金屬?陶瓷太陽能選擇性吸收涂層發(fā)射率模型的建模方法與流程

本發(fā)明涉及一種針對(duì)于金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層發(fā)射率模型的建立，屬于多膜系復(fù)合材料發(fā)射率形成機(jī)理及建模方法研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

世界范圍的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題凸顯，新能源的開發(fā)和利用已經(jīng)受到世界各國研究機(jī)構(gòu)的重視，尤以太陽能利用技術(shù)倍受青睞。作為太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)（Concentrating Solar Power，CSP）的核心部件，選擇性吸收涂層對(duì)太陽能與熱能之間的轉(zhuǎn)換起到至關(guān)重要的作用。

早期，太陽能選擇性吸收涂層的工作溫度比較低，普遍都在200℃以下。隨著太陽能利用技術(shù)的不斷進(jìn)步，選擇性吸收涂層的工作溫度不斷提高，對(duì)涂層材料的機(jī)械性能、高溫穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)的要求越來越高，金屬陶瓷復(fù)合材料成為制備太陽能選擇性吸收涂層的首選材料。

光譜選擇性吸收理論最早由以色列科學(xué)家Tabor提出，一經(jīng)提出就成為太陽能材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。世界各國學(xué)者在選擇性吸收材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了大量研究。為實(shí)現(xiàn)涂層發(fā)射率的光譜選擇性變化，多層薄膜結(jié)構(gòu)的金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層應(yīng)運(yùn)而生。金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層的光譜選擇特性主要體現(xiàn)在其光譜發(fā)射率隨波長的變化規(guī)律上。一方面，在太陽光譜范圍（0.4-2.5μm）具有極高的發(fā)射率，使其能夠最大程度的吸收太陽的輻射能量，將其轉(zhuǎn)化為熱能。另一方面，隨著溫度的升高，涂層自身的熱損作用逐漸增大，為限制這種熱損，就要求涂層在保持較高太陽光譜發(fā)射率的條件下盡可能的降低紅外光譜范圍（2.5μm-遠(yuǎn)紅外）的發(fā)射率。可見，光譜發(fā)射率是表征涂層對(duì)太陽輻射能吸收及自身熱輻射損失能力的關(guān)鍵參數(shù)。

所以，針對(duì)金屬-陶瓷涂層的多層膜結(jié)構(gòu)，建立金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層發(fā)射率模型的建模方法，預(yù)測涂層發(fā)射率的光譜選擇性變化規(guī)律，對(duì)涂層結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的科學(xué)價(jià)值，對(duì)推動(dòng)太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展、解決能源危機(jī)和環(huán)境污染具有深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層發(fā)射率模型的建模方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)難以針對(duì)金屬-陶瓷涂層的多層結(jié)構(gòu)建立金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層發(fā)射率的建模問題的缺陷。

本發(fā)明進(jìn)一步解決了現(xiàn)有技術(shù)難以準(zhǔn)確預(yù)測金屬陶瓷涂層發(fā)射率的光譜選擇性變換規(guī)律，以及實(shí)現(xiàn)涂層結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層發(fā)射率模型的建模方法，該方法是在搭建的光譜反射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的，采用典型的金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層為樣品，所述的典型的金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層主要由四層膜構(gòu)成，第一層為減反層，第二層為具有較少金屬微粒體積數(shù)的低金屬摻雜吸收膜（LMVF）層，第三層為具有較高金屬微粒體積數(shù)的高金屬摻雜吸收膜（HMVF）層，第四層為金屬反射層；在計(jì)算機(jī)Lab-view平臺(tái)下，編成可根據(jù)涂層結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算涂層發(fā)射率的運(yùn)算程序，具體包括以下步驟：

S1、根據(jù)有效介質(zhì)理論，由金屬和陶瓷材料的光學(xué)常數(shù)、金屬摻雜體積數(shù)，計(jì)算出LMVF、HMVF層的有效介電函數(shù)，再由介電函數(shù)-復(fù)折射率關(guān)系式分別計(jì)算出LMVF、HMVF層的光學(xué)常數(shù)；

S2、根據(jù)傳播矩陣?yán)碚摚肔MVF和HMVF的光學(xué)常數(shù)和厚度，計(jì)算出膜系光學(xué)導(dǎo)納的特征矩陣，求解出膜系的振幅反射系數(shù)和反射率；

S3、根據(jù)能量守恒和基爾霍夫定律，得到金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層光譜發(fā)射率，建立多層膜結(jié)構(gòu)的金屬-陶瓷涂層發(fā)射率模型。

優(yōu)選地，選取金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層的高、低金屬摻雜吸收膜層的摻雜體積數(shù)和厚度為發(fā)射模型的自變量，建立了基于涂層結(jié)構(gòu)參數(shù)的金屬-陶瓷涂層發(fā)射率模型。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明以金屬陶瓷太陽能選擇性吸收涂層的結(jié)構(gòu)參數(shù)為自變量，即以涂層的高、低金屬摻雜吸收膜層的摻雜體積數(shù)和厚度為發(fā)射模型的自變量，通過有效介質(zhì)理論和傳播矩陣相關(guān)公式的推導(dǎo)和Lab-view軟件編寫的運(yùn)算程序，建立了多層膜結(jié)構(gòu)的金屬-陶瓷涂層發(fā)射率模型；另外，本發(fā)明可預(yù)測涂層發(fā)射率的光譜選擇性變化規(guī)律，對(duì)涂層結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的科學(xué)價(jià)值，對(duì)推動(dòng)太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展、解決能源危機(jī)和環(huán)境污染具有深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。

附圖說明

圖1是典型金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是金屬-陶瓷太陽能選擇性涂層發(fā)射率模型的建模原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

參見圖1和圖2，本發(fā)明提供一種金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層發(fā)射率模型的建模方法，其包括：

已知金屬和陶瓷材料光學(xué)常數(shù)（n_m，k_m ）和（n_s，k_s ），以涂層的結(jié)構(gòu)參數(shù)為模型的自變量，包括低、高吸收層的摻雜體積數(shù)（f_L，f_H）和厚度（h_L，h_H）。

步驟一，根據(jù)復(fù)介電函數(shù)與復(fù)折射率的關(guān)系式ε′=N²，得到金屬和陶瓷的復(fù)介電函數(shù)：

（1）

將金屬和陶瓷材料的復(fù)介電函數(shù)及金屬摻雜體積數(shù)為f_L代入MG公式，得到LMVF的有效介電函數(shù)ε′_L

（2）

式中 L——與f_L無關(guān)，。

同理，將金屬和陶瓷的復(fù)介電函數(shù)ε′_m(λ)、ε′_s(λ)及金屬摻雜體積數(shù)為f_H代入Br公式，得到HMVF的有效介電函數(shù)：

（3）

式中 H——與f_H無關(guān)，。

根據(jù)復(fù)折射率與復(fù)介電函數(shù)的關(guān)系式，分別計(jì)算出LMVF和HMVF的復(fù)折射率：

（4）

將LMVF和HMVF的復(fù)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，若輻射是垂直入射到涂層表面（θ=0），得到LMVF、HMVF的有效位相厚度：

（5）

步驟二，由薄膜的光學(xué)導(dǎo)納與介電函數(shù)的關(guān)系式，得到LMVF和HMVF的光學(xué)導(dǎo)納：

（6）

同理，作為基底的金屬反射層的光學(xué)導(dǎo)納為。

將上述5個(gè)參量δ_L、δ_H、η_L、η_H、η_m代入多層膜傳播矩陣的公式，得到膜系的特征矩陣：

（7）

解得：

（8）

當(dāng)入射介質(zhì)為空氣（N₀=1），則得到該膜系的振幅反射系數(shù)：

（9）

則LMVF、HMVF和金屬反射層構(gòu)成的膜系反射率：

（10）

步驟三，由能量守恒和基爾霍夫定律，獲得該金屬-陶瓷太陽能選擇性吸收涂層的發(fā)射率：

（11）

最后，得到任意四層膜結(jié)構(gòu)的金屬-陶瓷太陽能選擇性涂層的發(fā)射率模型，其中函數(shù)F的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（12）。

本發(fā)明的特點(diǎn)是選取涂層的高、低金屬摻雜吸收層的摻雜體積數(shù)和厚度為發(fā)射率模型的自變量，建立了基于涂層結(jié)構(gòu)參數(shù)的涂層光譜發(fā)射率模型。同時(shí)，編寫了基于Lab-view語言的運(yùn)算程序，實(shí)現(xiàn)了涂層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)涂層發(fā)射率的計(jì)算。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。