溶胶凝胶法太阳能选择性吸收涂层的制备及其性能研究

【摘要】：能源是人们赖以生存的基础,在新能源的开发中,太阳能具有独特的优势。太阳能的热转化,是利用太阳能的主要途径之一,在太阳能热发电领域,有极大的应用。太阳能选择性吸收涂层,是热发电集热器的核心元件,该类涂层的开发,是太阳能热转化课题中研究的重点之一。优质的选材,合理的结构,简单的工艺,良好的性能是研制涂层的主要目标和方向。目前已开发出的涂层均存在一些缺陷,尤其表现在制备成本、生产工艺和中高温热稳定性等方面。因此,本文探索性的从寻求新材料体系、优化制备工艺、热稳定性分析等方面作了相关研究。由于纯金属w和Mo对太阳光具有明显的选择性吸收性,且由它们组成的涂层具备良好的中高温稳定性,因此本课题选择在涂层中掺入Mo元素,以制备具有一定中高温热稳定性能且选择性吸收效果良好的MoO2-NiO-Al2O3涂层,并在此基础上制备了W-A12O3涂层,以期促进我国太阳能光热技术的发展。本课题采用溶胶凝胶的方法,通过均匀设计法设计实验方案,在石英基底上成功的制备出MoO2-NiO-Al2O3涂层和W-Al2O3涂层,并通过TG-DSC测试仪器、X射线衍射仪、扫描电子显微镜和分光光度计检测分析涂层的性能。研究和分析了组分配比、混合溶胶的体积和热处理制度对涂层性能的影响。并考察了填充因子和Ni掺杂对涂层光学性能的影响,以及涂层的热稳定性能。在MoO2-NiO-Al2O3涂层的研究中,探讨了涂层中各组分配比和混合溶胶的体积对涂层光学性能的影响,研究发现：当涂层的高、中、低掺杂层的填充因子分别为0.68,0.60,0.25,高掺杂、中掺杂、低掺杂、减反射层各层的溶胶体积分别为0.14ml、0.16m、 0.12ml、 0.26ml时,涂层具有最佳的吸收性能,其吸收率为86.6%,发射率为66.3%,品质因子为1.31。在MoO2-NiO-Al2O3涂层研究的基础上,将涂层的组成成分改为W和A1203,采用同样的方法,探讨W-A12O3涂层中各组分配比和混合溶胶的体积对涂层光学性能的影响,研究表明：当涂层的高、中、低掺杂层的填充因子分别为0.95,0.43,0.18,高掺杂、中掺杂、低掺杂、减反射层各层的溶胶体积分别为0.20ml,0.18ml,0.22ml, 0.08ml,涂层具有最佳的光吸收性能,其吸收率约达91%,发射率为79%,品质因子为1.14。相比较两种涂层,在同样的制备方法条件下,从优选出的性能最佳样品的品质因子可以看出,较W-A12O3涂层而言,MoO2-NiO-Al2O3涂层具有更优的太阳能选择性吸收性能。基于MoO2-NiO-Al2O3涂层和W-Al2O3涂层优选分析的基础上,对这两种涂层的性能分别进行了研究分析。对于MoO2-NiO-Al2O3涂层,通过研究热处理对涂层结构、形貌、光学性能的影响,提出了涂层的最佳烧结升温速率。研究发现,当采用5℃/min匀速升温时,MoO2-NiO-Al2O3涂层具有最好的光学性能,其品质因子为1.32。对于W-Al2O3涂层,通过利用缺少不同填充因子掺杂层为单一变量,探究填充因子对涂层光学性能的影响。并在维持原W-Al2O3涂层制备参数不变的基础上,通过对涂层掺杂Ni金属红外高反射层,探究掺入Ni金属层后,涂层光学性能的变化。研究发现：填充因子对复合涂层光吸收性能的影响随太阳光波段的不同而不同,在紫外可见光波段,缺少了中等大小填充因子层的涂层,具有更高的吸收率,在近红外波段,缺少了最大填充因子层的涂层,具有更高的吸收率。当原涂层掺杂Ni金属层后,磁控溅射时间t=10min时,α/ε达到最佳,其值为1.15,比原涂层的α/ε提升了1%。为了对选择性吸收涂层的热稳定性能作出分析,MoO2-NiO-Al2O3涂层和W-Al2O3涂层分别进行了耐热性能测试,将涂层置于电阻炉中烘烤5h,观察其性能的变化。研究发现,当MoO2-NiO-Al2O3涂层的使用温度不超过400℃时,涂层没有开裂和剥落,相结构未发生变化,具有较好的热稳定性能,而对于W-Al2O3涂层,温度在500℃或以下时,涂层热稳定性能良好。发生这种差异是由于两种涂层结构和成分的不同造成的。 【关键词】：太阳能 选择性吸收 溶胶凝胶法 品质因子 涂层
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM615;TB306
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目录9-12
• CONTENT12-15
• 第一章 绪论15-28
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 选择性吸收涂层的发展历史及现状16-17
• 1.2.1 选择性吸收涂层的发展历史16
• 1.2.2 中高温选择性吸收涂层的国内外研究现状16-17
• 1.3 太阳能选择性吸收涂层的作用原理17-23
• 1.3.1 太阳光谱选择性吸收涂层材料能带理论基础19-21
• 1.3.2 选择性吸收涂层的光学理论基础21-22
• 1.3.3 基尔霍夫定律22-23
• 1.4 选择性吸收涂层的基本类型23-25
• 1.5 选择性吸收涂层的制备方法25-26
• 1.6 课题研究意义和内容26-28
• 1.6.1 课题研究的目的26
• 1.6.2 课题研究的意义26-27
• 1.6.3 课题研究的内容27-28
• 第二章 实验内容28-41
• 2.1 实验主要仪器设备28-30
• 2.2 实验原料30-31
• 2.2.1 基底及靶材30
• 2.2.2 实验试剂及气体30-31
• 2.3 试样的制备31-33
• 2.4 涂层的制备方法及原理33-37
• 2.4.1 溶胶凝胶法制备涂层的原理33-35
• 2.4.2 涂层结构的设计35-36
• 2.4.3 均匀设计法36-37
• 2.4.4 实验工艺流程37
• 2.5 涂层的性能表征37-40
• 2.5.1 表面形貌表征37-38
• 2.5.2 XRD物相表征38
• 2.5.3 涂层的TG-DSC测试38
• 2.5.4 涂层的EDS表征38-39
• 2.5.5 涂层厚度测试39
• 2.5.6 光学性能表征39-40
• 2.6 本章小结40-41
• 第三章 MoO_2-NiO-Al_2O_3选择性吸收涂层的研究41-60
• 3.1 试验过程41-43
• 3.2 MoO_2-NiO-Al_2O_3选择性吸收涂层的优选及结果分析43-50
• 3.2.1 试样凝胶的TG-DSC分析43-44
• 3.2.2 涂层的宏观形貌及厚度44-47
• 3.2.3 MoO_2-NiO-Al_2O_3涂层的优选及光学性能研究47-50
• 3.3 热处理对MoO_2-NiO-Al_2O_3选择性吸收涂层性能的影响50-55
• 3.3.1 烧结制度对MoO_2-NiO-Al_2O_3选择性吸收涂层形貌的影响51-52
• 3.3.2 烧结制度对MoO_2-NiO-Al_2O_3选择性吸收涂层相结构的影响52-53
• 3.3.3 烧结制度对MoO_2-NiO-Al_2O_3选择性吸收涂层光学性能的影响53-55
• 3.4 MoO_2-NiO-Al_2O_3选择性吸收涂层的耐热性能研究55-58
• 3.4.1 烘烤后涂层的相结构分析55-56
• 3.4.2 涂层的表面形貌的变化56-57
• 3.4.3 涂层的太阳能选择性吸收性能的变化57-58
• 3.5 本章小结58-60
• 第四章 W-Al_2O_3选择性吸收涂层的研究60-78
• 4.1 试验过程60-62
• 4.2 W-Al_2O_3选择性吸收涂层的优选及结果分析62-68
• 4.2.1 涂层的表面形貌分析62-63
• 4.2.2 涂层的EDS分析63-64
• 4.2.3 涂层的光学性能分析64-68
• 4.3 填充因子对W-Al_2O_3多层渐变选择性吸收涂层光学性能的影响68-70
• 4.4 Ni掺杂对W-Al_2O_3涂层光学性能的影响70-72
• 4.5 W-Al_2O_3选择性吸收涂层的耐热性能研究72-76
• 4.5.1 烘烤后涂层的相结构分析72-73
• 4.5.2 涂层的表面形貌分析73-75
• 4.5.3 涂层的太阳能选择性吸收性能的变化75-76
• 4.6 本章小结76-78
• 全文总结78-80
• 参考文献80-85
• 攻读硕士学位期间发表的论文85-87
• 致谢87

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