CN106441590A - 金属‑陶瓷太阳能选择性吸收涂层多光谱发射率测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属‑陶瓷太阳能选择性吸收涂层多光谱发射率测量方法，其首先利用涂层结构参数的发射率模型，根据黑体普朗克公式获得光谱辐射亮度的计算值（膜结构参数的函数）；再利用光谱仪实现对涂层的光谱辐射亮度进行测量；建立光谱辐射亮度测量值与计算值的约束方程，采用自适应模拟退火算法获得涂层结构参数的最优解，实现涂层光谱发射率的测量。本发明既可保证发射率测量结果的准确性，还可促进金属‑陶瓷涂层设计的优化和制备工艺的提高，对提高太阳能热发电系统的光热转换效率具有重要的推动意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对于金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的原位多光谱发射率测量方法，属于材料表面辐射特性、发射率测量领域。
背景技术
作为太阳能热发电系统（Concentrating Solar Power，CSP）的核心部件，太阳能选择性吸收涂层对太阳能与热能之间的转换起到至关重要的作用。金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层不但具有良好高温稳定性，而且涂层的发射率具有显著的光谱选择性，成为制备太阳能选择性吸收涂层的首选材料。利用薄膜光学理论设计的多层膜结构的涂层具有令人满意的光谱选择吸收特性，而在涂层的实际溅射制备过程中，溅射工艺参数的不确定性导致涂层的实际结构参数值与设计值出现偏差，致使其实际的光谱发射率达不到理想的设计值。为验证涂层光谱选择性吸收性能的优劣，需要对制备涂层的发射率进行实际测量。
发射率的测量方法主要有量热法、反射率法、能量法和多光谱法。量热法适用于全波长发射率的测量；反射率法适用于常温或低温状态的发射率测量；能量法需要同温的标准黑体作为参考，很难保持涂层与黑体两者温度的一致性，影响测量准确性，且测量时间长；多光谱法的不需要参考黑体，是涂层发射率测量的首选方法。然而，因涂层的发射率具有光谱选择性，现有的发射率假设模型受到制约，无法保证模型假设的光谱发射率与涂层真实光谱发射率的一致性，造成发射率测量结果的准确性难以估计。
针对现有多光谱法的发射率假设模型不足，解决金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的光谱发射率测量难题，建立一种基于涂层发射率机理模型的多光谱发射率测量方法，促进金属-陶瓷涂层设计的优化和制备工艺的提高，对提高太阳能热发电系统的光热转换效率具有重要的推动意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层多光谱发射率测量方法，以克服现有多光谱法的发射率假设模型不足，难以解决金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的光谱发射率的准确测量的缺陷。
本发明进一步解决了现有技术难以促进金属-陶瓷涂层设计优化和制备工艺提高的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的多光谱发射率测量方法，其包括如下步骤：
S1、利用金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层结构参数的发射率模型，根据黑体普朗克公式获得光谱辐射亮度的计算值（膜结构参数的函数）；
S2、再利用光谱仪实现对涂层的光谱辐射亮度进行测量；
S3、建立光谱辐射亮度测量值与计算值的约束方程；
S4、根据光谱辐射亮度约束方程，采用自适应模拟退火算法获得涂层结构参数的最优解，实现涂层光谱发射率的测量。
优选地，S1中所述的涂层结构参数的发射率模型是以金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层的结构参数为自变量，通过有效介质理论和传播矩阵相关公式的推导和Lab-view软件编写的运算程序建立的模型。
本发明有益效果：
与现有技术的发射率假设模型相比，本发明以金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层的结构参数为自变量，通过有效介质理论和传播矩阵相关公式的推导和Lab-view软件编写的运算程序，建立多层膜结构的金属-陶瓷涂层发射率模型，其能够准确发射率的光谱选择性变化规律，克服传统多光谱发射率测量方法采用发射率假设模型存在的不足；故，保证了发射率测量结果的准确性；且本发明还可促进金属-陶瓷涂层设计的优化和制备工艺的提高，对提高太阳能热发电系统的光热转换效率具有重要的推动意义。
附图说明
图1是金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的多光谱发射率测量原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1，本发明采用典型的金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层为样品，所述的典型的金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层主要由四层膜构成，第一层为减反层，第二层为具有较少金属微粒体积数的低金属掺杂吸收膜（LMVF）层，第三层为具有较高金属微粒体积数的高金属掺杂吸收膜（HMVF）层，第四层为金属反射层；其具体实施方式包括如下步骤：
1. 光谱辐射亮度的计算值
典型的金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层为多层的膜系结构，由基底向外依次是金属反射层、高金属掺杂吸收层、低金属掺杂吸收层和减反层。涂层的金属和陶瓷材料光学常数分别为（n m ，k m ）和（n s ，k s ），以涂层结构参数（低、高吸收层的掺杂体积数f L、f H和厚度h L，h H）为自变量，根据有效介质理论和薄膜光学的传播矩阵，建立能够准确反映选择性吸收机理的发射率模型ε(λ)=F λ (f L ，f H ，h L ，h H )，隐函数F的数学表达式为：
（1）
根据普兰克公式和发射率定义，得到含有膜结构参数的涂层光谱辐射亮度的计算值，函数表达式为：
（2）
式中C 1 ——第一辐射常数，；
C 2 ——第二辐射常数，。
2. 光谱辐射亮度的测量值
在对涂层光谱辐射亮度测量过程中，被光谱仪测量的光谱辐射亮度不仅包括目标涂层的辐射亮度，环境噪声的辐射亮度也同时进入光谱仪。当涂层温度为T，光谱仪输出为：
（3）
式中R(λ i)——光谱仪的光谱响应函数（）；
L meas (λ,T)——目标涂层的光谱辐射亮度（），
L e (λ)——环境噪声引起的辐射亮度（）。
光谱响应函数R(λ i )和环境噪声辐射L e (λ)可通过多个温度的黑体标定确定，进而得到目标涂层的光谱辐射亮度测量值为：
（4）
3.光谱辐射亮度约束方程的建立
光谱仪测得的光谱辐射亮度与发射率模型计算的光谱辐射亮度的方差为：
（5）
式中n——光谱数。
测量和计算的光谱辐射亮度应具有一致性，光谱辐射亮度测量值和模型计算值的方差最小化原则，令光谱辐射亮度方差最小值，则得到光谱辐射亮度的约束方程：
（6）
将公式（2）和（4）代入（5），得到包含有表面温度T和发射率模型参数f L ，f H ，h L ，h H 5个未知数的约束方程：
（7）
4. 膜结构参数的最优解
为评价光谱辐射亮度测量值与计算值的接近程度，根据光谱辐射亮度约束方程，构造评价函数φ
（8）
优化过程含有5个自变量，分别为膜结构参数f L ，f H ，h L ，h H 和涂层的表面温度T surf ，则定义解空间的各分量：
（9）
自适应模拟退火算法的优化过程如下：
（1）设定初始退火温度T i (0)=1，k代表退火次数，k=0，并在解空间X i随即生成一个初始解x i(0)，i=1,2,3,4,5，计算评价函数。
（2）随即生成一个新解，分别是第i个参数在各自解空间的最大值和最小值，，sgn为符号函数，v i是0-1均匀分布的随机数。判断x’是否在解空间内，若不在则舍弃，重复步骤2。
（3）计算，若△φ＜0，x i =x’ i 。否则，则以概率接收当前解，k’为接受次数，x i =x’ i 。
（4）判断是否回火，当可接受新解的次数N accept ＞b，b为设定的最大接受次数，执行下一步。否则重复步骤2。
（5）计算灵敏度，e i 是一个m维向量。再计算回火温度，回火次数，，接受次数，为现阶段最好评价函数值。
（6）回火次数判断，是否达到预设的回火次数值。若达到则执行下一步，否则转至步骤2。
（7）停止判断，当φ(x best )＜ξ，ξ为设定的目标评价函数值，算法终止。否则，k=k+1，，，，转至步骤2，直至满足停止判断条件。
最后得到5个自变量x i的最优解：
（10）
将自适应模拟退火算法获得的最优膜结构参数代入公式（1），得到涂层的光谱发射率。
本发明的特点，一是采用了基于涂层结构参数的发射率机理模型，建立光谱辐射亮度测量值与计算值的约束方程，采用自适应模拟退火算法求解膜结构参数的最优值，实现了涂层的光谱发射率测量；
二是采用了基于涂层结构参数的发射率机理模型，能够准确发射率的光谱选择性变化规律，克服传统多光谱发射率测量方法采用发射率假设模型存在的不足，三是采用了自适应模拟退火算法求解约束方程中涂层结构参数的最优值，实现涂层光谱发射率的测量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层多光谱发射率测量方法，其特征在于：其包括如下步骤：
S1、利用金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层结构参数的发射率模型，根据黑体普朗克公式获得光谱辐射亮度的计算值（膜结构参数的函数）；
S2、再利用光谱仪实现对涂层的光谱辐射亮度进行测量；
S3、建立光谱辐射亮度测量值与计算值的约束方程；
S4、根据光谱辐射亮度约束方程，采用自适应模拟退火算法获得涂层结构参数的最优解，实现涂层光谱发射率的测量。
2.根据权利要求1所述的金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层多光谱发射率测量方法，其特征在于：S1中所述的涂层结构参数的发射率模型是以金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层的结构参数为自变量，通过有效介质理论和传播矩阵相关公式的推导和Lab-view软件编写的运算程序建立的模型。
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|---|---|
| CN (1) | CN106441590A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108007579A (zh) * | 2017-11-23 | 2018-05-08 | 北京环境特性研究所 | 超高温材料光谱发射率测量系统及其使用方法 |
| CN112687788A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-04-20 | 苏州大学 | 光谱选择性热辐射器及其设计方法 |
| CN113343547A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-09-03 | 东南大学 | 一种陶瓷-金属复合结构光热波场建模方法 |
| CN114353968A (zh) * | 2020-09-30 | 2022-04-15 | 北京振兴计量测试研究所 | 一种狭小空间温度测量现场校准方法及校准系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101871093A (zh) * | 2010-06-19 | 2010-10-27 | 大连交通大学 | 太阳能集热管钢芯选择性吸收涂层制备方法 |
| CN102095265A (zh) * | 2011-03-02 | 2011-06-15 | 武汉理工大学 | 中高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 |
| CN102627006A (zh) * | 2011-12-02 | 2012-08-08 | 兰州理工大学 | 中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层 |
| CN103017383A (zh) * | 2012-11-30 | 2013-04-03 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种颜色可调的太阳能选择性吸收膜系及其制备方法 |
| US20140193647A1 (en) * | 2011-03-24 | 2014-07-10 | Bengurion University Of The Negev Research And Development Authority | Coatings for solar applications |
-
2016
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101871093A (zh) * | 2010-06-19 | 2010-10-27 | 大连交通大学 | 太阳能集热管钢芯选择性吸收涂层制备方法 |
| CN102095265A (zh) * | 2011-03-02 | 2011-06-15 | 武汉理工大学 | 中高温太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 |
| US20140193647A1 (en) * | 2011-03-24 | 2014-07-10 | Bengurion University Of The Negev Research And Development Authority | Coatings for solar applications |
| CN102627006A (zh) * | 2011-12-02 | 2012-08-08 | 兰州理工大学 | 中高温太阳能纳米核壳结构光谱选择性吸收涂层 |
| CN103017383A (zh) * | 2012-11-30 | 2013-04-03 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种颜色可调的太阳能选择性吸收膜系及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张宇峰: "太阳能选择性吸收涂层光谱发射率测量技术研究", 《中国博士学位论文全文数据库》 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108007579A (zh) * | 2017-11-23 | 2018-05-08 | 北京环境特性研究所 | 超高温材料光谱发射率测量系统及其使用方法 |
| CN114353968A (zh) * | 2020-09-30 | 2022-04-15 | 北京振兴计量测试研究所 | 一种狭小空间温度测量现场校准方法及校准系统 |
| CN114353968B (zh) * | 2020-09-30 | 2023-10-20 | 北京振兴计量测试研究所 | 一种狭小空间温度测量现场校准方法及校准系统 |
| CN112687788A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-04-20 | 苏州大学 | 光谱选择性热辐射器及其设计方法 |
| CN113343547A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-09-03 | 东南大学 | 一种陶瓷-金属复合结构光热波场建模方法 |
| CN113343547B (zh) * | 2021-04-27 | 2022-03-08 | 东南大学 | 一种陶瓷-金属复合结构光热波场建模方法 |
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