CN106649929A - 金属‑陶瓷太阳能选择性吸收涂层发射率模型的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金属‑陶瓷太阳能选择性吸收涂层发射率模型的建模方法，其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。本发明可预测涂层发射率的光谱选择性变化规律，对涂层结构参数的优化设计具有重要的科学价值，对推动太阳能热发电技术发展、解决能源危机和环境污染具有深远的社会意义。
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发射率模型的建立，属于多膜系复合材料发射率形成机理及建模方法研究领域。
背景技术
世界范围的能源危机和环境污染问题凸显，新能源的开发和利用已经受到世界各国研究机构的重视，尤以太阳能利用技术倍受青睐。作为太阳能热发电系统（Concentrating Solar Power，CSP）的核心部件，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。
早期，太阳能选择性吸收涂层的工作温度比较低，普遍都在200℃以下。随着太阳能利用技术的不断进步，选择性吸收涂层的工作温度不断提高，对涂层材料的机械性能、高温稳定性等技术指标的要求越来越高，金属陶瓷复合材料成为制备太阳能选择性吸收涂层的首选材料。
光谱选择性吸收理论最早由以色列科学家Tabor提出，一经提出就成为太阳能材料领域的研究热点。世界各国学者在选择性吸收材料和结构设计方面进行了大量研究。为实现涂层发射率的光谱选择性变化，多层薄膜结构的金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层应运而生。金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的光谱选择特性主要体现在其光谱发射率随波长的变化规律上。一方面，在太阳光谱范围（0.4-2.5μm）具有极高的发射率，使其能够最大程度的吸收太阳的辐射能量，将其转化为热能。另一方面，随着温度的升高，涂层自身的热损作用逐渐增大，为限制这种热损，就要求涂层在保持较高太阳光谱发射率的条件下尽可能的降低红外光谱范围（2.5μm-远红外）的发射率。可见，光谱发射率是表征涂层对太阳辐射能吸收及自身热辐射损失能力的关键参数。
所以，针对金属-陶瓷涂层的多层膜结构，建立金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层发射率模型的建模方法，预测涂层发射率的光谱选择性变化规律，对涂层结构参数的优化设计具有重要的科学价值，对推动太阳能热发电技术发展、解决能源危机和环境污染具有深远的社会意义。
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发射率模型的建模方法，以克服现有技术难以针对金属-陶瓷涂层的多层结构建立金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层发射率的建模问题的缺陷。
本发明进一步解决了现有技术难以准确预测金属陶瓷涂层发射率的光谱选择性变换规律，以及实现涂层结构参数的优化设计的缺陷。
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发射率模型的建模方法，该方法是在搭建的光谱反射实验平台上进行的，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；在计算机Lab-view平台下，编成可根据涂层结构参数计算涂层发射率的运算程序，具体包括以下步骤：
S1、根据有效介质理论，由金属和陶瓷材料的光学常数、金属掺杂体积数，计算出LMVF、HMVF层的有效介电函数，再由介电函数-复折射率关系式分别计算出LMVF、HMVF层的光学常数；
S2、根据传播矩阵理论，利用LMVF和HMVF的光学常数和厚度，计算出膜系光学导纳的特征矩阵，求解出膜系的振幅反射系数和反射率；
S3、根据能量守恒和基尔霍夫定律，得到金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层光谱发射率，建立多层膜结构的金属-陶瓷涂层发射率模型。
优选地，选取金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的高、低金属掺杂吸收膜层的掺杂体积数和厚度为发射模型的自变量，建立了基于涂层结构参数的金属-陶瓷涂层发射率模型。
本发明的有益效果：
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，即以涂层的高、低金属掺杂吸收膜层的掺杂体积数和厚度为发射模型的自变量，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，建立了多层膜结构的金属-陶瓷涂层发射率模型；另外，本发明可预测涂层发射率的光谱选择性变化规律，对涂层结构参数的优化设计具有重要的科学价值，对推动太阳能热发电技术发展、解决能源危机和环境污染具有深远的社会意义。
附图说明
图1是典型金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的结构示意图；
图2是金属-陶瓷太阳能选择性涂层发射率模型的建模原理框图。
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和图2，本发明提供一种金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层发射率模型的建模方法，其包括：
已知金属和陶瓷材料光学常数（n m， k m ）和（n s， k s ），以涂层的结构参数为模型的自变量，包括低、高吸收层的掺杂体积数（f L，f H）和厚度（h L，h H）。
步骤一，根据复介电函数与复折射率的关系式ε´=N 2 ，得到金属和陶瓷的复介电函数：
（1）
将金属和陶瓷材料的复介电函数及金属掺杂体积数为f L代入MG公式，得到LMVF的有效介电函数ε´ L
（2）
式中 L——与f L无关，。
同理，将金属和陶瓷的复介电函数ε´ m (λ)、ε´ s (λ)及金属掺杂体积数为f H代入Br公式，得到HMVF的有效介电函数：
（3）
式中 H——与f H无关，。
根据复折射率与复介电函数的关系式，分别计算出LMVF和HMVF的复折射率：
（4）
将LMVF和HMVF的复折射率N L 、N H 和厚度h L、h H代入膜的有效位相厚度公式，若辐射是垂直入射到涂层表面（θ=0），得到LMVF、HMVF的有效位相厚度：
（5）
步骤二，由薄膜的光学导纳与介电函数的关系式，得到LMVF和HMVF的光学导纳：
（6）
同理，作为基底的金属反射层的光学导纳为。
将上述5个参量δ L 、δ H 、η L 、η H 、η m 代入多层膜传播矩阵的公式，得到膜系的特征矩阵：
（7）
解得：
（8）
当入射介质为空气（N 0 =1），则得到该膜系的振幅反射系数：
（9）
则LMVF、HMVF和金属反射层构成的膜系反射率：
（10）
步骤三，由能量守恒和基尔霍夫定律，获得该金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的发射率：
（11）
最后，得到任意四层膜结构的金属-陶瓷太阳能选择性涂层的发射率模型，其中函数F的数学表达式为：
（12）。
本发明的特点是选取涂层的高、低金属掺杂吸收层的掺杂体积数和厚度为发射率模型的自变量，建立了基于涂层结构参数的涂层光谱发射率模型。同时，编写了基于Lab-view语言的运算程序，实现了涂层结构参数对涂层发射率的计算。
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 (3)
1.金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层发射率模型的建模方法，其特征在于：在搭建的光谱反射实验平台上进行的，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；在计算机Lab-view平台下，编成可根据涂层结构参数计算涂层发射率的运算程序，具体包括以下步骤：
S1、根据有效介质理论，由金属和陶瓷材料的光学常数、金属掺杂体积数，计算出LMVF、HMVF层的有效介电函数，再由介电函数-复折射率关系式分别计算出LMVF、HMVF层的光学常数；
S2、根据传播矩阵理论，利用LMVF和HMVF的光学常数和厚度，计算出膜系光学导纳的特征矩阵，求解出膜系的振幅反射系数和反射率；
S3、根据能量守恒和基尔霍夫定律，得到金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层光谱发射率，建立多层膜结构的金属-陶瓷涂层发射率模型。
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发射率模型的建模方法，其特征在于：选取涂层的高、低金属掺杂吸收层的掺杂体积数和厚度为发射率模型的自变量，建立了基于涂层结构参数的涂层光谱发射率模型。
3.根据权利要求1所述的金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层发射率模型的建模方法，其特征在于编写了基于Lab-view语言的运算程序，实现了涂层结构参数对涂层发射率的计算。
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