發(fā)布時間：2021-03-31 21:05

　　理論設計對于高性能太陽能光熱轉(zhuǎn)換薄膜的實驗制備極為重要。然而,大多數(shù)軟件通常局限于正入射情況下的太陽光吸收率的優(yōu)化,而無法直接對太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率這一重要指標進行優(yōu)化。鑒于以上問題,使用傳輸矩陣方法與遺傳優(yōu)化算法,通過改變金屬/介質(zhì)多層膜基太陽能光熱轉(zhuǎn)換薄膜中各層薄膜的厚度,直接對其光熱轉(zhuǎn)換效率進行優(yōu)化設計。重點研究了薄膜層數(shù)、太陽光照度與工作環(huán)境溫度對鎢/氧化鋁基（W/Al₂O₃）多層膜的影響。研究結(jié)果表明,在聚光比為1和100情況下,該膜系的最優(yōu)膜層數(shù)分別為6與8。該研究結(jié)果對于高性能太陽能光熱轉(zhuǎn)換薄膜的實驗制備具有重要的指導意義。 

【文章來源】：光學學報. 2020,40(14)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

鎢/氧化鋁基多層薄膜結(jié)構示意圖

式中: σ為玻爾茲曼常數(shù);B為封裝玻璃的透射率;I 為標準太陽輻射強度(大氣質(zhì)量為1.5即AM1.5時)。在本文中,取σ =5.67×10-8 W·m-2·K-4,B=1,太陽輻射強度I=1000 W/m2 (1個標準太陽光強度)。為了設計出能夠在特定溫度與聚光比下工作的太陽光選擇性吸收薄膜,使用遺傳算法優(yōu)化膜系結(jié)構中每一膜層的厚度,從而使膜系的太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率最大[19,28]。遺傳算法是美國Michigan大學的Holland教授于1975年提出的一種模擬生物進化過程的計算模型[19]。它是一種全局優(yōu)化隨機搜索算法,具有不依賴梯度信息、簡單通用、魯棒性強、適合并行分布處理、應用范圍廣的優(yōu)點。

首先,通過優(yōu)化太陽光吸收率設計了一個6層W/Al2O3太陽光選擇性吸收薄膜,具體膜系結(jié)構為:Al2O3 (83.3 nm) /W (6.4 nm) /Al2O3 (72.8 nm)/W (14.7 nm) /Al2O3 (86.1 nm)/Cu (>100.0 nm),該膜系的理論反射光譜如圖3所示�？梢钥吹�,膜系的反射率在太陽的主要輻射光譜范圍內(nèi)非常低,但在長波范圍內(nèi)快速增加,這表明所設計的膜系結(jié)構具有較高的太陽光吸收率與較低的熱輻射率。該膜系的太陽光吸收率約為93.7%。在600 K工作溫度及一個標準太陽光強度(C=1)或100個標準太陽光強度(C=100)下,層數(shù)對W/Al2O3多層薄膜結(jié)構的太陽光吸收率、熱輻射率以及太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率的影響如圖4所示,對應的膜系結(jié)構參數(shù)如表1所示。在一個標準太陽光強度下,隨著層數(shù)的增加,膜系的吸收光譜范圍變大,因此太陽光吸收率增大。從圖4(b)中可以看出,熱輻射率也隨著層數(shù)的增加而增大。在仿真中,溫度設定為600 K,因此普朗克黑體輻射光譜保持不變,隨著薄膜層數(shù)的增加,變寬的吸收光譜與普朗克輻射光譜的交疊部分增多。(4)式的分母為黑體輻射光譜的積分,溫度為定值時,分母為定值;黑體輻射譜與膜系吸收譜的乘積是(4)式分子的積分元,當二者交疊增多時,分子的積分值變大,從而導致熱輻射增加。圖4(c)所示為薄膜層數(shù)及太陽光聚光比對太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率ηt的影響規(guī)律。在一個標準太陽光強度下,當薄膜層數(shù)從4增加到6時,ηt略微增大,但當層數(shù)繼續(xù)增加到8時,ηt趨于減小。因此,在一個標準太陽光強度下,6層是W/Al2O3多層膜的最佳層數(shù)。在一個標準太陽光強度下,隨著薄膜層數(shù)的增加,膜系的吸收光譜逐漸變寬,與黑體輻射光譜的交疊也越來越多,導致膜系的太陽光吸收率和熱輻射率都逐漸增大,進而使太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率先增加后減小。在100個標準太陽光強度下,太陽光吸收率、熱輻射率以及太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率均隨著薄膜層數(shù)的增加而增大,但當層數(shù)超過8時,太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率ηt趨于飽和�？紤]到制備的復雜程度與成本,在聚光比為100時,8層應當是W/Al2O3太陽光選擇性吸收薄膜的最佳膜層數(shù)。此外,在100個標準太陽光強度下,由 (5)式可知此時的熱輻射率可忽略不計,太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率約等于太陽光吸收率。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]W/SiO2基太陽光譜選擇性吸收薄膜的制備和表征[J]. 郭帥,吳瑩,古同,胡二濤.  光學學報. 2019(05)
[2]太陽光譜金屬-介質(zhì)干涉型強吸收膜的研究[J]. 付秀華,郭凱,張靜,熊仕富,姜洪妍,孫兵.  中國激光. 2017(08)



本文編號：3112073