选择性高吸收太阳能薄膜研究

【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。 【关键词】：太阳能薄膜 选择性吸收薄膜 吸热薄膜
【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
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-12
• 插图清单12-13
• 表格清单13-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 引言14
• 1.2 太阳能选择性吸收薄膜的研究综述14-20
• 1.2.1 选择性吸收膜的基本原理14-15
• 1.2.2 材料选择与吸收机理15-17
• 1.2.3 太阳能选择性吸收薄膜的制备方法17-19
• 1.2.4 国内外发展现状19-20
• 1.3 课题的内容和意义20-22
• 第二章 光学薄膜的理论计算22-33
• 2.1 光学薄膜设计的基本理论22-29
• 2.1.1 光学薄膜的电磁场理论和光干涉理论22-23
• 2.1.2 单层介质薄膜的理论计算23-28
• 2.1.3 多层薄膜的反射率、透射率计算28-29
• 2.2 光学薄膜设计的导纳图解法29-33
• 2.2.1 介质膜的导纳图30
• 2.2.2 金属膜的导纳图30-33
• 第三章 太阳能选择性吸收薄膜的设计及计算仿真33-54
• 3.1 太阳能选择性吸收薄膜的膜系设计33-35
• 3.1.1 薄膜的结构33-34
• 3.1.2 薄膜光学性能分析34-35
• 3.2 太阳能选择性吸收薄膜各部分的材料选择35-43
• 3.3 膜层厚度的设计计算43-46
• 3.3.1 金属不透明反射层薄膜厚度设计计算43-44
• 3.3.2 电介质减反层薄膜厚度设计计算44-45
• 3.3.3 金属吸收层薄膜厚度设计计算45-46
• 3.4 Essential Macleod 计算机模拟与分析46-53
• 3.4.1 Essential Macleod 软件简介46-48
• 3.4.2 膜系光学性能的仿真计算48-51
• 3.4.3 导纳图分析51-53
• 3.5 本章小结53-54
• 第四章 实验及薄膜特性测量与分析54-70
• 4.1 实验方案54-57
• 4.1.1 薄膜镀制方法介绍54-56
• 4.1.2 实验镀制方案选择56-57
• 4.2 实验设备57-59
• 4.2.1 镀膜设备57
• 4.2.2 薄膜检测设备57-59
• 4.3 实验材料59
• 4.4 实验前准备59
• 4.5 薄膜厚度测量方法选择59-60
• 4.6 薄膜各层的镀制及厚度测量60-63
• 4.6.1 Ti 膜的镀制及厚度测量60-61
• 4.6.2 Si3N4膜的镀制及厚度测量61-63
• 4.7 实验样品镀制操作过程63-65
• 4.8 实验结果分析65-69
• 4.8.1 吸收率的测量方法选择65-67
• 4.8.2 吸收率的结果分析67-68
• 4.8.3 发射率的测量方法选择68-69
• 4.9 本章小结69-70
• 第五章 结论与展望70-71
• 参考文献71-75
• 攻读学位期间发表的论文75-76

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