熱光伏系統(tǒng)數(shù)值模擬及其光譜控制方法研究

【摘要】： 熱光伏(TPV)系統(tǒng)是目前最先進(jìn)的分布式能源解決方案之一,它利用光伏(PV)電池將人造熱源的熱輻射能轉(zhuǎn)換為電能輸出,故其基本原理與PV系統(tǒng)完全相同,即利用半導(dǎo)體PN結(jié)的光電轉(zhuǎn)換特性。由于人造熱源輻射距離小,TPV系統(tǒng)擁有比PV系統(tǒng)高得多的輸出電功率密度,可達(dá)數(shù)瓦每平方厘米,并且輸出穩(wěn)定,不受天氣等因素影響,這是TPV系統(tǒng)最為顯著的特點(diǎn)之一。TPV系統(tǒng)的其它優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)還包括：可應(yīng)用能源形式多樣,運(yùn)行安靜、維護(hù)成本低,安全、無(wú)污染,可實(shí)行熱電聯(lián)供等。上述優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)決定了TPV系統(tǒng)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(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。 TPV系統(tǒng)的主要構(gòu)成部件為熱源、輻射器、TPV電池、光子回收系統(tǒng)和能量控制單元。熱源提供系統(tǒng)所需的輻射能量,其形式多樣,包括化學(xué)燃料燃燒能、核能、太陽(yáng)能等。輻射器將熱源的能量輻射至TPV電池表面,分為灰體輻射器和選擇性輻射器。TPV電池將接收到的輻射能轉(zhuǎn)化為電能輸出,是TPV系統(tǒng)的核心部件,決定了TPV系統(tǒng)的性能水平。光子回收系統(tǒng)用于回收半導(dǎo)體能帶外的光子,以降低能量損耗,包括前置濾波器和背面反射器(及其組合)。能量控制單元控制系統(tǒng)的電能輸出、各部件的冷卻和余熱回收等。目前對(duì)于TPV的研究主要圍繞以上各關(guān)鍵技術(shù)以及系統(tǒng)構(gòu)建展開。 輻射器、TPV電池和光子回收系統(tǒng)是TPV系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,它們一起構(gòu)成了TPV系統(tǒng)的核心——熱輻射發(fā)電模塊。在熱光伏系統(tǒng)性能初步研究中,建立了該模塊的數(shù)學(xué)物理模型,通過(guò)數(shù)值模擬獲得了SiC灰體輻射器分別配合GaSb和Si電池所構(gòu)成的TPV系統(tǒng)的輸出伏安特性曲線；再以GaSb電池為例,分別分析了SiC灰體輻射器溫度、電池溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。得出結(jié)論：輻射器溫度升高,系統(tǒng)輸出電功率密度迅速增大,電池效率也穩(wěn)步提高；電池溫度升高則導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降,電池效率也大幅下降。最后,討論了與GaSb匹配的一種選擇性輻射器的輻射能量分布情況。與SiC灰體輻射器相比,選擇性輻射器可以顯著減少輻射能量中的不可用部分,從而有效提高系統(tǒng)的性能。 TPV系統(tǒng)的光譜控制部件包括選擇性輻射器和光子回收系統(tǒng)。光譜控制部件對(duì)于提高光譜效率乃至TPV系統(tǒng)效率具有舉足輕重的作用,是構(gòu)建高性能TPV系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。本文從配合以GaSb電池為轉(zhuǎn)換器的TPV系統(tǒng)的濾波器入手,分別對(duì)透明導(dǎo)電氧化物(TCOs)濾波器和一維Si／SiO2光子晶體濾波器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。 在透明導(dǎo)電氧化物濾波器的優(yōu)化分析中,建立了TCOs濾波器的理論模型,分析了載流子濃度、遷移率等電學(xué)參數(shù)對(duì)其光學(xué)性能的影響；計(jì)算了輻射器種類分別為A1203／Er3Al5012熔融陶瓷選擇性輻射器和SiC灰體輻射器、而輻射器溫度為1 400～1 600 K時(shí),應(yīng)用于以GaSb電池為轉(zhuǎn)換器的TPV系統(tǒng)的TCOs濾波器的最佳載流子濃度和薄膜厚度區(qū)間。最后,討論了石英玻璃襯底厚度對(duì)TCOs濾波器性能的影響,并考察了A1203／Er3Al5O12熔融陶瓷選擇性輻射器+TCOs濾波器+GaSb電池的TPV系統(tǒng)的性能。 針對(duì)一維硅／二-氧化硅光子晶體濾波器,建立了一維Si／SiO2光子晶體濾波器的理論模型,并指出原始結(jié)構(gòu)的(L／2HL／2)5型光子晶體濾波器在GaSb電池特征波長(zhǎng)處存在較大反射峰,制約了TPV系統(tǒng)性能的提高；再根據(jù)對(duì)稱單元的等效折射率理論,將其結(jié)構(gòu)改進(jìn)為[1.10(L／2HL／2)](L／2HL／2)3[1.10(L／2HL／2)],即中間三個(gè)單元不變,左、右各最外一個(gè)單元修改為折射率匹配單元。模擬結(jié)果表明：改進(jìn)型濾波器在特征波長(zhǎng)處的透過(guò)率有較大改善,且一定程度地抑制了長(zhǎng)波光子的透過(guò)；輻射器為1250℃的黑體時(shí),采用改進(jìn)型濾波器光譜效率和輸出電功率密度均提高10%以上,電池效率也有所提高。采用磁控濺射方法制作了原始結(jié)構(gòu)和改進(jìn)型一維Si／SiO2光子晶體濾波器的試樣,試樣截面電鏡圖像表明所得光子晶體濾波器試樣結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)大致相符,試樣的光譜反射率和透過(guò)率的測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好。 在輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)法熱光伏系統(tǒng)熱分析中,采用輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)方法建立了LMFraas提出的典型中溫TPV系統(tǒng)的輻射換熱模型。相對(duì)于蒙特卡羅等方法,輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)勢(shì)是模型較簡(jiǎn)單,計(jì)算量小。但對(duì)模型的一般求解過(guò)程中并未考慮石英玻璃管對(duì)輻射光子的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換作用,導(dǎo)致計(jì)算所得的石英玻璃管的光譜發(fā)射功率密度與普朗克定律相違背。通過(guò)在輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)中添加虛擬的單色波熱源的方式對(duì)模型進(jìn)行了修正。該方式忽略了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的詳細(xì)過(guò)程,可以簡(jiǎn)化修正模型的復(fù)雜程度,并減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。采用修正模型得到了系統(tǒng)的輻射熱流密度、光譜效率和石英玻璃管的等效輻射溫度等一些重要參數(shù),與參考文獻(xiàn)中蒙特卡羅等復(fù)雜模型的結(jié)果吻合較好。 【關(guān)鍵詞】：熱光伏 系統(tǒng)效率 輸出電功率密度 光譜控制 透明導(dǎo)電氧化物 一維光子晶體 輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)法
【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】：2010
【分類號(hào)】：TM615
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 緒論13-41
• 1.1 熱光伏基本理論13-16
• 1.1.1 基本概念13-14
• 1.1.2 系統(tǒng)組成14-15
• 1.1.3 優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)15
• 1.1.4 研究歷史15-16
• 1.2 光譜控制技術(shù)16-27
• 1.2.1 選擇性輻射器17-23
• 1.2.2 光子回收系統(tǒng)23-27
• 1.3 熱光伏應(yīng)用前景27-31
• 1.4 本論文主要內(nèi)容31-33
• 參考文獻(xiàn)33-41
• 第2章 熱光伏系統(tǒng)性能初步研究41-55
• 2.1 引言41
• 2.2 計(jì)算模型41-47
• 2.2.1 輻射換熱模型41-43
• 2.2.2 電池模型43-44
• 2.2.3 表面輻射性質(zhì)44-47
• 2.3 計(jì)算結(jié)果與分析47-51
• 2.3.1 GaSb與Si電池TPV系統(tǒng)的比較48
• 2.3.2 輻射器溫度的影響48-50
• 2.3.3 電池溫度的影響50-51
• 2.3.4 SiC輻射器與選擇性輻射器的比較51
• 2.4 小結(jié)51-53
• 參考文獻(xiàn)53-55
• 第3章 透明導(dǎo)電氧化物濾波器的優(yōu)化分析55-67
• 3.1 引言55-56
• 3.2 TCOs濾波器理論模型56-58
• 3.3 計(jì)算結(jié)果與分析58-64
• 3.3.1 TCOs濾波器的光譜性質(zhì)58-60
• 3.3.2 應(yīng)用于GaSb電池TPV系統(tǒng)的TCOs濾波器60-63
• 3.3.3 采用TCOs濾波器的TPV系統(tǒng)性能63-64
• 3.4 小結(jié)64-65
• 參考文獻(xiàn)65-67
• 第4章 一維硅/二氧化硅光子晶體濾波器的進(jìn)展67-83
• 4.1 引言67
• 4.2 TPV系統(tǒng)模型67-69
• 4.3 一維光子晶體濾波器69-77
• 4.3.1 基本設(shè)計(jì)69-70
• 4.3.2 通帶改進(jìn)70-74
• 4.3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證74-77
• 4.4 系統(tǒng)性能77-79
• 4.5 小結(jié)79-81
• 參考文獻(xiàn)81-83
• 第5章 輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)法熱光伏系統(tǒng)熱分析83-95
• 5.1 引言83-84
• 5.2 數(shù)理模型84-86
• 5.2.1 輻射換熱模型85
• 5.2.2 表面光譜性質(zhì)85-86
• 5.3 結(jié)果與分析86-92
• 5.3.1 輻射換熱模型的問題87-88
• 5.3.2 模型修正88-92
• 5.4 小結(jié)92-93
• 參考文獻(xiàn)93-95
• 第6章 結(jié)論和展望95-97
• 6.1 結(jié)論95-96
• 6.2 展望96-97
• 附錄 輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)推導(dǎo)過(guò)程97-101
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和取得的研究成果101-103
• 致謝103

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