太陽能選擇性吸收復(fù)合材料與涂層設(shè)計(jì)研究

【摘要】：太陽能光熱轉(zhuǎn)換是太陽能利用的主要方式之一,這里的關(guān)鍵部件是吸收太陽能的吸收涂層。吸收涂層的種類繁多,制備工藝也不盡相同,本文主要是針對等離子噴涂工藝制備金屬陶瓷復(fù)合吸收涂層的相關(guān)性能研究。文中從多個(gè)方面探索了涂層材料的吸收機(jī)理,對如何選擇合適的吸收材料提供了一種方法,也為減反層的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了一種思路。 本文首先通過第一性原理計(jì)算出WC、Co、Ni、Mo、Cr、NiO、CoO、Cr2O3、A1203等物質(zhì)能帶圖和態(tài)密度,從電子結(jié)構(gòu)的角度來分析他們的吸收性能。計(jì)算出各物質(zhì)對太陽光的吸收比αs、發(fā)射比εS以及吸收發(fā)射比αS/εs,找出綜合吸收性能較好的物質(zhì)。結(jié)果表明,WC和CoO具有較大的吸收率,而Co和Ni則具有較小的發(fā)射率。 其次,我們用MS中的CASTEP模塊計(jì)算出WC和Co的介電函數(shù),通過等效媒介理論推導(dǎo)出兩者的質(zhì)量比為m(Co)：m(WC)=2：8時(shí),WC-Co的復(fù)合介電常數(shù)ε,由介電常數(shù)ε與反射率R(ω)之間的關(guān)系得到復(fù)合涂層的反射率譜。采用同樣的比例關(guān)系,制備出WC-Co金屬陶瓷膜,并加以測試。數(shù)據(jù)表明,理論值與測試值的變化趨勢幾乎一致；且在0.5～1.0μm范圍內(nèi),測試值稍加大于理論值；分析涂層的SEM圖可以看出這是因?yàn)橥繉犹厥獾谋砻餍蚊矊庾V產(chǎn)生陷阱作用造成的。 再次,文章以CoO-Ni為例,研究從理論計(jì)算入手以獲得性能優(yōu)越的太陽能選擇性吸收涂層的方法,為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)。首先分別計(jì)算出CoO和Ni的介電常數(shù)ε,通過等效媒介理論推導(dǎo)出復(fù)合材料的介電常數(shù),然后計(jì)算出復(fù)合材料的反射率譜。計(jì)算出不同體積比下復(fù)合材料的吸收比αs、發(fā)射比εs、吸收發(fā)射比αs/εs對比發(fā)現(xiàn)當(dāng)體積比接近V(CoO):V(Ni)=6:4時(shí),復(fù)合材料吸收性能最佳。此外,本文設(shè)計(jì)出了以A1203為減反材料的減反層,分別計(jì)算出復(fù)合材料和Al2O3的折射率。考慮減反層對太陽光的整體干涉效果得出最佳厚度；結(jié)果表明,當(dāng)A1203的厚度約為170nm附近,減反效果最為明顯,反射率低至約0.1007。 【關(guān)鍵詞】：太陽光譜 反射率 吸收率 發(fā)射率
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TB33;TK519
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-21
• 1.1 研究背景9-11
• 1.2 太陽能吸收涂層簡介及研究現(xiàn)狀11-16
• 1.3 太陽能吸收涂層的選擇性及其表征16-19
• 1.4 本文的研究目的及內(nèi)容19-21
• 1.4.1 研究目的19-20
• 1.4.2 研究內(nèi)容20-21
• 第2章 理論基礎(chǔ)21-33
• 2.1 固體中的光吸收21-23
• 2.1.1 復(fù)介電函數(shù)與吸收功率之間的關(guān)系21-22
• 2.1.2 介電函數(shù)與消光系數(shù)之間的關(guān)系22-23
• 2.2 電介質(zhì)-金屬的復(fù)合理論23-27
• 2.3 減反膜的設(shè)計(jì)27-29
• 2.4 第一性原理計(jì)算方法29-31
• 2.4.1 密度泛函基礎(chǔ)理論29-30
• 2.4.2 第一性原理30-31
• 2.4.3 CASTEP模塊介紹31
• 2.5 本章小結(jié)31-33
• 第3章 太陽能選擇性吸收涂層的光學(xué)性能計(jì)算33-48
• 3.1 計(jì)算模型33-35
• 3.2 能帶圖及其態(tài)密度35-40
• 3.3 反射率的計(jì)算40-46
• 3.3.1 反射曲線41-43
• 3.3.2 吸收率和發(fā)射率的計(jì)算43-46
• 3.4 本章小結(jié)46-48
• 第4章 WC-Co復(fù)合材料的太陽能選擇性吸收特性與CoO-Ni涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化48-66
• 4.1 WC-Co復(fù)合材料的太陽能選擇性吸收特性48-53
• 4.1.1 WC和Co的介電函數(shù)48-50
• 4.1.2 WC-Co涂層測試分析50-53
• 4.2 CoO-Ni涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化53-59
• 4.2.1 介電函數(shù)的計(jì)算53-54
• 4.2.2 CoO-Ni復(fù)合材料的等效介電函數(shù)54-57
• 4.2.3 CoO-Ni復(fù)合涂層的反射率57-59
• 4.3 減反膜的設(shè)計(jì)59-63
• 4.3.1 Al2O3的介電常數(shù)60
• 4.3.2 折射率的計(jì)算60-61
• 4.3.3 減反層的厚度61-63
• 4.4 本章小結(jié)63-66
• 第5章 總結(jié)與展望66-68
• 致謝68-69
• 參考文獻(xiàn)69-75
• 碩士期間發(fā)表的論文75

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