用于下一代聚光太阳能热系统的高性能多层钴镍氧化物太阳能吸收涂层

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：High-performance multilayer cobalt-nickel oxide solar absorber coatings for next generation concentrated solar thermal systems

聚光太阳能热技术中开发了一种多层钴镍氧化物（m-CNO）涂层，通过电沉积工艺实现太阳吸收率高达0.99和红外发射率低至0.55，在550-800°C高温下仍保持优异热稳定性和光谱选择性，效率超过传统Pyromark涂层。

　　这项研究聚焦于开发一种新型的多层钴-镍氧化物（m-CNO）涂层，用于高温集中太阳能热应用。该涂层通过工业上普遍且可扩展的电沉积工艺制备，展现出卓越的太阳能吸收能力，吸收率高达约0.99，同时红外发射率较低，仅为约0.50。在550至800摄氏度的长时间热暴露测试中，该涂层表现出出色的热稳定性和光学性能，其性能在集中太阳能热应用的广泛温度范围内具有显著优势。由于其高吸收率和低发射率，m-CNO涂层在当前操作温度600摄氏度下实现了96.5%的效率，远超当前最先进的Pyromark涂层。在800摄氏度下，m-CNO涂层仍能保持超过91%的效率，而Pyromark涂层在此温度下则无法正常工作。经过在空气中750摄氏度下750小时的高温处理后，m-CNO涂层仍能维持高达92%的等温太阳能-热效率，显示出良好的热耐受性。总体而言，m-CNO涂层为实现经济高效的集中太阳能热技术提供了前所未有的组合，其在热耐久性、光谱选择性和操作稳定性方面均表现出色。

集中太阳能热（CST）系统通过聚焦太阳辐射，将太阳能转化为热能，用于多种应用，如发电、工业过程加热和化学制造。这些系统能够适应从350至1200摄氏度的广泛温度范围，突显了其在各种高温应用中的灵活性和高效性。CST系统的核心在于接收器，它负责吸收和转化太阳光为热能，因此对高效且稳定的太阳能吸收涂层的需求至关重要。此外，大多数CST系统运行在开放空气中，暴露于自然环境因素，如风、雨和湿度，这使得空气稳定性同样成为设计中的关键要素。

太阳能吸收器的效率衡量的是太阳辐射转化为可用热能的能力，通常由涂层吸收的总能量决定，这取决于材料的太阳能吸收率（α_s）以及热损失，而热损失则由材料在操作温度下的红外发射率（ε_IR）决定。将净能量吸收与入射集中辐射的比率，即为吸收器效率，其计算公式为：η_s = α_s - (ε_IR * σ * T^4) / (C * I)，其中η_s表示太阳能吸收效率，α_s是涂层的太阳能吸收率，ε_IR是涂层在操作温度T（开尔文）下的红外发射率，σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数（5.67×10^-8 W/m2K^4），C是太阳能浓度比，I是太阳辐射的强度（1000 W/m2）。只有太阳辐射中的直接正常辐照（DNI）部分能够被聚焦到吸收器表面，因此在计算时采用1000 W/m2的参考强度，代表标准条件下的典型DNI值。从该公式可以看出，提高太阳能吸收率并降低红外发射率将有助于提升整体吸收效率。理想的太阳能吸收器效率为100%，即α_s = 1，同时ε_IR = 0，这意味着涂层在太阳光谱（波长范围为0.3–2.5微米）内实现几乎完全的吸收，而在与工作温度对应的黑体光谱（波长范围为2.5–15微米）内几乎没有吸收。

实际应用中的太阳能吸收器设计旨在尽可能接近理想状态，以实现光谱选择性，从而最小化热辐射损失并最大化热能保留。这在维持高效率方面至关重要。为了实现这一目标，已有大量技术发展，旨在制造接近完美的太阳能吸收涂层和低发射率的光谱选择性涂层。文献中提供了大量相关研究，表明这些涂层在高温应用中具有良好的性能。然而，许多此类涂层仅在真空环境中有效，通常需要复杂的、高度工程化的多层结构，这些结构是通过先进的真空基加工技术制造的。尽管这些涂层设计复杂，但它们通常无法在空气中承受超过500摄氏度的高温环境下的长时间使用，因此不适合用于高温中心接收器CST系统。

目前，用于高温CST应用的最先进的太阳能吸收涂层是Pyromark 2500?（以下简称Pyromark），这是一种黑色涂料，具有约0.95的太阳能吸收率和约0.8的红外发射率。虽然Pyromark在当前实践中被广泛采用，但其应用受限于温度，通常只能在低于600摄氏度的环境下使用，因为高温会导致涂层性能下降，且热稳定性较差。由于Pyromark较高的红外发射率和较差的高温耐受性，研究者一直在寻找性能更优的替代涂层。其中，最有前景的发展是黑色氧化物涂层，它们虽然具有较高的太阳能吸收率，但红外发射率过高，导致整体热效率下降。

在我们之前的研究中，我们证明了电沉积是一种有效的方法，用于制备适用于高温环境的太阳能吸收涂层。通过这种方法，我们开发了单层和混合金属氧化物涂层，并评估了它们在不同温度范围下的性能。此外，我们的模拟研究也表明，优化涂层的表面纹理可以显著提升太阳能吸收能力。具体而言，我们开发了一种一步电沉积方法，用于制造单层钴-镍氧化物（s-CNO）涂层，实现了约0.97的太阳能吸收率和约0.66的红外发射率。之前的研究表明，表面纹理是一种新颖且可行的方法，可以利用黑色氧化物涂层的优良吸收特性，同时降低红外发射率。

在此基础上，我们进一步开发了具有分形纹理的多层钴-镍氧化物（m-CNO）涂层，以显著提升其光学性能和效率。测试结果显示，这些多层涂层的太阳能吸收率高达约0.99，红外发射率降低至低于0.55。经过退火处理后，涂层的太阳能吸收率保持在0.97，而红外发射率则降至极低的0.25，显示出优异的光谱选择性和温度稳定性。这些涂层在空气中进行了高温测试，以展示其在CST操作条件下的结构完整性和性能保持能力。在各种CST操作条件下，m-CNO涂层的效率均优于Pyromark，这一突破突显了电沉积多层涂层作为高温CST应用的可行且优越替代方案的潜力，其在空气环境中表现出更高的太阳能吸收率和更低的辐射损失。

在实验部分，我们首先描述了电沉积工艺的步骤，用于制备这些涂层。随后，我们介绍了用于表征制备涂层的技术方法。实验过程中，我们采用了多种技术手段，包括扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和红外发射率测量，以全面评估涂层的微观结构和光学性能。此外，我们还通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）研究了涂层在不同温度下的热稳定性。

在结果与讨论部分，我们重点分析了优化后的m-CNO涂层在不同温度条件下的表现。测试表明，这些涂层在高温环境下依然保持稳定的光学性能，这使得它们在实际应用中具有极大的优势。同时，我们比较了m-CNO涂层与Pyromark涂层在不同操作温度下的性能差异，发现m-CNO涂层在高温下的表现更优。特别是在750摄氏度下，经过750小时的热处理后，m-CNO涂层依然能够维持高达92%的等温太阳能-热效率，显示出良好的热耐久性。

此外，我们还研究了涂层的表面纹理对太阳能吸收和红外发射率的影响。通过调整电沉积参数，如电压和时间，我们成功制备了具有不同纹理结构的多层涂层。结果表明，分形纹理结构能够有效增强涂层的太阳能吸收能力，同时降低红外发射率。这种结构的优化不仅提升了涂层的光学性能，还增强了其在高温环境下的稳定性。通过对比不同涂层的性能，我们发现m-CNO涂层在多个方面均优于传统涂层，特别是在空气环境中表现出更高的热稳定性。

在结论部分，我们总结了m-CNO涂层在实验中的表现，并指出其在高温CST应用中的潜力。通过电沉积工艺，我们成功制备了具有优异性能的多层涂层，这些涂层在高温下仍能保持稳定的吸收和发射特性。研究结果表明，m-CNO涂层不仅能够提高太阳能吸收率，还能有效降低红外发射率，从而提升整体效率。这一发现为未来的高温太阳能热技术提供了新的发展方向，特别是在提升涂层性能和降低成本方面具有重要意义。

此外，我们还讨论了电沉积工艺的优势。与传统的真空沉积方法相比，电沉积是一种更加经济和可扩展的制备方法。它不仅能够实现高质量的涂层，还能在不同基材上进行应用。在本研究中，我们选择Inconel作为基材，因为其具有良好的高温性能和耐腐蚀性，适合用于CST系统。通过调整电沉积参数，我们成功制备了具有不同纹理结构的多层涂层，这些涂层在高温下表现出优异的稳定性。这一发现表明，电沉积不仅适用于制备单层涂层，还能够实现多层结构的优化，从而提升整体性能。

在本研究中，我们还考虑了不同温度条件对涂层性能的影响。通过系统测试，我们发现m-CNO涂层在不同温度下均表现出良好的稳定性，这使得它们能够在广泛的温度范围内使用。同时，我们还研究了涂层的热处理过程，以评估其在高温环境下的性能变化。结果表明，经过适当的热处理后，m-CNO涂层的光学性能和热稳定性得到了进一步提升，这为未来的高温应用提供了坚实的基础。

综上所述，m-CNO涂层的开发为实现高效、经济的集中太阳能热技术提供了新的解决方案。其优异的太阳能吸收率和低红外发射率使得在高温环境下仍能保持较高的效率。同时，其良好的热稳定性和空气环境下的耐受性，使其能够适用于实际的CST系统。这一研究不仅拓展了太阳能吸收涂层的应用范围，也为未来的研究提供了新的方向。通过进一步优化涂层的结构和性能，我们有望实现更高效率的太阳能热转换技术，为可再生能源的发展做出贡献。