金属/介质多层膜基太阳能光热转换薄膜结构的设计与优化
发布时间：2021-03-31 21:05
理论设计对于高性能太阳能光热转换薄膜的实验制备极为重要。然而,大多数软件通常局限于正入射情况下的太阳光吸收率的优化,而无法直接对太阳能光热转换效率这一重要指标进行优化。鉴于以上问题,使用传输矩阵方法与遗传优化算法,通过改变金属/介质多层膜基太阳能光热转换薄膜中各层薄膜的厚度,直接对其光热转换效率进行优化设计。重点研究了薄膜层数、太阳光照度与工作环境温度对钨/氧化铝基（W/Al2O3）多层膜的影响。研究结果表明,在聚光比为1和100情况下,该膜系的最优膜层数分别为6与8。该研究结果对于高性能太阳能光热转换薄膜的实验制备具有重要的指导意义。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
钨/氧化铝基多层薄膜结构示意图
式中: σ为玻尔兹曼常数;B为封装玻璃的透射率;I 为标准太阳辐射强度(大气质量为1.5即AM1.5时)。在本文中,取σ =5.67×10-8 W·m-2·K-4,B=1,太阳辐射强度I=1000 W/m2 (1个标准太阳光强度)。为了设计出能够在特定温度与聚光比下工作的太阳光选择性吸收薄膜,使用遗传算法优化膜系结构中每一膜层的厚度,从而使膜系的太阳能光热转换效率最大[19,28]。遗传算法是美国Michigan大学的Holland教授于1975年提出的一种模拟生物进化过程的计算模型[19]。它是一种全局优化随机搜索算法,具有不依赖梯度信息、简单通用、鲁棒性强、适合并行分布处理、应用范围广的优点。
首先,通过优化太阳光吸收率设计了一个6层W/Al2O3太阳光选择性吸收薄膜,具体膜系结构为:Al2O3 (83.3 nm) /W (6.4 nm) /Al2O3 (72.8 nm)/W (14.7 nm) /Al2O3 (86.1 nm)/Cu (>100.0 nm),该膜系的理论反射光谱如图3所示。可以看到,膜系的反射率在太阳的主要辐射光谱范围内非常低,但在长波范围内快速增加,这表明所设计的膜系结构具有较高的太阳光吸收率与较低的热辐射率。该膜系的太阳光吸收率约为93.7%。在600 K工作温度及一个标准太阳光强度(C=1)或100个标准太阳光强度(C=100)下,层数对W/Al2O3多层薄膜结构的太阳光吸收率、热辐射率以及太阳能光热转换效率的影响如图4所示,对应的膜系结构参数如表1所示。在一个标准太阳光强度下,随着层数的增加,膜系的吸收光谱范围变大,因此太阳光吸收率增大。从图4(b)中可以看出,热辐射率也随着层数的增加而增大。在仿真中,温度设定为600 K,因此普朗克黑体辐射光谱保持不变,随着薄膜层数的增加,变宽的吸收光谱与普朗克辐射光谱的交叠部分增多。(4)式的分母为黑体辐射光谱的积分,温度为定值时,分母为定值;黑体辐射谱与膜系吸收谱的乘积是(4)式分子的积分元,当二者交叠增多时,分子的积分值变大,从而导致热辐射增加。图4(c)所示为薄膜层数及太阳光聚光比对太阳能光热转换效率ηt的影响规律。在一个标准太阳光强度下,当薄膜层数从4增加到6时,ηt略微增大,但当层数继续增加到8时,ηt趋于减小。因此,在一个标准太阳光强度下,6层是W/Al2O3多层膜的最佳层数。在一个标准太阳光强度下,随着薄膜层数的增加,膜系的吸收光谱逐渐变宽,与黑体辐射光谱的交叠也越来越多,导致膜系的太阳光吸收率和热辐射率都逐渐增大,进而使太阳能光热转换效率先增加后减小。在100个标准太阳光强度下,太阳光吸收率、热辐射率以及太阳能光热转换效率均随着薄膜层数的增加而增大,但当层数超过8时,太阳能光热转换效率ηt趋于饱和。考虑到制备的复杂程度与成本,在聚光比为100时,8层应当是W/Al2O3太阳光选择性吸收薄膜的最佳膜层数。此外,在100个标准太阳光强度下,由 (5)式可知此时的热辐射率可忽略不计,太阳能光热转换效率约等于太阳光吸收率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]W/SiO2基太阳光谱选择性吸收薄膜的制备和表征[J]. 郭帅,吴莹,古同,胡二涛. 光学学报. 2019(05)
[2]太阳光谱金属-介质干涉型强吸收膜的研究[J]. 付秀华,郭凯,张静,熊仕富,姜洪妍,孙兵. 中国激光. 2017(08)
本文编号：3112073
【文章来源】：光学学报. 2020,40(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
钨/氧化铝基多层薄膜结构示意图
式中: σ为玻尔兹曼常数;B为封装玻璃的透射率;I 为标准太阳辐射强度(大气质量为1.5即AM1.5时)。在本文中,取σ =5.67×10-8 W·m-2·K-4,B=1,太阳辐射强度I=1000 W/m2 (1个标准太阳光强度)。为了设计出能够在特定温度与聚光比下工作的太阳光选择性吸收薄膜,使用遗传算法优化膜系结构中每一膜层的厚度,从而使膜系的太阳能光热转换效率最大[19,28]。遗传算法是美国Michigan大学的Holland教授于1975年提出的一种模拟生物进化过程的计算模型[19]。它是一种全局优化随机搜索算法,具有不依赖梯度信息、简单通用、鲁棒性强、适合并行分布处理、应用范围广的优点。
首先,通过优化太阳光吸收率设计了一个6层W/Al2O3太阳光选择性吸收薄膜,具体膜系结构为:Al2O3 (83.3 nm) /W (6.4 nm) /Al2O3 (72.8 nm)/W (14.7 nm) /Al2O3 (86.1 nm)/Cu (>100.0 nm),该膜系的理论反射光谱如图3所示。可以看到,膜系的反射率在太阳的主要辐射光谱范围内非常低,但在长波范围内快速增加,这表明所设计的膜系结构具有较高的太阳光吸收率与较低的热辐射率。该膜系的太阳光吸收率约为93.7%。在600 K工作温度及一个标准太阳光强度(C=1)或100个标准太阳光强度(C=100)下,层数对W/Al2O3多层薄膜结构的太阳光吸收率、热辐射率以及太阳能光热转换效率的影响如图4所示,对应的膜系结构参数如表1所示。在一个标准太阳光强度下,随着层数的增加,膜系的吸收光谱范围变大,因此太阳光吸收率增大。从图4(b)中可以看出,热辐射率也随着层数的增加而增大。在仿真中,温度设定为600 K,因此普朗克黑体辐射光谱保持不变,随着薄膜层数的增加,变宽的吸收光谱与普朗克辐射光谱的交叠部分增多。(4)式的分母为黑体辐射光谱的积分,温度为定值时,分母为定值;黑体辐射谱与膜系吸收谱的乘积是(4)式分子的积分元,当二者交叠增多时,分子的积分值变大,从而导致热辐射增加。图4(c)所示为薄膜层数及太阳光聚光比对太阳能光热转换效率ηt的影响规律。在一个标准太阳光强度下,当薄膜层数从4增加到6时,ηt略微增大,但当层数继续增加到8时,ηt趋于减小。因此,在一个标准太阳光强度下,6层是W/Al2O3多层膜的最佳层数。在一个标准太阳光强度下,随着薄膜层数的增加,膜系的吸收光谱逐渐变宽,与黑体辐射光谱的交叠也越来越多,导致膜系的太阳光吸收率和热辐射率都逐渐增大,进而使太阳能光热转换效率先增加后减小。在100个标准太阳光强度下,太阳光吸收率、热辐射率以及太阳能光热转换效率均随着薄膜层数的增加而增大,但当层数超过8时,太阳能光热转换效率ηt趋于饱和。考虑到制备的复杂程度与成本,在聚光比为100时,8层应当是W/Al2O3太阳光选择性吸收薄膜的最佳膜层数。此外,在100个标准太阳光强度下,由 (5)式可知此时的热辐射率可忽略不计,太阳能光热转换效率约等于太阳光吸收率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]W/SiO2基太阳光谱选择性吸收薄膜的制备和表征[J]. 郭帅,吴莹,古同,胡二涛. 光学学报. 2019(05)
[2]太阳光谱金属-介质干涉型强吸收膜的研究[J]. 付秀华,郭凯,张静,熊仕富,姜洪妍,孙兵. 中国激光. 2017(08)
本文编号：3112073
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