[發明專利]基于數學建模對熱光伏中多層熱發射器參數的優化方法

在審

• 申請號: 202211041116.0
• 申請日: 2022-08-29
• 公開（公告）號: CN115374707A
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 劉漢威;張風云;劉辰凱;潘文清;李碩碩
• 申請（專利權）人: 濟寧學院
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F17/16;G06F111/06;G06F119/02
• 代理公司: 青島發思特專利商標代理有限公司 37212
• 代理人: 盧登濤

1.一種基于數學建模對熱光伏中多層熱發射器參數的優化方法，其特征在于：包括以下步驟：

S1：搜索制作多層熱發射器的材料，查找材料的相關特征；

S2：將所有的材料特性全部擬合在統一波長下；

S3：在統一波長范圍內，計算出各種材料的折射率、消光系數數據信息；

S4：在熱反射器單層結構下，通過菲尼爾系數找出不同波長范圍內的光能量，根據不同介質的消光系數和厚度的關系，推算出不同介質下的吸光度，由反射定律得出反射率和折射率的關系，最后由能量守恒定理得出在單層結構下，發射光譜與介質特性的關系式；

S5：在熱反射器多層結構下，利用麥克斯韋方程組進行垂直極化下的菲涅爾系數，從而利用傳輸矩陣法將麥克斯韋方程組轉化為傳輸矩陣的形式，進而計算出整個多層結構下的透射率和反射率，最后由吸光度和透射率的關系得出多層級結構下，發射光譜與介質特性的關系式；

S6：由于銻化鎵電池的帶隙波長為確定的數值，針對這種特性根據步驟S5中得到的關系式給出目標函數表達式，并且對多層熱發射器的層數、每一層材料的厚度和波長設置約束條件；

S7：利用粒子群算法對所有介質一層一層尋優，得出不同介質下最佳厚度的組合，形成對照試驗，進而再次利用粒子群算法對多層厚度進行尋優，從而得出熱發射器的最優設計參數組合；

S8：通過太陽能和化學能對多層熱發射器進行加熱，加熱后的多層熱發射器向銻化鎵電池發射紅外輻射光波，通過該熱發射器內部結構來調節吸收的熱量后發射紅外輻射光波，使發射的光子低于銻化鎵電池的帶隙波長，從而使得銻化鎵電池通過熱電轉化效應轉化為更多的電能。

2.根據權利要求1所述的基于數學建模對熱光伏中多層熱發射器參數的優化方法，其特征在于：所述的步驟S4中由能量守恒定理得出在單層結構下，發射光譜與介質特性的關系具體包括以下步驟：

S11：熱發射器發射的紅外輻射是紅光，光子本身是具有能量的，光子的能量公式為：

其中：h為普朗克常量，c為光速，λ為波長，n為折射率，

S12：發射光垂直打在介質上時，一部分會垂直反射，另一部分會打穿介質，并且光在穿過介質時，自身的能量會有一部分被介質所吸收，同一介質不同波長下的消光系數不同，介質所吸收光能的吸光度也不同；

吸光度的公式為：

其中：k為消光系數，d為介質的厚度，從而就可以得出介質所吸收的光的能量為：

E₁＝Ea (3)

S13：光在射入不同介質時會發生反射和折射現象，假設光的入射角為0，故此通過斯涅爾定律得出s波和p波的反射系數和透射系數關系式；

其中：r_s為s波的反射系數，t_s為s波的透射系數，r_p為p波的反射系數，t_p為p波的透射系數，θ₁和θ₂分別為入射角和反射角，n₁和n₂分別為第一種介質的折射率和第二種介質的折射率，由此得出反射率和透射率的關系式為：

R_S＝|r_s|²

由能量守恒：R_S+T_S＝1，R_P+T_P＝1，在垂直入射時

S14：熱發射器發射的紅外輻射是紅光，得到單層發射光譜與介質特性的關系式：

其中：h為普朗克常量，c為光在真空中的速度，λ₀為紅光的波長，λ為介質中的波長，d為介質的厚度。

3.根據權利要求1所述的基于數學建模對熱光伏中多層熱發射器參數的優化方法，其特征在于：所述的S5中還包括雙層熱反射器結構，所述兩層熱反射器結構中發射光譜與介質特性的關系式為：

其中：r₁是第一種介質的反射率，r₂為第二種介質的反射率，d₁，d₂分別是兩種介質的厚度，λ₁,λ₂分別為兩種介質的吸光度。