理論設(shè)計(jì)對(duì)于高性能太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換薄膜的實(shí)驗(yàn)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(yáng)光吸收率的優(yōu)化,而無法直接對(duì)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率這一重要指標(biāo)進(jìn)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(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換薄膜中各層薄膜的厚度,直接對(duì)其光熱轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。重點(diǎn)研究了薄膜層數(shù)、太陽(yáng)光照度與工作環(huán)境溫度對(duì)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(duì)于高性能太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換薄膜的實(shí)驗(yàn)制備具有重要的指導(dǎo)意義。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報(bào). 2020,40(14)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【部分圖文】：

鎢/氧化鋁基多層薄膜結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(大氣質(zhì)量為1.5即AM1.5時(shí))。在本文中,取σ =5.67×10-8 W·m-2·K-4,B=1,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度I=1000 W/m2 (1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)度)。為了設(shè)計(jì)出能夠在特定溫度與聚光比下工作的太陽(yáng)光選擇性吸收薄膜,使用遺傳算法優(yōu)化膜系結(jié)構(gòu)中每一膜層的厚度,從而使膜系的太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率最大[19,28]。遺傳算法是美國(guó)Michigan大學(xué)的Holland教授于1975年提出的一種模擬生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型[19]。它是一種全局優(yōu)化隨機(jī)搜索算法,具有不依賴梯度信息、簡(jiǎn)單通用、魯棒性強(qiáng)、適合并行分布處理、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

首先,通過優(yōu)化太陽(yáng)光吸收率設(shè)計(jì)了一個(gè)6層W/Al2O3太陽(yáng)光選擇性吸收薄膜,具體膜系結(jié)構(gòu)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(yáng)的主要輻射光譜范圍內(nèi)非常低,但在長(zhǎng)波范圍內(nèi)快速增加,這表明所設(shè)計(jì)的膜系結(jié)構(gòu)具有較高的太陽(yáng)光吸收率與較低的熱輻射率。該膜系的太陽(yáng)光吸收率約為93.7%。在600 K工作溫度及一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)度(C=1)或100個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)度(C=100)下,層數(shù)對(duì)W/Al2O3多層薄膜結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)光吸收率、熱輻射率以及太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率的影響如圖4所示,對(duì)應(yīng)的膜系結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)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(yáng)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(shè)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(shí),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(dāng)二者交疊增多時(shí),分子的積分值變大,從而導(dǎo)致熱輻射增加。圖4(c)所示為薄膜層數(shù)及太陽(yáng)光聚光比對(duì)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率ηt的影響規(guī)律。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)度下,當(dāng)薄膜層數(shù)從4增加到6時(shí),ηt略微增大,但當(dāng)層數(shù)繼續(xù)增加到8時(shí),ηt趨于減小。因此,在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)度下,6層是W/Al2O3多層膜的最佳層數(shù)。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)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(dǎo)致膜系的太陽(yáng)光吸收率和熱輻射率都逐漸增大,進(jìn)而使太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率先增加后減小。在100個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)度下,太陽(yáng)光吸收率、熱輻射率以及太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率均隨著薄膜層數(shù)的增加而增大,但當(dāng)層數(shù)超過8時(shí),太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率ηt趨于飽和�？紤]到制備的復(fù)雜程度與成本,在聚光比為100時(shí),8層應(yīng)當(dāng)是W/Al2O3太陽(yáng)光選擇性吸收薄膜的最佳膜層數(shù)。此外,在100個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)度下,由 (5)式可知此時(shí)的熱輻射率可忽略不計(jì),太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率約等于太陽(yáng)光吸收率。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]W/SiO2基太陽(yáng)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(xué)學(xué)報(bào). 2019(05)
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本文編號(hào)：3112073