柱状微结构辐射器及热光伏系统

1.本公开涉及辐射器技术领域，尤其是涉及一种柱状微结构辐射器及热光伏系统。


背景技术：

2.热光电发电系统，是辐射器经过热源加热发射光谱，光谱经过滤波器的调制，到达半导体光伏电池并通过光电效应产生电能的发电系统。发明人发现，由于孔状周期性微结构辐射器的加工难度大，难以用于大面积制作，且调制效果还有待提升，导致没有精确贴合热光电发电系统特性的光谱发射率的辐射器。


技术实现要素：

3.本公开提供了一种柱状微结构辐射器，以解决发明人认识到的由于孔状周期性柱状微结构辐射器的加工难度大，难以用于大面积制作，导致没有精确贴合热光电发电系统特性的光谱发射率的辐射器的技术问题。
4.本公开提供了一种柱状微结构辐射器，包括：
5.辐射器本体，所述辐射器本体包括微结构组件，所述微结构组件包括底座和柱状结构，所述柱状结构与所述底座连接，所述柱状结构的数量设置有多个，且多个所述柱状结构均匀分布于所述底座上；以及
6.发电系统，所述发电系统包括热源部和隔热支撑结构，所述热源部设置于所述辐射器本体内，所述隔热支撑结构包括隔热框和支撑柱，所述辐射器本体和所述隔热框通过所述支撑柱相连接。
7.在上述任一技术方案中，进一步地，还包括热光电结构，所述热光电结构包括滤波器和光电晶元阵列，所述滤波器设置于所述辐射器本体与所述光电晶元阵列之间。
8.在上述任一技术方案中，进一步地，所述所述光电晶元阵列上设置有冷却装置，且所述光电晶元阵列固定连接于所述冷却装置内部。
9.在上述任一技术方案中，进一步地，所述辐射器本体的一端设置有第一盖板，所述辐射器本体的另一端设置有第二盖板，所述第一盖板与所述第二盖板分别可拆卸连接于所述辐射器本体。
10.在上述任一技术方案中，进一步地，所述辐射器本体包括至少六个侧面。
11.在上述任一技术方案中，进一步地，所述辐射器本体的材质为钽。
12.在上述任一技术方案中，进一步地，所述光电晶元阵列还包括光伏电池，所述光伏电池适配于所述辐射器本体。
13.在上述任一技术方案中，进一步地，所述光伏电池包括锑化镓光伏电池。
14.在上述任一技术方案中，进一步地，所述光伏电池包括铟镓砷光伏电池。
15.本公开还提供了一种热光伏系统，包括所述的柱状微结构辐射器。
16.本公开的有益效果主要在于：本公开提供的柱状微结构辐射器，结构呈周期性圆柱状排列，圆柱半径r，周期α，高度h，以1100℃工作温度下的锑化镓光伏电池和铟镓砷光伏
电池为例进行说明，在提升有效波段发射率的同时尽可能减少了有效波段以外的发射率，对比普通金属作为辐射器，柱状微结构辐射器在有效波段的辐射能量大幅增加，有效波段占比显著提升，同时，在高温热光伏电池中，本公开提供的微结构辐射器仅发射有效波段内光谱，能提升内部保温效果，结合两端低导热的隔热框，即能在发射光谱、保温隔热两方面有效提高热光电系统最终的电能转换效率。
17.本公开提供针对小带隙波段的圆柱状易加工的高选择性光谱发射率辐射器，最终实现提升热光电发电系统的效率及减轻系统散热压力的目的，根据不同材料及工作温度可扩展应用。
18.应当理解，前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时，说明书和附图用来解释本公开的原理。
附图说明
19.为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本公开实施例的微结构组件立体结构示意图；
21.图2为本公开实施例的辐射器本体立体结构示意图；
22.图3为本公开实施例的隔热支撑结构示意图；
23.图4为本公开实施例的热光电结构示意图；
24.图5为本公开实施例中辐射器本体与普通金属辐射器针对锑化镓电池发射效率曲线对比示意图；
25.图6为本公开实施例中安装有辐射器本体与普通金属辐射器针对锑化镓电池在系统中电能转换效率对比示意图；
26.图7为本公开实施例中辐射器本体与普通金属辐射器针对铟镓砷电池发射率曲线对比示意图；
27.图8为本公开实施例中辐射器本体与普通金属辐射器针对铟镓砷电池在系统中电能转换效率对比示意图。
28.图标：
29.100-辐射器本体；101-微结构组件；102-底座；103-柱状结构；104-第一盖板；105-第二盖板；200-发电系统；201-热源部；202-隔热支撑结构；203-隔热框；204-支撑柱；300-热光电结构；301-滤波器；302-光电晶元阵列。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。
31.基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
32.在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
34.请参阅图1、图2、图3和图4，在一个或多个实施例中提供了一种柱状微结构辐射器，其包括：辐射器本体100和发电系统200，辐射器本体100包括微结构组件101，微结构组件101包括底座102和柱状结构103，柱状结构103与底座102连接，柱状结构103的数量设置有多个，且多个柱状结构103均匀分布于底座102上；发电系统200包括热源部201和隔热支撑结构202，热源部201设置于辐射器本体100内，隔热支撑结构202包括隔热框203和支撑柱204，辐射器本体100和隔热框203通过支撑柱204相连接。
35.在一些实施例中，辐射器本体100包括至少六个侧面，本公开提供的附图中a代表辐射器本体100中的一个侧面，热源部201选取六棱柱体状，其大小结构均可进行调整，旨在辐射器本体100在安装过程中不影响微结构组件101的条件下直接使用，热源部201核心温度约为1100℃，通过选用本公开提供的热源部201可以大大减少对于不同热源造成的验证成本。
36.在一些实施例中，辐射器本体100的一端设置有第一盖板104，辐射器本体100的另一端设置有第二盖板105，第一盖板104与第二盖板105分别可拆卸连接于辐射器本体100，辐射器本体100通过第一盖板104与第二盖板105进行支撑和固定，第一盖板104与第二盖板105的外侧面分别用隔热框203固定，防止热量从第一盖板104与第二盖板105流失，隔热框203可以采用常用的高效隔热材料气凝胶隔热框203，气凝胶导热系数为0.026w/(m
·
k)，第一盖板104与第二盖板105的边长大于热源部201外侧2毫米，将辐射器本体100的六个面结构分别卡设在热源部201的四周，通过第一盖板104与第二盖板105进行支撑和固定，在具体设置时，为减小固体传热面积，热源部201及辐射器本体100通过四个支撑柱204固定连接于隔热框203；微结构组件101中的柱状结构103可以是圆柱结构，柱状结构103的轴向方向与底座102的上表面垂直连接，以构成辐射器。
37.需要说明的是，辐射器本体100的柱状结构103可由模板转印、化学刻蚀的方法制作，具体方法为，利用无表面活性剂乳液合成法合成所需直径的纳米球，以紧密排布的纳米球转印，通过磁控溅射技术在所需底座102上制备大面积金纳米孔阵列模板，底座102与金层接触区域经过垂直化学刻蚀形成大面积的纳米柱，即柱状结构103，去除剩余金层后留下圆柱形微结构，通过上述方法有效避免微结构柱体的变形、结块。
38.在一些实施例中，还包括热光电结构300，热光电结构300包括滤波器301和光电晶元阵列302，滤波器301设置于辐射器本体100与光电晶元阵列302之间，光电晶元阵列302上设置有冷却装置，且光电晶元阵列302通过焊接固定连接于冷却装置内部，冷却装置用于对
光电晶元阵列302的散热处理；滤波器301设置于辐射器本体100与光电晶元阵列302之间，在具体设置时，滤波器301在距离辐射器本体100的1-5厘米处，通过隔热框203固定。光电晶元阵列302还包括用于红外辐射转化为电能的光伏电池，光伏电池与辐射器本体100结合使用，辐射器本体100还包括用于调节热源部201温度的热控模块，以使热源部201可以维持在指定温度。
39.在一些实施例中，热源部201在波长间隔λ～λ+dλ经辐射器本体100及滤波器301调制，转换的净辐射热通量q(λ)dλ即为：
[0040][0041]
其中，ε为辐射器本体100在波长λ的发射率；c为光速，c＝3.0
×
108m/s；t为热源表面温度；k为玻尔兹曼常数，k＝1.380649
×
10-23
j/k；r为滤波器301光谱反射率。
[0042]
辐射器转换的能量由光子的形式存在，光谱到达光电晶元阵列302表面发生光电效应，由光子能量hv＝hc/λ，光电转换区域内光伏电池覆盖区域比例为α，得到在波长间隔λ～λ+dλ内的光通量：
[0043][0044]
其中，h为普朗克常数，h＝4.136
×
10-15
ev
·
s。
[0045]
经过光电效应产生的电通量为：
[0046][0047]
系统电能转换效率即最终产生的电功率与热源输入功率的比值。
[0048]
在一些实施例中，辐射器本体100的材质为钽，其中钽可以是钽的混合物，钽具有耐高温性，辐射器本体100的等效折射率为：
[0049][0050]
其中，n1为折射率；上式中，占空比
[0051]
请参阅如5和图6，进一步的，光伏电池包括锑化镓光伏电池，锑化镓材料禁带宽度0.7ev，针对辐射器本体100适用的热光电结构300，热源部201核心温度约为1100℃，量子效率曲线主要集中在0.4-1.8μm波段；对于匹配锑化镓光伏电池的周期性柱状微结构辐射器，柱状结构103的半径r＝0.2μm，周期α＝1μm，柱状结构103高度h＝1μm，在波长1.6μm前，柱状微结构辐射器平均发射率在0.8左右，明显高于光滑金属钽，波长2μm以后，发射率低于0.2，且在小于0.1处趋于平滑，基本不向外辐射能量。用单位平方厘米面积辐射能量表征发射光谱性能，在0.4-1.8μm波段，柱状微结构辐射器的调制效果为：
[0052][0053]
对于一套完整系统的热光电转换体系，经计算，在热源部201核心温度1100℃、光电晶元阵列302工作温度5℃时，辐射器本体100有效波段发射率占比提高了71.3％，系统最终电能转换效率提高了23.17％。
[0054]
请参阅图7和图8，进一步的，光伏电池包括铟镓砷光伏电池，铟镓砷材料禁带宽度0.55ev，辐射器本体100适用的热源部201核心温度约为1100℃，量子效率曲线主要集中在1-2.2μm波段，对于匹配铟镓砷光伏电池的周期性柱状微结构辐射器，柱状结构103的半径r＝0.3μm，周期α＝1.3μm，柱状结构103的高度h＝1.1μm，在波长1-2μm间，柱状微结构辐射器平均发射率高于0.8，由于仿真误差导致图中出现发射率高于1的点，波长2μm以后，发射率低于0.2，且在小于0.1处趋于平滑，在1-2.2μm波段，柱状微结构辐射器的调制效果为：
[0055][0056][0057]
对于一套完整系统的热光电转换体系，经计算，在热源部201核心温度1100℃、光电晶元阵列302工作温度5℃时，辐射器本体100有效波段发射率占比提高了66.45％，系统最终电能转换效率提高了27.55％。
[0058]
在一个或多个实施例中还提供了一种热光伏系统，其包括如上所述任一实施例中提供的柱状微结构辐射器，其中辐射器本体100可用于红外辐射转化电能的同位素热光伏系统中。
[0059]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。