太陽(yáng)能利用中的熱物理基礎(chǔ)理論及實(shí)驗(yàn)研究

【摘要】：由于人類(lèi)社會(huì)發(fā)展及環(huán)境保護(hù)的需求,尋求可再生而潔凈新能源取代有限的且污染環(huán)境的礦物燃料是全世界急迫和重要的課題。太陽(yáng)能作為最豐富、最潔凈的永久的能源,其高效利用和低成本地轉(zhuǎn)換成電能,是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。太陽(yáng)能傳遞和與接收器之間的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程,均是在開(kāi)放的非平衡狀態(tài)下進(jìn)行的,而現(xiàn)有的經(jīng)典輻射熱力學(xué)是建立在平衡態(tài)空腔光子氣模型的基礎(chǔ)上,難以直接應(yīng)用；另外現(xiàn)有的光熱利用、光電利用或光電-熱綜合利用大多停留在以能量守恒定律來(lái)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)的層次,尚未系統(tǒng)地以熱力學(xué)第二定律結(jié)合光譜特性進(jìn)行太陽(yáng)能利用分析和研究。因此有必要開(kāi)展太陽(yáng)能利用中的熱物理基礎(chǔ)理論研究,包括光譜有效能的表征,熵參數(shù)描述,開(kāi)放系、非平衡態(tài)的太陽(yáng)輻射能傳遞、轉(zhuǎn)換過(guò)程的輻射熱力學(xué)體系構(gòu)建,輻射能與物質(zhì)界面的光熱、光電量子作用的機(jī)理探討等。在此基礎(chǔ)上提出科學(xué)利用太陽(yáng)能的方法并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。 本文在本課題組工作的基礎(chǔ)上,主要的研究工作如下： 首先利用非平衡態(tài)輻射熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論,對(duì)非平衡態(tài)輻射場(chǎng),特別是對(duì)太陽(yáng)能輻射接收器入口處的輻射能狀態(tài)進(jìn)行了描述和表征,區(qū)分了太陽(yáng)輻射能在光熱作用時(shí)顯示宏觀平均能量特性,和在光伏、光化作用時(shí)顯示量子特性的兩重性特點(diǎn)。根據(jù)太陽(yáng)輻射能在傳遞中因?yàn)閿U(kuò)散性產(chǎn)生的能流密度降低和輻射流的光譜頻率組成與太陽(yáng)表面輻射相同的特點(diǎn),計(jì)算了地面接收的太陽(yáng)輻射能在熱利用時(shí)比太陽(yáng)表面輻射能降低的品位和熵增,確定了在光伏、光化作用時(shí)地面和太陽(yáng)表面光譜輻射量子特性相同。 其次,研究太陽(yáng)輻射能與物質(zhì)作用的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理和增強(qiáng)措施。從研究和修正光與物質(zhì)作用的機(jī)理入手,提出光子波模型假設(shè),對(duì)光子波與物質(zhì)中存在的原子核-原子核和原子核-電子兩種簡(jiǎn)諧振子之間的作用過(guò)程進(jìn)行了分析,結(jié)果與用經(jīng)典波動(dòng)理論分析得到的結(jié)果是一致的,一定程度上說(shuō)明了光子波模型的正確性。光子波驅(qū)動(dòng)力與物質(zhì)表面層的分子、聲子、原子核-電子簡(jiǎn)諧振子的頻率不同,表現(xiàn)出不同光譜輻射的熱作用和量子作用的不同機(jī)制,分子和聲子吸收輻射能主要把輻射能轉(zhuǎn)換為物質(zhì)的熱能,光與物質(zhì)量子作用,輻射能激發(fā)物質(zhì)內(nèi)部的電子躍遷,輻射能轉(zhuǎn)換為電能并伴隨有熱能。對(duì)影響半導(dǎo)體材料型的太陽(yáng)輻射接收器的吸收系數(shù)和反射率等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析,結(jié)果表明,擁有較小共振躍遷頻率、較小能帶隙和較大阻尼系數(shù)的半導(dǎo)體材料對(duì)有效太陽(yáng)輻射的吸收率更高。 在此基礎(chǔ)上,為提高光電轉(zhuǎn)換效率,又利用光子波與物質(zhì)作用模型,對(duì)單晶硅太陽(yáng)電池表面鍍膜材料光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析；又采用在太陽(yáng)電池表面構(gòu)造了多種不同形狀,規(guī)則的、不規(guī)則的、有序的、無(wú)序的微結(jié)構(gòu)表面,比較了它們對(duì)太陽(yáng)輻射能吸收率的差別,結(jié)果顯示,無(wú)序的表面微結(jié)構(gòu)相對(duì)有序的表面微結(jié)構(gòu)更利于太陽(yáng)電池吸收率的提高；使用Needle法對(duì)用于光伏發(fā)電的光譜選擇性透過(guò)涂層進(jìn)行了分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。 為了提高太陽(yáng)輻射能的整體利用率,提出了兩級(jí)透射-反射聚光分頻電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的方案,分析了利用線聚焦菲涅耳透鏡、光譜選擇性透過(guò)涂層和太陽(yáng)能集熱管等部件構(gòu)成的電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的光學(xué)行為和效率,計(jì)算結(jié)果表明,作者提出的系統(tǒng),太陽(yáng)能利用率高于相同條件下傳統(tǒng)的太陽(yáng)能聚光光伏系統(tǒng),并有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低廉,易于生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。 最后,為了改善傳統(tǒng)聚光系統(tǒng)在太陽(yáng)能光電池接收面上照射的光強(qiáng)不一致,降低光伏轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了等光強(qiáng)帶聚焦菲涅耳透鏡聚光器和折平板等光強(qiáng)反射聚光器。理論上,利用蒙特卡羅光線追跡法,對(duì)兩種聚光器進(jìn)行了考慮太陽(yáng)輻射夾角的光學(xué)模擬,并對(duì)聚光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)聚光效果的影響進(jìn)行了分析,證明所設(shè)計(jì)的聚光器聚光均勻性都很好；實(shí)驗(yàn)上,在太陽(yáng)雙軸跟蹤裝置上安裝了折平板等光強(qiáng)反射聚光光伏系統(tǒng),采用CCD法對(duì)實(shí)驗(yàn)中折平板聚光器的聚光效果進(jìn)行了測(cè)量,并對(duì)此條件下太陽(yáng)電池單體和組件的伏安特性曲線進(jìn)行了測(cè)試；實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果都符合得很好,系統(tǒng)中太陽(yáng)電池單體和組件的光電轉(zhuǎn)換效率均大于相同條件下半槽式拋物面聚光光伏系統(tǒng)中的太陽(yáng)電池效率。折平板等光強(qiáng)聚光器的生產(chǎn)成本較低,便于加工,適用于中低倍數(shù)的太陽(yáng)能聚光光伏系統(tǒng)中。 【關(guān)鍵詞】：太陽(yáng)能 輻射傳熱 光與物質(zhì)的作用 光伏 電熱聯(lián)產(chǎn) 均勻聚光 分頻 光譜選擇性涂層 菲涅耳透鏡 光學(xué)分析
【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】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：TK519;TK121
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 目錄10-13
• 第1章 緒論13-43
• 1.1 研究背景13-15
• 1.2 太陽(yáng)能利用綜述15-21
• 1.2.1 太陽(yáng)輻射能15-16
• 1.2.2 太陽(yáng)能資源和開(kāi)發(fā)潛力16
• 1.2.3 太陽(yáng)能利用發(fā)展現(xiàn)狀16-21
• 1.2.4 太陽(yáng)能利用理論和實(shí)驗(yàn)研究的意義21
• 1.3 太陽(yáng)能利用中已有的一些重要理論21-28
• 1.3.1 經(jīng)典黑體輻射基本定律21-22
• 1.3.2 太陽(yáng)能傳輸?shù)竭_(dá)地面接收器的照射輻射強(qiáng)度理論22-24
• 1.3.3 輻射接收器的輻射性質(zhì)24-26
• 1.3.4 光電轉(zhuǎn)換理論及光電池的材料光譜特性26-28
• 1.4 太陽(yáng)能利用中需要研究的基礎(chǔ)理論問(wèn)題28-36
• 1.4.1 太陽(yáng)能的品位屬性和熱力學(xué)表征問(wèn)題28-30
• 1.4.2 太陽(yáng)光合作用的負(fù)熵問(wèn)題30-31
• 1.4.3 太陽(yáng)發(fā)射、傳輸、接收過(guò)程的熵變問(wèn)題31-33
• 1.4.4 地面上利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的極限效率33-34
• 1.4.5 非平衡態(tài)輻射熱力學(xué)問(wèn)題34
• 1.4.6 光與物質(zhì)作用的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制34
• 1.4.7 材料表面輻射性質(zhì)研究34-35
• 1.4.8 分頻和綜合利用太陽(yáng)能的理論基礎(chǔ)及技術(shù)35-36
• 1.4.9 太陽(yáng)能聚光技術(shù)和聚光光強(qiáng)分布問(wèn)題36
• 1.5 本文研究?jī)?nèi)容36-38
• 參考文獻(xiàn)38-43
• 第2章 非平衡態(tài)輻射場(chǎng)能量狀態(tài)參數(shù)的表征43-59
• 2.1 引言43-44
• 2.2 非平衡輻射熱力學(xué)系統(tǒng)44-45
• 2.3 非平衡輻射熱力學(xué)系統(tǒng)能量參數(shù)表征45-48
• 2.3.1 光量子的能量參數(shù)45-46
• 2.3.2 輻射場(chǎng)邊界的光譜能量參數(shù)46-47
• 2.3.3 輻射場(chǎng)邊界單位面積單位時(shí)間半球向的輻射能參數(shù)47-48
• 2.4 輻射場(chǎng)能量的表征48-56
• 2.4.1 照射輻射強(qiáng)度和當(dāng)量輻射溫度49-50
• 2.4.2 照射輻射能的特征溫度50-51
• 2.4.3 照射輻射能的能量、熵和有效能方程51-54
• 2.4.4 最佳接收溫度54
• 2.4.5 狀態(tài)參數(shù)分析54-56
• 2.5 小結(jié)56-57
• 參考文獻(xiàn)57-59
• 第3章 光與物質(zhì)作用的基礎(chǔ)理論研究59-88
• 3.1 引言59-62
• 3.1.1 光的本質(zhì)59-60
• 3.1.2 光與固態(tài)物質(zhì)的作用形式60-62
• 3.2 光與物質(zhì)作用的機(jī)理探究62-80
• 3.2.1 光子波模型假設(shè)62-65
• 3.2.2 物質(zhì)中的簡(jiǎn)諧振子模型65
• 3.2.3 光與物質(zhì)作用的力學(xué)模型65-71
• 3.2.4 結(jié)果與討論71-80
• 3.3 物質(zhì)表面微結(jié)構(gòu)對(duì)光與物質(zhì)作用的影響80-85
• 3.3.1 硅太陽(yáng)電池模型80-82
• 3.3.2 模擬結(jié)果及分析82-85
• 3.4 小結(jié)85-86
• 參考文獻(xiàn)86-88
• 第4章 聚光分頻太陽(yáng)能利用及其分頻器的研究88-123
• 4.1 引言88-89
• 4.2 聚光光熱利用系統(tǒng)89-94
• 4.2.1 聚光光熱系統(tǒng)和光譜選擇性吸收涂層89-90
• 4.2.2 光譜選擇性吸收涂層最佳截止波長(zhǎng)的求解和分析90-92
• 4.2.3 系統(tǒng)效率分析92-94
• 4.3 聚光分頻光伏發(fā)電系統(tǒng)94-109
• 4.3.1 聚光光伏系統(tǒng)和光譜選擇性透過(guò)涂層94-97
• 4.3.2 分頻器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化97-106
• 4.3.3 系統(tǒng)效率分析106-109
• 4.4 反射聚光分頻-反射光伏發(fā)電+透射光熱利用系統(tǒng)109-113
• 4.4.1 系統(tǒng)原理109-110
• 4.4.2 分頻器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化110-112
• 4.4.3 系統(tǒng)效率分析112-113
• 4.5 兩級(jí)透射聚光分頻-光伏發(fā)電+反射光熱利用系統(tǒng)113-120
• 4.5.1 系統(tǒng)原理113-117
• 4.5.2 分頻器的設(shè)計(jì)和分析117-119
• 4.5.3 系統(tǒng)效率分析119-120
• 4.6 小結(jié)120-121
• 參考文獻(xiàn)121-123
• 第5章 等光強(qiáng)聚光光伏系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究123-170
• 5.1 太陽(yáng)能一維驅(qū)動(dòng)二維跟蹤器的研究123-130
• 5.1.1 技術(shù)背景123-125
• 5.1.2 二維太陽(yáng)跟蹤器實(shí)例和工作原理125-129
• 5.1.3 維太陽(yáng)跟蹤器特點(diǎn)和優(yōu)越性129-130
• 5.2 等光強(qiáng)帶聚焦菲涅耳透射聚光器設(shè)計(jì)和分析130-146
• 5.2.1 引言130-131
• 5.2.2 帶聚焦菲涅耳透鏡的設(shè)計(jì)131-136
• 5.2.3 帶聚焦菲涅耳透鏡的光學(xué)分析136-146
• 5.3 折平板等光強(qiáng)反射聚光器設(shè)計(jì)和分析146-160
• 5.3.1 引言146
• 5.3.2 折平板反射聚光器的設(shè)計(jì)146-150
• 5.3.3 折平板反射聚光器的光學(xué)分析150-160
• 5.4 折平板等光強(qiáng)反射聚光光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究160-166
• 5.4.1 能流密度分布和聚光效率測(cè)試160-164
• 5.4.2 系統(tǒng)I-V特性測(cè)試164-166
• 5.5 小結(jié)166-167
• 參考文獻(xiàn)167-170
• 第6章 結(jié)論與展望170-174
• 6.1 結(jié)論與創(chuàng)新點(diǎn)170-172
• 6.1.1 結(jié)論170-171
• 6.1.2 創(chuàng)新點(diǎn)171-172
• 6.2 展望172-174
• 致謝174-175
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的其他研究成果175-176

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非平衡態(tài)輻射場(chǎng)能量狀態(tài)參數(shù)的表征    陳則韶;胡芃;莫松平;王剛;

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例析Matlab軟件融入光學(xué)教學(xué)課堂    魏義永;

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數(shù)值模擬在建筑一體化太陽(yáng)房設(shè)計(jì)中的應(yīng)用    紀(jì)獻(xiàn)兵;林文賢;劉滔;

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太陽(yáng)能與建筑一體化的實(shí)證研究    陳芝俊;

光伏并網(wǎng)發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤算法研究    王桂英;史金玲;紀(jì)飛;王歡;

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太陽(yáng)電池和光伏組件的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)    孔凡建;

染料敏化太陽(yáng)電池的實(shí)用化研究    陳雙宏;翁堅(jiān);黃陽(yáng);王利軍;戴松元;

染料敏化納米薄膜太陽(yáng)電池的實(shí)驗(yàn)研究    方霞琴;戴松元;王孔嘉;

納米多孔薄膜在染料敏化太陽(yáng)電池中的應(yīng)用    胡林華;戴松元;戴俊;劉偉慶;王孔嘉;

MIp~+-Al_xGa_(1-x)As/p-n-n~+-GaAS太陽(yáng)電池的電特性    陳庭金;王履芳;涂潔磊;

太陽(yáng)能路燈的普及為什么困難重重    孟昭淵;

非晶硅基太陽(yáng)電池p型界面的研究    廖顯伯;刁宏偉;胡志華;曾湘波;徐艷月;孔光臨;

太陽(yáng)電池測(cè)試系統(tǒng)    樊昕昱;陳鳳翔;徐林;崔容強(qiáng);

太陽(yáng)電池及其利用方法(十四)    青化 編譯

太陽(yáng)電池及其利用方法(十五)    青化 編譯

太陽(yáng)電池及其利用方法(二十)    青化 編譯

太陽(yáng)電池及其利用方法(二十一)    青化 編譯

太陽(yáng)電池及其利用方法 (二十二)    

太陽(yáng)電池及其利用方法(二十三)    青化 編譯

太陽(yáng)電池及其利用方法(二十四)    青化 編譯

太陽(yáng)電池及其利用方法(二十六)    

太陽(yáng)電池及其利用方法(二十七)    青化 編譯

太陽(yáng)電池及其利用方法(一)    青化 編譯

太陽(yáng)能利用中的熱物理基礎(chǔ)理論及實(shí)驗(yàn)研究    王剛

基于酞菁和富勒烯的有機(jī)太陽(yáng)電池的研制及其相關(guān)系統(tǒng)與控制的研究    席曦

新型結(jié)構(gòu)聚合物太陽(yáng)電池與光探測(cè)器的制備及其性能研究    楊庭斌

晶體硅太陽(yáng)電池中的電學(xué)復(fù)合行為    王朋

共軛聚電解質(zhì)及氧化鉬作為電極修飾層對(duì)聚合物太陽(yáng)電池性能的影響    賀超

太陽(yáng)電池透明電極與質(zhì)子輻照三結(jié)太陽(yáng)電池研究    張希

新型硅基高效太陽(yáng)電池的輸運(yùn)性能研究    袁吉仁

熱絲CVD法制備硅基薄膜材料及相關(guān)太陽(yáng)電池模擬研究    黃海賓

多晶硅及碲化鎘薄膜光伏材料關(guān)鍵制備技術(shù)的研究    羅翀

InGaP/GaAs微結(jié)構(gòu)材料GSMBE生長(zhǎng)與特性及HBT和太陽(yáng)電池器件研究    陳曉杰

基于P3HT:PCBM聚合物太陽(yáng)電池的研究    呂晶

HIT太陽(yáng)電池硅片處理及復(fù)合透明導(dǎo)電膜的研究    王淑珍

粉末涂敷法制備CuInS_2太陽(yáng)電池光吸收層的研究    沙磊

氧化鋅納米結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池的制備及其光電性能的研究    狄迪

太陽(yáng)電池緩沖層CdS和Cd_xZn_(1-x)S薄膜的制備研究    李海燚

高效、低成本太陽(yáng)電池的研究    郜小勇

n型硅上絲網(wǎng)印刷制備Al-p~+發(fā)射極的研究    陳偉

柔性染料敏化太陽(yáng)電池高效率化研究    楊麗

大面積染料敏化太陽(yáng)電池高效化研究    吳寶山

氧碳含量對(duì)太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率影響的研究    霍秀敏