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

郝家成; 吴小虎; 张丹; 陈宇航

西安交通大学学报 ›› 2025, Vol. 59 ›› Issue (2) : 84 -94.

郝家成, 吴小虎, 张丹, 陈宇航

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摘要

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300～2 500 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1 000～2 000 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1 500～2 000 K时的黑体辐射力曲线基本吻合，在1 450～2 000 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。