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熱光伏系統(tǒng)的實驗和理論研究

來源:論文學(xué)術(shù)網(wǎng)
時間:2024-08-19 03:55:18
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熱光伏系統(tǒng)的實驗和理論研究【摘要】:熱光伏(Thermophotovoltaic,簡稱TPV)技術(shù)是指將高溫?zé)嵩窗l(fā)射的紅外輻射能通過半導(dǎo)體p-n結(jié)直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。TPV系統(tǒng)具

【摘要】:熱光伏(Thermophotovoltaic,簡稱TPV)技術(shù)是指將高溫?zé)嵩窗l(fā)射的紅外輻射能通過半導(dǎo)體p-n結(jié)直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。TPV系統(tǒng)具有較高的能量輸出密度和理論效率、可應(yīng)用能源形式多樣、便攜、運行安靜、維護成本低,安全、無污染,可實行熱電聯(lián)供等優(yōu)點,在工業(yè)、商業(yè)、軍事和航空航天等領(lǐng)域都將擁有非常巨大的實用價值和應(yīng)用前景。 目前,TPV技術(shù)的研究工作已逐漸由對單個部件的優(yōu)化設(shè)計轉(zhuǎn)移到對整個系統(tǒng)的設(shè)計和研究上。本文首先從以多孔介質(zhì)燃燒器為基礎(chǔ)構(gòu)建的端面輻射器TPV系統(tǒng)入手,通過實驗獲得了使用SiC輻射器時GaSb和Si電池的伏安特性,分析了輻射器溫度以及輻射器—電池間距對單片電池和電池組件輸出性能的影響。結(jié)果表明:提高輻射器溫度或減小輻射器—電池間距,可使電池短路電流增大,但由于電池溫度的升高,使得開路電壓降低,系統(tǒng)輸出功率密度增幅逐漸減弱。在相同條件下GaSb電池的輸出功率密度大于Si電池。此外,利用理想二極管模型計算得到的電池性能雖然在趨勢上與實驗值能很好地吻合,但誤差較大。而實驗中較低的輻射器溫度(1000℃)以及未使用光譜控制技術(shù)使得發(fā)電效率均小于1%。 為提高輻射器溫度,改用高溫電爐加熱輻射器,輻射面最高溫度可達1300℃,并著重分析了選擇性輻射器(Er203或Yb203)配合不同PV電池(GaSb或Si)所構(gòu)成TPV系統(tǒng)的性能參數(shù)。由于Er203和Yb203的光譜選擇性一定程度上抑制了紅外波段輻射,降低了電池溫度,從而提高了熱電轉(zhuǎn)換效率,但同時也降低了電池的輸出功率。而光譜效率的不理想以及設(shè)計結(jié)構(gòu)上的缺陷,使得系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率普遍較低。此外,為了改善上述理論模型的缺陷,利用實際二極管模型及光線追蹤法建立了一個新的物理數(shù)學(xué)模型,并在預(yù)測開路電壓和最大輸出功率上取得了較高的精度,而短路電流的預(yù)測誤差也大大降低。 通過對上述兩個TPV系統(tǒng)平臺的實驗研究,為建立大型燃燒器TPV系統(tǒng)積累了大量經(jīng)驗。鑒于使用氣態(tài)碳氫燃料作為該系統(tǒng)的熱源,燃燒-輻射器對整個系統(tǒng)的性能影響至關(guān)重要。為此,以Kanthal公司提供的幾款商用燃燒-輻射器為基礎(chǔ),結(jié)合Fraas提出的鎢+抗反射涂層的概念構(gòu)建了理論模型。重點分析了甲烷質(zhì)量流率、回?zé)崞饔行Ф取⒖杖急鹊纫蛩貙椛淦鞅砻嫫骄鶞囟?表面輻射功率密度以及化學(xué)能-輻射能轉(zhuǎn)化效率的影響。結(jié)果表明空氣與甲烷的空燃比和甲烷質(zhì)量流率分別以20.64:1和0.988kg/h為最佳,在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)在內(nèi)、外管內(nèi)徑分別為27.2mm和38.5mm,內(nèi)、外管壁厚分別為7.0mm和3.5mm的情況下燃燒-輻射器的性能最佳,輻射表面平均溫度、表面輻射功率密度、化學(xué)能-輻射能轉(zhuǎn)化效率分別為1523.8K、11.99W/cm2和73.7%。 上述計算結(jié)果還表明采用回?zé)崞骺娠@著提高輻射表面的溫度和化學(xué)能一輻射能轉(zhuǎn)化效率,進而提高TPV系統(tǒng)的整體性能。因此,有必要對回?zé)崞鬟M行理論分析和實驗驗證??紤]到TPV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊性,選用內(nèi)裝固體蓄熱填充物的旋轉(zhuǎn)式回?zé)崞髯鳛閾Q熱設(shè)備。研究發(fā)現(xiàn)回?zé)崞饔行Ф壤碚撝蹬c實驗值的偏差隨旋轉(zhuǎn)周期的增大而減小。對燃燒功率為10kW的TPV系統(tǒng),當(dāng)旋轉(zhuǎn)周期為3s時,偏差為3.5%;當(dāng)旋轉(zhuǎn)周期增為15s時,偏差為1.5%。誤差主要來源于模型中未考慮冷、熱流體的攜帶損失??紤]了攜帶損失后,所得結(jié)果有較大改善。在此基礎(chǔ)上分析了不同燃燒功率下,回?zé)崞鲙缀纬叽鐚ζ溆行Ф鹊挠绊?結(jié)果表明有效度隨回?zé)崞髦睆胶透叨鹊脑龃蠖兇?但由于流體攜帶損失也隨之增加,削弱了回?zé)崞鲙缀纬叽鐚τ行Ф鹊挠绊憽? 最后,在結(jié)合上述研究成果的基礎(chǔ)上構(gòu)建了大型燃燒器TPV系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計上重點改善了電池與輻射器間的幾何位置,將電池組件以六面體的形式圍繞在輻射器的外側(cè)。從Si電池組件配套SiC輻射器的實驗結(jié)果來看,輸出功率密度較高溫電爐TPV系統(tǒng)有了明顯的改善。當(dāng)輻射器溫度為1473K時,輸出功率密度為0.087W/cm2。采用GaSb電池后,當(dāng)SiC輻射器溫度約為1243K時,輸出功率密度為0.307W/cm2;相同輻射器溫度下,選用Er203選擇性輻射器時GaSb電池的輸出功率密度略有降低,為0.208W/cm2。 【關(guān)鍵詞】:熱光伏系統(tǒng) 輸出功率密度 電池溫度 回?zé)崞?/strong> 燃燒-輻射器熱電效率
【學(xué)位授予單位】:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2012
【分類號】:TK123
【目錄】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-12
  • 第1章 緒論12-46
  • 1.1 熱光伏技術(shù)基本原理12-15
  • 1.1.1 熱光伏技術(shù)發(fā)展歷程12-13
  • 1.1.2 熱光伏技術(shù)與光伏技術(shù)的對比13
  • 1.1.3 熱光伏系統(tǒng)13-15
  • 1.2 熱光伏系統(tǒng)應(yīng)用15-37
  • 1.2.1 碳氫燃料TPV系統(tǒng)16-27
  • 1.2.2 核能TPV系統(tǒng)27-30
  • 1.2.3 太陽能TPV系統(tǒng)30-33
  • 1.2.4 生物能TPV系統(tǒng)33-35
  • 1.2.5 余熱TPV系統(tǒng)35-37
  • 1.3 本論文主要工作內(nèi)容37-39
  • 參考文獻39-46
  • 第2章 多孔介質(zhì)燃燒器端面輻射TPV系統(tǒng)46-60
  • 2.1 引言46-47
  • 2.2 實驗介紹47-48
  • 2.3 模型說明48-49
  • 2.4 實驗結(jié)果與分析49-58
  • 2.4.1 單片PV電池49-55
  • 2.4.2 PV電池組件55-56
  • 2.4.3 視角系數(shù)56-57
  • 2.4.4 效率57-58
  • 2.5 小結(jié)58-59
  • 參考文獻59-60
  • 第3章 高溫輻射器下TPV系統(tǒng)的特性研究60-82
  • 3.1 引言60-61
  • 3.2 實驗介紹61-66
  • 3.2.1 實驗系統(tǒng)61-63
  • 3.2.2 輻射器發(fā)射率測量63-66
  • 3.3 理論模型66-69
  • 3.3.1 單片TPV電池Ⅰ-Ⅴ特性67-68
  • 3.3.2 光譜輻照密度qi(λ)68-69
  • 3.4 結(jié)果與討論69-79
  • 3.4.1 Si電池69-73
  • 3.4.2 GaSb電池73-76
  • 3.4.3 效率76-79
  • 3.5 小結(jié)79-81
  • 參考文獻81-82
  • 第4章 大型燃燒器TPV系統(tǒng)的研制82-110
  • 4.1 引言82
  • 4.2 燃燒-輻射器82-90
  • 4.2.1 模型說明82-83
  • 4.2.2 物理模型及計算方法83-85
  • 4.2.3 計算結(jié)果與分析85-90
  • 4.3 回?zé)崞?/span>90-98
  • 4.3.1 模型說明90-94
  • 4.3.2 實驗介紹94-95
  • 4.3.3 結(jié)果與分析95-98
  • 4.4 大型燃燒器TPV系統(tǒng)98-107
  • 4.4.1 實驗系統(tǒng)介紹99-101
  • 4.4.2 實驗初步結(jié)果101-104
  • 4.4.3 效率分析104-107
  • 4.5 小結(jié)107-108
  • 參考文獻108-110
  • 第5章 結(jié)論與展望110-112
  • 5.1 結(jié)論110-111
  • 5.2 展望111-112
  • 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112-113
  • 致謝113


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