應(yīng)用于熱光伏系統(tǒng)的選擇性輻射器的制備及輻射性能的研究

【摘要】：熱光伏技術(shù)(TPV)是通過熱光伏電池直接將高溫輻射能轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。TPV系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)在于具有較高的能量輸出密度及理論效率,并且可使用多種形式的熱源,具有便攜、無移動(dòng)部件、污染小及可同時(shí)產(chǎn)生電能和熱能等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)、商業(yè)、軍事和航空航天等眾多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。 目前,熱光伏技術(shù)研究的最大挑戰(zhàn)在于如何最大化系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率。在電池研究短時(shí)間內(nèi)難以取得更大突破的情況下,高效的光譜調(diào)控手段對(duì)提升TPV系統(tǒng)效率至關(guān)重要。選擇性輻射器是研究最多也是最主要的一種光譜調(diào)控手段。本文從材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面對(duì)選擇性輻射器進(jìn)行了研究。 首先,我們針對(duì)稀土元素類選擇性輻射器研究中存在的輻射器高溫?zé)岱€(wěn)定性差的問題利用等離子噴涂技術(shù)在碳化硅片表面噴涂氧化鉺制備出氧化鉺涂層型選擇性輻射器,高溫測(cè)試結(jié)果表明這種涂層型輻射器在1400℃高溫下具有很好的熱穩(wěn)定性。為了測(cè)試這種涂層型輻射器的選擇性發(fā)射性能,我們測(cè)量了樣品的高溫法向光譜發(fā)射率和常溫半球向光譜發(fā)射率,對(duì)涂層厚度對(duì)輻射性能的影響進(jìn)行了分析,并以輻射光譜效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)樣品的選擇性發(fā)射特性進(jìn)行了討論。結(jié)果表明當(dāng)涂層厚度超過氧化鉺的穿透深度(-100μm)后,碳化硅基底的影響可以忽略；樣品在1550nm附近出現(xiàn)明顯的選擇性發(fā)射峰,可以與GaSb電池相匹配,但是由于高溫下氧化鉺在電池?zé)o法轉(zhuǎn)化波段處(尤其是1.725-5μm波段處)的發(fā)射很強(qiáng),不可轉(zhuǎn)化的能量占總能量的比重很大,所以樣品的輻射光譜效率并不比碳化硅輻射器高。因此對(duì)于稀土元素類選擇性輻射器,有效抑制其帶外發(fā)射對(duì)提高輻射器的輻射光譜效率至關(guān)重要。 針對(duì)氧化鉺選擇性輻射器存在的窄帶發(fā)射和不可轉(zhuǎn)化波段發(fā)射強(qiáng)的問題,接下來我們根據(jù)Ni2+的能級(jí)躍遷可以在可見光和近紅外波段實(shí)現(xiàn)高發(fā)射的特點(diǎn),研究了在高反射宿主材料氧化鎂中摻雜氧化鎳來制備選擇性輻射器。利用常壓燒結(jié)的方法,我們先制備了摻雜氧化鎳的氧化鎂陶瓷型選擇性輻射器樣品,測(cè)量了樣品的光譜發(fā)射率,并對(duì)氧化鎳含量對(duì)樣品發(fā)射率的影響進(jìn)行了分析,結(jié)果表明氧化鎳含量越高,樣品的選擇性發(fā)射峰就越高,但同時(shí)其不可轉(zhuǎn)化波段對(duì)應(yīng)的發(fā)射也就越強(qiáng)。由于樣品的選擇性發(fā)射峰仍然比較窄,我們又在樣品中摻雜了氧化鉺,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明摻雜氧化鉺可以拓展“氧化鎳+氧化鎂”樣品近紅外波段的發(fā)射峰寬度,但氧化鉺含量的增多會(huì)使由Ni2+產(chǎn)生的發(fā)射峰有所降低。TPV系統(tǒng)模擬計(jì)算結(jié)果表明,受2.68～4.0μm波段發(fā)射的影響,氧化鉺含量的增多對(duì)輻射器有效功率密度和電池效率的提升很小,并且輻射器的光譜效率和系統(tǒng)效率會(huì)出現(xiàn)大幅度的降低。以輻射器光譜效率和TPV系統(tǒng)效率為評(píng)價(jià)指標(biāo),在當(dāng)前研究中,配比為MgO:NiO:Er2O3=63:27:10的樣品輻射性能是最優(yōu)的。在相同溫度下,相比于SiC輻射器,采用該樣品作為選擇性輻射器,TPV系統(tǒng)效率理論上可以提高43.87%;在相同功率密度下(10W/cm2), TPV系統(tǒng)的電輸出功率和系統(tǒng)效率理論上是SiC輻射器系統(tǒng)的5-6倍。 相比于材料類選擇輻射器,結(jié)構(gòu)類選擇性輻射器利用微結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的表面等離子體極化、微腔效應(yīng)和光子禁帶效應(yīng)等來實(shí)現(xiàn)選擇性發(fā)射,其可設(shè)計(jì)性更強(qiáng)。利用二氧化釩高熔點(diǎn)和高溫下呈現(xiàn)金屬相的特點(diǎn),我們采用時(shí)域有限差分法對(duì)由二氧化釩構(gòu)成的二維圓柱微腔和矩形微腔結(jié)構(gòu)的光子晶體的光譜發(fā)射率進(jìn)行了計(jì)算和分析,并結(jié)合諧振腔理論討論了幾何參數(shù)對(duì)二維光子晶體光譜發(fā)射率的影響,研究表明周期性微腔結(jié)構(gòu)的二維光子晶體的選擇性發(fā)射特性的實(shí)現(xiàn)主要取決于微腔效應(yīng),通過光波與微腔諧振模的耦合,可以增強(qiáng)光子晶體在波長(zhǎng)小于微腔諧振基模波長(zhǎng)(截止波長(zhǎng))波段的發(fā)射,實(shí)現(xiàn)選擇性發(fā)射特性。截止波長(zhǎng)的位置主要受微腔幾何尺寸的影響,并且對(duì)微腔截面特征尺寸的變化更敏感,隨著深度的增大,波長(zhǎng)小于截止波長(zhǎng)的波段的平均發(fā)射率逐漸增大。光子晶體的周期對(duì)截止波長(zhǎng)的位置影響不大,但是受衍射模的影響,在與周期大小相等的波長(zhǎng)附近,衍射模的存在會(huì)減弱腔體對(duì)光的吸收,使光子晶體在該波長(zhǎng)附近的發(fā)射率出現(xiàn)明顯的降低。不論微腔截面是圓形或是矩形,選擇合適的尺寸都可以設(shè)計(jì)出與GaSb相匹配的性能優(yōu)異的二維光子晶體選擇性發(fā)射器,輻射器在電池可轉(zhuǎn)化波段的發(fā)射率可以達(dá)到0.95以上,而在不可轉(zhuǎn)化波段的發(fā)射率低于0.30。 【關(guān)鍵詞】：選擇性輻射器 氧化鉺 氧化鎂 氧化鎳 光子晶體 微腔效應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM914
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-40
• 1.1 熱光伏技術(shù)介紹12-13
• 1.2 熱光伏技術(shù)原理13-16
• 1.3 TPV輻射器的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀16-31
• 1.3.1 材料型選擇性輻射器16-21
• 1.3.2 微/納米結(jié)構(gòu)選擇性輻射器21-31
• 1.4 本論文主要工作內(nèi)容31-33
• 參考文獻(xiàn)33-40
• 第2章 氧化鉺涂層型選擇性輻射器40-54
• 2.1 引言40
• 2.2 稀土離子的光譜特性40-41
• 2.3 氧化鉺涂層型選擇性輻射器的制備41-43
• 2.3.1 等離子噴涂原理41-42
• 2.3.2 樣品的制備42-43
• 2.4 高溫光譜法向發(fā)射率的測(cè)量43-46
• 2.5 結(jié)果和分析46-52
• 2.6 小結(jié)52-53
• 參考文獻(xiàn)53-54
• 第3章 陶瓷材料選擇性輻射器54-84
• 3.1 引言54-55
• 3.2 過渡金屬離子Ni~(2+)的能級(jí)結(jié)構(gòu)和光譜特性55-58
• 3.3 樣品制備58-68
• 3.3.1 造粒過程58
• 3.3.2 成型過程58-59
• 3.3.3 燒結(jié)過程59-60
• 3.3.4 傅里葉變換紅外光譜檢測(cè)60-62
• 3.3.5 用環(huán)境掃描電鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)62-64
• 3.3.6 X射線衍射分析檢測(cè)64-67
• 3.3.7 小結(jié)67-68
• 3.4 光譜發(fā)射率的測(cè)量和分析68-81
• 3.4.1 NiO摻雜的MgO的光譜發(fā)射率68-69
• 3.4.2 NiO含量對(duì)樣品光譜發(fā)射率的影響69-71
• 3.4.3 摻雜Er_2O_3對(duì)樣品光譜發(fā)射率的影響71-81
• 3.5 小結(jié)81-82
• 參考文獻(xiàn)82-84
• 第4章 二氧化釩二維光子晶體型選擇性輻射器84-110
• 4.1 引言84
• 4.2 二維光子晶體光譜調(diào)控機(jī)理84-88
• 4.3 二氧化釩的性質(zhì)88-90
• 4.4 氧化釩光子晶體選擇性輻射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)90-105
• 4.4.1 時(shí)域有限差分法(FDTD)90-93
• 4.4.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)輻射器的影響93-105
• 4.5 小結(jié)105-107
• 參考文獻(xiàn)107-110
• 第5章 總結(jié)與展望110-114
• 5.1 總結(jié)110-111
• 5.2 展望111-114
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和取得的研究成果114-116
• 致謝116

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