摘 要

近年来对于无污染、可再生的太阳能的利用越来越受到人们的关注，太阳能选择吸收涂层作为集热器的主要元件长期都是研究的重点。金属陶瓷涂层具备高吸收率及低反射率的特点，为较好的新型涂层材料。本文基于Mo/Fe-TiC金属陶瓷选择性吸收涂层的研究，通过建立麦克斯韦模型计算选择性吸收涂层材料等效导热率并确定材料选取比例；用激光熔覆的方法进行涂层的制作;测定在波长为300nm至2500nm的太阳光下反射率变化的趋势以及计算出在这一波长段的平均吸收率这几方面研究实验涂层的性能，并得出以下的重要结论：

（1）选取钼铁质量比为1:3的条件下，计算Mo/Fe-TiC涂层中TiC质量分数为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0时的材料的导热系数，综合热学性能及光学性能考虑，取TiC质量分数为0.6时的最优比例进行实验，此时的理论等效导热系数为32 W/m℃。

（2）经实验发现Mo/Fe-TiC涂层在300nm至2500nm的太阳光波长条件下，在可见光区反射率较低，在可见光区域之外反射率较高。

（3）Mo/Fe-TiC涂层在300nm至2500nm的太阳光谱条件下平均吸收率为70%，且此涂层制备方法较为简单，热稳定性良好，对于太阳能的利用有一定的参考意义。

关键词：太阳能利用 选择性吸收涂层 激光熔覆

Study on Selective Absorption Coatings Based on Mo/Fe-TiC Cermets

Abstract

In recent years, the use of non-polluting, renewable solar energy has attracted more and more attention. Solar selective absorption coating as the main component of the collector has long been the focus of research. The cermet coating is characterized by high absorption and low reflectivity and is a better new coating material.

This paper is based on the selective absorption coating of Mo/Fe-TiC cermet. Maxwell's model was established to calculate the equivalent thermal conductivity of the selective absorbing coating material and determine the proportion of materials selected; Determine the performance of experimental coatings in several aspects of measuring the change in reflectivity in sunlight from 300 nm to 2500 nm in wavelength and calculating the average absorbance in this wavelength range. The following important conclusions are drawn:

(1) Calculate the thermal conductivity of the material when the mass fraction of TiC in Mo/Fe-TiC coating is 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 under the condition that the mass ratio of molybdenum to iron is 1:3. For performance and optical performance considerations, experiments were conducted at an optimal ratio with TiC mass fraction of 0.6. The theoretical equivalent thermal conductivity was 32 W/m°C.

(2) The Mo/Fe-TiC coating has been experimentally found to have low reflectivity in the visible region and high reflectivity in the infrared region at solar wavelengths of 300 to 2500 nm.

(3) The average absorption rate of the Mo/Fe-TiC coating under the solar spectrum from 300nm to 2500nm is 70%. The coating preparation method is simple and has good thermal stability. It has certain reference significance for the utilization of solar energy.

Key words: Solar energy utilization; Selective absorption coating; Laser cladding

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2选择性吸收的基本原理 1

1.3金属陶瓷涂层特点 2

1.4涂层的传热机理 3

1.5选择性吸收的发展与应用 4

1.6国内外研究现状 5

1.7本文主要的研究内容 6

第二章金属陶瓷复合材料导热系数的计算 7

2.1导热系数模型的选择 7

2.2不同质量分数下等效导热系数的计算 7

2.3对于计算结果的分析 10

第三章 涂层的制备 11

3.1实验设备及材料 11

3.2涂层的滴涂 11

3.3去除有机物 12

3.4激光熔覆 13

第四章涂层对太阳光谱的反射率及吸收率的测量与计算 15

4.1 对反射率的测量与数据处理 15

4.2涂层对不同太阳光谱平均吸收率公式的选择 17

4.3积分的图像与计算 18

4.4积分的图像与计算 19

第五章 结论与经济性分析 21

5.1结论 21

5.2经济性分析 21

参考文献 23

致谢 26

第一章 绪论

1.1研究背景

文明的进步依靠于能源的发展，纵观中华千年历史，我们凭借着对煤，石油，天然气等化石燃料的开发创造了灿烂的文化。但开发传统能源时面临两个问题：一是传统化石能源在燃烧时会释放二氧化碳，二氧化硫等气体，进而造成温室效应、热污染等一系列问题；二是煤等传统化石燃料属于不可再生资源，我国化石燃料的储备已不能满足未来的需求，例如我国煤炭储量只可开采35年，原油储备仅可开采10年，天然气探明储量仅可开采29年。^[1]所以开发利用新型能源，促进能源变革，减少能源利用对环境的污染已经刻不容缓。

太阳能是一种清洁的可再生能源，是解决上述问题的理想选择，但由于太阳能到达地球后能量密度较低，所以难以进行大规模的开发利用，这意味着只有将太阳能的能量密度提高，才能将其用于日常的生活与生产集热器是常见的太阳能光热转换的设备，其组件太阳能选择性吸收涂层作为具有对可见光较高的吸收率，以及较低的红外辐射率，所以它可以将低能量密度的太阳能转换成能量密度较高的热能，对于太阳能有着较为出色的富集作用。^[2]因此，能否制作出理想的太阳能选择性吸收涂层对于太阳能的开发有着至关重要的作用,能够显著地改善集热器的效率。

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