太阳能热光伏系统机理与实验研究

摘要

随着能源的日益紧缺，世界各国致力于寻求新型发电装置。太阳能作为一种洁净能源，既是一次能源，又是可再生能源，有着矿物质能源不可比拟的优越性。太阳能热光伏发电(Solar Thermophotovoltaic，STPV)是目前对太阳光热综合利用的又一种途径。STPV系统具有高功率密度、高转换效率、无运动部件、易于维护等优点，具有广阔的应用前景。本文的目的是研究太阳能热光伏系统的运行机理，优化设计各组成部件，并开展全面的实验研究。具体研究内容主要包括以下几个方面：
　　 (1)太阳能热光伏系统机理研究
　　 针对STPV系统建立了完整的理论分析模型，采用蒙特卡洛法研究了碟式反射聚光器的会聚性能，分析了太阳光不平行度、跟踪误差、镜面反射误差等对焦面光斑大小及位置的影响；构建了热光伏转换装置间热交换及热电转换过程的物理模型，讨论了各性能参数对电池输出特性的影响；对整个STPV系统建立了效率求解模型，深入探讨了聚光器会聚比、辐射器温度、电池温度、散热器流速等特性参数间的相互影响关系，从而为优化设计STPV系统提供了必要的理论指导。
　　 (2)太阳能热光伏系统设计计算
　　 对STPV系统的主要组成部件-辐射器、滤波器及散热器进行设计计算。针对不同结构及材料的辐射器建立了温度求解模型，分析了不同结构辐射器的截断因子及能量损失情况，并对其温度分布及对系统性能的影响进行了研究，同时对不同选择性辐射器及带有光子晶体滤波器的灰体辐射器的能量有效利用率及系统效率进行了比较。针对GaSb电池，理论设计了一维微结构光谱控制装置，分析了滤波器与辐射器能量光谱分布及电池的匹配特性；设计了应用于STPV系统的水冷式散热装置，采用CFD软件对水冷式散热器中的流动换热过程进行了数值模拟，研究了结构、材料及流速等参数对散热性能的影响。
　　 (3)太阳能热光伏系统热分析
　　 对STPV系统中的热交换过程进行了深入研究。构建了辐射器空腔内部自然对流换热的数学物理模型，讨论了开口处对流热损失对辐射器温度及电池输出特性的影响，并提出了一定的改进措施，在不影响吸收的太阳能量的基础上减小了对流损失，并和开口辐射器性能进行了对比，为系统的优化提供了理论依据。研究了热光伏转换装置中辐射器-电池间的能量交换，构建了封闭腔内对流及辐射换热的数学物理模型，得出电池表面辐射及对流热负荷随辐射器温度的变化规律，讨论了对流换热对系统性能的影响。同时，研究了存在自然对流换热时，不同辐射器温度、散热器入口流速及热负荷下电池的输出功率及系统效率，并求得不同辐射器温度下的最优散热器入口流速，以获得系统最佳工作条件。
　　 (4)太阳能热光伏系统性能优化及热力学第二定律研究
　　 建立了太阳能热光伏系统的优化设计方法以进一步提高系统性能及转换效率。针对辐射器入口处的辐射能量泄露问题，提出了一种选择透过性薄膜，建立了针对选择性薄膜截止波长的优化设计方法，并分析了该选择性薄膜对系统性能的优化结果；从热力学第二定律的角度对STPV系统进行了建模分析，构建了其主要组成部分-辐射器、滤波器及光电池的熵产计算模型，同时计算了各模块的转换效率，讨论了聚光器会聚比、辐射器温度、电池禁带宽度等参数对系统熵产及效率的影响，从另一个角度对STPV系统进行了深入的探讨。
　　 (5)太阳能热光伏系统实验研究
　　 对STPV系统进行了全面的实验研究，对系统组成装置即聚光器、辐射器、滤波器、电池、散热器等进行了合理的选型及加工，实验测试了聚光器、散热器及光伏电池的工作性能；设计了系统中热光伏转换器的整体结构，并进行实验搭建，结合自动跟踪装置，对整个STPV系统进行了现场测试，分析了太阳能量密度对辐射器温度的影响，对不同辐射器入口条件时的温度分布进行了比较，并针对单片及两片并联连接的GaSb电池，测量了不同辐射器温度下的电池输出特性；研究了散热器流速对电池温度及其输出功率的影响；讨论了实验测量值与理论解存在差异的原因。