吸收效率（精选4篇）
吸收效率 篇1
摘要：吸附-吸收油气回收工艺是目前油库及装卸系统应用最为普遍回收技术, 相对于其他油气回收技术, 吸附-吸收工艺具有能耗低、处理量大和吸收效率高等优势。为满足环境保护的要求, 我车间于2015年建成处理能力300m3/h的公路油气回收系统, 本文根据装置实际运行情况, 对选择工艺提供指导性建议, 并对存在的问题提出改进方案。
关键词：吸附-吸收工艺,油气,回收效率
车用汽油的成分比较复杂, 主要是烷烃, 从碳四到碳十二, 以碳五到碳九为主, 其中的轻组分具有很强的挥发性, 油品灌装过程中, 一部分轻烃组分汽化挥发至大气中, 将油品灌装过程中挥发的油气进行回收, 不仅可以减少油品数量损失和环境污染, 还能消除安全隐患。
1. 吸附-吸收工艺简介
吸附-吸收工艺包括油气收集和油气处理两个过程:油气回收鹤管对密闭油罐中挥发油气进行收集属于收集阶段;收集的油气通过管线经气液分离罐进入吸附罐和喷淋塔, 油气经过吸附、解析和吸收属于处理阶段。
吸附-吸收工艺是利用吸附剂将油气中的烃类组份吸附在其表面, 将烃类组份与空气分离, 当吸附剂吸附饱和后通过降压解析进行再生, 利用真空泵对吸附罐抽真空, 吸附罐压力下降时吸附剂失去吸附能力 (真空度越低, 吸附剂吸附能力越差) , 此时烃类组份脱离活性炭表面, 雾状烃类组份在喷淋塔中用车用汽油进行吸收, 从而将烃类组份回收, 具体流程如图所示。
2. 影响回收效率的因素
吸附剂的选用、活性炭吸附油气数量、活性炭吸附次数、活性炭温度、吸附罐真空度等因素对整个装置的回收效率都有重要的影响。
(1) 吸附剂的选用
本装置使用的吸附剂是活性炭, 活性炭的特性是表面积很大, 因此具有很强的吸附作用, 与其它吸附剂相比, 它主要具有以下三个优点:
①因为它具有很大的表面积, 因此可以吸附更多的烃类分子。②对热量的吸附强度一般要低于其它吸附剂, 因而比较容易解析, 使用的能耗也较低。③活性炭吸附法能够吸收低浓度的油气, 使油气浓度控制范围较大, 满足不同数量货位同时灌装油品。
(2) 活性炭吸附油气数量
每次活性炭吸附油气数量越少, 油气在活性炭滞留时间也就越长, 油气的吸附效果亦越高;反之, 吸附效果越低。
(3) 活性炭吸附次数
活性炭吸附率随吸附循环次数增加而降低, 原因有以下几点:
①吸附的油气中所生成的高分子物质在活性炭中不断蓄积, 在吸附热的作用下, 吸附物质通过化学反应, 活性炭中的有效孔隙被堵塞, 活性炭吸附表面积逐渐减少。
②吸附解析过程中不能将所有油气解析出来, 随着循环使用次数的增多, 活性炭将不断聚积烃类组份, 使得活性碳吸附功能不断下降。
(4) 活性炭温度
油气进入吸附罐后, 油气中烃组分被活性炭吸附的过程是一个放热的过程。因为在灌装过程中排放的油气体积较大, 而活性炭的导热能力比较低, 这样吸附热使热量不断蓄积致使吸附床层温度剧烈上升。吸附热对油气回收装置的不利影响有二:
①碳床温度上升对活性炭的吸附性能的影响是直接的, 造成吸附率下降, 直接使活性炭使用寿命缩短。20℃时活性炭的油气吸附率为34%, 活性炭在30℃时其吸附率却只有30%。②当活性炭床温度不断上升至活性炭的自燃点时, 则有发生爆炸引起火灾事故的可能。所以必须降低吸附罐进气温度, 提高活性炭床的吸附效率和安全性。
(5) 吸附罐真空度
吸附罐真空度越高, 活性炭的吸附能力越低, 活性炭的再生效果越好, 油气的吸附效率越高;但不能为了提高吸附效果, 将真空度一直提高, 本装置使用的真空泵运行20min可使吸附罐压力降至3KPa, 但将吸附罐压力降至2KPa需用80min, 虽然提高了吸附效果, 但吸附效率大幅降低。
3. 提高回收效率方案
(1) 油气在碳床的停留时间建议在10s以上, 本装置设定吸附罐单次吸附油气混合物为140m3, 保证回收效果的同时, 也不会影响回收速率。
(2) 定期进行深度解析, 即用真空泵对吸附罐进行长时间抽真空, 单个吸附罐深度解析时间不少于90min, 目的是为了将活性炭中聚积烃类组份全部解析, 本装置每月进行一次深度解析。
(3) 活性炭在使用前进行钝化处理, 活性炭通过48小时不间断进行吸附-再生操作, 经过钝化处理后活性炭活性降低, 在正常吸附过程中碳床不再产生较高的吸附热, 防止堵塞活性炭中的有效孔隙。
(4) 在满足生产运行的前提下, 尽可能增加真空泵运行时间, 本装置真空泵运行时间为25min。
4. 效果检查
(1) 装置回收油量统计
小组在对2016年1月-3月油气回收装置回收油量统计汇总的基础上, 将油气损失进行分类, 并绘制油气损失排列图。
小组对2017年7-9月份油气回收装置回收油量统计及柱状图如下:
从7-9月回收油量统计情况来看, 油气回收装置平均每次脱附回收油量由8.1Kg提高至13.8Kg。
(2) 装置出口油气浓度对比
2015年与2016年油气回收装置出口油气浓度检测数据对比:
从第三方检测机构的测试数据可以看出, 装置出口油气浓度2016年较2015年有明显下降。
5. 存在的不足
(1) 活性炭每次吸附解析的时候, 活性炭都会大量粉化并有大量活性炭孔隙被堵塞死亡, 初期使用活性炭油气回收装置时排放的尾放均能合格达标, 但是中后期由于以上原因尾气便会超标。
(2) 活性炭其机械强度低、制造费用大、填充难度大且填充设备体积大。
(3) 装置使用真空泵等很多泵阀操控, 日常维护费用高。
(4) 只采用活性炭吸附-吸收作为油气回收方式, 装置运行的开始阶段尾气排放可以达标, 但是中后期由于各种原因尾气排放会超标, 所以从环保角度出发需要对装置尾气浓度进行定期检测。
(5) 吸附法一般用于油气浓度较低的油气回收, 较小流量的混合气体处理, 而从油罐车回收的混合气体的由气体积分数最大可达到50%, 如果流量较大时活性炭吸附能力下降, 因此, 在无法改变装置工作的情况下, 需降低活性炭吸附油气数量。
6. 结束语
油气回收工艺是一项新兴的工艺, 现在环保要求较高, 环保达标压力较大, 油品储运企业必须认真选择适合的油气回收工艺, 吸附-吸收工艺是一种技术成熟的油气回收工艺理应得到大力推广运用。在工艺操作过程中找到装置运行的平衡点极其重要, 油品储运企业要不断探索装置的运行规律, 总结出适合本单位的操作方法, 以提高吸收效率、延长装置使用寿命。
参考文献
[1]黄维秋.油气回收基础理论及其应用[M].北京:中国石化出版社2011:11~15.
[2]何月.石油企业油气回收实施方案的研究[D].北京:北京交通大学, 2008.
[3]彭星来.吸附法轻烃回收系统研究[D].山东:山东大学, 2007.
[4]张宏, 孙禾.活性炭吸附法油气回收系统在石油库的应用[J].安全、健康和环境, 2004, 4 (7) :14-15.
[5]段剑锋.活性炭吸附法油气回收系统研究[D].山东:中国石油大学.2007.
[6]黄维秋, 吕爱华, 钟璩.活性炭吸附回收高含量油气的研究[J].环境工程学报, 2007, 1 (2) :73-77.
[7]于勇, 谢放华.石油产品装卸过程中的油气回收技术[J].化工环保, 2004, 24 (3) :194—198.
吸收效率 篇2
1 纤芯与内包层半径比对吸收效率的 影响
双包层光纤中,渐变的包层折射率可以在不受扰动的光纤中提供显著的模式混合,因为大部分不被扰动的模式都不和吸收的纤芯交叠,所以模式混合可以大大提高泵浦光的吸收效率。一般地,光纤的折射率空间扰动为10-4时可以达到这样的模式混合[4],然而这样的微小变化是仪器无法测到的。为了提高耦合效率,下面用射线法分析渐变折射率双包层光纤的吸收效率。因为其折射率的变化梯度很小,所以可以把它当作常数来分析。
对于内包层折射率为常数的光纤,能够耦合入纤芯的模式数与纤芯半径r相关。然而,当方位角模数m增加时,耦合效率会以(r/R)|m|的指数形式衰减,迅速变得很小。为了计算有效耦合的模式数,可以用几何光学建立下面的假设。因为耦合模式数正比于进入纤芯的射线数,可以直观地用射线数代替耦合模式数。设P为任意一圈同心圆上的一点,则P的轨迹为(pcosθ,psinθ),p为点P到圆心的距离,θ角为极坐标中的角度。由于对称性结构,如果射线能够进入纤芯一次,由于包层边缘的反射,射线必然每次都会穿过纤芯,由图1可知,进入纤芯的射线的概率为Pp=2a/π,其中a=arcsin(r/p)。所以在整个极坐标的积分区间内,耦合射线数的概率为
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方位角模数
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代入(r/R)|m|,得到耦合效率
undefined
由于单模条件对纤芯半径有限制,高的吸收效率会导致纤芯温度上升。增大包层半径b可以解决光纤内的散热问题,b不同时,光纤轴线上的温度变化如图2所示。可以看出,当纤芯半径不变时,b越大,光纤中的温度越低,分布越平坦。因此在实际的光纤激光器中,选用较大半径包层的光纤有利于解决热效应问题。
为使η尽可能大,需要在纤芯半径一定的情况下有较大的内包层,由上述讨论的结果和散热情况做正交分析,计算得到,当r/R=3.3/160时, 吸收效率已经尽可能大,此时,吸收效率η=1-0.973 7=0.026 3。
2 纤芯偏心距与吸收效率的关系
2.1 用射线法分析偏心距对吸收效率的影响
当纤芯位于包层中心时,由于对称性结构[5],若射线第一次未进入纤芯,就再也不能进入纤芯了。破坏这样的对称性结构,能够增大吸收效率。目前已有多种方法,如改变包层的形状为长方形、D形、梅花形等,还可以使纤芯不在包层的圆心,有一个偏心距d,如图3所示。设偏心距为d,现在的纤芯的圆心为O。当一次光线本身未能进入纤芯时,由于对称性结构被破坏,其反射光线能进入纤芯,故纤芯的吸收效率提高,如图4所示。
下面论证最佳偏心距d的值。P为区域z上任意一点,r为纤芯半径, R1为点P到几何中心O的距离,R为内包层半径,z为大圆除去纤芯部分的所有区域,能进入纤芯的射线概率与其切线的夹角有关。
不考虑反射光线时,构造极坐标系。设现在纤芯的圆心O为极点, 对于任意一点P,能进入光纤的功率分布为P(r, θ) ,则在整个z区域内能进入纤芯的概率为
undefined
下面确定r的积分上下限,经计算得 θ∈ (0, 2π), r的积分范围为
undefined
求解P(r,θ)的函数解析式,计算得到第一次(未经过反射时)可以进入的射线数为
undefined
再写出反射一次后和反射两次后进入纤芯概率的表达式,将其与式(1)相加,得到新的函数。当函数取最大值时,计算得d= R-r时吸收效率达到解析解的最大值,约为0.288。
2.2 偏心距与吸收效率关系的数值模拟
为了便于与其他方法比较(如模式理论和射线法),这里采用了数值模拟法计算偏心距对吸收效率的影响。设纤芯圆心的位置在包层(0,R-r)上移动,每过一个步长,计算一次此时的吸收效率。把包层(去除纤芯部分)按照极坐标中的r和θ的等分取若干个面积微元,这里采用精度为10%的模型,即设定步长为16 μm。 对每个微元,在其中心向360°方向每隔一定的角度发一条射线。在这里为了便于计算,每隔36°发射一条射线。如果射线方程和圆心的方程有交点,计数器加1,否则计算出其反射光线的方程,判断与圆心的交点情况。考虑到模拟时的计算量,设定合适的反射次数,最后计算进入纤芯的射线和总发出射线数的比值。
移动纤芯的圆心,从偏心距为0计算到偏心距为152。由数值模拟结果可知,移动纤芯的圆心到坐标(0,0)、(0,54)、(0,88)和(0,152)时,效率分别为0.007、0.009、0.18和0 。数组结果表明,当纤芯位于靠近边缘的位置时,吸收效率反而很小,甚至下降为0。因此,在纤芯位置向边缘移动的过程中,一定有最大值点。
出现这一结果的原因主要在于计算模型,在原程序中,反射次数为2,即计算3次光线与包层边缘的交点。此时出现的现象是,当d趋近R-r时,位于靠近包层边缘的微元发射出来的光线,如果其入射光线与反射光线的夹角很大,而且入射的点靠近纤芯,发射的方向远离纤芯,就会出现两次反射不能进入纤芯的情况。但是经多次反射后,就会出现其反射光线可以通过纤芯的情况,如图5所示。
为了验证上述分析,可以通过改动原程序来实现。首先固定纤芯的位置在包层的边缘,纤芯的坐标为(152,0)。取在包层最外层的一圈微元,即r=152,把反射次数增加到9次,即取10个与外包层的交点,计算此时的吸收效率为0.041 8 ,再取反射次数为15时,运行的结果是吸收率为0.041 8。
可见,增大反射次数时,纤芯处于包层边缘处的吸收率比原来显著增大,与射线法的结果很吻合。运行结果如下:
x_source =
144.560 6
x_source =
89.343 4
x_source =
9.307 3e-015
x_source =
-89.343 4
x_source =
-144.560 6
x_source =
-144.560 6
x_source =
-89.343 4
x_source =
-2.792 2e-014
x_source =
89.343 4
x_source =
144.560 6
total_absorb =
0.041 8
>>
为了得到更准确的结果,可以在条件允许的情况下,用合适的程序编写,设置反射次数很多时的纤芯位置(即偏心距d)对吸收效率的影响。而且,反射次数越多,精度越高,数值模拟的结果可以和射线法计算出来的d值更好地吻合。若考虑上述两个因素(双包层光纤芯径与内包层尺寸比和偏心距d)的相互影响,从而决定吸收效率,可对这两个数值进行正交分析,找出最佳的比值以及偏心距d。
3 结束语
本文主要运用射线法和数值模拟的方法,对比了当纤芯位于包层中心和有偏心距d时的吸收效率。研究表明,当纤芯处于偏心位置时,可增大进入纤芯的射线数。也就是说,更多模式耦合进纤芯,可增大泵浦吸收效率。并计算出最大吸收效率时对应的双包层光纤芯径与内包层尺寸比以及偏心距的具体数值。由此可见,当偏心距为R-r时,即在最边缘处,吸收效率最大可达0.064 24。同时,如果使用渐变折射率的内包层,可以在纤芯半径一定的情况下进一步提高吸收效率。
参考文献
[1]程琳,邓韬,杨坤涛.高功率光纤放大器的实验[J].光通信研究,2006,(5):66-67.
[2]宁鼎,李乙钢,董新永,等.矩形内包层掺Yb3+石英光纤的研制及其抽运性能[J].光学学报,2001,21(12):1 417-1 420.
[3]Oron R,Hardy A A.Rayleigh backscattering and am-plifiedspontaneous emission in high-power yttrium-doped fiber amplifiers[J].J.Opt.Soc.Am.B,1999,16:695-701.
[4]Müller H R.Fibers for high-power lasers and ampli-fiers[J].C.R.Physique,2006,(7):154-162.
吸收效率 篇3
随着陆地战略资源日益短缺以及经济的全球化进展，海洋资源的开发利用已成为沿海各国的重要发展战略之一，也成为地球资源保护与开发的关注热点。
海洋资源开发和利用能力对于一个国家的科研、经济实力具有重大的影响及意义。由于海洋资源开发利用和地球环境监测的迫切需求，促进了水下机器人、水下潜器等无人水中移动载体技术的发展。能源供给技术是水中移动载体系统的关键技术，能源技术对海洋人工系统的生存、作业、自主能力提升具有重要意义。
美国麻省理工学院开发了一种可以浸没在水下的停靠系统，该系统可以供AUV(自治水下机器人)等水下作业系统的停靠、数据交换及能源补给[1]，利用吸收体在波浪作用下所作的垂向运动进行能量的吸收，并进行了海上试验，试验结果最大的波能转换效率为80%[2]。2001年，A.Maridan等人对其研究的类似AUV停靠系统进行了海上试验。该试验主要针对AUV的停靠稳定性进行分析，对波能转换效率并未加以说明[3]。
针对海洋人工系统的能量自补充问题，提出一种面向海洋小型人工系统的基于惯性摆的能源自补给方法，并采用ADAMS进行了惯性摆系统波能获取的研究。同时针对该系统的能量吸收效率分析问题，提出了基于自适应学习速率BP网络技术的建模方法，以建立系统波能获取模型，为后续研究奠定基础。
1 惯性摆系统建模
在外来波浪力作用下，浮游载体受到波浪激励推力和内部摆的惯性力作用，产生不规则运动，进而促使内部多自由度惯性摆做强迫运动，其平面运动机理如图一所示。惯性摆做强迫运动，将波浪运动能量转换成惯性摆的动能和势能，进而达到吸收波浪能的目的。
根据上述惯性摆能量吸收机理，建立惯性摆浮游载体简单实验模型如图二所示。通过该实验模型可以研究惯性摆的受力情况、运动情况以及能量获取情况。
为了求得浮游载体波浪能的获取情况，需要先建立系统在波浪力作用下的动力学方程及运动学方程，进而先通过虚拟样机仿真了解其能量获取情况。
根据刚体动力学建模方法，建立水下载体动力学方程。假设载体随波运动，波浪的波向水波角为零，则可知载体仅受纵向、垂直及俯仰3个方向的波浪力(矩)，即这个方程可以描述浮游载体在波浪力及水动力作用下的运动状态[5]。
式(1)中，m是载体质量;Iz是载体转动惯量;u、v分别是系统在水平和垂直两个波浪力方向上的速度;r是系统绕其体坐标原点转动角速度;(xG,yG,zG)为载体重心坐标，由于载体内部摆锤是运动体，所以在动坐标系中重心坐标是变化的;Fxwace、Fyeave、Mzwave为波浪力(力矩);λ11、λ22、λ26、λ66为惯性水动力系数系数;Cx、Cy、mz为粘性水动力系数;θ为俯仰角，系统运动过程质心相对地面系的位置为(Xe,Ye,Ze);α为系统的冲角;Vr为系统的速度矢量，即动坐标系原点速度。
2 惯性摆载体ADAMS建模
以图二为基础在ADAMS下建立系统模型。为了便于研究，先作如下假设：(1)波体是理想，不可压缩的，运动是无旋的;(2)波浪是无限水深推进波,满足微幅波理论,所考虑的流场为无限流场;(3)不考虑水下物体存在对于波浪的影响;(4)忽略水下物体的内部空气阻力、摩擦阻力;(5)系统随浪运动，只考虑纵向、垂直及俯仰三个方向上的波浪力(矩)。
此外，暂时不考虑波浪的随机性，而先讨论单频简单波条件下的惯性摆能量吸收效率模型。因此，假设波浪条件为：周期T=5s，波H=4m，海水密度ρ=1000kg/m3。
以载体半径为0.22m为例，说明ADAMS建模过程。图三是所建立的仿真实验模型，模型共包括三部分：壳体、摆锤、杆。
为了在ADAMS中将公式(1)准确地描述出来，除了添加相应的载体受力及其速度、质心等变量外，还需要建立许多变量，如图三所示。可见，对一种载体条件建模已非常复杂，要对多种载体条件进行建模是很吃力的。针对这些问题，可通过将复杂问题的简化处理，结合神经网络建模方法的特点，研究基于BP网络的惯性摆能量获取模型的建立。
3 基于BP网络的惯性摆能量获取模型的建立
研究表明，影响惯性摆波能吸收效率的因素包括载体系统本身和波浪条件两种，因此，根据波浪条件以及载体条件的不同，分别建立如下相应的BP网络模型，对其特定条件下的惯性摆波能吸收效率进行研究。
(1)波浪条件一定时，面向载体条件改变的惯性摆波浪能吸收效率模型;
(2)惯性摆及载体条件一定时，面向波浪条件改变的惯性摆波浪能吸收效率模型。
BP神经网络是目前应用最为广泛和成功的神经网络之一。已经有研究表明：具有偏差和至少一个S型隐含层加上一个线性输出层的网络，能够逼近任何有理函数[6]。基于此，选用三层BP神经网络(如图四所示)，并且为了提高网络收敛速度，采用自适应学习速率BP网络进行训练。自适应学习速率的调整公式如下：
BP网络由输入层、隐含层和输出层三个部分构成。输入层包括一个二维的向量X，即Xn=[X1n,X2n]。对于面向载体条件的惯性摆能量吸收效率BP网络建模(波浪条件确定)，X1表示载体壳体半径，X2表示惯性摆摆锤质量与外部载体的质量比。对于面向波浪条件的惯性摆能量吸收效率BP网络建模(载体条件确定)，X1表示波向角，X2表示波浪频率。输出层包含一个元素，惯性摆波能吸收效率，即Y=βn(n=1,2,…,N)。输入层网络采用双曲正切S函数，输出层采用线性函数。
4 仿真实验
4.1 面向载体条件的惯性摆能量吸收效率BP网络建模
假设波浪条件为：周期T=5s，波高H=4m，海水密度ρ=1000kg/m3。
分别令系统外部载体半径为0.1m、0.22m、0.45m、0.55m，在不同的摆同外部载体质量比下建立相应的ADAMS模型，获取数据如表一所示。
BP网络参数选择为：程序显示频率df=10，训练最大次数me=35000，最大误差平方和eg=0.001，初始学习速率lr=0.01，经过2452次训练误差和为SSE=0.000995103时训练停止。
网络训练结束后要验证网络的精度，因此采用表二所示的数据组进行网络测试，所得结果同ADAMS仿真获得的结果进行对比。
由表二可见，所训练的神经网络函数平均误差率达到了0.0295，该方法及其训练结果可以很好地表征惯性摆载体的能量获取及捕获宽度比情况，可以基于该训练结果进行载体能量获取的研究。
4.2 面向波浪条件的惯性摆能量吸收效率BP网络建模
假设系统条件为：
(1)载体半径α为：0.9065m;
(2)惯性摆同载体的质量比m/N为：0.4444;
(3)惯性摆摆杆质量忽略，杆长l为：0.3078m;
(4)摆球半径r为：0.2242m。
在ADAMS中建立如上假设的载体条件模型，改变模型中由于波浪条件不同而产生的不同的荷载力，即可获取所要的波浪条件的能量获取情况。分别设定波浪频率为：0.5rad/s、0.75rad/s、1rad/s、1.25rad/s、1.5rad/s、1.75rad/s、2rad/s和2.25rad/s;设定波向角分别为：0°、22.5°、45°、67.5°和90°，二者之间随意组合，获取如下的训练数据，其中波向角采用了弧度的表达方式。
BP网络参数选择为：程序显示频率df=10，训练最大次数me=35000，最大误差平方和eg=0.001，初始学习速率lr=0.01，隐层数设置为11，经过3707次训练，lr=0.384798，误差和为SSE=0.000999937时训练停止。
采用表四所示的数据组进行网络测试，所得结果同ADAMS仿真获得的结果进行对比，结果如下：
在相同的载体条件下，改变波浪参数，所训练的神经网络函数平均误差率达到了0.0221，即网络训练精度达到了97.79%。通过建立的BP网络模型，可以获得不同波浪条件下的惯性摆能量吸收效率，找出最佳的波浪频率与波向角的匹配关系，为今后研究波能装置的控制问题提供设计依据。
5 结束语
通过建立惯性摆系统的动力学模型及ADAMS模型，获得不同系统条件下的惯性摆能量获取情况及外部载体能量获取情况，分别获得面向波浪条件和载体条件的惯性摆波浪能吸收效率，进而通过采用自适应学习速率BP网络进行惯性摆波浪能吸收效率的时域表达式的训练，获得其数学模型，并用ADAMS获得的测试数据进行了模型的验证。结果证明训练模型是可靠的，为今后研究波能自主获取方法提供有效的建模途径，也为今后研究不同波浪条件下及不同载体条件下的能量获取情况提供了先行基础。而对于不同波浪条件下的系统吸收效率问题还需进一步进行研究。
参考文献
[1]H.Singh.On going projects-docking and hom-ing of AUVs[R].http://www.dsl.whoi.edu/DSL/hanu/projects/,2001.
[2]H.Singh,M.Bowen,F.Hover,P.LeBas,and D.Yoerger.Intelligent docking for an autonomous ocean sampling network[A].Proc.Oceans’97,MTS/IEEE Conference[C],Halifax,Nova Scotia,October1997,(2):1126-1131.
[3]S.Knepper,M.Niemeyer,R.Galletti,A.Brighen-ti,A.Bjerrum,N.Andersen.Eurodocker-a universal docking-downloading-recharging system for AUVs[A].Fourth International Conference on Marine Tech-nologyⅣ,4th[C],Szczecin,2001,5.
[4]G.Orer,A.Ozdamar.An experimental study on the efficiency of the submerged plate wave energy converter[J].Renewable Energy,2007,(32):1317-1327.
[5]Y.ZHANG,C.D.WU,and Z.L.DONG.A new wave energy conversion method based?on inertial pen-dulum[J].International Journal for Information and Systems Sciences,2007,3(2):222-230.
吸收效率 篇4
关键词：金属纳米粒子,硅薄膜太阳能电池,研究分析,宏观认识
1 硅薄膜太阳能电池发展背景简介
能源, 作为21 世纪的重要话题近年来被逐渐关注, 随着各个国家和地区的发展和进一步科技的提高, 能源的消耗也在迅猛增加, 其中可再生资源的利用越来越受到关注。在众多可再生资源中, 太阳能作为一种取之不尽用之不竭的绿色可再生能源被逐渐重视起来, 其中如何将太阳能利用效率进一步提升一直是各国科研工作者不断追求的目标。其中重要的转换方式和媒介就是———太阳能电池, 它是一种能够直接将太阳能能源转化为电能能源而被进一步利用的装置, 为了提高太阳能电池的光吸收效率, 科学家一方面对半导体材料本身进行着大量的研究, 希望可以获得具有高载流子迁移率的新型半导体材料。另一方面, 还要通过进一步改变已经开发出来的太阳能电池的各项结构进行改良, 并逐渐发展出结构上为体异质结、多异质结以及光限制结构等各种方法。其中, 在1994 年由Meier博士首次报导, 由其团队开发的第一块纳米硅薄膜太阳电池以来, 纳米硅薄膜太阳电池就以其几乎无光致衰减效应而受到人们的广泛关注, 其实验室最高效率已达10.3%。其中, 硅薄膜太阳能电池集成金属纳米粒子成为了一个具有代表性的研究课题和方向, 被广大科研工作者所研究, 并对其进行了大量的论证实验和理论研究工作。
2 硅膜太阳能电池主要分类及其主要特点
针对于硅薄膜太阳电池分类主要包括:氢化非晶硅太阳电池、氢化纳米硅太阳电池, 以及由氢化非晶硅和纳米硅太阳能电池构成的双结或多结叠层太阳电池结构。硅薄膜太阳电池具有众多优异的特点, 其分布于自然界中的材料丰富, 消耗能量小, 没有毒性, 成本低廉, 可以大面积沉积, 是一种具有巨大潜力的材料, 可以大规模生产太阳能电池。但是由于在长波段的吸收系数比较小, 而且硅薄膜太阳电池的厚度十分有限, 因此, 采取合适的金属纳米粒子集成在硅薄膜电池上的方法, 可以增加太阳电池对太阳光的吸收, 对提高太阳电池的光电转换效率有着十分重要的作用。
3 提高太阳能电池光吸收效率的方法及原因
提高太阳能电池光吸收效率的方法主要有: (1) 制作一种表面为透明导电膜绒面的结构, 使硅薄膜电池表面接收到的太阳光在透明导电膜与硅薄膜的界面之间发生光散射效应, 增加入射太阳光在太阳电池内部传播时的光程, 这样的结构可以大大增加太阳电池对光的吸收。 (2) 采用小颗粒金属纳米粒子增强光吸收效率的方法, 它之所以能够改变太阳光吸收效率的原因是, 光照引起金属纳米粒子局域表面等离子体共振效应。 (3) 利用大颗粒金属纳米粒子 (大于100nm) 的等离子体共振效应增强太阳光散射能力。该散射与几何散射不同, 是一种与入射光的波长有关的散射。当在晶体硅和非晶硅太阳能电池表面制备了大颗粒金属纳米粒子时, 等离子体共振效应可以大大增强太阳光光散射对太阳能电池光吸收效率。 (4) 利用大面积沉积制备小颗粒纳米粒子, 通过蒸镀方法将其集成在特殊结构的氢化非晶硅, 提高其对太阳光的吸收效率。
4 金属纳米粒子对硅薄膜太阳能电池光吸收效率影响研究分析
金属纳米粒子中具有代表性的粒子为银纳米粒子, 也是目前为止各国研究人员重点研究的金属纳米粒子之一, 下面结合两种通过改变纳米粒子膜层厚度和改变纳米粒子聚集形状的方法对金属纳米粒子硅薄膜太阳能电池光吸收效率的影响分析。
将银纳米粒子集成在硅薄膜太阳电池中, 随着银纳米粒子厚度从20nm-40nm膜层变化时, 间接增加了纳米结构中纳米粒子的平均纵向高度和横向宽度, 其背反射器散射光谱范围和强度得到提高, 使其对太阳光吸收面积增大, 提升了太阳能电池对光的吸收效率。但是当继续提升膜层厚度为50nm时, 由于纳米结构中纳米粒子的整体横纵高度和宽度的减小。其表面不均匀性的增加, 以及集合粒子后散射光谱明显降低, 其使光吸收效率明显降低。所以对于金属纳米粒子膜层厚度是其中影响太阳能电池对太阳光吸收效率影响的重要因素之一。
另外, 纳米粒子的形状也对硅薄膜对太阳光的吸收效率具有很大的影响, 将金属纳米粒子制作成为一个具有岛状颗粒的硅薄膜形式的太阳能电池。由于特殊结构和纳米粒子微小结构的独特光电性能, 使得光在其内传播的面积和光程被加大, 进而进一步提高了太阳光的综合利用效率, 其中, 在生物探测领域, 辐射衰变与硅薄膜太阳能电池等领域被广泛的使用。另外通过实验和研究证明, 在岛状薄膜中, 一种集合高密度小颗粒硅薄膜的结构被发现, 他对于提高硅薄膜太阳能电池对太阳光的吸收效率具有重要的作用。
5 结束语
随着金属纳米粒子硅薄膜太阳能电池技术的创新性发展, 通过不断的改变和挖掘金属纳米粒子的各项性质, 将会使太阳能电池对太阳光吸收的效率获得进一步提升。同时, 文章通过探讨硅薄膜太阳能的发展, 对金属纳米硅薄膜太阳能电池提高光吸收效率的方法进行简单叙述, 了解其中的原因。最后对典型的银纳米粒子为代表的金属纳米粒子厚度和形状对其光吸收效率的影响进行了探讨, 使人们对于金属纳米粒子对硅膜太阳能电池技术有了基本的宏观认识。
参考文献
[1]Meier J., Fuechkiger R., Keppner H., and Shah A., Complete Microcrystalline p-i-n solar cell crystalline or amorphous cell behavior, Appl.Phys.Lett.65, 860 (1994) .
[2]罗培青.HWCVD制备硼掺杂氢化纳米硅及银纳米粒子增强硅薄膜太阳电池光谱响应的研究[D].上海交通大学, 2009:104-105.
[3]王兴军, 苏昭棠, 周治平.硅基光电子学的最新进展[J].中国科学:物理学, 2015, 1.
[4]张心强, 张维佳, 武美伶, 等.纳米硅薄膜制备及HIT太阳能电池[J].功能材料, 2007, 10.