基于粒子散射的太阳光谱选择性吸收涂层
发布时间：2022-01-14 13:10
为研究金属陶瓷中金属粒子散射造成的选择性吸收,将通过Mie散射理论求出的辐射特性参数代入蒙特卡洛光线追迹算法中,模拟研究不同金属颗粒对选择性吸收的影响。以Al2O3为陶瓷相,以半径为10～200 nm的Cr、W颗粒为金属相的金属陶瓷。利用散射参数随金属颗粒尺寸的变化,通过不同金属颗粒大小的匹配设计一种双层结构的金属陶瓷涂层。模拟结果表明其太阳能吸收率大于95%,600℃下热辐射发射率为26%,400倍聚光条件下光热转换效率超过93%。
【文章来源】：太阳能学报. 2019,40(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
蒙特卡洛光线追迹算法流程图Fig.2FlowchartofMonteCarloraytracingalgorithm
924太阳能学报40卷图3给出了厚度2~6μm的Cr半径为10nm的金属陶瓷反射率曲线，可见厚度变化对涂层太阳能吸收率和热辐射发射率的影响。大于5μm波段的吸收主要由Al2O3的本征吸收和多层干涉造成。图3半径10nm的Cr金属陶瓷不同厚度下的反射率曲线Fig.3SpectralreflectanceofCr-Al2O3cermetcoatingswithCrradiusof10nm为分析不同粒径对吸收率、发射率的影响，以Cr为例，在图4、图5中分别绘制波长λ为0.3~4.0μm的辐射特性参数和波长λ为0.3~5.0μm的光谱反射率曲线。图4比较了不同半径的Cr金属颗粒对金属陶瓷的辐射特性参数的影响。根据散射相函数分布，将散射系数分为前向散射系数（散射角小于90°）和后向散射系数（散射角大于90°）。图中3条曲线分别为吸收系数（kabsorption），前向散射系数（kscaF）和后向散射系数（kscaB）。这些辐射特性参数由Mie散射解换算得到，换算公式如1.3节所述。由图4可见小金属颗粒在短波段造成强烈的吸收，但吸收系数随波长增加迅速减校图5为金属粒径不同但厚度均是2μm的Cr-Al2O3金属陶瓷的反射率曲线。对照图4和图5，比较分析不同粒径对反射曲线的影响：半径10nm的Cr颗粒在小于1μm的波段有很好的吸收，但吸收谱段太窄，不足以覆盖太阳能集中的0.3~2.5μm。半径50、100nm的Cr颗粒在1.5~2.5μm谱段有较好的吸收，但在更短波段出现明显反射，这是因为其在该波段有较大的后向散射系数。通过以上分析可知，尽管小颗粒的金属陶瓷整体上有更高的光热转换效率，但在局部的光
图5厚度为2μm的不同半径Cr-Al2O3金属陶瓷涂层的反射率曲线Fig.5Spectralreflectanceof2μmthickCr-Al2O3cermetcoatingswithdifferentCrradii2.2双层、单层金属陶瓷的吸收特性对比从2.1节中可见散射系数、吸收系数的光谱分布对粒子的尺寸非常敏感。但单个粒径的颗粒产生的散射、吸收作用存在光谱区域的局限，故考虑在同一涂层中利用2种大小不同的金属颗粒以提高吸收效率。将2种不同金属颗粒置于同一涂层的方式有2种——混合于1层中、分置于2层中。本文使用分2层放置的结构，且放置方式为下大上校其原因在于大金属颗粒对较长波段吸收的同时，对短波段的散射效果会使反射率提高；而小金属颗粒吸收短波的同时对长波段无散射效果。故若将小颗粒置于大颗粒之上，则在利用二者吸收特性的同时，规避了大颗粒造成的短波段的反射。表2列出了部分厚度为6μm的双层涂层的效率，从表2中可见双层结构金属陶瓷涂层普遍提高了太阳能吸收率，最高的光热转换效率达到93.2%。表2双层金属陶瓷涂层光热转换效率Table2Photo-thermalconversionefficiencyof2-layercermetcoatings上层金属CrW上层半径r1/nm101010101010101010101010上层厚度L1/μm234234234234下层金属CrCrCrCrCrCrCrCrCrCrCrCr下层半径R2/nm505050100100100505050100100100下层厚度L2/μm432432432432吸收α/%95.295.395.395.295.595.695.395.294.995.695.695.4发射εh/%29.5
【参考文献】：
期刊论文
[1]AlN薄膜对太阳能吸收率的研究[J]. 丁迪,张贵锋,冯煜东,侯晓多. 太阳能学报. 2012(01)
[2]聚光太阳能热发电中吸热器吸收涂层的选择[J]. 文玉良,丁静,杨建平,陆建峰. 太阳能学报. 2009(06)
[3]高温太阳光谱选择性吸收涂层计算机模拟[J]. 丁大伟,蔡伟民. 太阳能学报. 2008(11)
[4]辐射传递蒙特卡洛法精度分析及数值试验[J]. 阮立明,谭建宇,董士奎,谈和平. 工程热物理学报. 2003(05)
本文编号：3588566
【文章来源】：太阳能学报. 2019,40(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
蒙特卡洛光线追迹算法流程图Fig.2FlowchartofMonteCarloraytracingalgorithm
924太阳能学报40卷图3给出了厚度2~6μm的Cr半径为10nm的金属陶瓷反射率曲线，可见厚度变化对涂层太阳能吸收率和热辐射发射率的影响。大于5μm波段的吸收主要由Al2O3的本征吸收和多层干涉造成。图3半径10nm的Cr金属陶瓷不同厚度下的反射率曲线Fig.3SpectralreflectanceofCr-Al2O3cermetcoatingswithCrradiusof10nm为分析不同粒径对吸收率、发射率的影响，以Cr为例，在图4、图5中分别绘制波长λ为0.3~4.0μm的辐射特性参数和波长λ为0.3~5.0μm的光谱反射率曲线。图4比较了不同半径的Cr金属颗粒对金属陶瓷的辐射特性参数的影响。根据散射相函数分布，将散射系数分为前向散射系数（散射角小于90°）和后向散射系数（散射角大于90°）。图中3条曲线分别为吸收系数（kabsorption），前向散射系数（kscaF）和后向散射系数（kscaB）。这些辐射特性参数由Mie散射解换算得到，换算公式如1.3节所述。由图4可见小金属颗粒在短波段造成强烈的吸收，但吸收系数随波长增加迅速减校图5为金属粒径不同但厚度均是2μm的Cr-Al2O3金属陶瓷的反射率曲线。对照图4和图5，比较分析不同粒径对反射曲线的影响：半径10nm的Cr颗粒在小于1μm的波段有很好的吸收，但吸收谱段太窄，不足以覆盖太阳能集中的0.3~2.5μm。半径50、100nm的Cr颗粒在1.5~2.5μm谱段有较好的吸收，但在更短波段出现明显反射，这是因为其在该波段有较大的后向散射系数。通过以上分析可知，尽管小颗粒的金属陶瓷整体上有更高的光热转换效率，但在局部的光
图5厚度为2μm的不同半径Cr-Al2O3金属陶瓷涂层的反射率曲线Fig.5Spectralreflectanceof2μmthickCr-Al2O3cermetcoatingswithdifferentCrradii2.2双层、单层金属陶瓷的吸收特性对比从2.1节中可见散射系数、吸收系数的光谱分布对粒子的尺寸非常敏感。但单个粒径的颗粒产生的散射、吸收作用存在光谱区域的局限，故考虑在同一涂层中利用2种大小不同的金属颗粒以提高吸收效率。将2种不同金属颗粒置于同一涂层的方式有2种——混合于1层中、分置于2层中。本文使用分2层放置的结构，且放置方式为下大上校其原因在于大金属颗粒对较长波段吸收的同时，对短波段的散射效果会使反射率提高；而小金属颗粒吸收短波的同时对长波段无散射效果。故若将小颗粒置于大颗粒之上，则在利用二者吸收特性的同时，规避了大颗粒造成的短波段的反射。表2列出了部分厚度为6μm的双层涂层的效率，从表2中可见双层结构金属陶瓷涂层普遍提高了太阳能吸收率，最高的光热转换效率达到93.2%。表2双层金属陶瓷涂层光热转换效率Table2Photo-thermalconversionefficiencyof2-layercermetcoatings上层金属CrW上层半径r1/nm101010101010101010101010上层厚度L1/μm234234234234下层金属CrCrCrCrCrCrCrCrCrCrCrCr下层半径R2/nm505050100100100505050100100100下层厚度L2/μm432432432432吸收α/%95.295.395.395.295.595.695.395.294.995.695.695.4发射εh/%29.5
【参考文献】：
期刊论文
[1]AlN薄膜对太阳能吸收率的研究[J]. 丁迪,张贵锋,冯煜东,侯晓多. 太阳能学报. 2012(01)
[2]聚光太阳能热发电中吸热器吸收涂层的选择[J]. 文玉良,丁静,杨建平,陆建峰. 太阳能学报. 2009(06)
[3]高温太阳光谱选择性吸收涂层计算机模拟[J]. 丁大伟,蔡伟民. 太阳能学报. 2008(11)
[4]辐射传递蒙特卡洛法精度分析及数值试验[J]. 阮立明,谭建宇,董士奎,谈和平. 工程热物理学报. 2003(05)
本文编号：3588566
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/xnylw/3588566.html
