[发明专利]基于十字架结构的超材料选择性辐射器

说明书

技术领域

本发明涉及一种可用于太阳能热光伏系统的辐射器，具体涉及一种基于十字架结构的超材料选择性辐射器，属于太阳能热光伏设备领域。

背景技术

太阳能热光伏系统(STPV)是通过吸波器吸收太阳光来加热辐射器，再由光伏电池将辐射器辐射的能量转换为电能的技术。在太阳能热光伏系统的核心是吸波-辐射单元，太阳光照射到吸波-辐射单元上被吸波器吸收，使单元整体温度升高，然后通过辐射器向其后面的光伏电池辐射高于禁带宽度的窄带光谱。从辐射器的角度来说，若要实现高效率的太阳能热光伏系统，辐射器辐射的频率要与后置光伏电池的禁带宽度相对应，即选择性辐射器。

根据基尔霍夫定律：吸收率等于发射率，设计一种选择性辐射器相当于设计一种选择性吸波器。近年来，超材料吸波器的研究一直进行着，但主要集中在雷达隐身(中国发明专利：一种宽角度极化不敏感的低RCS超材料吸波器，申请号：201510067717.2，申请日：2015.02.29)、通信(中国实用新型专利：一种天线及其吸波器，申请号：201621110199.4，申请日：2016.10.10)等方面。通过改变超材料单元结构的设计，可以改变其谐振频率和谐振强度，进而改变材料的介电常数和磁导率，使得器件在某个特定频率对电磁波接近100％的吸收，也就是100％的辐射。

有鉴于此，本发明提出一种可以用于太阳能热光伏系统的基于十字架结构的超材料选择性辐射器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有产品的不足，提供一种基于十字架结构的超材料选择性辐射器，可以用于太阳能热光伏系统，且只辐射光伏电池需要的光波，可以提高太阳能热光伏系统的效率；此外，该辐射器结构紧凑，成本低，结构简单。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于十字架结构的超材料选择性辐射器，包括多个周期性重复排列的基本单元，其特征在于，基本单元包括三层，自上而下依次为：金属十字架、耐高温的氧化铝介质和金属基板；金属十字架横向固定在氧化铝介质上表面的中间，氧化铝介质的下表面与金属基板固定连接；

金属十字架长L＝0.48μm，宽W＝0.1μm，厚D＝0.15μm，而且电场沿x轴方向、磁场沿y轴方向、电磁波沿z轴方向垂直入射。

进一步的，金属十字架和金属基板的材质均为金属钨，金属钨的光频介电常数ε_∞＝5，等离子频率ω_p＝0.97452×10¹⁶rad/s，碰撞频率ν＝0.91797×10¹⁴Hz。

进一步的，基本单元呈中心对称的正方形，边长P＝0.68μm。

进一步的，氧化铝介质的厚度d＝0.242μm，介电常数为ε＝9.4，损耗正切值t_d＝0.004。

本发明的有益效果是：将超材料吸波器和辐射器结合起来运用到太阳能热光伏系统中，提供了一种基于十字架结构的超材料选择性辐射器；该辐射器在频率为129.3THz、波长为2.33μm处的发射率达到99.6％，而InGaAsSb光伏电池的禁带宽度约为0.53eV，对应的频率约为128.3THz，所以该辐射器不仅可用于太阳能热光伏系统而且与InGaAsSb光伏电池的匹配度非常高，即该辐射器只辐射光伏电池需要的光波，可以提高太阳能热光伏系统的效率。此外，该辐射器结构紧凑，成本低，结构简单。

附图说明

图1是本发明所述的基于十字架结构的超材料选择性辐射器基本单元的立体结构图。

图2是本发明所述的基于十字架结构的超材料选择性辐射器的发射率。

图3是本发明所述的基于十字架结构的超材料选择性辐射器的吸收率和反射率。

图4是本发明所述的基于十字架结构的超材料选择性辐射器的特性阻抗参数。

图5是本发明所述的基于十字架结构的超材料选择性辐射器的俯视图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。如图1和5所示，本发明所述的基于十字架结构的超材料选择性辐射器，包括多个周期性重复排列的基本单元，基本单元呈中心对称的正方形，边长P＝0.68μm。基本单元包括三层，自上而下依次为：金属十字架、耐高温的氧化铝介质和金属基板。金属十字架横向固定在氧化铝介质上表面的中间，氧化铝介质的下表面与金属基板固定连接。