[發(fā)明專利]光電制氫中局域光熱效應(yīng)的模擬仿真方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111606166.4
• 申請(qǐng)日: 2021-12-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114492106A
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 桑麗霞;曹盎然
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

本發(fā)明提供了光電制氫中局域光熱效應(yīng)的模擬仿真方法。主要步驟包括：獲取參數(shù)并以此構(gòu)建光陽(yáng)極的簡(jiǎn)化3D電磁場(chǎng)模型；計(jì)算光陽(yáng)極上金屬納米粒子的熱功率密度并得到平均產(chǎn)熱量；構(gòu)建宏觀等效溫度場(chǎng)模型；根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算金屬納米粒子的總產(chǎn)熱量，并作為熱源項(xiàng)代入模型；繪制局域溫度分布云圖及時(shí)域溫升曲線。相比傳統(tǒng)仿真方法，本發(fā)明構(gòu)建的宏觀等效模型實(shí)現(xiàn)了與實(shí)驗(yàn)條件的貼合，還節(jié)省了大量計(jì)算資源和時(shí)間；相比實(shí)驗(yàn)測(cè)量，本仿真所得局域熱效應(yīng)的大小更為準(zhǔn)確并能夠更直觀的展示其特征。本發(fā)明為探究光熱效應(yīng)的微觀作用機(jī)制提供了基礎(chǔ)，還為規(guī)模化光電分解水制氫系統(tǒng)的熱管理提供了技術(shù)支撐。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電分解水制氫技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于有限元計(jì)算的復(fù)合光電陽(yáng)極在太陽(yáng)光照條件下產(chǎn)生的局域光熱效應(yīng)的模擬仿真方法。

背景技術(shù)

光電分解水制氫可以直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為綠色燃料，是提供可持續(xù)清潔能源的最有前途的方法之一，其中在半導(dǎo)體基底上負(fù)載金屬納米粒子是制備高性能復(fù)合光陽(yáng)極的常用手段。近年來(lái)，一些研究發(fā)現(xiàn)金屬納米粒子熱弛豫產(chǎn)生的光熱效應(yīng)對(duì)產(chǎn)氫反應(yīng)也有促進(jìn)作用。但是由于納米材料的微觀性，其光熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量對(duì)整體水溶液的影響有限，往往體現(xiàn)的是光陽(yáng)極附近的局域熱效應(yīng)。同時(shí)，在光電分解水制氫的規(guī)模化探索中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)溫度的影響很大。所以，想要探究光熱在分解水制氫系統(tǒng)中的影響及作用機(jī)制，首先需要得到局域熱效應(yīng)的大小及特征。然而當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)測(cè)溫表征手段，如紅外熱像儀，熱電阻等都不能準(zhǔn)確測(cè)量熱效應(yīng)的大小，更難以表征熱效應(yīng)的局域特征。以往的模擬仿真方法則是在納米尺度上構(gòu)建的模型，其條件設(shè)定與實(shí)驗(yàn)條件相差甚遠(yuǎn)且計(jì)算量大。因此找出貼合實(shí)驗(yàn)條件，計(jì)算簡(jiǎn)單的模擬仿真方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光陽(yáng)極局域光熱效應(yīng)的準(zhǔn)確表征十分重要。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于有限元分析的等效簡(jiǎn)化溫度場(chǎng)模型，用于獲取復(fù)合光陽(yáng)極的光熱效應(yīng)產(chǎn)生的局域溫度分布及時(shí)域溫升。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

步驟1、根據(jù)所制備半導(dǎo)體基底的尺寸，金屬納米粒子的具體尺寸及其位置和密度排布，在COMSOL波動(dòng)光學(xué)模塊中建立簡(jiǎn)化實(shí)體3D模型；

步驟2、選用電磁波.頻域物理場(chǎng)，定義好介質(zhì)、金屬、半導(dǎo)體材料的電磁特性，設(shè)定邊界條件。

步驟3、對(duì)整個(gè)物理場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，包括選擇單元類型，設(shè)置網(wǎng)格尺寸，優(yōu)化網(wǎng)格精度。求解器設(shè)置為參數(shù)化掃描，自變量為入射波長(zhǎng)；

步驟4、電磁場(chǎng)規(guī)律基于麥克斯韋方程計(jì)算，并以此得到金屬納米粒子內(nèi)部的電磁功率損耗密度即熱源密度。納米粒子產(chǎn)熱量Q的表達(dá)式為：

σ_abs為納米粒子的吸收截面，I為入射光的輻照度，n為周圍介質(zhì)的光學(xué)折射率，c為真空中的光速，ε_ω為納米粒子的介電常數(shù)，E₀為入射光的初始電場(chǎng)。E₀由入射光輻照度I決定，將對(duì)應(yīng)的E₀值代入到入射端口中，由此產(chǎn)熱量Q可以由下公式計(jì)算得到：

q(r)為熱功率密度，ω為入射光的頻率，Im(ε_ω)為介電常數(shù)的虛部，∫_NP指代對(duì)納米粒子體積分，E(r)為金屬納米粒子內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度。由于內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度不一致，因此結(jié)構(gòu)熱功率密度q(r)明顯不均勻，尤其是在粒子間隙附近，但是由于金屬和水介質(zhì)之間的熱導(dǎo)率差異很大，所以對(duì)于納米粒子，其內(nèi)部溫度可近似是均勻的，并且熱能在粒子邊界中擴(kuò)散，然后通過(guò)水?dāng)U散出去；

步驟5、根據(jù)步驟4計(jì)算金屬納米粒子在得到金屬粒子的平均產(chǎn)熱量Q_V；

步驟6、為了降低模型計(jì)算量，并更好與實(shí)驗(yàn)相一致，在傳熱模塊中構(gòu)建宏觀等效溫度場(chǎng)模型；