氧化铒耐高温涂层研制及其热辐射特性研究
毕业论文关键词 热光伏技术 选择性辐射器 氧化铒涂层 辐射特性
Title The preparation of high temperature resistant erbium oxide coating and the research on its thermal radiation characteristics
Abstract TPV technology is one technology that transforms thermal energy into radiation energy and ultimately forms electricity, and what counts in this technology is to use selective radiators to transform thermal energy into radiation energy at specific wavelength, which results from ion transitions. The rare earth ions transport from the ground state to the excited state because of external energy input, and when they turn back into the ground state, the energy they released makes a strong emission band in near infrared which can be seen in radiation image. The effective coordination with TPV cells can be realized by adding high temperature resistant erbium oxide coating to get high emittance on specific wavelength, which optimizes the conversion of radiation energy into electric energy. In this experiment, firstly erbium oxide coatings are prepared in sol-gel preparation method, then measuring and comparing the emittance of coatings at different temperatures will be conducted. The final step is to calculate the radiation efficiency and the average emittance of coatings at different temperatures to evaluate its radiation characteristics at specific wavelength. Keywords TPV technology selective radiators erbium oxide coatings radiation characteristics
目 次
1 绪论 1
1.1 热光伏技术简介和应用前景… 1
1.2 选择性辐射涂层的研究现状… 2
1.3 本文研究的主要内容 4
2 氧化铒涂层发射率的理论分析… 5
2.1 模型建立 … 5
2.2 关系式推导及求解… 6
2.3 理论数值计算和图像… 11
3 氧化铒涂层的制备… 14
3.1 溶胶的制备 14
3.2 涂料的制备 15
3.3 涂层的制作 16
4 光谱发射率的实验测量… 18
4.1 测温系统… 18
4.2 光谱发射率测量系统 19
4.2.1 样品加热装置 19
4.2.2 光路转换装置 20
4.2.3 傅立叶红外光谱仪 21
4.3 试验结果与讨论 22
4.3.1 辐射率图像及对辐射特性的研究 22
4.3.2 辐射效率和平均发射率的计算… 26
结论 … 29
致谢 … 30
参考文献31
附录 A MATLAB 计算程序 33
1 绪论 在科学技术不断发展的今天，日益增长的能源需求迫使我们不断寻找新能源来拓宽能源获取渠道，与此同时，在对现有能源利用的改进过程中也能得到不同的能源利用方式。以太阳能为例，在其发展初期作为清洁可再生能源而一直被看好，但是在其发展过程中遇到了很多问题，其中以天气原因为主，其次能量密度低、可利用的太阳波段太窄等局限性也日益显现，所以依靠太阳能可见光波段工作的光伏电池也受到这些缺点的影响而不能正常工作，因此对红外波段和近红外波段的光电转化的研究在ᨀ高资源利用率等方面显得格外重要，从而便衍生了一种新技术——热光伏技术。热光伏系统最早在上世纪五十年代就由 H.H.Kolm 设计出来，到吹冰十年代 MIT 才给出这一系统的完整原理与概念，直到 90 年代初期热光伏电池的研制成功，这项技术才因为此系统的优点能得以验证而获得肯定。而正是因为TPV 系统具有污染小、噪声低、便携、能量输出密度和理论效率高等这些优点，其应用前景很被看好。 1.1 热光伏技术简介和应用前景 热光伏技术是一种将高温热源产生的热能通过热辐射器转化为红外辐射能最终再转化为电能的技术。一个典型的热光伏系统（简称TPV 系统）主要由高温热源、辐射器、光谱过滤器和热光伏电池组成。另外，还可以根据实际使用情况添加额外的系统，比如说热回收装置和冷却系统，热回收装置用以实现热能的再利用从而ᨀ高热能利用率，冷却系统则用来给整个系统降温，以免系统工作产生的高温损坏系统。下图则给出一个热光伏系统的结构示意简图。 由上图所示，燃烧器燃烧产生热量，热量在辐射器处转化为辐射能，由于热辐射器对辐射波段有选择作用，辐射器会输出具有特定波长范围的辐射能，但是辐射器输出的辐射能波段不能和热光伏电池完全匹配，因此需要经过光谱过滤器来对辐射作进一步筛选，使得热光伏电池接受到能够使其发生电子跃迁的辐射能，即让高于热光伏电池禁带能量的光子通过光谱过滤器进入热光伏电池，而另一部分低于禁带能量的光子返回热辐射器。这种工作过程一方面降低不可用能量对电池的加热，另一方面ᨀ高了能量再利用率。 目前，热光伏技术在军事领域上的使用比较广泛，占使用市场的主导地位，而在民用设施上的使用很少。根据使用热源的不同，可以将热光伏系统分为太阳能热光伏系统、生物能热光伏系统、核能热光伏系统等等。太阳能作为一种清洁的可再生能源，如果将太阳能直接作为由热源输入热辐射器的热量，通过整个系统的运作同样能够将电能通过热光伏电池输出，这与太阳能光伏技术相比具有更高的转化效率，在注重可持续发展的今天这一点具有建设性的突破显得弥足珍贵。由于其便携性，可以将该项技术运用在航天技术中，利用燃料的燃烧产生的热量来供给热辐射器最终产生电能，减少发电所需燃料量的同时，还能ᨀ高系统效率和能量的输出。另外，此技术现在也不仅仅是用来实现热能与电能的转化，对热电转化过程中产生的废热再利用成了另一条创新思路：将废热直接用来加热水，输出电能的同时还能实现热水供暖，整体效率不但有所ᨀ高，而且使此项技术功能更具多样化。 1.2 选择性辐射涂层的研究现状 为了使得系统能量转化效率的最大化，热辐射器一般选用选择性辐射器。选择性辐射器辐射出的光谱图像显示其只在特定波段具有高发射率，所以它最大的优点就是能和热光伏电池实现很好的配合，在ᨀ高系统转化效率的同时，还能减少不可用热量对热光伏电池的加热[4]。选用不同元素掺杂的选择性辐射器能够产生不同的辐射波段，因此可以配合不同的热光伏电池的使用。因此选择性辐射器是整个系统中一个很关键的部件，它在很大程度上决定着整个系统的能量转化效率和使用寿命，所以设计出一个符合条件的辐射器便显得格外重要。 选择性辐射器的种类有很多，目前研究的制作材料主要还是以稀土氧化物为主。早在选择性辐射器的概念ᨀ出之前，稀土氧化物就一直被认为是一种制作选择性辐射器的理想材料，经过多次试验也证明确实如此。高温下的稀土氧化物有相对较窄的辐射峰波段，这是由于稀土离子在发生从激发态向基态的电子跃迁时释放了一定的辐射能，就会在发射率图像上表现出一定波长处的辐射峰，通过这个很窄的波长范围可以确定对应热光伏电池的选用。以本实验中的氧化铒为例，铒离子从激发态 4I13/2 跃迁到基态 4I15/2 时会释放出 0.8eV 的能量，根据如下公式计算得出该辐射能量对应的波长约为1500��，即在高温下的发射峰处波长为 1500 ��，查表 1.1 可以发现它能配合 InGaAs 电池的使用。