数值研究合金/ Nanocomposite-based太阳能选择性吸收光热的转换效率高

文摘

基于基础课金属/介质膜结构具有高的光学吸收400 - 1000 nm光谱范围,一个新的基础课膜结构进行了研究,旨在提高光学吸收的光谱范围扩大到250 - 1600 nm。在分析的优点和缺点不同的金属和电介质材料,这部电影最合适的材料结构已被选定。布莱格曼模型,优化合金的光学常数仔细进行分析,以达到最好的太阳能吸收SSA设备的性能。后来,麦克斯韦加内特模型被用来适合金属与介电质间的材料的光学常数,满足的条件和属性SSA设备所需的应用程序。

关键字

太阳能、Photon-to-heat转换、多层膜结构、合金、纳米复合材料、布莱格曼模型、麦克斯韦石榴石模型

介绍

减少传统能源和环保意识的增强,太阳能作为一种丰富的可再生能源资源,是改变生活的方方面面。Solar-to-thermal转换,通常视为聚光太阳能动力(CSP),是另一个有前景的太阳能能量转换技术除了solar-to-electric转换。没有传统的热引擎在CSP,直接heat-to-electricity转换,主要是关于太阳能热电发生器(STEG)和太阳能热光电(STPV),吸引了伟大的科学兴趣1,2]。随着太阳能热转换技术的发展,太阳能选择性吸收器(SSA)在太阳能热转换中扮演关键的角色,是非常重要的。

根据先前的研究,提出了六种介绍:本征吸收器、半导体-金属三轮车,多层吸收器,金属陶瓷吸收剂,变形吸收器和光子晶体(1- - - - - -3]。所有这六个类型的介绍英国的两个主要特点:最大化太阳能吸收太阳光谱区域,减少热红外辐射发射的地区。根据基尔霍夫定律,以减少排放热红外地区意味着减少这个地区的吸收。总结,一个理想的SSA太阳能地区将成为一个完全吸收,同时作为一个完全反射器在热红外地区。在这六个类型的介绍,研究了金属陶瓷吸收大部分集中在过去的几十年。有良好的热稳定性,金属陶瓷吸收器仍然有限的吸收光谱吸收率的地区,由于化学反应的灵敏度4- - - - - -6]。例如,最新的研究[7)展示了一种SS / TIC-Y / Al₂O₃金属陶瓷吸收器的吸收约90%。与传统cermet-based SSA设备,多层吸收器热性能稳定的优点,优化结构设计,高和均匀吸收广泛的光谱区,在红外区和较低的热发射率。典型的nano-Cr-film-based基础课太阳能选择性吸收,吸收了高于95%的波长区域400 - 1200 nm (8]。6-layered后续研究调查电影结构具有良好的吸收95.5%以上在250 - 1200纳米光谱范围的实验(9]。然而,这些早期的研究忽略了太阳能约8%能源在近紫外和近红外光谱区域。由于内在本质存在的吸收材料的光学常数,它往往添加更多收获更多的太阳能吸收层在更广泛的地区太阳辐射光谱。有更多的层,然而,生产成本将会增加。基于典型的基础课金属/介质膜结构,我们关注的是新的但是电影结构的研究和设计改进的光学吸收光谱范围被扩大到约250 - 1600海里SSA没有添加额外的层结构。

方法

优化基础课SSA,所有数值模拟必须遵守光子能量守恒定律。通过忽略一些微不足道的因素,一般方程T + + R = 1应该满意,T,和R透射率、吸收率和反射率,分别根据不同的波长λ。由于很厚的金属反射镜结构,透射率T等于0,以便它可以被忽略。

我们所有的模拟是由使用影片向导软件。有一些方法来计算能源传输的多层结构。在不同方法、平面波展开法,主要是基于扩大电磁场平面波的形式,是一种有效的方法在早期经常使用。由麦克斯韦方程转化为特征函数的特征频率发射光子可以获得的特征值。有固定的缺点介电常数的平面波展开法不如传递矩阵法。由麦克斯韦方程转化为传递矩阵的形式,传递矩阵法的优点扩大电磁场在现实空间点阵。适用于金属系统通过改变介电常数不同的波长。因此在后续的研究中,数值计算将使用传递矩阵法进行的。

然后,更接近实际情况,地球表面的平均太阳照度是选为仿真条件下的光谱重量AM1.5 G(气团= 1.5)Lsun的太阳辐射光谱。根据有效SSA的要求,吸收率和热发射率的关键因素将影响SSA结构的性能在某些操作温度t吸收率计算由以下方程(8]:

热发射率可以评估的反射率R(θ,λ)和板材的黑体辐射E (T,λ)的表达式为:

θ是辐射的入射角。

根据情况如上所述,设计基础课SSA将基于在我们以前的研究中所示的结构图1。SSA的分层结构,每一层被认为是相对独立的。最上面一层是anti-reflection (AR)层来保护空气气氛下的多层结构的工作条件。第二层是吸收层,主要是吸收太阳辐射中的可见光和近红外区域。第三层是透明层的功能与光的振幅和相位传输通过分层结构。底层邻近的底物是金属反射镜。一般来说,铜、铝、非盟和Ag)将选择反射器材料。太阳辐射的电场传播在金属薄膜衰减指数由于朗伯定律(10]:

k和d是金属反射镜的消光系数和厚度层,分别。假定d =λ/ 5 k = 5,然后E = 0.002 e0。在这种情况下,如果金属反射器层的厚度将约100纳米波长的500海里,透射率T将约为0.0004%。因此,反射器的材料和厚度不会敏感因素设计只要金属反射镜光学厚足够了。在下面的讨论中,铝的材料将被选择作为金属反射器层。

物质变化的影响对其他三层(金属反射镜层除外)的太阳能吸收率SSA然后研究。一般来说,上面的材料层,第三层是将相同的电介质。介电材料应该有一个相对广泛的能带隙,这意味着很难束缚电子的价带兴奋到传导带,使介电材料在可见光和近红外区完全透明。这样的特色,稳定的介电材料用于顶部和第三层匹配的光学相位和振幅与吸收层,但这两个层的材料选择的不是设计的一个关键因素。简单的关于结构制造和实际应用,顶部和第三层的材料通常可以设置为相同的电介质。有各种各样的介电材料来满足条件的性质和适当使用基于“增大化现实”技术的涂料和匹配层。一些常见的介质材料,如MgF₂,如果₃N₄,艾尔。₂O₃,CaF₂、氯化钾、SiO₂,TiO₂所以可以选择的设计。

提高太阳能选择性吸收能力在操作温度下,吸收层的材料通过适当的光学常数和厚度是SSA结构中的重要组成部分。合金和纳米复合材料被认为是吸收材料。

根据之前的研究,典型的过渡金属,如铬、钛、W和铁、强大的光学性质在广泛吸收光谱地区。通过考虑这些过渡金属,提出了六种类型的合金,即Cr-Ti Cr-W、Cr-Fe Ti-W、钛-铁和W-Fe。合金被认为有幽灵似地合适的吸收模式比期望的金属元素。布莱格曼模型,从有效减少媒体近似(EMA)模型,用于合金的光学常数。至于方法治疗异构和复合材料的光学常数,EMA模型假定复合是一种有效的媒介与所需的特定区域的介电常数。作为一种教育津贴模型中,布莱格曼模型假定随机混合谷物的两种材料在首尾一致的数据分析结果。最后合成材料的介电常数等于设置的主材料。布莱格曼模型被用来适应行业合金适当的光学常数在早期研究[11下面给出的方程(12]:

在那里,f_一个和(行进_一个)代表个人的分数中复合材料的介电常数ε_一个和ε_b,分别。

在下一步中,纳米复合材料将SSA的吸附层结构。理想的吸收材料的光学性质应该强烈吸收太阳能光谱就像金属一样,但应结合适当的介电材料实现低黑体发射率的红外光谱范围。在这项研究中,因此,纳米复合材料是由宿主和媒介纳米粒子嵌入所示图2。在数据分析中,麦克斯韦加内特模型,另一种类型的EMA模型也适用于符合纳米复合材料的光学常数。通常,除了麦克斯韦加内特模型,米氏理论,将球面边界条件引入麦克斯韦方程,可以用来描述单粒子的吸收和发射。条件下的单粒子的假设,然而,米氏理论似乎不能正常工作很好地描述粒子之间的相互作用在纳米复合材料的结构。相反,麦克斯韦加内特模型,引入粒子与粒子之间的交互修改主机引起的介电常数材料,似乎更适合描述纳米复合材料的光学性质(13,14]。设置εh和εnp主机介质和纳米粒子的介电常数,分别给出麦克斯韦加内特模型如下:

基于麦克斯韦加内特理论,不同的过渡金属被选为主持人介质介电材料的纳米颗粒将被嵌入。的光学常数的材料对太阳辐射光谱从手册固体的光学常数输入(15]。

考虑和条件下如上所述,两种类型的SSA的优化结构是由全球Levenberg-Marquardt修改。作为一种全球梯度方法,全球开始修改l m方法通过优化过程在不同地区和跟踪root-mean-squareerror每个解决方案,而不陷入局部最小值。均方根误差(RMSE)也被用来评估优化的结果。三层的厚度和元素的百分比材料纳米复合材料是将变量在上述条件下,至少和RMSE将由全球寻求修改l m在不同试验方法。与固定的光学常数的具体材料,每一层的厚度变化将调光的光学相位和振幅传播结构,导致整个SSA的最佳光学性质的设计。

结果和讨论

但是结构研究之前(8)有一个优化的吸收率高于95%在400 - 1200纳米波长区域。但在250 nm和400 nm之间的地区,光学相位失配和光学振幅发生很明显,如图所示图3,导致约85%的加权平均吸收率在250 - 1600纳米波长区域对太阳光谱AM1.5G垂直入射条件下。同时,计算的优化RMSE值在250 - 1600纳米波长区域大约17,暗示仍有足够的空间结构的改进。

布莱格曼模型的基础上,通过使用相同的材料的反射器和透明层,结构不同的合金作为吸收层垂直入射条件下进行了优化。图4一展示了六的吸收率与Ti-W结构计算,Ti-Fe, Cr-Fe, Cr-W W-Fe或Ti-Cr合金。显然,这六个结构的RMSE大大提高显示吸收层由合金将SSA结构有更好的光学性能比由纯金属元素。相比之下,SSA与Ti-W合金层的RMSE值最低这六个结构。优化的4层SiO SSA结构₂(79海里)/ Ti66W34(14海里)/ SiO₂(65海里)/ Al(≥100海里),和优化加权平均吸收率在250 - 1600纳米波长区域增强,约88%的价值。光学相位和振幅的失配在紫外线地区仍然存在。复杂的折射率n(复介电常数ε= n²),真正的(n)和虚(k) n (n = n +反向)材料的折射率和消光系数的特点主要是相位变化和吸收光传播的金属层,分别。

六种合金的虚部,因为图4 b,显示与波长的增加趋势。复折射率的虚部的价值在紫外区域相对比,在长波长区域。

在假设金属与介电质间的纳米复合材料将产生有效的光学常数被金属和电介质材料,因此,纳米复合材料的设计基础课SSA结构吸收层的关键。在大量的模拟,使用SiO纳米复合材料₂随着纳米粒子嵌入在Ti介质研究了节目主持人最高的最佳性能solar-to-thermal基础课SSA结构的转换效率。SiO优化结构₂(53海里)/ Ti-SiO₂(700海里)/ SiO₂(2海里)/ Al(≥100海里)。结构中的每一层足够厚层的光学常数不会明显受到尺寸效应的影响。近似球形的纳米颗粒,SiO的优化的一部分₂纳米粒子嵌入宿主中约为89%。更高的吸收率与垂直入射下的结构传导所示图5一个。计算加权平均吸收率在250 - 1600纳米波长区域大约是97.7%,远高于early-studied的结构。有足够的试验,计算的加权平均吸收率几乎不变在每一层的厚度偏差小于1海里。优化结构然后可以物理上可行的结构制造和应用。光学相位和振幅的失配影响结构在紫外区域明显最小化减少长波长的吸收率。光学常数的复合材料所示图5 b。SiO的纳米复合材料₂随着纳米粒子与主机和Ti介质的相对线性扑灭高效250 nm和1600 nm之间在该地区。折射率n和灭绝有效k的数值小于2和1,分别在整个250 - 1600 nm波长区域。与相对较小的Ti-SiO k值₂纳米复合材料,吸附层的厚度SSA所需的结构将更厚比合金或元素的金属层。所示图5 c和5 d,入射角的变化将影响吸收率。当入射角在不到60°的范围,然而,SSA的吸收率结构将影响较小入射角的变化。

显然,Ti-SiO₂复合比自然金属材料作为吸波材料的基础课SSA结构,特别是在紫外和红外区域。这可以解释根据固体的光学特性,由于金属的介电常数可以以柯克模型在低能量区域自由电子的intraband过渡将主导金属的光学特性。更高的能源地区间带过渡发生的地方,然而,金属的介电常数是洛伦兹振子模型所描述的16]。由于柯克地区intraband过渡,因此,金属会有很强的吸收性质。然而,电子会受到原子核的弱光吸收紫外线的地区。的Ti-SiO₂复合可能提供一种机制来平衡吸收属性对太阳光谱范围广泛。这可以支持的计算结果显示最好的使用Ti-SiO solar-to-thermal基础课SSA结构的性能₂纳米复合材料的吸收层,而不是使用Ti-Fe和Cr作为吸收层。

另一个重要因素来评估SSA的性能结构的价值度,可以降低反射率和板材的黑体辐射。使用Ti-SiO基础课SSA结构的发射率₂复合吸收层似乎低入射角范围宽,在适当的温度下所示的数据表1。优化SSA结构的发射率略高于early-studied多层结构,但实际上被比较的改进金属陶瓷结构(2]。相对较低的发射率在中低温度范围,SSA设备结构简单是可以伪造的可能满足solar-to-thermal转换为应用程序系统在未来。

表1。计算结构的发射率值(SiO₂(53海里)/ Ti-SiO₂(700海里)/ SiO₂(2海里)/(≥100海里)]。

结论

基于early-studied基础课金属/电介质SSA结构、合金和纳米复合材料提出了基于SSA结构研究。Ti-W合金中基于SSA结构性能最好的六种alloy-based结构,提高吸收率的一点在250 - 1600纳米波长区域。相反,Ti-SiO₂综合基于SSA结构极大地降低了光学相位失配效应在紫外区域没有减少吸收的长波长区域。six-layered SSA结构相比,简单但是结构(SiO₂(53海里)/ Ti-SiO₂(700海里)/ SiO₂(2海里)/ Al(≥100海里)]有97.7%的加权平均吸收率和发射率相对较低的低收入和中等操作温度。因此优化SSA结构将具有成本效益的,是有很大潜力的,真正地在未来投入应用。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金支持项目61427815号和61274054号。

引用

1. 肯尼迪CE。审查中期高温太阳能选择性吸收材料。2002年索尔能源。
2. 林C和米切尔·波维内丽毫升。非周期的优化设计,垂直硅纳米线结构光伏电池。选择表达2011;5:A1148。
3. 温斯坦,et al .集中式太阳能。化学2015;牧师115:12797。
4. 张问和米尔斯博士新金属陶瓷膜结构大大提高太阳能热选择性应用。:列托人60:545 1992;547年。
5. 张J, et al .选择性太阳能吸收器薄膜结构的建模基于双TiNxOy,聚光太阳能发电应用程序层。索尔能源2017;142:33-38。
6. Okuhara Y,等。基于半导体β-FeSi2 Solar-selective吸收器,高温高效光热光谱分析转换。索尔能源板牙索尔细胞2017;161:240 - 246。
7. 高XH, et al .增强热稳定性和光谱选择性的SS / TiC-Y /氧化铝太阳能光谱选择性吸收器的热退火。索尔能源2016;140:199 - 205。
8. 周天气,et al . Nano-Cr-film-based太阳能选择性吸收光热的高转换效率和良好的热稳定性。选择表达2012;20:28953。
9. 刘MH,等。高photon-to-heat转换效率与6-layered金属/介质膜结构在250 - 1200纳米波长区域。选择表达2014;7:A1843。
10. Palik。手册固体的光学常数。学术出版社1985年。
11. 巴伦LW, et al。光学、电子和结构特性,气急败坏的铝合金薄膜与铜、钛和铬的增加。薄固体电影2007;515:3363 - 3372。
12. 藤原h .光谱椭圆光度法:原理及应用。约翰威利& Sons 2007:1-11。
13. 麦克斯韦加内特JC。颜色在金属金属眼镜和电影。费罗斯T罗伊Soc 203:385 1904; 420年。
14. Belahmar A和A Chouiyakh大小和浓度对表面等离子体共振的影响和Maxwell-Garnett吸收RF-Magnetron气急败坏的Au /氧化铝纳米复合材料薄膜。J薄膜Res 2017; 1:1-6。
15. Palik。手册固体的光学常数。J国防部选择1991;39:189。
16. Chang SH, et al .表面等离子体生成和孤立nanoholes和阵列的光透射nanoholes薄金属电影。选择表达13:3150 2005;3165年。