè)計(jì)了太陽能選擇性吸收涂層[9]。太陽能選擇性吸收涂層需要在太陽光譜波段范圍內(nèi)(0.3μm~2.5μm)能最大可能吸收太陽能量[10,11]

太原理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文一步提高涂層的選擇性吸收效率。常見的可用作基體層的金屬材料有 Al[20]，不銹鋼(SS)[30-34]，W[35-37]，Ni[27, 38]等。 金屬陶瓷復(fù)合吸收屬陶瓷復(fù)合涂層是在電介質(zhì)中摻入細(xì)小的金屬顆粒從而形成一種復(fù)合涂層電介質(zhì)內(nèi)部的金屬含量通常用金屬體積分?jǐn)?shù)(填充因子) f[11, 13, 20, 22]來表示。 的大小，得到性能優(yōu)良的選擇性吸收涂層。金屬陶瓷復(fù)合涂層對太陽光的吸由兩部分組成：一是本征吸收效果，如圖 1-4 所示，主要是由于電介質(zhì)中的光波的吸收，產(chǎn)生能帶躍遷和共振，從而吸收太陽光譜能量；另一部分是依原理，進(jìn)一步減少涂層反射率，從而達(dá)到復(fù)合吸收的效果[35, 38-40]。Abdolahi[39]研究了制備的 Co-Al2O3金屬陶瓷復(fù)合吸收涂層中 Co 和 Al2O3的相對含量性能的影響，發(fā)現(xiàn) 80%Co-20%Al2O3的涂層的選擇性吸收性能最好，吸收發(fā)射率為 0.351。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2740677