CN114623609A - 一种基于泡沫材料的高效光热转换方法 - Google Patents

一种基于泡沫材料的高效光热转换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于泡沫材料的高效光热转换方法，属于新材料制备技术领域，建立泡沫材料的多尺度结构数据库；分析高密度辐射能流作用在泡沫肋筋上时的传播规律；总结泡沫材料不同结构尺寸的光热转换效应，可结合影响泡沫材料辐射传输的因素进行修正；量化泡沫材料表观和介质辐射特性与其孔隙结构及材质物性间的依变关系；以泡沫材料内光‑热特性信息的跨尺度传递规律为基础，反向设计具有特定光‑热转换效率的泡沫材料多尺度结构；本发明在研究泡沫材料的基础上，提高太阳能光热转换效率，解决该技术涉及到的泡沫材料与其高温热应用的匹配、控制、优化等关键问题，可促进太阳能光热转换技术的发展，使泡沫材料在该技术领域发挥到最大效能。

Description

一种基于泡沫材料的高效光热转换方法
技术领域
本发明属于新材料制备技术领域，特别是涉及一种基于泡沫材料的高效光热转换方法。
背景技术
太阳能是一种可再生的清洁能源，其取之不尽用之不竭，在光热转换、光伏转换以及光化学转换等领域有着广泛的应用。基于太阳能光热转换，影响其高效利用的两个主要因素是光热转换效率和热能利用率，在太阳能高效光热转换过程中，因泡沫材料具有耐磨损、耐高温、抗腐蚀、比表面积大等优良特性，通常将泡沫材料作为光热转换材料。光热转换技术从发展到现在还并没有太过成熟，究其原因是尚未开发出低成本、制备方法简单且转换效率高的光热转化材料，特别是材料内部的光热转换机理，成为太阳能光热转换领域需要解决的关键问题。
为此，人们试图制造出不同的泡沫材料来获得高效的光热转换效率。在提升太阳能吸收率方面，中国专利文献CN201910675183.X提供了一种泡沫镍基光热转换材料的制备方法，制造出的材料为一种半导体材料，具有较高的吸收率，此外，材料本身具有优异的光热转换性能，可以充分将吸收的光能转换为热能；在提升太阳能光热转换效率方面，中国专利文献CN201811395196.3提供了一种泡沫二氧化钛负载活性炭光热转换材料的制备方法，通过水果残渣的水热/高温煅烧碳化制备活性炭材料对泡沫二氧化钛进行表面沉积，可有效提升太阳光吸收范围和吸收强度，增大光热转换效率。
在上述专利中，申请人研究后发现：人们只是对泡沫材料的制取方法有过相关研究，对于太阳能光热转换这项新技术，缺乏对泡沫材料的光热转换机理与特性的研究，尤其是泡沫材料光谱辐射能量的跨尺度梯级调控机理和方法研究匮乏，导致针对高温应用的材料多尺度结构反设计研究受到相当限制，从而制约了泡沫材料的高温应用和太阳能高效光热转换技术的发展。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，公开了一种基于泡沫材料的高效光热转换方法，在研究泡沫材料的基础上，提高太阳能光热转换效率，解决该技术涉及到的泡沫材料与其高温热应用的匹配、控制、优化等关键问题，可促进太阳能光热转换技术的发展，使泡沫材料在该技术领域发挥到最大效能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于泡沫材料的高效光热转换方法，包括如下内容，步骤一：通过表征与重建泡沫材料的多尺度结构，得到泡沫材料的多尺度结构数据库；
步骤二：基于计算电磁学软件分析高密度辐射能流作用在泡沫肋筋上时的传播规律，重点研究反射、透射、散射、衰减、吸收行为；
步骤三：总结泡沫材料不同结构尺寸的光热转换效应，可结合影响泡沫材料辐射传输的因素进行修正；
步骤四：量化泡沫材料表观和介质辐射特性与其孔隙结构及材质物性间的依变关系，建立多尺度结构与跨尺度辐射特性信息间的自适应匹配机制；
步骤五：以泡沫材料内光-热特性信息的跨尺度传递规律为基础，针对典型的太阳能光热转换技术应用场景，反向设计具有特定光-热转换效率的泡沫材料多尺度结构；
步骤六：考虑设计与制造的差异，修正所设计的泡沫材料结构模型，形成一套典型泡沫材料的多尺度结构反向设计理论与方法；利用3D打印技术制造相应规格的泡沫材料；测量材料的光-热转换效率。
优选地，步骤一中：获取泡沫材料在宏尺度、孔尺度和微尺度上的孔隙形貌特征，建立典型泡沫材料的多尺度结构数据库；其中，宏尺度以工程应用为指导描述泡沫板材的宏观尺寸；孔尺度主要定量描述材料的孔隙率、孔隙直径、孔隙元胞构型、肋筋直径、肋筋纵向形状、肋筋断面形状、肋筋中空特征；微尺度主要考虑肋筋表面粗糙度、肋筋内部微粒直径/分布/堆积密度。
优选地，采用SEM技术和μ-CT技术扫描泡沫材料，获取泡沫材料在不同尺度上的孔隙形貌特征。
优选地，对泡沫材料内微尺度向孔尺度的光学信息传递，采用FDTD法模拟获取肋筋骨架表面代表性微结构的双向反射分布函数、方向-半球反射比、镜漫反射比重数据；若泡沫肋筋基材具有半透明性，还需获取其内部微孔隙/微粒群的等效衰减系数、散射反照率和散射相函数特性数据；将从微尺度模拟所得上述光学参数传递给孔尺度模拟使用，用于肋筋光学特性的赋值；
对泡沫材料内孔尺度向宏尺度的光学特性信息传递，基于光线传输平均自由程和散射分布统计模型，采用MCRT法或DO模型模拟获取泡沫孔隙仿真结构和μ-CT扫描结构的等效衰减系数、散射反照率和散射相函数数据；将从孔尺度模拟所获取的上述光学特性数据传递给宏尺度模拟使用，用于宏观等效介质的光学特性赋值。
优选地，步骤三中：根据空间坐标关系，将所得热源项加载进能量方程，求解能量方程，获得温度场；
考虑泡沫材料微尺度-孔尺度、孔尺度-宏尺度的光致热效应，并结合肋筋微结构、材质光谱选择性、半透明性因素进行修正、更新温度场；合理调节泡沫材料的多尺度结构和基材光学/导热物性，控制其光-热特性发生改变，使其尽可能涵盖更宽的数据范围。
优选地，步骤四中：分别从宏尺度、孔尺度、微尺度层次量化评估泡沫材料结构和物性参数对光-热传输的影响程度，通过对比所建立的泡沫材料多尺度结构数据库，按影响强弱将泡沫材料的多尺度结构数据分为三个梯度等级：宏尺度的外观尺寸W、D、L；孔尺度的孔隙率
Figure BDA0003531894060000031
胞径dc、肋筋形状t、k、h；微尺度的肋筋表面粗糙度Ra、Ry、肋筋内部微孔隙孔径dp0、肋筋孔隙率
Figure BDA0003531894060000032
确定结构调控时的优先顺序；引入辐射特性优化评价函数，适时调用跨尺度辐射特性数据库，依次从宏尺度、孔尺度、微尺度层次上按优先级顺序迭代优化出最佳的辐射特性组合，然后将优化选择出的跨尺度辐射特性数据与多尺度结构数据进行反向匹配，依次从宏尺度、孔尺度、微尺度层次上确定对应的泡沫材料多尺度结构参数。
优选地，步骤六中：根据所设计的泡沫材料多尺度结构方案，编制用户应用程序接口控制建模软件进行泡沫材料多尺度结构的自动化仿真重建，导出数据用于3D打印，利用3D打印技术制造相应规格的泡沫材料，然后利用SEM和μ-CT技术获取所打印泡沫材料的多尺度结构形貌数据，考察所得材料结构与设计方案的相近程度；测量泡沫材料的表观光谱辐射特性，主要是定向-定向透射比、定向-定向反射比、定向发射比数据，验证所设计的泡沫材料是否具备特定的辐射性能，进而验证理论和模型的正确性与可靠性。
本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：
1、本发明立足我国太阳能光热转换技术的发展需求，通过对泡沫材料孔隙尺度层次的细观光-热传输建模与分析，清楚了解孔隙结构形态、参数及材质性质如何影响泡沫材料的光-辐射-热转换过程与特性；同时，准确预测泡沫材料的表观和介质光热特性参数，可弥补实验数据的缺乏。
2、本发明通过研究高密度辐射能流在泡沫肋筋中的产热机理和产热规律，相关研究进展将会为泡沫材料中的光-热输运过程分析提供可靠的理论基础和技术支撑，从而促进泡沫材料的设计、生产和应用，进而推动以高孔隙泡沫材料为热输运媒介的太阳能光热技术的发展。同时，相关研究还具有较高的理论价值，有利于促进光学、传热学、拓扑学等在孔隙材料领域的快速发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程图；
图2为泡沫材料内辐射特性信息的跨尺度传递示意图；
其中，1—光热转换***；2—宏尺度；3—孔尺度；4—微尺度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至2所示，本发明提供一种基于泡沫材料的高效光热转换方法，步骤一：通过表征与重建泡沫材料的多尺度结构，得到泡沫材料的多尺度结构数据库；具体的，采用目前最有效的SEM技术和μ-CT技术扫描、获取泡沫材料在宏尺度2、孔尺度3和微尺度4上的孔隙形貌特征，建立典型泡沫材料的多尺度结构数据库；其中，宏尺度2以工程应用为指导描述泡沫板材的宏观尺寸；孔尺度3主要定量描述材料的孔隙率、孔隙直径、孔隙元胞构型(LordKelvin型、Weaire-Phelan型、Voronoi镶嵌型等)、肋筋直径、肋筋纵向形状(纺锤形)、肋筋断面形状(内凹、外凸等)、肋筋中空特征；微尺度4主要考虑肋筋表面粗糙度、肋筋内部微粒直径/分布/堆积密度；当然还可以引入泡沫材料中不同尺寸结构的其他孔隙形貌特征。
步骤二：基于计算电磁学软件分析高密度辐射能流作用在泡沫肋筋上时的传播规律，重点研究反射、透射、散射、衰减、吸收行为；具体的，对泡沫材料内微尺度4向孔尺度3的光学信息传递，采用FDTD法模拟获取肋筋骨架表面代表性微结构的双向反射分布函数(BRDF)、方向-半球反射比、镜漫反射比重数据；若泡沫肋筋基材具有半透明性，还需获取其内部微孔隙/微粒群的等效衰减系数、散射反照率和散射相函数特性数据；将从微尺度4模拟所得上述光学参数传递给孔尺度3模拟使用，用于肋筋光学特性的赋值；
对泡沫材料内孔尺度3向宏尺度2的光学特性信息传递，基于光线传输平均自由程和散射分布统计模型，采用MCRT法或DO模型模拟获取泡沫孔隙仿真结构和μ-CT扫描结构的等效衰减系数、散射反照率和散射相函数数据；将从孔尺度3模拟所获取的上述光学特性数据传递给宏尺度2模拟使用，用于宏观等效介质的光学特性赋值。
步骤三：总结泡沫材料不同结构尺寸的光热转换效应，可结合影响泡沫材料辐射传输的因素进行修正；具体的，根据空间坐标关系，将所得热源项加载进能量方程，求解能量方程，获得温度场；
考虑泡沫材料微尺度4-孔尺度3、孔尺度3-宏尺度2的光致热效应，并结合肋筋微结构、材质光谱选择性、半透明性因素进行修正、更新温度场；合理调节泡沫材料的多尺度结构和基材光学/导热物性，控制其光-热特性发生改变，使其尽可能涵盖更宽的数据范围。
步骤四：量化泡沫材料表观和介质辐射特性与其孔隙结构及材质物性间的依变关系，建立多尺度结构与跨尺度辐射特性信息间的自适应匹配机制；具体的，分别从宏尺度2、孔尺度3、微尺度4层次量化评估泡沫材料结构和物性参数对光-热传输的影响程度，通过对比所建立的泡沫材料多尺度结构数据库，按影响强弱将泡沫材料的多尺度结构数据分为三个梯度等级：宏尺度2的外观尺寸W、D、L；孔尺度3的孔隙率
Figure BDA0003531894060000051
胞径dc、肋筋形状t、k、h；微尺度4的肋筋表面粗糙度Ra、Ry、肋筋内部微孔隙孔径dp0、肋筋孔隙率
Figure BDA0003531894060000052
确定结构调控时的优先顺序；引入辐射特性优化评价函数，适时调用跨尺度辐射特性数据库，依次从宏尺度2、孔尺度3、微尺度4层次上按优先级顺序迭代优化出最佳的辐射特性组合，然后将优化选择出的跨尺度辐射特性数据与多尺度结构数据进行反向匹配，依次从宏尺度2、孔尺度3、微尺度4层次上确定对应的泡沫材料多尺度结构参数。
步骤五：以泡沫材料内光-热特性信息的跨尺度传递规律为基础，针对典型的太阳能光热转换技术应用场景，反向设计具有特定光-热转换效率的泡沫材料多尺度结构；
步骤六：考虑设计与制造的差异，修正所设计的泡沫材料结构模型，形成一套典型泡沫材料的多尺度结构反向设计理论与方法；利用3D打印技术制造相应规格的泡沫材料；测量材料的光-热转换效率。具体的，根据所设计的泡沫材料多尺度结构方案，编制用户应用程序接口控制建模软件进行泡沫材料多尺度结构的自动化仿真重建，导出数据用于3D打印，利用3D打印技术制造相应规格的泡沫材料，然后利用SEM和μ-CT技术获取所打印泡沫材料的多尺度结构形貌数据，考察所得材料结构与设计方案的相近程度；测量泡沫材料的表观光谱辐射特性，主要是定向-定向透射比、定向-定向反射比、定向发射比数据，验证所设计的泡沫材料是否具备特定的辐射性能，进而验证理论和模型的正确性与可靠性。
对上述步骤制备出的泡沫材料置于光电转换***1中进行对比试验，当聚光比为600：1时，光-热转换效率(以热量计)比现有文献数据提高10％以上；当聚光比为1000：1时，光-热转换效率(以热量计)比现有文献数据提高5％以上。以聚光比600：1进行具体说明：基于本发明的具体步骤，利用3D打印技术制造了相应规格的泡沫材料，并将其应用在一台聚集太阳能高温泡沫吸热器上，并利用该装置进行光热转换效率的测试实验，在太阳辐射正常的情况下，选择氦气作为传热流体，进气温度设置为300K，气体进入该装置后，出口气体温度最高可达1500K，经计算该装置的光热转换效率大于70％，而现有技术的光热转换在60％左右。因此，利用该方法对泡沫材料进行设计，对光热效率的提升有很大帮助。
综上，本发明以泡沫材料的高温应用为牵引，将其应用于太阳能光热转换技术中，基于空间聚集高密度辐射能流对泡沫肋筋的光学作用机理，开展泡沫肋筋在高密度光辐射作用下的产热机理及产热规律研究，进而，针对该技术的应用场景，反向设计具有特定光热转换效率的泡沫材料多尺度结构，考虑设计与制造的差异，修正所设计的泡沫材料结构模型，利用3D打印技术制造相应规格的泡沫材料，测量材料的光热转换效率，形成一套提升太阳能光热转换效率的方法与策略，突破太阳能光热转换技术中的相关高温热利用技术瓶颈。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于泡沫材料的高效光热转换方法，其特征在于，包括如下内容：
步骤一：通过表征与重建泡沫材料的多尺度结构，得到泡沫材料的多尺度结构数据库；
步骤二：基于计算电磁学软件分析高密度辐射能流作用在泡沫肋筋上时的传播规律，重点研究反射、透射、散射、衰减、吸收行为；
步骤三：总结泡沫材料不同结构尺寸的光热转换效应，可结合影响泡沫材料辐射传输的因素进行修正；
步骤四：量化泡沫材料表观和介质辐射特性与其孔隙结构及材质物性间的依变关系，建立多尺度结构与跨尺度辐射特性信息间的自适应匹配机制；
步骤五：以泡沫材料内光-热特性信息的跨尺度传递规律为基础，针对典型的太阳能光热转换技术应用场景，反向设计具有特定光-热转换效率的泡沫材料多尺度结构；
步骤六：考虑设计与制造的差异，修正所设计的泡沫材料结构模型，形成一套典型泡沫材料的多尺度结构反向设计理论与方法；利用3D打印技术制造相应规格的泡沫材料；测量材料的光-热转换效率。
2.根据权利要求1所述的基于泡沫材料的高效光热转换方法，其特征在于，步骤一中：获取泡沫材料在宏尺度、孔尺度和微尺度上的孔隙形貌特征，建立典型泡沫材料的多尺度结构数据库；其中，宏尺度以工程应用为指导描述泡沫板材的宏观尺寸；孔尺度主要定量描述材料的孔隙率、孔隙直径、孔隙元胞构型、肋筋直径、肋筋纵向形状、肋筋断面形状、肋筋中空特征；微尺度主要考虑肋筋表面粗糙度、肋筋内部微粒直径/分布/堆积密度。
3.根据权利要求2所述的基于泡沫材料的高效光热转换方法，其特征在于，采用SEM技术和μ-CT技术扫描泡沫材料，获取泡沫材料在不同尺度上的孔隙形貌特征。
4.根据权利要求2所述的基于泡沫材料的高效光热转换方法，其特征在于，对泡沫材料内微尺度向孔尺度的光学信息传递，采用FDTD法模拟获取肋筋骨架表面代表性微结构的双向反射分布函数、方向-半球反射比、镜漫反射比重数据；若泡沫肋筋基材具有半透明性，还需获取其内部微孔隙/微粒群的等效衰减系数、散射反照率和散射相函数特性数据；将从微尺度模拟所得上述光学参数传递给孔尺度模拟使用，用于肋筋光学特性的赋值；
对泡沫材料内孔尺度向宏尺度的光学特性信息传递，基于光线传输平均自由程和散射分布统计模型，采用MCRT法或DO模型模拟获取泡沫孔隙仿真结构和μ-CT扫描结构的等效衰减系数、散射反照率和散射相函数数据；将从孔尺度模拟所获取的上述光学特性数据传递给宏尺度模拟使用，用于宏观等效介质的光学特性赋值。
5.根据权利要求4所述的基于泡沫材料的高效光热转换方法，其特征在于，步骤三中：根据空间坐标关系，将所得热源项加载进能量方程，求解能量方程，获得温度场；
考虑泡沫材料微尺度-孔尺度、孔尺度-宏尺度的光致热效应，并结合肋筋微结构、材质光谱选择性、半透明性因素进行修正、更新温度场；合理调节泡沫材料的多尺度结构和基材光学/导热物性，控制其光-热特性发生改变，使其尽可能涵盖更宽的数据范围。
6.根据权利要求5所述的基于泡沫材料的高效光热转换方法，其特征在于，步骤四中：分别从宏尺度、孔尺度、微尺度层次量化评估泡沫材料结构和物性参数对光-热传输的影响程度，通过对比所建立的泡沫材料多尺度结构数据库，按影响强弱将泡沫材料的多尺度结构数据分为三个梯度等级：宏尺度的外观尺寸W、D、L；孔尺度的孔隙率
Figure FDA0003531894050000021
胞径dc、肋筋形状t、k、h；微尺度的肋筋表面粗糙度Ra、Ry、肋筋内部微孔隙孔径dp0、肋筋孔隙率
Figure FDA0003531894050000022
确定结构调控时的优先顺序；引入辐射特性优化评价函数，适时调用跨尺度辐射特性数据库，依次从宏尺度、孔尺度、微尺度层次上按优先级顺序迭代优化出最佳的辐射特性组合，然后将优化选择出的跨尺度辐射特性数据与多尺度结构数据进行反向匹配，依次从宏尺度、孔尺度、微尺度层次上确定对应的泡沫材料多尺度结构参数。
7.根据权利要求6所述的基于泡沫材料的高效光热转换方法，其特征在于，步骤六中：根据所设计的泡沫材料多尺度结构方案，编制用户应用程序接口控制建模软件进行泡沫材料多尺度结构的自动化仿真重建，导出数据用于3D打印，利用3D打印技术制造相应规格的泡沫材料，然后利用SEM和μ-CT技术获取所打印泡沫材料的多尺度结构形貌数据，考察所得材料结构与设计方案的相近程度；测量泡沫材料的表观光谱辐射特性，主要是定向-定向透射比、定向-定向反射比、定向发射比数据，验证所设计的泡沫材料是否具备特定的辐射性能，进而验证理论和模型的正确性与可靠性。
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