高温太阳能选择性吸收涂层的设计

上海交通大学

硕士学位论文

高温太阳能选择性吸收涂层的设计

姓名：丁大伟

申请学位级别：硕士

专业：环境工程

指导教师：蔡伟民

20080116

上海交通大学硕士学位论文

高温太阳能选择性吸收涂层的设计

中文摘要

继中低温太阳光谱吸收涂层的研制成功和广泛应用，高温太阳光谱选择性吸收涂层（简称高温吸收涂层）成为当前国际该领域的研究热点，其应用前景十分广阔。本文在近几年国际高温涂层研究的基础上，根据理论研究和实验结果从几方面因素如材料、膜层结构、陶瓷中金属组分等分析了其对高温吸收涂层效率的影响。

本课题以Mo-Al2O3双吸收层模型为出发点，利用计算机模拟了金属体积分数和膜层厚度变化下整个涂层的吸收特点，逐步设计出一系列具有新减反射层结构的选择性吸收涂层，如Mo-Al2O3/SiO2, W-AlN/SiO2, Ru-Al2O3/SiO2, Ru-CuO/SiO2。 这种减反射层结构适用于大多数金属陶瓷吸收涂层，不仅提高了涂层的吸收率（吸收率α = 0.93~0.95），同时有效的控制了发射率（350℃下发射率ε = 0.03~0.05）。鉴于材料组成本身良好的热稳定性以及在某些情况下更简单的制备工艺，有望应用在高温集热装置上。

研究的几点创新性还在于：1. 首次利用两种折射系数不同的氧化物构成减反射涂层，该减反射层能有效抑制涂层表面对入射光可见波段的反射，同时不影响其在红外波段的反射性能。2. 由上述思想设计的CuO-Ru吸收涂层，吸收层是由两层组分单一的金属微粒Ru和CuO颗粒构成，并且具有良好的选择性和吸收性，这是以前实验研究没有提到过的。

关键词：高温吸收涂层，减反射层，吸收率，发射率，选择性

COMPUTER SIMULATION OF HIGH TEMPARETURE

SELECTIVE SOLAR ABSORBER

ABSTRACT

After the low-medium temperature solar selective absorbers were developed and widely used, high-temperature solar absorber became the hotspot in this field, the prospect of which is promising. This article based on the recent research, where the influences of materials, film structure and metal volume fraction on the solar-thermal conversion efficiency were analyzed according to theoretical research and experiment result.

Started by analyzing Mo-Al2O3 two-absorbing-layer model, we’ve simulated computably the absorption property of selective absorber under the impact of metal volume fraction (MVF) and layer depth, and designed a series of ceramic absorber with a new anti-reflection structure, namely, selective absorber of Mo-Al2O3/SiO2, W-AlN/SiO2, Ru-Al2O3/SiO2, and Ru-CuO/SiO2. This new anti-reflection is applicable for most metal-ceramic selective absorber; it not only increases the absorption (α = 0.93~0.95), but also curbs emmitance meantime (ε at 350℃ is about 0.03~0.05). Given the sound thermal stability of the components and even more possible simplified manufactured procedure, it is optimistic for this kind of selective absorber to be used in high-temperature collector.

The innovation of this research lies in: 1. firstly use oxides with

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different refractive index to construct anti-reflection layer, which effectively suppress the reflection of incoming visible light at the surface and exert no impact on the reflection property in the IR range. 2. By applying the above structure, CuO-Ru solar absorber, which is composed by two-layer homogenous metal particle Ru and ceramic CuO, shows excellent absorption and selectivity, which is not covered by former publication.

KEYWORD: high temperature solar absorber, anti-reflection, absorptance, emmitance, selectivity

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名： 丁大伟

日期： 2008 年 1 月

上海交通大学

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密本学位论文属于

不保密■。

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学位论文作者签名： 丁大伟 指导教师签名：蔡伟民

日期： 2008 年1月16日 日期： 2008年 1月16日

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第一章 太阳光谱吸收涂层

1.1 引言

在论文的开头，我想先引述我导师曾经讲的一个故事。在上帝创造人类之前，他已经给人类预备了一份“厚礼”，并将它埋藏在地下。在人类发展的漫长历程，这个埋藏在地下的“厚礼”提供了让人类文明腾飞并且延续的动力。我们对它的依赖也越来越重，已经到了关乎命脉的地步。正当我们感到生存已经离不开它的时候，它制造的阴云却笼罩在人的头顶上，难以抹去。我们呼吸的空气质量越来越差；我们居住的地方越来越闷热，难以忍受。夏季似乎比以前更长了，很多地方频频发生异常的自然灾害，饱受气候异常之苦的往往是一些穷国，环境污染不再是一国的事情，它确已经是全球化了。

当今，困扰人类发展最重要的问题莫过于能源危机和环境问题。人类发展赖以维系的化石燃料正日益枯竭，据国际能源机构统计，世界石油储备最多可供人类再使用30年，天然气67年，就连我们最亲赖的清洁能源 — 核能其原料铀的储量按现在的使用速度最多也只能撑到2050年。别的不说，就现在大量使用的化石燃料本身就存在很大“问题”。煤的燃烧引起的污染有酸雨，SO2, 灰尘……，汽车尾气中大量的NOx和SOx造成的大气污染影响到全球气候。就连公认清洁的天然气也并不能让人放心，因为它的产物CO2可是温室效应的元凶。这么多东西不能用，更何况所剩无几，那人类将走向何方呢？

面对这些棘手的问题，我们却忽略了另一个事实，或者说是没有给于足够的关

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第一章 太阳光谱吸收涂层

注 — 那就是我们每天早晨起来便能感觉到温馨的阳光，她不仅在今天而且继续为我们带来温暖和光明，就连我们今天利用的众多化石能源也只不是她先前一段时期藏在地下的礼物。稍加计算，你就会看出普照大地的阳光所蕴藏的最大能量（图1.0为全球太阳能资源分布图）。地球每年接收的太阳能总量达1018KW/h，相当于目前原油探明储量近千倍，世界年能耗总量的一万倍，这样巨大的能源库可供人类享用100亿年。

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