基于发射率机理模型的多光谱发射率原位测量技术研究

Emissivity measurements have an important scientific value for coatings deposited on the collector tubes to improve the design and preparation. Multi-spectral emissivity measurement method is measuring the radiation information of the target and using the emissivity assumption model to calculate its emissivity by the data processing. With spectral selective absorption characteristics, hypothesis model is difficult to satisfy the complex emissivity change law of collector tubes coatings, which result in the problem that the accuracy of measurements is imponderable. Based on the emissivity measurement technology of the coating sample, this application is proposed to research on the in-situ and multi-spectral measurement technology using the emissivity mechanism model. Through the analysis of the influence law of doping volume number and film thickness on the reflectivity of the composite film, the emissivity model of coatings based on the selective absorption mechanism is established. The solution of multiple minimum constraint equations of the spectral radiant intensity is implemented by researching of the emissivity model parameter optimization algorithm based on the adaptive simulated annealing principle. With the development of the high vacuum and wide spectrum multi-spectral emissivity measurement system, the emissivity of collector tube coatings is in-situ measured in 0.4-20μm and at 200-600℃. Measurement results become the key technology indicator to characterize the solar-heat energy conversion efficiency of collector tubes, and have an important and far-reaching significance for improving the efficiency of concentrating solar power.

发射率测量对集热管涂层理论设计的优化、制备工艺的提高具有重要的指导作用。多光谱发射率测量方法是通过测量目标的多个光谱辐射信息，利用发射率假设模型，经数据处理得到发射率。集热管涂层具有显著的光谱选择吸收特性，假设模型难以符合其发射率变化的复杂规律，导致测量的准确性不可估计。本申请是在涂层样品发射率测量技术研究的基础上，进行基于发射率机理模型的多光谱发射率原位测量技术研究。通过研究各层膜的掺杂体积数、膜厚度对复合膜系反射率的影响规律，建立基于选择性吸收机理的发射率模型；研究基于自适应模拟退火原理的发射率模型参数优化算法，对多个光谱辐射亮度的最小约束方程进行求解；研制高真空、宽光谱的多光谱发射率测量系统，在0.4-20μm、200-600℃对集热管涂层的发射率进行原位测量，光谱发射率测量结果成为表征集热管太阳能-热能转换效率的关键技术指标，对提高太阳能热发电系统效率具有深远的意义。

自然基金项目《基于发射率机理模型的多光谱发射率原位测量技术研究》，针对太阳能光热利用涂层的光谱发射率测量问题，以金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的结构为切入点，深入分析了涂层发射率的光谱选择性吸收机理，确定影响涂层光谱发射率变化的关键参数，研究金属膜的电磁波穿透深度及反射特性、金属掺杂体积数对吸收层光学常数的影响、膜厚对膜系反射率的影响及减反膜对涂层反射率的影响，提出以膜材料光学常数和膜层结构参数为参变量的金属-陶瓷太阳能选择性吸收涂层的光谱发射率建模方法。.分析太阳能集热管管壁涂层的表面辐射规律，提出一种适用于集热管涂层辐射亮度的原位检测方法。研究探测器波长光谱响应度与自身温度的变化规律，对辐射计光谱响应度的温漂进行修正，消除自身温度变化对探测器输出电压的影响，根据当前温度与设定的加热温度之间的温度差，对目标温度进行动态赋值，解决了真空热惯性所导致的温度超调问题，并成功应用于研制的太阳能集热管原位多光谱测量装置，实现了200-600℃集热管涂层原位0.4-20μm光谱辐射亮度的精确测量。.在多光谱辐射测温理论的基础上，分析了光谱辐射亮度理论计算值与检测值之间的约束条件，研究约束方程最小化的优化算法，利用涂层表面光谱辐射亮度的测量值对发射率模型的各结构参数进行优化，得到发射率模型参数的最优值，提出集热管涂层多光谱测量数据的温度和发射率解算。.基于提出的基于机理模型的发射率建模方法，建立了MO-SiO2金属陶瓷太阳能选择性涂层的光谱发射率模型。应用已研制的多光谱原位发射率测量装置对集热管组件进行了测量实验。实验结果成为表征其太阳辐射能吸收能力和自身热辐射损失能力的关键性技术指标，对增强集热管涂层的光谱选择吸收特性、提高太阳能热发电系统效率具有重要且深远的意义，为多膜系材料的理论研究、太阳能集热管的生产提供检测仪器和表征手段。