為研究金屬陶瓷中金屬粒子散射造成的選擇性吸收,將通過Mie散射理論求出的輻射特性參數(shù)代入蒙特卡洛光線追跡算法中,模擬研究不同金屬顆粒對(duì)選擇性吸收的影響。以Al2O3為陶瓷相,以半徑為10～200 nm的Cr、W顆粒為金屬相的金屬陶瓷。利用散射參數(shù)隨金屬顆粒尺寸的變化,通過不同金屬顆粒大小的匹配設(shè)計(jì)一種雙層結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷涂層。模擬結(jié)果表明其太陽(yáng)能吸收率大于95%,600℃下熱輻射發(fā)射率為26%,400倍聚光條件下光熱轉(zhuǎn)換效率超過93%。 

【文章來源】：太陽(yáng)能學(xué)報(bào). 2019,40(04)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【部分圖文】：

蒙特卡洛光線追跡算法流程圖Fig.2FlowchartofMonteCarloraytracingalgorithm

924太陽(yáng)能學(xué)報(bào)40卷圖3給出了厚度2~6μm的Cr半徑為10nm的金屬陶瓷反射率曲線，可見厚度變化對(duì)涂層太陽(yáng)能吸收率和熱輻射發(fā)射率的影響。大于5μm波段的吸收主要由Al2O3的本征吸收和多層干涉造成。圖3半徑10nm的Cr金屬陶瓷不同厚度下的反射率曲線Fig.3SpectralreflectanceofCr-Al2O3cermetcoatingswithCrradiusof10nm為分析不同粒徑對(duì)吸收率、發(fā)射率的影響，以Cr為例，在圖4、圖5中分別繪制波長(zhǎng)λ為0.3~4.0μm的輻射特性參數(shù)和波長(zhǎng)λ為0.3~5.0μm的光譜反射率曲線。圖4比較了不同半徑的Cr金屬顆粒對(duì)金屬陶瓷的輻射特性參數(shù)的影響。根據(jù)散射相函數(shù)分布，將散射系數(shù)分為前向散射系數(shù)（散射角小于90°）和后向散射系數(shù)（散射角大于90°）。圖中3條曲線分別為吸收系數(shù)（kabsorption），前向散射系數(shù)（kscaF）和后向散射系數(shù)（kscaB）。這些輻射特性參數(shù)由Mie散射解換算得到，換算公式如1.3節(jié)所述。由圖4可見小金屬顆粒在短波段造成強(qiáng)烈的吸收，但吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)增加迅速減校圖5為金屬粒徑不同但厚度均是2μm的Cr-Al2O3金屬陶瓷的反射率曲線。對(duì)照?qǐng)D4和圖5，比較分析不同粒徑對(duì)反射曲線的影響：半徑10nm的Cr顆粒在小于1μm的波段有很好的吸收，但吸收譜段太窄，不足以覆蓋太陽(yáng)能集中的0.3~2.5μm。半徑50、100nm的Cr顆粒在1.5~2.5μm譜段有較好的吸收，但在更短波段出現(xiàn)明顯反射，這是因?yàn)槠湓谠摬ǘ斡休^大的后向散射系數(shù)。通過以上分析可知，盡管小顆粒的金屬陶瓷整體上有更高的光熱轉(zhuǎn)換效率，但在局部的光

圖5厚度為2μm的不同半徑Cr-Al2O3金屬陶瓷涂層的反射率曲線Fig.5Spectralreflectanceof2μmthickCr-Al2O3cermetcoatingswithdifferentCrradii2.2雙層、單層金屬陶瓷的吸收特性對(duì)比從2.1節(jié)中可見散射系數(shù)、吸收系數(shù)的光譜分布對(duì)粒子的尺寸非常敏感。但單個(gè)粒徑的顆粒產(chǎn)生的散射、吸收作用存在光譜區(qū)域的局限，故考慮在同一涂層中利用2種大小不同的金屬顆粒以提高吸收效率。將2種不同金屬顆粒置于同一涂層的方式有2種——混合于1層中、分置于2層中。本文使用分2層放置的結(jié)構(gòu)，且放置方式為下大上校其原因在于大金屬顆粒對(duì)較長(zhǎng)波段吸收的同時(shí)，對(duì)短波段的散射效果會(huì)使反射率提高；而小金屬顆粒吸收短波的同時(shí)對(duì)長(zhǎng)波段無散射效果。故若將小顆粒置于大顆粒之上，則在利用二者吸收特性的同時(shí)，規(guī)避了大顆粒造成的短波段的反射。表2列出了部分厚度為6μm的雙層涂層的效率，從表2中可見雙層結(jié)構(gòu)金屬陶瓷涂層普遍提高了太陽(yáng)能吸收率，最高的光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到93.2%。表2雙層金屬陶瓷涂層光熱轉(zhuǎn)換效率Table2Photo-thermalconversionefficiencyof2-layercermetcoatings上層金屬CrW上層半徑r1/nm101010101010101010101010上層厚度L1/μm234234234234下層金屬CrCrCrCrCrCrCrCrCrCrCrCr下層半徑R2/nm505050100100100505050100100100下層厚度L2/μm432432432432吸收α/%95.295.395.395.295.595.695.395.294.995.695.695.4發(fā)射εh/%29.5

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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