太阳能选择性吸收复合材料与涂层设计研究

【摘要】：太阳能光热转换是太阳能利用的主要方式之一,这里的关键部件是吸收太阳能的吸收涂层。吸收涂层的种类繁多,制备工艺也不尽相同,本文主要是针对等离子喷涂工艺制备金属陶瓷复合吸收涂层的相关性能研究。文中从多个方面探索了涂层材料的吸收机理,对如何选择合适的吸收材料提供了一种方法,也为减反层的设计优化提供了一种思路。 本文首先通过第一性原理计算出WC、Co、Ni、Mo、Cr、NiO、CoO、Cr2O3、A1203等物质能带图和态密度,从电子结构的角度来分析他们的吸收性能。计算出各物质对太阳光的吸收比αs、发射比εS以及吸收发射比αS/εs,找出综合吸收性能较好的物质。结果表明,WC和CoO具有较大的吸收率,而Co和Ni则具有较小的发射率。 其次,我们用MS中的CASTEP模块计算出WC和Co的介电函数,通过等效媒介理论推导出两者的质量比为m(Co)：m(WC)=2：8时,WC-Co的复合介电常数ε,由介电常数ε与反射率R(ω)之间的关系得到复合涂层的反射率谱。采用同样的比例关系,制备出WC-Co金属陶瓷膜,并加以测试。数据表明,理论值与测试值的变化趋势几乎一致；且在0.5～1.0μm范围内,测试值稍加大于理论值；分析涂层的SEM图可以看出这是因为涂层特殊的表明形貌对光谱产生陷阱作用造成的。 再次,文章以CoO-Ni为例,研究从理论计算入手以获得性能优越的太阳能选择性吸收涂层的方法,为实验提供指导。首先分别计算出CoO和Ni的介电常数ε,通过等效媒介理论推导出复合材料的介电常数,然后计算出复合材料的反射率谱。计算出不同体积比下复合材料的吸收比αs、发射比εs、吸收发射比αs/εs对比发现当体积比接近V(CoO):V(Ni)=6:4时,复合材料吸收性能最佳。此外,本文设计出了以A1203为减反材料的减反层,分别计算出复合材料和Al2O3的折射率。考虑减反层对太阳光的整体干涉效果得出最佳厚度；结果表明,当A1203的厚度约为170nm附近,减反效果最为明显,反射率低至约0.1007。 【关键词】：太阳光谱 反射率 吸收率 发射率
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB33;TK519
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 太阳能吸收涂层简介及研究现状11-16
• 1.3 太阳能吸收涂层的选择性及其表征16-19
• 1.4 本文的研究目的及内容19-21
• 1.4.1 研究目的19-20
• 1.4.2 研究内容20-21
• 第2章 理论基础21-33
• 2.1 固体中的光吸收21-23
• 2.1.1 复介电函数与吸收功率之间的关系21-22
• 2.1.2 介电函数与消光系数之间的关系22-23
• 2.2 电介质-金属的复合理论23-27
• 2.3 减反膜的设计27-29
• 2.4 第一性原理计算方法29-31
• 2.4.1 密度泛函基础理论29-30
• 2.4.2 第一性原理30-31
• 2.4.3 CASTEP模块介绍31
• 2.5 本章小结31-33
• 第3章 太阳能选择性吸收涂层的光学性能计算33-48
• 3.1 计算模型33-35
• 3.2 能带图及其态密度35-40
• 3.3 反射率的计算40-46
• 3.3.1 反射曲线41-43
• 3.3.2 吸收率和发射率的计算43-46
• 3.4 本章小结46-48
• 第4章 WC-Co复合材料的太阳能选择性吸收特性与CoO-Ni涂层的结构设计与性能优化48-66
• 4.1 WC-Co复合材料的太阳能选择性吸收特性48-53
• 4.1.1 WC和Co的介电函数48-50
• 4.1.2 WC-Co涂层测试分析50-53
• 4.2 CoO-Ni涂层的结构设计与性能优化53-59
• 4.2.1 介电函数的计算53-54
• 4.2.2 CoO-Ni复合材料的等效介电函数54-57
• 4.2.3 CoO-Ni复合涂层的反射率57-59
• 4.3 减反膜的设计59-63
• 4.3.1 Al2O3的介电常数60
• 4.3.2 折射率的计算60-61
• 4.3.3 减反层的厚度61-63
• 4.4 本章小结63-66
• 第5章 总结与展望66-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-75
• 硕士期间发表的论文75

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