新型光伏电池混合系统和光伏制氢系统性能优化的研究

摘要

能源作为社会和经济发展的核心动力，促进了人类社会的变革与生产力水平的提高，但是传统化石能源的过度使用，导致了资源的紧缺与严重的环境问题。近年来，各国学者把目光投向了太阳能、氢能、风能、地热能等可再生能源。其中，光伏电池作为最有前景的新能源形式之一，既可作为独立能源，也可并网发电；而氢能由于其具有高热值，储量丰富和清洁等优点，故被认为是未来最有前景的能源载体之一。另一方面，光伏制氢系统实现了光伏发电和电解水制氢两种绿色能源生产方式的结合，以氢气为燃料的燃料电池是氢能利用的代表性装置之一，它可以提供高效，稳定和无污染的电能，而且高温燃料电池废热的循环利用，可进一步提高系统整体的能量效率，因此对光伏电池混合系统，光伏制氢系统和燃料电池混合系统性能及其优化性能进行研究，不仅有理论意义，而且有实用价值，对开发可再生能源、发展新能源技术、能源的高效利用、改善生态环境、开拓交叉学科领域研究等具有重要意义。
　　基于以上原因，本论文主要研究光伏电池混合系统，光伏制氢系统和燃料电池混合系统等几种新型混合能量系统的性能特性，详细分析了系统内一些重要参数对系统性能特性及优化性能的影响，优化系统的重要性能参数，建立了相应的优化理论。相关的研究内容安排在第二章到第六章。
　　在第二章中，简要说明了太阳辐射度和辐射功率的概念，分析了太阳能电池的反射损失。建立了光子增强热离子发射太阳能电池这一新型太阳能电池的数学模型，从能量转换的角度出发，结合有限时间热力学和非平衡态热力学理论，导出了光子增强热离子发射太阳能电池的效率和功率的一般表达式，分析了空间电荷效应对光子增强热离子发射太阳能电池性能的影响，详细讨论了该类太阳能电池的性能特性。
　　在第三章中，建立了一类考虑实际系统中所存在的多种传热损失下的不可逆光子增强热离子发射太阳能电池与温差热电发电器组合而成的混发电系统模型，基于太阳能电池与温差热电发电器之间的能量平衡方程，推导出该混合系统输出功率和效率的表达式。通过数值计算，详细讨论了光子增热离子发射太阳能电池的面积、电子亲和势、阴极半导体材料的禁带宽度以及温差热电发电器无量纲电流对混合系统优化性能的影响，确定混合发电系统运行于最大效率下光子增强热离子太阳能电池阴极材料的禁带宽度，电子亲和势，电池面积和温差热电发电器的无量纲电流的优化值，并对温差热电不同材料对系统性能的影响进行了对比。结果表明采用混合系统，太阳能能转换效率可提高约10％，而光增热离子太阳能电池阴极半导体材料禁带宽度在最大效率下的优化值则比单一光增热离子太阳能电池的小。
　　在第四章中，建立了一类光伏电池驱动碱性电解槽制氢混合系统的电和热模型。基于热力学和电化学的理论，得到了系统的效率表达式。对光伏阵列和电解槽系统之间的匹配问题进行了讨论。通过数值模拟，优化了制氢系统的效率。对系统中一些诸如太阳辐射，电解槽的操作温度，压缩机效率和回热器效率等重要参数，以及光伏电池禁带宽度和理想因子对制氢效率的影响进行了详细的分析。结果表明当电解槽系统工作在邻近光伏电池的最大功率点效率时，制氢效率将达到最大值。混合系统中各种参数对最大制氢效率的影响有明显不同。
　　在第五章中，建立了一类不可逆固体氧化物燃料电池与半导体温差热电发电器/真空热离子发电器混合发电系统模型，基于非平衡态热力学理论，导出混合系统一些重要性能参数诸如输出功率、效率和温差热电开始工作时燃料电池的电流密度等的一般表达式，分析系统的性能特性和优化性能，给出系统在最大输出功率或最大效率时的优化条件，确定了系统一些重要性能参数的优化工作区域，详细讨论系统的一些主要不可逆性对系统优化性能的影响，得到一些有意义的新结论。
　　在第六章中，提出了一种固体氧化物燃料电池废热利用的新模型，基于热力学和电化学理论，推导出了新系统效率的数学表达式。对固体氧化物燃料电池与温差热电发电器的耦合进行了分析，并在此基础上讨论了温差热电驱动电解槽制氢的匹配，并将混合系统和单独燃料电池效率进行比较，揭示了系统重要参数对性能的影响，结果发现新混合系统能有效提高燃料电池的效率，该新系统可以有效的将燃料电池的废热转换成氢气，提高能源利用效率。
　　本文建立了新型光伏电池混合系统，光伏制氢系统和燃料电池混合系统的新模型，在考虑热源传热及多种不可逆损失的情况下，通过数值模拟，分析了系统一些重要参数对混合系统性能的影响，获得了主要参数的优化工作区间。所建立的优化理论不仅可以揭示新型光伏电池混合系统的性能，还可以为其以后的实际应用提供理论指导。

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第1章 引 言

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.3 本文研究内容和各章节安排

第2章 光子增强热离子发射太阳能电池机理

2.1 光伏能源-太阳辐射

2.2 光子增强热离子发射太阳能电池的基本原理

2.3 光子增强热离子发射太阳能电池的数学模型

2.4 结论

第3章 光子增强热离子发射太阳能电池混合发电系统的性能特性

3.1 混合系统模型

3.2 混合系统的性能评估和参数优化

3.3 结论

第4章 光伏制氢混合系统的性能评估和优化性能

4.1 光伏电池-电解槽混合系统的热力学模型

4.2 混合系统产氢的效率

4.3 电解槽和光伏的直接匹配

4.4 制氢系统的性能评估

4.5 结论

第5章 高温燃料电池混合发电系统的性能优化

5.1 不可逆SOFC-TEG混合发电系统的模型

5.2 混合发电系统的输出功率和效率

5.3 混合系统的优化分析和优化判据

5.4 系统重要参数对混合系统性能的影响

5.5 不可逆SOFC-VTIG混合发电系统模型

5.6 结论

第6章 燃料电池废热制氢混合系统的性能评估

6.1 系统描述

6.2 混合系统的效率

6.3 混合系统的性能特性

6.4 结论

第7章 本文创新点及工作展望

7.1 创新点

7.2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果