摘要
太阳能是一种清洁、无污染且储量丰富的可再生能源。在太阳能利用技术中，光热发电技术具有规模大、灵活性好、发电质量高等优势，但其尚存在成本过高的问题，阻碍了其大规模商业化应用。若将光热发电的吸热温度由目前的约833 K提升到1573 K以上，就有望提升系统光电转换效率，进而降低成本。但当吸热温度升高之后，一方面吸热器热损失会急剧增大，另一方面现有涂层无法在超高温下稳定地高效地吸收太阳能，因而亟需发展在可见光和近红外波段内具有高吸收率、在中红外波段具有低发射率的光谱选择性吸光涂层，才有望实现超高温下的高效光热转换。现有研究表明，新兴的超材料涂层和随机颗粒涂层具有在1573 K以上的超高温条件下应用的潜力。 鉴于此，本文通过数值模拟的方法研究了材料特性、几何构型、尺寸等因素对超材料涂层和随机颗粒涂层辐射特性的影响规律，揭示二者对太阳辐射的强化吸收机制和对红外辐射损失的抑制机制，以实现对涂层光谱选择性的调控。在此基础上，发展出了 2种结构简单、光热转换率高、热稳定性好的超材料涂层和1种可通过廉价的旋涂法或喷涂法制备的随机颗粒涂层。具体研究内容和结论如下: (1)提出了一种钨纳米八棱柱超材料吸光涂层，采用有限元法构建了电磁场数值计算模型,优化了获得了光谱选择性与理想涂层接近的最优涂层，揭示了最优涂层的光谱选择性吸收机理，分析了涂层结构参数和光入射参数对其性能的影响规律。结果表明，当聚光比为1000、温度为1073～1573 K时，最优涂层的太阳能吸收率可达0.9591,光热转换效率可达94.72％～83.10％。吸收机理分析表明，表面等离激元共振、局域表面等离激元共振、磁极子共振的耦合作用及涂层与自由空间阻抗的匹配效应是涂层在太阳辐射波段内实现高吸收率的机理，而中红外波段内的阻抗失配则是其实现低红外发射率的原因。结构参数分析表明，在制造误差范围内，只有第一钨八棱柱的外圆直径和八棱柱下的SiO2薄膜的厚度对其光谱吸收率有明显影响。光入射参数分析表明，当入射角在0～50°内变化，极化角在0～90°内变化时，涂层的光谱吸收率几乎不受影响。 (2)提出并优化获得了一种钨纳米孔-手里剑超材料吸光涂层，揭示了其选择性吸光机理，分析了结构参数和光入射参数对涂层性能的影响规律。结果表明，当聚光比为1000、温度为1273K～1573K时，最优涂层的太阳能吸收率达0.9457,发射率为0.2056～0.3228。对涂层内电磁场分布的分析表明，空腔共振、表面等离激元共振和磁极子共振的协同作用强化了涂层对太阳能的吸收作用，而涂层在不同波段内与自由空间阻抗的差异也是其实现光谱选择性吸收的重要原因。结构参数分析表明，涂层的性能在制造误差内几乎不受几何参数的影响。光入射参数分析表明，最优涂层的性能几乎不受偏振角的影响，且在0～60°的范围内不受入射角的影响。 （3）提出了一种随机颗粒光谱选择性吸光涂层，建立了时域有限差分法电磁场计算模型,优选了随机颗粒材料,优化了涂层结构参数，揭示了随机颗粒涂层实现光谱选择性吸收的机理。优化结果表明，当聚光比为1000、温度为1073～1573 K时，最优随机颗粒涂层的太阳能吸收率达0.9393,发射率为0.2723～0.4815,光热转换效率可达91.89％～77.24％。机理研究表明，随机颗粒涂层实现高太阳能吸收率的内在机理是法布里-珀罗共振和局域表面等离激元共振的耦合作用以及涂层在可见光和近红外波段内与自由空间的良好阻抗匹配，而随机颗粒实现低发射率的原因则是其在中红外区域内与自由空间的阻抗失配。最后，光入射参数分析表明，最优随机颗粒涂层在0°～40°范围内对入射角不敏感，在0°～90°范围内对极化角不敏感。 （4）最后，构建了超高温吸热器光热耦合计算模型，探究了随机颗粒涂层对超高温吸热器光热转换性能的影响规律。结果表明，随机颗粒涂层能吸收更多的氙灯辐射，对氙灯辐射的吸收率可达0.9466,比典型商用涂层的吸收率高了 0.093;同时，随机颗粒涂层能更好地抑制红外辐射热损失，当温度为373～1923 K时，随机颗粒涂层的总发射率比商用涂层低了 0.2917～0.6894。吸热器性能分析表明，采用随机颗粒涂层时吸热器的光学效率可达91.71％,比采用商用涂层时提升了 1.19％;当入口温度为673 K～1173K时，与采用商用涂层时相比，采用随机颗粒涂层可将吸热器光热转换效率提高1.11％～1.14％。
NETL