平板太阳能光谱选择性吸收涂层填充因子计算机模拟研究

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一、平板太阳能光谱选择性吸收涂层填充因子计算机模拟研究——前言

平板太阳能光谱选择性吸收涂层按其使用范围可分为低温、中温、高温太阳能涂层3类。低温是指工作温度在100℃以下;中温太阳光谱吸收涂层主要应用在太阳能空调上,其工作温度分布在100-200℃;高温太阳光谱吸收涂层的工作温度在350℃以上。这类太阳能涂层主要应用在太阳能热电站,甚至可以利用它产生的高能量分解水制氢,属于太阳能热利用中的前沿领域。

选择性吸收涂层具有在平板太阳能光谱可见-近红外波段高吸收,在红外波段高反射的特性。由于太阳辐射主要集中在300-2500nm范围内,而黑体辐射强度峰值主要分布在红外波段,根据基尔霍福定理,对红外波段光谱的全反射可避免材料表面因热辐射而损失热量,因此,选择性吸收涂层满足最大限度吸收光波的同时又能减少热损。从目前发展来看,选择性吸收涂层是一种可靠的、有待拓展的吸收机构。自20世纪90年代以来,新型高温太阳能吸收涂层的研究朝着耐久性、耐腐蚀性、低成本的方向大范围展开,出现了一些新材料,新膜层结构和经济性的加工工艺。本文在近几年国际高温涂层研究的基础上,根据理论计算和实验结果分析了陶瓷中金属组分即填充因子对高温吸收涂层的效率影响,为膜层设计提供依据。

本文以Ti-AlN单层膜为研究对象,借助计算机模拟着重计算了不同的填充因子和膜层厚度,分析了吸收涂层对入射光本身吸收和相消性干涉的作用机理。

二、平板太阳能光谱选择性吸收涂层填充因子计算机模拟研究——理论基础

常见的用来计算金属-陶瓷复合薄膜的等效介质理论有:网络营销Maxwell-Garnett(MG)弥散微结构理论、Bruggeman(Br)聚集微结构理论和PingSheng双团簇微结构理论等。其中Br理论是最常用的一种理论,其结构表达式如下:

其中,分别为金属,介质和复合金属介质的介电函数,为金属体积分数。平板太阳能在知道了金属和陶瓷不同波长下的光学常数,就可以计算得到不同金属填充因子金属-陶瓷复合材料的光学常数。

实际沉积选择性吸收涂层金属-陶瓷复合层时,东莞中央空调一般采用金属层和陶瓷层沉积速率来确定金属-陶瓷复合层的金属填充因子。但镀膜时两种材料交替沉积,材料沉积速率不再是单独沉积时的速率,且膜厚测量重复性也不好。国外M.RezaNejati利用CODE软件对不同工艺制备的金属-陶瓷膜层的光学常数进行了模拟和分析。

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