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超宽带高吸收超材料太阳能吸收器设计

中国激光 2022年第9期49卷 18-29页

作者：王杨轩雪飞朱路朱家兵沈晓波高强胡昌俊淮南师范学院电子工程学院安徽淮南232038 华东交通大学信息工程学院江西南昌330013

基于阻抗匹配理论与组合谐振结构特性,设计了一种超宽带超材料太阳能吸收器。该吸收器由栅格结构与金属/介质/金属堆叠结构组合而成,组合结构有效拓展了吸收带宽。采用时域有限差分法分析了吸收器的吸收特性,结果表明:该吸收器在300~400... 详细信息

基于阻抗匹配理论与组合谐振结构特性,设计了一种超宽带超材料太阳能吸收器。该吸收器由栅格结构与金属/介质/金属堆叠结构组合而成,组合结构有效拓展了吸收带宽。采用时域有限差分法分析了吸收器的吸收特性,结果表明:该吸收器在300~4000nm波段内的平均吸收率可达94.9%,吸收带宽为3700nm,可有效覆盖可见光与红外光波段。该吸收器在整个吸收波段范围内具有一定的偏振独立特性,以60°广角斜入射时,平均吸收率仍可达到93%。谐振频点处的电磁场分布表明,该吸收器的超宽带高吸收特性主要归因于表面等离子体共振、局域表面等离子体共振、慢波效应、法布里-珀罗共振,以及共振模式间的杂化耦合作用。所提超宽带高吸收太阳能吸收器在许多超材料领域具有潜在的应用价值。

关键词：材料超材料太阳能吸收器高吸收率超宽带

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基于有机半导体的宽波段薄膜太阳能吸收器

工程热物理学报 2018年第11期39卷 2512-2516页

作者：刘东王林李强南京理工大学能源与动力工程学院电子设备热控制工业和信息化部重点实验室南京210094

具有平面结构、纳米尺度的半导体薄膜是太阳能电池的重要组成部分。平面结构加工简单廉价,纳米尺度薄膜量子效率高,但这类结构光学吸收能力差。因此,本文研究如何采用简单平面结构,增强厚度只有几十纳米的半导体薄膜的宽波段吸收特性。... 详细信息

具有平面结构、纳米尺度的半导体薄膜是太阳能电池的重要组成部分。平面结构加工简单廉价,纳米尺度薄膜量子效率高,但这类结构光学吸收能力差。因此,本文研究如何采用简单平面结构,增强厚度只有几十纳米的半导体薄膜的宽波段吸收特性。研究发现当半导体材料折射率随波长正比例变化、吸收指数不随波长变化时,一定存在一对透明材料厚度和入射角度,使得半导体薄膜/透明材料/金属基底平面薄膜结构具有宽波段完全吸收特性。研究结果可作为宽波段太阳能吸收器的设计准则。以厚度只有35 nm的P3HT:PC_(70)BM薄膜为例,在420和600 nm波长处,设计吸收率均超过95%,从而显著拓宽高吸收率的波段范围,使光生电流比参考结构提高42%。

关键词：太阳能吸收器宽波段平面超薄膜有机半导体

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基于二维光子晶体的宽带高吸收太阳能吸收器

光学学报 2021年第5期41卷 109-116页

作者：孙大伟李长红易凌俊王再鹏青岛大学电子信息学院山东青岛266071

具有宽带高吸收特性的吸收器是太阳能利用的关键。设计了一种含有抗反射层的基于二维光子晶体结构的太阳能吸收器,其中砷化镓(GaAs)作为吸收介质,被填充到具有四方晶格结构的二维光子晶体的钨(W)基底圆形空腔中。采用有限元法进行了模... 详细信息

具有宽带高吸收特性的吸收器是太阳能利用的关键。设计了一种含有抗反射层的基于二维光子晶体结构的太阳能吸收器,其中砷化镓(GaAs)作为吸收介质,被填充到具有四方晶格结构的二维光子晶体的钨(W)基底圆形空腔中。采用有限元法进行了模拟计算分析,结果表明,在300~2500 nm的波长范围内,吸收器的平均吸收率为92.5%,有效吸收率高达94.9%,入射仰角为50°时,有效吸收率仍有90.13%。该结构具有全太阳光谱高吸收、偏振不敏感和广角吸收等特点。研究结果为高性能太阳能吸收器的设计提供了参考。

关键词：材料太阳能吸收器二维光子晶体抗反射膜吸收谱全太阳光谱

基于三角腔体吸收器的透射式菲涅尔定焦线系统聚光特性分析

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太阳能学报 2022年第1期43卷 484-490页

作者：王海颜健宋孟杰黄金吴肖邦肇庆学院机械与汽车工程学院肇庆526061 湖南科技大学机电工程学院湘潭411201 北京理工大学机械与车辆学院北京100081 广东工业大学材料与能源学院广州510006

为解决线性菲涅尔太阳能集热系统单轴跟踪过程中出现的聚光焦线偏移以及降低系统跟踪能耗等问题,提出一种透射式菲涅尔定焦线太阳能聚光器。该聚光器采用极轴跟踪方式与线性菲涅尔透镜定期滑移调节方式相结合,可实现固定焦线聚光。将该... 详细信息

为解决线性菲涅尔太阳能集热系统单轴跟踪过程中出现的聚光焦线偏移以及降低系统跟踪能耗等问题,提出一种透射式菲涅尔定焦线太阳能聚光器。该聚光器采用极轴跟踪方式与线性菲涅尔透镜定期滑移调节方式相结合,可实现固定焦线聚光。将该聚光器与三角腔体吸收器所组成的太阳能集热系统,利用基于蒙特卡罗光线追迹法的TracePro光学软件分析在有、无滑移调节方式中:不同太阳赤纬角和不同跟踪误差角度下的系统光学效率和三角腔体吸收器内吸收表面能流密度分布情况。结果表明,在全年太阳赤纬角范围内采用滑移调节方式的透射式菲涅尔定焦线系统最小光学效率为51.29%,相较于无滑移情形其光学效率提高22.79%。

关键词：太阳能聚光器光学性能太阳能吸收器菲涅尔透镜固定焦线三角腔体

美国耐久(候)性试验的现状太阳能吸收器的加速老化试验

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合成材料老化与应用 1989年第1期18卷 35-39页

作者：刘昌银

一、前言美国试验方法的标准化要比我国(日本)活跃。目前有关太阳能利用技术的试验,通常是按SRCC和ASTM标准评价的,从1980年至1985年间,有关耐候性试验,即太阳能吸收器方面的试验,太阳能电池方面试验等36个新标准被ASTM标准采用。在附... 详细信息

一、前言美国试验方法的标准化要比我国(日本)活跃。目前有关太阳能利用技术的试验,通常是按SRCC和ASTM标准评价的,从1980年至1985年间,有关耐候性试验,即太阳能吸收器方面的试验,太阳能电池方面试验等36个新标准被ASTM标准采用。在附录中主要是耐候性试验,太阳能吸收器相关试验的ASTM标准。

关键词：太阳能吸收器耐候性试验加速老化

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石墨烯/超表面混合结构对吸收的影响

石墨烯/超表面混合结构对吸收的影响

作者：冯冠南北京邮电大学

学位级别：硕士

太阳能是人类获取能源的一种重要途径,人们对高效的、广谱的吸收材料有广泛的需求。自从石墨烯在2004年被分离出来,科学界对石墨烯的研究从未停止。石墨烯是一种蜂窝状的二维材料,有着独特的力学、光学、电学性质,利用这些优异的物理性... 详细信息

太阳能是人类获取能源的一种重要途径,人们对高效的、广谱的吸收材料有广泛的需求。自从石墨烯在2004年被分离出来,科学界对石墨烯的研究从未停止。石墨烯是一种蜂窝状的二维材料,有着独特的力学、光学、电学性质,利用这些优异的物理性质,将石墨烯应用于光电子器件中,是目前的研究热点之一。本论文基于等离激元的理论基础,探究石墨烯这一新型二维材料对等离激元器件性能的提升,研究表面微纳结构光学器件的原理和物理特性,通过设计和仿真对石墨烯/超表面材料混合结构光吸收器进行了性能改进和物理特性研究。本文的主要内容如下:介绍了超表面材料的等离激元的研究背景和石墨烯的基本性质,以及国内外相关研究现状。接下来介绍了金属等离激元产生的物理过程和基础理论,Drude模型和色散关系等,介绍了石墨烯等离激元的电导率模型和色散关系,以及时域有限差分法的原理和边界吸收条件等。设计出一种基于石墨烯/金属超表面的太阳能吸收器并进行了仿真,该结构在200纳米至2250纳米的宽频段内平均吸收效率为88.5%,拥有3个吸收峰分别在1098纳米、1927纳米和2810纳米处,比未添加石墨烯层的吸收器性能提升了 14.2%,通过改变结构的参数、材料和微结构形状等继续优化吸收器,最后模拟了吸收器对ASTM G173-03太阳光谱的吸收。在上述结构的基础上设计出第二个具有对称结构的太阳能吸收器,相比第一个吸收器的平均吸收效率提高了 1.2%。具有3个吸收峰分别在1020纳米、1972纳米和2845纳米处,优化器件的参数后,得到了对ASTMG173-03太阳光谱具有强烈吸收的太阳能吸收器。最后验证了该吸收器对偏振和入射角度的改变不敏感。

关键词：石墨烯太阳能吸收器超材料等离激元

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机器学习在纳米光子结构设计方面的应用研究

机器学习在纳米光子结构设计方面的应用研究

作者：潘鹏北京邮电大学

学位级别：硕士

纳米光子结构就是利用纳米技术通过人为设计将两种或多种天然材料进行组合的复合结构。此类复合结构在材料选择、结构参数等方面存在着极大的设计空间,现如今纳米光子结构在光电探测器、完美吸收、非线性光学、热发射器、光伏系统等领... 详细信息

纳米光子结构就是利用纳米技术通过人为设计将两种或多种天然材料进行组合的复合结构。此类复合结构在材料选择、结构参数等方面存在着极大的设计空间,现如今纳米光子结构在光电探测器、完美吸收、非线性光学、热发射器、光伏系统等领域都发挥着重要的作用。然而,传统的结构设计方法由于设计者的实验条件与理论知识的影响,设计空间与设计效果严重受限。近年来,利用机器学习方法来完成纳米光子结构设计成为众多国内外研究者的研究热点。与传统设计方法相比,机器学习利用大量数据进行模型训练的特点极大的提高了结构的设计空间和设计效率。本文针对多层薄膜的吸收光谱设计问题,在已有的模型研究基础上,基于机器学习思想对其进行创新,设计搭建了两种神经网络模型架构。并且在设计准确性、设计效率、模型泛化能力、面对新问题的模型可迁移能力等方面对设计搭建的模型进行全面评估以及仿真验证。提出了一种基于生成对抗思想的模型设计架构,增加了判别器模块目的是提高模型收敛效率与泛化能力。同时还提出了一种基于多任务学习思想的模型设计架构,将并行的设计问题进行分解处理,目的是提高模型的预测准确性。对于同一验证集,本文设计模型架构与传统神经网络模型架构相比,预测光谱仿真误差分别降低了 33%与30%。同时将本文设计的模型应用于太阳能吸收器的设计应用中,目的是针对特定波谱范围实现完美吸收,最终模型预测设计出一组多层薄膜太阳能吸收器参数,经仿真验证其结构在300至1500nm之间平均吸收率可以达到96%。

关键词：纳米光子结构机器学习生成对抗多任务太阳能吸收器

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大口径太阳能聚光系统结构设计与优化

大口径太阳能聚光系统结构设计与优化

作者：王婧婧电子科技大学

学位级别：硕士

当前,全球社会都面临着传统化石能源日趋枯竭这一严峻问题,能源危机成为了困扰人类社会经济发展乃至和平的最大掣肘,开发利用新型能源刻不容缓。太阳能是一系列可再生能源的源头,其储量巨大、分布范围广泛、转换成本较低且使用过程中不... 详细信息

当前,全球社会都面临着传统化石能源日趋枯竭这一严峻问题,能源危机成为了困扰人类社会经济发展乃至和平的最大掣肘,开发利用新型能源刻不容缓。太阳能是一系列可再生能源的源头,其储量巨大、分布范围广泛、转换成本较低且使用过程中不产生污染物质,是最适合人类开发的新型能源。光-热转换作为应用范围最广最常见的太阳能利用方式,由于其成本低廉、使用寿命较长而极具优势性,可以在一定程度上缓解太阳能电池材料的巨大需求。作为太阳能热利用系统中的核心组成部分,太阳能集热器主要由太阳能聚光器、太阳能吸收器和跟踪驱动系统组成,有时还伴有光伏冷却装置,可以实现从光能到热能的转换。为了提高太阳能热利用系统的效率,需要提高太阳能集热器的性能。本文详细地阐述了太阳能热利用系统的分类与工作原理,同时对碟式太阳能集热器进行了设计与分析,并在此基础上设计了一种新型的平面镜拼接式太阳能聚光器,并通过计算机仿真的手段分析了新型聚光器的相关性能,为简化聚光器工艺制造、均匀汇聚光斑提供了一定的思路。本文主要研究工作如下:(1)介绍了本文的研究背景与研究意义,说明了太阳能热利用方式的发展潜力与发展动态,对太阳能热发电系统进行了详细地分类与说明,并对太阳能集热器的构成和工作原理进行了简要介绍。(2)对太阳能聚光集热系统的相关理论进行了详细地介绍,系统性地讲解了设计与分析聚光、集热系统时所要用到的理论知识,包括太阳角直径、矢量折反射定理、集热器性能分析参数与计算方法,为接下来的研究与设计奠定了理论基础,同时还对仿真所用到的仿真软件进行了简要介绍。(3)在传统碟式集热器的基础上设计了不同采光形状的聚光器和不同形状的腔体吸收器,通过计算机仿真的手段分析了相关性能,并与传统碟式集热器的性能进行了比较。(4)结合塔式聚光器和碟式聚光器的优点,设计了一种采用六边形平面镜拼接方式的聚光器,通过仿真分析与比较,验证了新型聚光器能够在保证较好聚光性能的基础上有效地简化制造工艺和降低成本。

关键词：太阳能聚光器太阳能吸收器优化设计光学效率几何聚光比

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德研制出新型太阳能吸收器

可再生能源 1996年第2期 23-23页

德研制出新型太阳能吸收器据《科技日报》报道：德国宇航研究院斯图加特太阳能研究所的科学家研制出一种新型太阳能吸收器，它能使太阳能的利用率达到８０％以上。从原理上讲，太阳能发电的关键是太阳能吸收器，吸收器捕捉到的太阳光愈... 详细信息

德研制出新型太阳能吸收器据《科技日报》报道：德国宇航研究院斯图加特太阳能研究所的科学家研制出一种新型太阳能吸收器，它能使太阳能的利用率达到８０％以上。从原理上讲，太阳能发电的关键是太阳能吸收器，吸收器捕捉到的太阳光愈多，发出的电能也就愈多。太阳能发电...

关键词：太阳能吸收器太阳能发电宇航