铬基超材料太阳能吸收-发射器对光谱调制过程的数值模拟

基于金属基底-介质层-金属阵列的多层结构,以三角柱-圆柱金属阵列为核心,提出了铬基超材料吸收-发射器对以同步实现太阳能全谱段吸收和光谱调制。围绕对光波的吸收、发射性能及其温度场的演化,建立了光热耦合计算模型并开展了系统研究。首先,在入射太阳能波段为300~2500 nm、吸收器三角柱边长为50~300 nm、圆柱高度为10~100 nm条件下开展了吸收性能模拟;其次,在发射器基底边长为1000~2000 nm、三角柱高度为10~500 nm、圆柱高度为30~500 nm条件下开展了发射性能模拟;最后,在入射功率为3~15 MW·m^(-2)条件下进行了温度场的演化计算。研究结果表明:吸收器光谱吸收率与太阳光AM1.5吻合,总体吸收率在0.88~0.90之间,且随阵列柱体几何结构、材质无明显变化,这有利于降低制造成本和工艺难度;发射器光谱发射率与1500~2000 K时的黑体辐射力曲线基本吻合,在1450~2000 nm的区间发射效率为0.50~0.99,实现了光谱调制,其中三角柱高度与发射器自身温度是影响发射效率的关键因素;吸收-发射器对的总体光谱调制效率为0.18~0.67,在合理设计发射器表面几何结构的基础上,通过强化吸收来提高发射器温度,这是提升光谱调制效能的根本途径。研究结果可为光谱调制元件的设计和运行提供一定的参考。

静止颗粒群热辐射吸收性能的蒙特卡罗法二维数值研究

在粒子式太阳能接收器中吸热效率与出口温度难以兼顾,而颗粒群热辐射吸收性能决定其热效率及升温上限,基于蒙特卡罗法建立了外部平行辐射投射下的静止颗粒群辐射传递模型,探究颗粒群几何构型、颗粒粒径、颗粒辐射物性、辐照条件等因素对热辐射传输的影响。结果表明:颗粒群吸热时间与粒径、空间构型无关;但与体积分数成正比,且随外部辐射强度或颗粒表面吸收率的增大而缩短。对给定颗粒群,平衡温度主要依赖于外部辐射强度;总体吸收率主要取决于颗粒表面吸收率。给定空间构型下,二者均与颗粒粒径正相关,且随体积分数的增大具有相似的变化规律。不同空间构型下,颗粒体积分数的增大均在强化吸收外部辐射的同时增大了自发辐射的逸出。现有构型中,棋盘交错型、扇型与随机型下的总体吸收率随体积分数的增大有峰值存在。扇型与随机型达到最高平衡温度和效率所需的颗粒浓度最小。根据计算结果提出了颗粒群总体吸收率经验关联式,其中有82.9%的计算结果与定义式计算值相对误差小于15%。该研究结果可为运动颗粒群辐射传递的计算、粒子式太阳能吸收器的设计提供参考。