碳化物金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层结构设计及性能研究

【摘要】：近年来,随着能源和环境问题的日益严峻,世界各国都纷纷加大了对可再生能源的投入研究,而太阳能作为最丰富的可再生能源,具有独特的优势和巨大的开发利用潜力。它与其他能源相比,太阳能具有安全可靠、无噪声、无污染、无需消耗燃料等优点,这是常规能源无法比拟的,因此,开发太阳能资源具有极其重要的意义。 太阳能热发电中关键技术之一是制备一种吸收率高、发射率低、性能稳定、耐候性优良的选择性吸收涂层。本文在较全面了解选择吸收涂层的基本类型、作用机理、制备方法以及国内外选择性吸收涂层研究工作的最新成果的基础上,结合目前太阳能发电现状和发展,开展了热喷涂制备太阳光谱选择性吸收涂层的研究。 首先,本文选用WC-12Co、NiCr-Cr3C2粉末,采用HVOF热喷涂工艺,制备了不同热物理性能的WC-12Co和NiCr-Cr3C2太阳光谱选择性吸收涂层,并对所制备涂层的表面形貌、相结构等性能进行了分析。研究表明：采用HVOF工艺制备的涂层孔隙率低,粒子变形充分,与微米、亚微米结构WC-12Co相比,纳米结构的WC-12Co涂层出现了较严重的氧化脱碳,其相结构主要由WC、Co和少量的W2C组成,NiCr-Cr3C2涂层相结构主要由NiCr、Cr3C2、Cr7C3组成。 其次,采用紫外-可见-近红外分光光度计和红外光谱仪分别对吸收率、反射率进行了测定,并对其结果进行了研究。结果表明：粉末的原始尺寸、涂层表面状态、金属含量都会影响涂层的吸收率及反射率,而高红外反射底层对其无明显影响。在三种不同原始尺寸的WC-12Co涂层中,尺寸由微米变化到亚微米,其吸收率有所提高,而发射率相应降低,当由亚微米变化到纳米时,虽然其发射率有所降低,但其吸收率有明显的下降。 第三,研究了表面状态对涂层光学性能的影响,通过比较具有不同粗糙度的亚微米结构WC-12Co涂层,表明在一定的范围内,粗糙度越小,吸收率越高,而发射率越低。 第四,研究了两种不同金属含量的NiCr-Cr3C2涂层的光学性能,NiCr金属合金含量越低,吸收率越大,但发射率也相应升高。 最后,研究了亚微米结构WC-12Co涂层的耐候性和抗高温氧化性能,在经过两个月的大气环境条件下试验,涂层没用出现脱落和破裂,经高温实验后,涂层的主要相、吸收率与发射率基本上没有变化,表明涂层具有优异的耐候性和抗高温氧化性能。 综合各研究结果表明：采用超音速热喷涂技术制备的太阳光谱选择性吸收涂层具有较优异的光学性能。 【关键词】：太阳能 选择性吸收涂层 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】：2011
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 引言11-20
• 1.1 课题提出的背景11
• 1.2 太阳能热利用现状11-13
• 1.2.1 太阳能热水器11-12
• 1.2.2 太阳房12
• 1.2.3 太阳能发电12-13
• 1.3 太阳能热发电系统分类13-16
• 1.3.1 槽式太阳能热发电系统13-14
• 1.3.2 碟式太阳能热发电系统14-15
• 1.3.3 塔式太阳能热发电系统15-16
• 1.4 太阳光谱选择性吸收涂层提出与研究进展16-18
• 1.5 本论文的主要研究内容及其意义18-19
• 1.6 本章小结19-20
• 第2章 太阳光谱选择性吸收涂层分类及制备方法20-33
• 2.1 太阳光谱选择性吸收涂层吸收原理20-22
• 2.1.1 太阳光谱强度计算及其光谱的组成20-21
• 2.1.2 吸收、反射和透射原理21-22
• 2.1.3 涂层选择性吸收原理22
• 2.2 太阳光谱选择性吸收涂层分类22-27
• 2.2.1 本征吸收涂层22-25
• 2.2.2 光干涉型涂层25-26
• 2.2.3 多层渐变膜型涂层26
• 2.2.4 金属陶瓷复合涂层26-27
• 2.2.5 光学陷阱涂层27
• 2.3 太阳光谱选择性吸收涂层制备方法27-29
• 2.3.1 电镀27-28
• 2.3.2 化学气相沉积28
• 2.3.3 物理气相沉积28-29
• 2.4 热喷涂技术原理、特点及分类29-30
• 2.5 几种常用的热喷涂工艺30-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第3章 太阳光谱选择性涂层设计与试样制备33-42
• 3.1 涂层材料成分及结构设计33-37
• 3.1.1 涂层材料选择33
• 3.1.2 WC-12Co粉末成分及结构设计33-36
• 3.1.3 NiCr-Cr_3C_2粉末成分及结构设计36-37
• 3.2 高红外金属反射层设计37-38
• 3.2.1 高红外反射底层材料的选择37-38
• 3.2.2 喷涂工艺方法的选择38
• 3.3 吸收涂层工艺方法的选择38-39
• 3.4 涂层的厚度39-40
• 3.5 涂层制备过程40-41
• 3.5.1 喷涂前的准备40-41
• 3.5.2 喷涂工艺参数的确定41
• 3.6 本章小结41-42
• 第4章 太阳光谱选择性吸收涂层的性能研究42-61
• 4.1 太阳光谱发射率与吸收率测定原理42-46
• 4.1.1 光学中几个基本定律42-43
• 4.1.2 太阳光谱吸收率测定原理43-46
• 4.1.3 太阳光谱发射率测定原理46
• 4.2 涂层光学性能测试装置概况46-48
• 4.3 涂层光学性能测量及计算48-51
• 4.4 实验结果及探讨51-57
• 4.4.1 不同粉末结构WC-12Co涂层的光学性能分析51-53
• 4.4.2 涂层表面状态对其光学性能的影响53-55
• 4.4.3 红外反射底层对涂层光学性能影响55
• 4.4.4 不同金属含量NiCr-Cr_3C_2涂层的光学性能分析55-57
• 4.5 涂层抗高温氧化性能研究57-59
• 4.6 涂层耐环境性能研究59-60
• 4.7 本章小结60-61
• 第5章 结论61-63
• 5.1 本文结论61-62
• 5.2 对今后工作的建议62-63
• 参考文献63-66
• 致谢66-67
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目67

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