CN114543372B - 一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器，应用于673～1573K温度范围的太阳能‑热能转化系统中捕获太阳能时，能保持高的太阳能光谱吸收率和光热转化效率，且结构简单，其包括底部金属薄层，底部金属薄层上排列设置有多个金属正三棱柱，金属正三棱柱的下表面紧贴底部金属薄层的上表面；相邻的六个金属正三棱柱围设形成一个横截面为正六边形的光学微腔，每个光学微腔中均填充有电介质填料；金属正三棱柱和光学微腔顶部覆盖有顶部电介质薄层，底部金属薄层和金属正三棱柱的材料均为熔点超过1973K的高熔点金属材料，电介质填料和顶部电介质薄层的材料均为熔点超过1973K的高熔点电介质。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术及其应用领域，具体涉及一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器。
背景技术
化石能源的过度使用带来了温室效应、极端天气等大量环境问题，并面临着存储量日渐枯竭的危机。太阳能作为一种清洁的可再生能源，其高效和科学地利用是解决环境和能源危机的一种有效方式。在建筑供暖、热光伏发电和光热发电等包含673-1573K温度范围的太阳能利用中，捕获太阳能是极其关键的一步。太阳能光谱选择性吸热器是一种在材料表面进行微纳结构调控后能对太阳光形成强烈吸收的光学器件，从而能高效地将太阳能转化为热能。一个高性能的太阳能光谱选择性吸热器应该在可见光和近红外区域形成接近1的吸收率，而在红外区域形成接近0的发射率，并且应用于673～1573K宽温度范围的热能系统时，都具有较好的热稳定性及较高的光热转化效率。
目前，太阳能光谱选择性吸热器的设计主要包括：(1)表面凸起或凹陷光栅；(2)多层膜结构涂层；(3)表面结构阵列等。然而，现有的太阳能光谱吸热器普遍存在一些缺陷和不足。例如：采用金、银等贵金属材料不能承受高温，容易被氧化腐蚀；只能适用于固定温度范围，不能满足广泛的光热转化系统应用；结构复杂不便于构造等。因此，很有必要设计一种适用于宽温度范围、结构简单的高性能太阳能光谱选择性吸热器。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器，应用于673～1573K温度范围的太阳能-热能转化系统中捕获太阳能时，能保持高的太阳能光谱吸收率和光热转化效率，在大气质量为AM1.5下能最大限度地吸收太阳光的可见光和近红外光，并拥有较低的红外发射率，且结构简单。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括底部金属薄层，所述底部金属薄层上排列设置有多个金属正三棱柱，所述金属正三棱柱的下表面紧贴所述底部金属薄层的上表面；相邻的六个所述金属正三棱柱围设形成一个横截面为正六边形的光学微腔，每个所述光学微腔中均填充有电介质填料；所述金属正三棱柱和所述光学微腔顶部覆盖有顶部电介质薄层，所述底部金属薄层和所述金属正三棱柱的材料均为熔点超过1973K的高熔点金属材料，所述电介质填料和所述顶部电介质薄层的材料均为熔点超过1973K的高熔点电介质。
进一步地，所述底部金属薄层的厚度大于或等于150nm。
进一步地，所述金属正三棱柱的高度为400nm～1500nm。
进一步地，所述光学微腔的正六边形的边长为50nm～200nm。
进一步地，所述顶部电介质薄层的厚度为20nm～150nm。
进一步地，所述底部金属薄层的材料为钨、钽、铪、锆或铬。
进一步地，所述金属正三棱柱的材料为钨、钽、铪、锆或铬。
进一步地，所述电介质填料的材料为二氧化硅或二氧化铪。
进一步地，所述顶部电介质薄层的材料为二氧化硅或二氧化铪。
进一步地，所述太阳能光谱选择性吸热器适用于673～1573K的温度范围。
与现有技术相比，本发明的结构特征能与光发生多种相互作用，其中顶部电介质薄层能完全透射太阳光，在顶部电介质薄层与金属正三棱柱上表面交界面上能形成表面等离激元共振，在金属正三棱柱的壁面顶部能形成局部表面等离激元共振，在六个金属正三棱柱围成的横截面为正六边形的光学微腔中能形成空腔共振，底部金属薄层阻止了光的透射。并且本发明结构能够耦合上述各种相互作用，从而极大地强化了对太阳能的吸收。在本发明结构特征与光发生多种相互作用并耦合了上述相互作用的情况下，本发明实现了对大气质量为AM1.5下的太阳辐射高达0.9631的吸收率。
本发明使用的高熔点金属材料，即用来制作底部金属薄层以及金属正三棱柱的钨、钽、铪、锆或铬。使用的高熔点电介质，即用作相邻六个金属正三棱柱围成的横截面为正六边形的光学微腔的电介质填料以及顶部电介质薄层的二氧化铪或二氧化硅。由于上述材料的熔点都超过1973K，且用作正六边形的光学微腔的电介质填料以及顶部电介质薄层的二氧化铪或二氧化硅有良好的抗氧化、抗腐蚀性能，可以防止整个太阳能吸热器被氧化、腐蚀，因而本发明将适用于从低温到高温宽温度范围的工作环境，解决传统利用低熔点材料制作的太阳能吸热器不耐高温，易被氧化、腐蚀等问题。
本发明结构具有普适性和便捷性，针对不同的金属材料、电介质填料都可以实现对太阳能的高效吸收。并且，可以通过简单调节少量结构参数实现对太阳光谱的选择性吸收。本发明结构简单、易于制造，能高效地将太阳能捕获吸收，适用于从低温到高温宽温度范围的太阳能-热能转化系统。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的立体结构俯视图；
图3为本发明的一个独立重复性单元立体结构示意图；
图4为本发明的一个独立重复性单元立体结构俯视图；
图5为本发明的一个金属正三棱柱的结构示意图；
图6为本发明的实施例1的光谱吸收曲线和大气质量为AM1.5时的标准太阳辐射光谱分布图；
图7为本发明的实施例1和对比例1的光谱吸收曲线对比图；
其中，1-底部金属薄层，2-金属正三棱柱，3-电介质填料，4-顶部电介质薄层，5-太阳光。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本发明提供了一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器，旨在应用于673～1573K温度范围的太阳能-热能转化系统中捕获太阳能时，能保持高的太阳能光谱吸收率和光热转化效率。具体参见图1至图5，其包括底部金属薄层1、多个金属正三棱柱2、正六边形光学微腔中的电介质填料3以及顶部电介质薄层4，底部金属薄层1、多个金属正三棱柱2和顶部电介质薄层4自下而上依次设置，底部金属薄层1上规则排列着多个金属正三棱柱2，金属正三棱柱2的下表面紧贴着底部金属薄层1的上表面，且相邻的六个金属正三棱柱2围成一个横截面为正六边形的光学微腔，且每个光学微腔中都填满了电介质填料3；金属正三棱柱2及光学微腔顶部覆盖着一层顶部电介质薄层4。
底部金属薄层1和金属正三棱柱2的材料均为熔点超过1973K的高熔点金属材料，具体地，底部金属薄层1的材料为钨、钽、铪、锆或铬，厚度大于或等于150nm。金属正三棱柱2的材料为钨、钽、铪、锆或铬，高度为400nm～1500nm，相邻六个金属正三棱柱2围成的正六边形的光学微腔的边长为50nm～200nm。电介质填料3和顶部电介质薄层4的材料均为熔点超过1973K的高熔点电介质，具体地，正六边形光学微腔中的电介质填料3为二氧化铪或二氧化硅，顶部电介质薄层4的材料为二氧化铪或二氧化硅，厚度为20nm～150nm。
本发明的结构特征能与太阳光5发生多种相互作用，在太阳光5照射时，其中顶部电介质薄层4能完全透射太阳光5，在顶部电介质薄层4与金属正三棱柱2上表面交界面上能形成表面等离激元共振，在金属正三棱柱2的壁面顶部能形成局部表面等离激元共振，在正六边形光学微腔中能形成空腔共振，底部金属薄层1阻止了光的透射。并且本发明结构能够耦合上述各种相互作用，从而极大地强化了从低温到高温宽温度范围太阳能的高效吸收。
下面结合具体的实施例对本发明进行详细地解释说明。
实施例1
如图1所示，在本实施例中，底部金属薄层1的材料为钨，厚度为150nm；底部金属薄层1上规则排列着金属正三棱柱2，其高度值为800nm，使用的材料为钨，金属正三棱柱围成的正六边形光学微腔的边长为100nm，并且被电介质填料3填充满，电介质填料3为二氧化硅；最后整个太阳能吸热器上覆盖了顶部电介质薄层4，其厚度值为70nm，材料为二氧化硅。使用有限元法求解麦克斯韦方程组，求得太阳光5的入射光照射到本实施例太阳能光谱选择性吸热器上时的电磁场，获得此发明结构在大气质量为AM1.5时随波长变化下的光谱吸收率，参见图6。
如图6所示，黑色虚线表示太阳在大气质量为AM1.5下的太阳辐射能量强度，黑色实线表示吸热器的光谱吸收能力。从图6中可以看出，当波长在280nm～1900nm的范围时，本实施例1的结构对太阳能的光谱吸收率(αλ)达到了0.9以上，实现了太阳光谱在可见光和近红外区域近乎全部的吸收；在波长大于2000nm以后，吸收率快速减小，有效降低了本发明结构在红外区域的热辐射。进一步地，采用下式计算获得了本实施例1结构对太阳在大气质量为AM1.5下的光谱吸收率(αAM1.5)，其值高达0.9631。
其中，IAM1.5,λ为大气质量为AM1.5标准下的太阳光谱辐射力，W·m-2·nm-1。
本实施例中使用的材料均为耐高温材料，最高熔点达到1973K，可承受673～1573K温度范围的太阳能-热能转化系统应用。进一步地，利用下列公式计算当转化系统温度为673K，环境温度为300K，太阳聚光比为100时，光热转化效率为95.23％；当转化系统温度为873K，环境温度为300K，太阳聚光比为1000时，光热转化效率为95.82％；当转化系统温度为1573K，环境温度为300K，太阳聚光比为2000时，光热转化效率为88.69％。
式中，IB(λ,T)为黑体辐射力，W·m-2·nm-1；Tabs和Ta分别为吸热器温度和环境温度；σ为Stefan-Boltzmann常数，σ＝5.67×10-8W·m-2·K-4；Is是AM1.5太阳辐照度，等于1kW·m-2；C为聚光比；c1为第一辐射常量，3.7419×10-16W·m2；c2为第二辐射常量，1.4388×10-2m·K。
对比例1
和实施例1对比，区别仅在于，将实施例1中的正六边形光学微腔结构代替为正四边形的光学微腔结构，正四边形的边长与正六边形的边长保持一致都为100nm，其余尺寸和材料都与实施例1保持一致。
根据实施例1的方法，获得对比例1结构的光谱吸收率(αλ)，并将其与实施例1的(αλ)进行对比，结果参见图7。由图7可见，在整个波长范围内实施例1的光谱吸收率都要大于对比例1，特别地，当λ＝0.46μm时，对比例1的光谱吸收率达到最大为0.854，此波长下实施例1的光谱吸收率为0.992，和对比例1相差0.183。此外，实施例1表现出了优良的光谱选择性吸收，在λ>1.75μm时，吸收率快速下降，从而降低太阳能吸热器的热损，提高光-热装换效率，而对比例1并无此性能。最后，通过计算，实施例1和对比例1在大气质量为AM1.5标准下的太阳能光谱吸收率分别为0.9631和0.6694，两者相差0.2937。
根据实施例1的方法，获得了对比例1在吸热器温度分别为673K，873K，1573K，环境温度为300K，聚光比对应为100，1000，2000时，对大气质量为AM1.5太阳辐射的吸收率(αAM1.5)、发射率(εtotal)、光热转换效率(η)，具体参数可见表1。从表1可看出，对应在不同高温下，实施例1的光谱吸收率和光热转换效率均大于对比例1，光热转换效率最大差异能达到29％。
表1实施例1与对比例1的性能对比
由此可见，与对比例1相比，实施例1具有优异的光谱选择性吸收性能，并能获得更高的光热转换效率，有效地强化了对太阳能的捕获。
实施例2
本实施例的结构和材料与实施例1保持一致，底部金属薄层1的厚度为200nm，金属正三棱柱2的高度值为500nm，金属正三棱柱围成的正六边形光学微腔的边长为40nm，最上层覆盖的顶部电介质薄层4厚度值为70nm。实施例2在大气质量为AM1.5标准下对太阳光谱吸收率(αAM1.5)值高达0.9504。此时基于实施例2结构参数的太阳能光谱选择性吸热器可以实现当系统温度为673K，环境温度为300K，太阳聚光比为100时，光热转化效率为94.07％；当系统温度为873K，环境温度为300K，太阳聚光比为1000时时，光热转化效率为94.63％；当系统温度为1573K，环境温度为300K，太阳聚光比为2000时，光热转化效率为88.43％。
实施例3
本实施例的结构和材料与实施例1保持一致，底部金属薄层1的厚度为150nm，金属正三棱柱2的高度值为1000nm，金属正三棱柱围成的正六边形光学微腔的边长为100nm，最上层覆盖的顶部电介质薄层4厚度值为70nm。实施例3在大气质量为AM1.5标准下对太阳光谱吸收率(αAM1.5)值高达0.9624。此时基于实施例3结构参数的太阳能光谱选择性吸热器可以实现当系统温度为673K，环境温度为300K，太阳聚光比为100时，光热转化效率为95.2％；当系统温度为873K，环境温度为300K，太阳聚光比为1000时时，光热转化效率为95.77％；当系统温度为1573K，环境温度为300K，太阳聚光比为2000时，光热转化效率为88.8％。
综上所述，本发明利用高熔点金属材料和电介质填料构造了一种适用于宽温度范围太阳能光谱选择性吸热器，实现了673～1573K温度范围对太阳能光谱的选择性吸收。在改变所发明机构的几何参数以后，都能实现对太阳能光谱的选择性吸收，并且达到较高的光-热转化效率。本发明结构简单，易于制造，可推广到各类太阳能-热能转化系统中，有效提升对太阳能的捕获性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器，其特征在于，包括底部金属薄层(1)，所述底部金属薄层(1)上排列设置有多个金属正三棱柱(2)，所述金属正三棱柱(2)的下表面紧贴所述底部金属薄层(1)的上表面；相邻的六个所述金属正三棱柱(2)围设形成一个横截面为正六边形的光学微腔，每个所述光学微腔中均填充有电介质填料(3)；所述金属正三棱柱(2)和所述光学微腔顶部覆盖有顶部电介质薄层(4)，所述底部金属薄层(1)和所述金属正三棱柱(2)的材料均为熔点超过1973K的高熔点金属材料，所述电介质填料(3)和所述顶部电介质薄层(4)的材料均为熔点超过1973K的高熔点电介质。
2.根据权利要求1所述的一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器，其特征在于，所述底部金属薄层(1)的厚度大于或等于150nm。
3.根据权利要求1所述的一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器，其特征在于，所述金属正三棱柱(2)的高度为400nm～1500nm。
4.根据权利要求1所述的一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器，其特征在于，所述光学微腔的正六边形的边长为50nm～200nm。
5.根据权利要求1所述的一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器，其特征在于，所述顶部电介质薄层(4)的厚度为20nm～150nm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器，其特征在于，所述底部金属薄层(1)的材料为钨、钽、铪、锆或铬。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器，其特征在于，所述金属正三棱柱(2)的材料为钨、钽、铪、锆或铬。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器，其特征在于，所述电介质填料(3)的材料为二氧化硅或二氧化铪。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器，其特征在于，所述顶部电介质薄层(4)的材料为二氧化硅或二氧化铪。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的一种适用于宽温度范围的高性能太阳能光谱选择性吸热器，其特征在于，所述太阳能光谱选择性吸热器适用于673～1573K的温度范围。
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