太陽能熱光伏系統(tǒng)機理與實驗研究.pdf

1、隨著能源的日益緊缺，世界各國致力于尋求新型發(fā)電裝置。太陽能作為一種潔凈能源，既是一次能源，又是可再生能源，有著礦物質能源不可比擬的優(yōu)越性。太陽能熱光伏發(fā)電(Solar Thermophotovoltaic，STPV)是目前對太陽光熱綜合利用的又一種途徑。STPV系統(tǒng)具有高功率密度、高轉換效率、無運動部件、易于維護等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。本文的目的是研究太陽能熱光伏系統(tǒng)的運行機理，優(yōu)化設計各組成部件，并開展全面的實驗研究。具體研究內容

2、主要包括以下幾個方面：
　　 (1)太陽能熱光伏系統(tǒng)機理研究
　　 針對STPV系統(tǒng)建立了完整的理論分析模型，采用蒙特卡洛法研究了碟式反射聚光器的會聚性能，分析了太陽光不平行度、跟蹤誤差、鏡面反射誤差等對焦面光斑大小及位置的影響；構建了熱光伏轉換裝置間熱交換及熱電轉換過程的物理模型，討論了各性能參數對電池輸出特性的影響；對整個STPV系統(tǒng)建立了效率求解模型，深入探討了聚光器會聚比、輻射器溫度、電池溫度、散熱器流速等特性參

3、數間的相互影響關系，從而為優(yōu)化設計STPV系統(tǒng)提供了必要的理論指導。
　　 (2)太陽能熱光伏系統(tǒng)設計計算
　　 對STPV系統(tǒng)的主要組成部件-輻射器、濾波器及散熱器進行設計計算。針對不同結構及材料的輻射器建立了溫度求解模型，分析了不同結構輻射器的截斷因子及能量損失情況，并對其溫度分布及對系統(tǒng)性能的影響進行了研究，同時對不同選擇性輻射器及帶有光子晶體濾波器的灰體輻射器的能量有效利用率及系統(tǒng)效率進行了比較。針對GaSb電池

4、，理論設計了一維微結構光譜控制裝置，分析了濾波器與輻射器能量光譜分布及電池的匹配特性；設計了應用于STPV系統(tǒng)的水冷式散熱裝置，采用CFD軟件對水冷式散熱器中的流動換熱過程進行了數值模擬，研究了結構、材料及流速等參數對散熱性能的影響。
　　 (3)太陽能熱光伏系統(tǒng)熱分析
　　 對STPV系統(tǒng)中的熱交換過程進行了深入研究。構建了輻射器空腔內部自然對流換熱的數學物理模型，討論了開口處對流熱損失對輻射器溫度及電池輸出特性的影響

5、，并提出了一定的改進措施，在不影響吸收的太陽能量的基礎上減小了對流損失，并和開口輻射器性能進行了對比，為系統(tǒng)的優(yōu)化提供了理論依據。研究了熱光伏轉換裝置中輻射器-電池間的能量交換，構建了封閉腔內對流及輻射換熱的數學物理模型，得出電池表面輻射及對流熱負荷隨輻射器溫度的變化規(guī)律，討論了對流換熱對系統(tǒng)性能的影響。同時，研究了存在自然對流換熱時，不同輻射器溫度、散熱器入口流速及熱負荷下電池的輸出功率及系統(tǒng)效率，并求得不同輻射器溫度下的最優(yōu)散熱器入

6、口流速，以獲得系統(tǒng)最佳工作條件。
　　 (4)太陽能熱光伏系統(tǒng)性能優(yōu)化及熱力學第二定律研究
　　 建立了太陽能熱光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設計方法以進一步提高系統(tǒng)性能及轉換效率。針對輻射器入口處的輻射能量泄露問題，提出了一種選擇透過性薄膜，建立了針對選擇性薄膜截止波長的優(yōu)化設計方法，并分析了該選擇性薄膜對系統(tǒng)性能的優(yōu)化結果；從熱力學第二定律的角度對STPV系統(tǒng)進行了建模分析，構建了其主要組成部分-輻射器、濾波器及光電池的熵產計算模型

7、，同時計算了各模塊的轉換效率，討論了聚光器會聚比、輻射器溫度、電池禁帶寬度等參數對系統(tǒng)熵產及效率的影響，從另一個角度對STPV系統(tǒng)進行了深入的探討。
　　 (5)太陽能熱光伏系統(tǒng)實驗研究
　　 對STPV系統(tǒng)進行了全面的實驗研究，對系統(tǒng)組成裝置即聚光器、輻射器、濾波器、電池、散熱器等進行了合理的選型及加工，實驗測試了聚光器、散熱器及光伏電池的工作性能；設計了系統(tǒng)中熱光伏轉換器的整體結構，并進行實驗搭建，結合自動跟蹤裝置，