热光伏系统数值模拟及其光谱控制方法研究

摘要

热光伏(TPV)系统是目前最先进的分布式能源解决方案之一，它利用光伏(PV)电池将人造热源的热辐射能转换为电能输出，故其基本原理与PV系统完全相同，即利用半导体PN结的光电转换特性。由于人造热源辐射距离小，TPV系统拥有比PV系统高得多的输出电功率密度，可达数瓦每平方厘米，并且输出稳定，不受天气等因素影响，这是TPV系统最为显著的特点之一。TPV系统的其它优势和特点还包括：可应用能源形式多样，运行安静、维护成本低，安全、无污染，可实行热电联供等。上述优势和特点决定了TPV系统在工业、商业、军事和航空航天等领域都将拥有非常巨大的实用价值和应用前景。
　　 TPV系统的主要构成部件为热源、辐射器、TPV电池、光子回收系统和能量控制单元。热源提供系统所需的辐射能量，其形式多样，包括化学燃料燃烧能、核能、太阳能等。辐射器将热源的能量辐射至TPV电池表面，分为灰体辐射器和选择性辐射器。TPV电池将接收到的辐射能转化为电能输出，是TPV系统的核心部件，决定了TPV系统的性能水平。光子回收系统用于回收半导体能带外的光子，以降低能量损耗，包括前置滤波器和背面反射器(及其组合)。能量控制单元控制系统的电能输出、各部件的冷却和余热回收等。目前对于TPV的研究主要围绕以上各关键技术以及系统构建展开。
　　 辐射器、TPV电池和光子回收系统是TPV系统的关键部件，它们一起构成了TPV系统的核心——热辐射发电模块。在热光伏系统性能初步研究中，建立了该模块的数学物理模型，通过数值模拟获得了SiC灰体辐射器分别配合GaSb和Si电池所构成的TPV系统的输出伏安特性曲线；再以GaSb电池为例，分别分析了SiC灰体辐射器温度、电池温度对系统性能的影响。得出结论：辐射器温度升高，系统输出电功率密度迅速增大，电池效率也稳步提高；电池温度升高则导致系统性能下降，电池效率也大幅下降。最后，讨论了与GaSb匹配的一种选择性辐射器的辐射能量分布情况。与SiC灰体辐射器相比，选择性辐射器可以显著减少辐射能量中的不可用部分，从而有效提高系统的性能。
　　 TPV系统的光谱控制部件包括选择性辐射器和光子回收系统。光谱控制部件对于提高光谱效率乃至TPV系统效率具有举足轻重的作用，是构建高性能TPV系统的关键部件之一。本文从配合以GaSb电池为转换器的TPV系统的滤波器入手，分别对透明导电氧化物(TCOs)滤波器和一维Si/SiO2光子晶体滤波器进行了理论和实验研究。
　　 在透明导电氧化物滤波器的优化分析中，建立了TCOs滤波器的理论模型，分析了载流子浓度、迁移率等电学参数对其光学性能的影响；计算了辐射器种类分别为Al2O3/Er3Al5O12熔融陶瓷选择性辐射器和SiC灰体辐射器、而辐射器温度为1400～1600 K时，应用于以GaSb电池为转换器的TPV系统的TCOs滤波器的最佳载流子浓度和薄膜厚度区间。最后，讨论了石英玻璃衬底厚度对TCOs滤波器性能的影响，并考察了Al2O3/Er3Al5O12熔融陶瓷选择性辐射器+TCOs滤波器+GaSb电池的TPV系统的性能。
　　 针对一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器，建立了一维Si/SiO2光子晶体滤波器的理论模型，并指出原始结构的(L/2HL/2)5型光子晶体滤波器在GaSb电池特征波长处存在较大反射峰，制约了TPV系统性能的提高；再根据对称单元的等效折射率理论，将其结构改进为[1.10(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[1.10(L/2HL/2)]，即中间三个单元不变，左、右各最外一个单元修改为折射率匹配单元。模拟结果表明：改进型滤波器在特征波长处的透过率有较大改善，且一定程度地抑制了长波光子的透过；辐射器为1250℃的黑体时，采用改进型滤波器光谱效率和输出电功率密度均提高10％以上，电池效率也有所提高。采用磁控溅射方法制作了原始结构和改进型一维Si/SiO2光子晶体滤波器的试样，试样截面电镜图像表明所得光子晶体滤波器试样结构与设计大致相符，试样的光谱反射率和透过率的测量结果与数值模拟结果吻合良好。
　　 在辐射热阻网络法热光伏系统热分析中，采用辐射热阻网络方法建立了L MFraas提出的典型中温TPV系统的辐射换热模型。相对于蒙特卡罗等方法，辐射热阻网络法的优势是模型较简单，计算量小。但对模型的一般求解过程中并未考虑石英玻璃管对辐射光子的波长转换作用，导致计算所得的石英玻璃管的光谱发射功率密度与普朗克定律相违背。通过在辐射热阻网络中添加虚拟的单色波热源的方式对模型进行了修正。该方式忽略了波长转换的详细过程，可以简化修正模型的复杂程度，并减少计算量和计算时间。采用修正模型得到了系统的辐射热流密度、光谱效率和石英玻璃管的等效辐射温度等一些重要参数，与参考文献中蒙特卡罗等复杂模型的结果吻合较好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1热光伏基本理论

1.1.1 基本概念

1.1.2系统组成

1.1.3优势与特点

1.1.4研究历史

1.2光谱控制技术

1.2.1选择性辐射器

1.2.2光子回收系统

1.3热光伏应用前景

1.4本论文主要内容

参考文献

第2章 热光伏系统性能初步研究

2.1引言

2.2计算模型

2.2.1辐射换热模型

2.2.2电池模型

2.2.3表面辐射性质

2.3计算结果与分析

2.3.1 GaSb与Si电池TPV系统的比较

2.3.2辐射器温度的影响

2.3.3 电池温度的影响

2.3.4 SiC辐射器与选择性辐射器的比较

2.4 小结

参考文献

第3章 透明导电氧化物滤波器的优化分析

3.1引言

3.2 TCOs滤波器理论模型

3.3计算结果与分析

3.3.1 TCOs滤波器的光谱性质

3.3.2应用于GaSb电池TPV系统的TCOs滤波器

3.3.3采用TCOs滤波器的TPV系统性能

3.4 小结

参考文献

第4章 一维硅/二氧化硅光子晶体滤波器的进展

4.1引言

4.2TPV系统模型

4.3一维光子晶体滤波器

4.3.1基本设计

4.3.2通带改进

4.3.3实验验证

4.4系统性能

4.5 小结

参考文献

第5章辐射热阻网络法热光伏系统热分析

5.1引言

5.2数理模型

5.2.1辐射换热模型

5.2.2表面光谱性质

5.3结果与分析

5.3.1辐射换热模型的问题

5.3.2模型修正

5.4 小结

参考文献

第6章结论和展望

6.1结论

6.2展望

附录辐射热阻网络推导过程

在读期间发表的学术论文和取得的研究成果

致谢