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金属‑陶瓷太阳能选择性吸收涂层多光谱发射率测量方法技术

技术编号:14678777 阅读:18 留言:0更新日期:2017-02-22 11:41
本发明专利技术公开了一种金属‑陶瓷太阳能选择性吸收涂层多光谱发射率测量方法,其首先利用涂层结构参数的发射率模型,根据黑体普朗克公式获得光谱辐射亮度的计算值(膜结构参数的函数);再利用光谱仪实现对涂层的光谱辐射亮度进行测量;建立光谱辐射亮度测量值与计算值的约束方程,采用自适应模拟退火算法获得涂层结构参数的最优解,实现涂层光谱发射率的测量。本发明专利技术既可保证发射率测量结果的准确性,还可促进金属‑陶瓷涂层设计的优化和制备工艺的提高,对提高太阳能热发电系统的光热转换效率具有重要的推动意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种针对于金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的原位多光谱发射率测量方法,属于材料表面辐射特性、发射率测量领域。
技术介绍
作为太阳能热发电系统(ConcentratingSolarPower,CSP)的核心部件,太阳能选择性吸收涂层对太阳能与热能之间的转换起到至关重要的作用。金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层不但具有良好高温稳定性,而且涂层的发射率具有显著的光谱选择性,成为制备太阳能选择性吸收涂层的首选材料。利用薄膜光学理论设计的多层膜结构的涂层具有令人满意的光谱选择吸收特性,而在涂层的实际溅射制备过程中,溅射工艺参数的不确定性导致涂层的实际结构参数值与设计值出现偏差,致使其实际的光谱发射率达不到理想的设计值。为验证涂层光谱选择性吸收性能的优劣,需要对制备涂层的发射率进行实际测量。发射率的测量方法主要有量热法、反射率法、能量法和多光谱法。量热法适用于全波长发射率的测量;反射率法适用于常温或低温状态的发射率测量;能量法需要同温的标准黑体作为参考,很难保持涂层与黑体两者温度的一致性,影响测量准确性,且测量时间长;多光谱法的不需要参考黑体,是涂层发射率测量的首选方法。然而,因涂层的发射率具有光谱选择性,现有的发射率假设模型受到制约,无法保证模型假设的光谱发射率与涂层真实光谱发射率的一致性,造成发射率测量结果的准确性难以估计。针对现有多光谱法的发射率假设模型不足,解决金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的光谱发射率测量难题,建立一种基于涂层发射率机理模型的多光谱发射率测量方法,促进金属-陶瓷涂层设计的优化和制备工艺的提高,对提高太阳能热发电系统的光热转换效率具有重要的推动意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层多光谱发射率测量方法,以克服现有多光谱法的发射率假设模型不足,难以解决金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的光谱发射率的准确测量的缺陷。本专利技术进一步解决了现有技术难以促进金属-陶瓷涂层设计优化和制备工艺提高的缺陷。为实现上述目的,本专利技术提供一种金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的多光谱发射率测量方法,其包括如下步骤:S1、利用金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层结构参数的发射率模型,根据黑体普朗克公式获得光谱辐射亮度的计算值(膜结构参数的函数);S2、再利用光谱仪实现对涂层的光谱辐射亮度进行测量;S3、建立光谱辐射亮度测量值与计算值的约束方程;S4、根据光谱辐射亮度约束方程,采用自适应模拟退火算法获得涂层结构参数的最优解,实现涂层光谱发射率的测量。优选地,S1中所述的涂层结构参数的发射率模型是以金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层的结构参数为自变量,通过有效介质理论和传播矩阵相关公式的推导和Lab-view软件编写的运算程序建立的模型。本专利技术有益效果:与现有技术的发射率假设模型相比,本专利技术以金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层的结构参数为自变量,通过有效介质理论和传播矩阵相关公式的推导和Lab-view软件编写的运算程序,建立多层膜结构的金属-陶瓷涂层发射率模型,其能够准确发射率的光谱选择性变化规律,克服传统多光谱发射率测量方法采用发射率假设模型存在的不足;故,保证了发射率测量结果的准确性;且本专利技术还可促进金属-陶瓷涂层设计的优化和制备工艺的提高,对提高太阳能热发电系统的光热转换效率具有重要的推动意义。附图说明图1是金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的多光谱发射率测量原理框图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术,但不用来限制本专利技术的范围。参见图1,本专利技术采用典型的金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层为样品,所述的典型的金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层主要由四层膜构成,第一层为减反层,第二层为具有较少金属微粒体积数的低金属掺杂吸收膜(LMVF)层,第三层为具有较高金属微粒体积数的高金属掺杂吸收膜(HMVF)层,第四层为金属反射层;其具体实施方式包括如下步骤:1.光谱辐射亮度的计算值典型的金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层为多层的膜系结构,由基底向外依次是金属反射层、高金属掺杂吸收层、低金属掺杂吸收层和减反层。涂层的金属和陶瓷材料光学常数分别为(nm,km)和(ns,ks),以涂层结构参数(低、高吸收层的掺杂体积数fL、fH和厚度hL,hH)为自变量,根据有效介质理论和薄膜光学的传播矩阵,建立能够准确反映选择性吸收机理的发射率模型ε(λ)=Fλ(fL,fH,hL,hH),隐函数F的数学表达式为:(1)根据普兰克公式和发射率定义,得到含有膜结构参数的涂层光谱辐射亮度的计算值,函数表达式为:(2)式中C1——第一辐射常数,;C2——第二辐射常数,。2.光谱辐射亮度的测量值在对涂层光谱辐射亮度测量过程中,被光谱仪测量的光谱辐射亮度不仅包括目标涂层的辐射亮度,环境噪声的辐射亮度也同时进入光谱仪。当涂层温度为T,光谱仪输出为:(3)式中R(λi)——光谱仪的光谱响应函数();Lmeas(λ,T)——目标涂层的光谱辐射亮度(),Le(λ)——环境噪声引起的辐射亮度()。光谱响应函数R(λi)和环境噪声辐射Le(λ)可通过多个温度的黑体标定确定,进而得到目标涂层的光谱辐射亮度测量值为:(4)3.光谱辐射亮度约束方程的建立光谱仪测得的光谱辐射亮度与发射率模型计算的光谱辐射亮度的方差为:(5)式中n——光谱数。测量和计算的光谱辐射亮度应具有一致性,光谱辐射亮度测量值和模型计算值的方差最小化原则,令光谱辐射亮度方差最小值,则得到光谱辐射亮度的约束方程:(6)将公式(2)和(4)代入(5),得到包含有表面温度T和发射率模型参数fL,fH,hL,hH5个未知数的约束方程:(7)4.膜结构参数的最优解为评价光谱辐射亮度测量值与计算值的接近程度,根据光谱辐射亮度约束方程,构造评价函数φ(8)优化过程含有5个自变量,分别为膜结构参数fL,fH,hL,hH和涂层的表面温度Tsurf,则定义解空间的各分量:(9)自适应模拟退火算法的优化过程如下:(1)设定初始退火温度Ti(0)=1,k代表退火次数,k=0,并在解空间Xi随即生成一个初始解xi(0),i=1,2,3,4,5,计算评价函数。(2)随即生成一个新解,分别是第i个参数在各自解空间的最大值和最小值,,sgn为符号函数,vi是0-1均匀分布的随机数。判断x’是否在解空间内,若不在则舍弃,重复步骤2。(3)计算,若△φ<0,xi=x’i。否则,则以概率接收当前解,k’为接受次数,xi=x’i。(4)判断是否回火,当可接受新解的次数Naccept>b,b为设定的最大接受次数,执行下一步。否则重复步骤2。(5)计算灵敏度,ei是一个m维向量。再计算回火温度,回火次数,,接受次数,为现阶段最好评价函数值。(6)回火次数判断,是否达到预设的回火次数值。若达到则执行下一步,否则转至步骤2。(7)停止判断,当φ(xbest)<ξ,ξ为设定的目标评价函数值,算法终止。否则,k=k+1,,,,转至步骤2,直至满足停止判断条件。最后得到5个自变量xi的最优解:(10)将自适应模拟退火算法获得的最优膜结构参数代入公式(1),得到涂层的光谱发射率。本专利技术的特点,一是采用了基于涂层结构参数的发射率机理模型,建立光谱辐射亮度测量值与计算值的约束方程,采用自适应模拟退火算法求解膜结构本文档来自技高网
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【技术保护点】
金属‑陶瓷太阳能选择性吸收涂层多光谱发射率测量方法,其特征在于:其包括如下步骤:S1、利用金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层结构参数的发射率模型,根据黑体普朗克公式获得光谱辐射亮度的计算值(膜结构参数的函数);S2、再利用光谱仪实现对涂层的光谱辐射亮度进行测量;S3、建立光谱辐射亮度测量值与计算值的约束方程;S4、根据光谱辐射亮度约束方程,采用自适应模拟退火算法获得涂层结构参数的最优解,实现涂层光谱发射率的测量。

【技术特征摘要】
1.金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层多光谱发射率测量方法,其特征在于:其包括如下步骤:S1、利用金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层结构参数的发射率模型,根据黑体普朗克公式获得光谱辐射亮度的计算值(膜结构参数的函数);S2、再利用光谱仪实现对涂层的光谱辐射亮度进行测量;S3、建立光谱辐射亮度测量值与计算值的约束方程;S4、根据光谱辐射亮度约束方程...

【专利技术属性】
技术研发人员:张宇峰李明戴景民邵珠峰楚春雨付莹
申请(专利权)人:渤海大学
类型:发明
国别省市:辽宁;21

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