熱光伏系統(tǒng)數(shù)值模擬及其光譜控制方法研究.pdf

1、熱光伏(TPV)系統(tǒng)是目前最先進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)最為顯著的特點之一。TPV系統(tǒng)的其它優(yōu)勢和特點還包括：可應(yīng)用能源形式多樣，運行安靜、維護成本低，安全、無污染，可實行熱

2、電聯(lián)供等。上述優(yōu)勢和特點決定了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用價值和應(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

3、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，通過數(shù)值模擬獲得了SiC灰體輻射器分別配

4、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。
　　

5、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光子晶體濾波器進行了理論和實驗研究。
　　 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)對其光學(xué)性

6、能的影響；計算了輻射器種類分別為Al2O3/Er3Al5O12熔融陶瓷選擇性輻射器和SiC灰體輻射器、而輻射器溫度為1400～1600 K時，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TCOs濾波器性能的影響，并考察了Al2O3/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。
　　 針對一維硅/二氧化硅光子晶體濾

7、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)對稱單元的等效折射率理論，將其結(jié)構(gòu)改進為[1.10(L/2HL/2)](L/2HL/2)3[1.10(L/2HL/2)]，即中間三個單元不變，左、右各最外一個單元修改為折射率匹配單元。模擬結(jié)果表明：改進型濾波器在特征波長處的透過率有較大改善，且一定程度地抑制

8、了長波光子的透過；輻射器為1250℃的黑體時，采用改進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)計大致相符，試樣的光譜反射率和透過率的測量結(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L MFraas提出的典型中溫TPV系統(tǒng)

9、的輻射換熱模型。相對于蒙特卡羅等方法，輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)勢是模型較簡單，計算量小。但對模型的一般求解過程中并未考慮石英玻璃管對輻射光子的波長轉(zhuǎn)換作用，導(dǎo)致計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。通過在輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)中添加虛擬的單色波熱源的方式對模型進行了修正。該方式忽略了波長轉(zhuǎn)換的詳細過程，可以簡化修正模型的復(fù)雜程度，并減少計算量和計算時間。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