掺杂铬族元素的Co-WC基太阳能选择性吸收涂层制备与吸收机理研究

Solar thermal power technology, which is different from photovoltaic technology, demands that the solar selective absorbing coating is able to operate stably above 500℃ in the atmosphere. Co-WC coating functions stably in the atmosphere at high temperature, but has low absorptance. To increase the absorptance of Co-WC coating, in this project, chromium elements W, Mo are added separately into the coating. As a result, the number of unoccupied orbitals in d orbital in the valence electron of atom cobalt increases, and the transition energy of cobalt decreases, and finally, the absorptance of the coating is enhanced. Through physical and numerical models, which are established according to the law of reflection of light, energy band theory and electron transition theory, the function of chromium elements in Co-WC-based coating is revealed. The selective absorbing mechanics of the coating is discovered by studying the elements, the structure, and the absorption property of the coating, and the influencing factors of the absorption property. Research and develop rapid coating preparation technology, the combination of thermal spraying and laser cladding. It is studied the influence of the surface morphology, the structure defects and the interface type of the coating prepared by the technology on the absorptance. And it is expected to improve the absorptance of the coating. The research of this project will enrich the theory of high-temperature solar selective absorbing coating, and promote application of solar thermal power technology in China.

与一般光伏发电不同，太阳能热发电技术对太阳能吸收涂层提出了500℃以上、大气环境下长期稳定运行的要求。Co-WC涂层在高温大气环境下性能稳定，但其吸收比低。为解决这一问题，本申请拟通过添加铬族元素W、Mo等，增加Co原子价电子d轨道中空轨道数量，降低跃迁能，提高吸收性能。依据光的反射定律、能带和电子跃迁等相关理论建立物理及数值模型，揭示铬族元素在Co-WC基涂层材料中的作用。研究该吸收涂层的成分组成、组织结构、吸收性能及其影响因素，揭示该选择吸收涂层的选择吸收机理。研发以热喷涂+激光熔覆为主的快速涂层制备技术，探究该技术下的吸收涂层表面形貌、组织缺欠和界面类型对涂层吸收性能的影响，期望较大幅度改善吸收涂层的吸收比。研究成果可以丰富高温太阳能吸收涂层材料理论，有利于我国太阳能热发电技术的推广和应用。

本项目主要服务于太阳能热发电技术领域中。太阳能热发电技术将收集的太阳光能转化为热能，再利用热能发电。为提高其工作效率，要求用于接受转化太阳能的太阳能集热器一方面具有较高的太阳能吸收利用率，另一方面能够在高温条件下长期工作。本项目所研究的Co-WC基金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层就具有这两方面的特点。.本项目主要通过添加铬族元素W、Mo等，增加Co原子价电子d轨道中空轨道数量，降低跃迁能，提高吸收性能。依据光的反射定律、能带和电子跃迁等相关理论建立物理及数值模型，揭示Mo、W在Co-WC基涂层材料中的作用。研发以热喷涂+激光熔覆为主的快速涂层制备技术，探究该技术下的吸收涂层表面形貌、组织缺欠和界面类型对涂层吸收性能的影响。首先通过数值模拟方法，研究了激光熔敷参数对涂层性能的影响，为优化激光处理参数提供了优化依据。之后通过激光表面处理，涂层的吸收性能得到提升，其中Co-W-WC涂层的吸收率从0.81最大提升到0.91，主要是因为经过激光表面处理，涂层中产生了CoFeO相，使得涂层的介电性增强，从而降低涂层的折射率，提高吸收率。但同时，由于涂层在激光处理过程中留下沟槽状的宏观形貌缺陷，使得涂层的热发射表面积增加，发射率上升。之后进行500℃大气环境下的高温氧化试验，试验结果表明，高温氧化后涂层表面的金属相发生氧化，降低了涂层的消光系数，吸收率下降。此外，本课题还通过对热喷涂涂层进行沉积TiN、机械抛光来提高涂层的选择性吸收效率。发现沉积TiN可有效降低Co-W-WC涂层的发射率，从0.44下降到0.26；通过机械打磨将涂层的粗糙度降低到1微米以下，Co-Mo-WC涂层的吸收率得到了明显的提升，从0.85提升到0.89，同时热发射率也从0.50下降到0.42，并通过建立光学反射率模型，表征了表面微观结构对涂层光学吸收性能的影响。.本研究证明了核外电子d-d跃迁为金属陶瓷基太阳能选择性吸收涂层的主要吸收机理，揭示了相变对于太阳能选择性吸收涂层选择吸收机理和高温行为的重要影响。