光谱选择性太阳能吸收器的物理机理研究

发布时间：2020-06-09 17:43

【摘要】：工业革命至今,化石燃料的燃烧带来了大量温室气体的排放,导致全球平均气温逐渐升高,极端天气变得更加频繁,因此各国政府越来越重视对清洁能源的利用。太阳能作为一种存量最丰富、分布最广泛的清洁能源,受到了政府的极大重视。近年来提出的太阳能热光伏系统有望突破过去光伏系统的能量效率,因而受到学术界的广泛关注。光谱选择性太阳能吸收器是宽带超构材料吸收器的一种,也是太阳能热光伏系统中的核心器件,更是提高太阳能热利用的重要一环。但由于目前提出的一些太阳能吸收器存在吸收带宽窄,吸收光谱选择性差,极化敏感,无法广角吸收等问题,导致性能指标不高,阻碍了其在太阳能热光伏系统中的实际运用。本论文以光谱选择性太阳能吸收器作为研究对象,分别设计了一种基于渔网状光栅超构材料的太阳能吸收器和一种基于光子晶体超构材料的太阳能吸收器,并且阐述了相关的物理机理。提出并研究了一种基于覆盖减反层的二维垂直串联渔网状光栅波谱选择性太阳能吸收器。使用CST软件计算仿真了该吸收器的光学性质和多种电磁共振吸收模式。在0.3-1.625 μm波长范围内,该吸收器有超过90%的吸收率,并且在0.3-1.53μm波段,该吸收器拥有超过94.7%的超高吸收率,并且该波段内的平均吸收率为98%。超过2.3 μm的中红外波段,该吸收器的发射率都低于20%,表现出较好的选择性。在入射角为50度时,当入射波为TM极化波时,在0.3-1.5μm波段有超过94%的吸收率;当入射波为TE极化波时,在0.3-1.52μm波段有超过85%的吸收率,表现出较好的广角吸收特性。由于结构的高度对称性,该吸收器对极化不敏感。与其相关的吸波物理机理包括减反模、腔共振、磁极化。提出并数值计算了一种基于介质填充的覆盖减反层的膜耦合的二维金属光子晶体的高效太阳能吸收器。该太阳能吸收器与光偏振无关,在0.33到1.45μm波段,对光有超过95%的超高吸收率,并且在入射角50度以内,吸收率对入射角不敏感。在波长超过2.2μm的波段,热发射率都低于20%,充分显示了其强大的吸收选择性。该太阳能吸收器的光吸收性质主要是减反模,腔共振和表面等离子体共振耦合的共同作用所决定。通过分析所提出太阳能吸收器的相关性能指标可以发现,其总太阳能光热转化效率非常接近理想的截断选择性太阳能吸收器,且比目前几种有代表性的太阳能吸收器要更加优秀。由于其极化无关性,角度不敏感性和宽带选择吸收,该吸收器非常有希望在现实中被运用到可再生能源领域,比如太阳能加热和太阳能发电。
【图文】：

负折射,紫外,频段,材料

亚波长结构单元周期性阵列排列组成了超构材料，非常类似自然材料中的晶体，其逡逑与电磁波相互作用产生独特的电磁响应，从而表现出超常的电磁特性，比如有代表逡逑性的左手材料［１３，１４］，如图１－１所示。在电磁学中，材料的电磁特性的两个基本参数逡逑是介电常数Ｓ和磁导率卜介电常数指材料在外电场作用下极化程度的物理量，磁逡逑导率是表示磁介质所具有磁性的物理量。自然界中不存在介电常数和磁导率都为负逡逑值的材料，而超构材料中的左手材料却可以实现。其内部既存在磁谐振又存在电谐逡逑振，电磁波在其中是以反向波传播模式存在的。超构材料最重要的特性就是人工设逡逑计的可操作性强，通过在亚波长范围内对微纳结构进行调控设计就能实现对超构材逡逑料等效电磁参数的人工调控，进而调控其与电磁波的电磁响应。逡逑．Ａ逦Ｃｒ邋Ａｇ逡逑（ａ）逦＾逡逑ｆｅ邋趣；逡逑＇’邋一逦！匕逡逑图１－１邋ａ）工作在紫外频段的负折射超材料ｈ３］。ｂ）工作在红外频段的负折射材料［１４］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋ａ）邋ＮＩＭｓ邋ｗｏｋｉｎｇ邋ａｔ邋ＵＶ邋ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ，邋ｂ）邋Ｆｉｓｈｎｅｔ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ａｓ邋ＮＩＭｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｉｎｆｒａｒｅｄ邋ｒｅｇｉｏｎ逡逑超构材料吸收器是一种损耗型超材料，其可以将入射电磁波的能量近完美的吸逡逑收并且转化为热能耗散掉或者转移出去。超构材料吸收器不仅具备通常的吸收器的逡逑全部基本特点

吸收器,材料吸收,散射参数,电磁波

逦北京邮电大学工学硕士学位论文逦逡逑＝邋ｓｉｎ（ｎｆｃｄ）邋—邋＾邋（ｚ邋＋邋￣）邋ｃｏｓ（ｎ／ｃｄ）ｊ邋ｅｌｋｄ逦（１－３）逡逑其中，１１邋＝邋｜１１邋＋加２是吸收器的复折射率，２邋＝邋２１邋＋邋％是吸收器的复阻抗，而１？＝逡逑Ｗ／Ｃ为吸收器中的传输波数。当吸收器的阻抗能够与开放空间相匹配时，即２（００）＝逡逑１，反射率和透射率分别为：逡逑？角…歐２邋＝邋０逦０－４Ｔ（00）邋２逦｜５２１｜２邋＝邋ｌｉｍ邋（ｅ—办广１）ｆｃｄ邋■邋ｅｎ２ｆｃｄ）邋＝邋ｌｉｍ邋ｅ－２ｎ２ｆｃｄ邋＝邋０逡逑ｖ逦Ｊ逦ｎ２＾ｃｏ逡逑相应的，吸收器的吸收率Ａ则为：逡逑Ａ（ｗ）邋＝邋１邋－邋Ｒ（ｃａ）邋－邋Ｔ（ｏｏ）邋＝邋１逦（１－５）逡逑通过设计超构材料吸收器的单元结构，使得阻抗与开放空间匹配，即ｚ（ｏｏ）邋＝邋ｌ，入逡逑射电磁波进入吸收器后不再被反射和透射，而是被超构材料耗散掉实现近完美的吸逡逑收性能，即Ａ（ｏｏ）邋＝邋１。逡逑
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK513;O734

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