太陽能利用中的熱物理基礎(chǔ)理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、由于人類社會發(fā)展及環(huán)境保護(hù)的需求，尋求可再生而潔凈新能源取代有限的且污染環(huán)境的礦物燃料是全世界急迫和重要的課題。太陽能作為最豐富、最潔凈的永久的能源，其高效利用和低成本地轉(zhuǎn)換成電能，是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。太陽能傳遞和與接收器之間的能量轉(zhuǎn)換過程，均是在開放的非平衡狀態(tài)下進(jìn)行的，而現(xiàn)有的經(jīng)典輻射熱力學(xué)是建立在平衡態(tài)空腔光子氣模型的基礎(chǔ)上，難以直接應(yīng)用；另外現(xiàn)有的光熱利用、光電利用或光電-熱綜合利用大多停留在以能量守恒定律來進(jìn)行分析評價(jià)的層次，尚

2、未系統(tǒng)地以熱力學(xué)第二定律結(jié)合光譜特性進(jìn)行太陽能利用分析和研究。因此有必要開展太陽能利用中的熱物理基礎(chǔ)理論研究，包括光譜有效能的表征，熵參數(shù)描述，開放系、非平衡態(tài)的太陽輻射能傳遞、轉(zhuǎn)換過程的輻射熱力學(xué)體系構(gòu)建，輻射能與物質(zhì)界面的光熱、光電量子作用的機(jī)理探討等。在此基礎(chǔ)上提出科學(xué)利用太陽能的方法并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。
　　 本文在本課題組工作的基礎(chǔ)上，主要的研究工作如下：
　　 首先利用非平衡態(tài)輻射熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論，對非平衡態(tài)

3、輻射場，特別是對太陽能輻射接收器入口處的輻射能狀態(tài)進(jìn)行了描述和表征，區(qū)分了太陽輻射能在光熱作用時(shí)顯示宏觀平均能量特性，和在光伏、光化作用時(shí)顯示量子特性的兩重性特點(diǎn)。根據(jù)太陽輻射能在傳遞中因?yàn)閿U(kuò)散性產(chǎn)生的能流密度降低和輻射流的光譜頻率組成與太陽表面輻射相同的特點(diǎn)，計(jì)算了地面接收的太陽輻射能在熱利用時(shí)比太陽表面輻射能降低的品位和熵增，確定了在光伏、光化作用時(shí)地面和太陽表面光譜輻射量子特性相同。
　　 其次，研究太陽輻射能與物質(zhì)作用的

4、能量轉(zhuǎn)換機(jī)理和增強(qiáng)措施。從研究和修正光與物質(zhì)作用的機(jī)理入手，提出光子波模型假設(shè)，對光子波與物質(zhì)中存在的原子核-原子核和原子核-電子兩種簡諧振子之間的作用過程進(jìn)行了分析，結(jié)果與用經(jīng)典波動理論分析得到的結(jié)果是一致的，一定程度上說明了光子波模型的正確性。光子波驅(qū)動力與物質(zhì)表面層的分子、聲子、原子核-電子簡諧振子的頻率不同，表現(xiàn)出不同光譜輻射的熱作用和量子作用的不同機(jī)制，分子和聲子吸收輻射能主要把輻射能轉(zhuǎn)換為物質(zhì)的熱能，光與物質(zhì)量子作用，輻射能

5、激發(fā)物質(zhì)內(nèi)部的電子躍遷，輻射能轉(zhuǎn)換為電能并伴隨有熱能。對影響半導(dǎo)體材料型的太陽輻射接收器的吸收系數(shù)和反射率等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明，擁有較小共振躍遷頻率、較小能帶隙和較大阻尼系數(shù)的半導(dǎo)體材料對有效太陽輻射的吸收率更高。
　　 在此基礎(chǔ)上，為提高光電轉(zhuǎn)換效率，又利用光子波與物質(zhì)作用模型，對單晶硅太陽電池表面鍍膜材料光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析；又采用在太陽電池表面構(gòu)造了多種不同形狀，規(guī)則的、不規(guī)則的、有序的、無序的微結(jié)構(gòu)表面，比較了它

6、們對太陽輻射能吸收率的差別，結(jié)果顯示，無序的表面微結(jié)構(gòu)相對有序的表面微結(jié)構(gòu)更利于太陽電池吸收率的提高；使用Needle法對用于光伏發(fā)電的光譜選擇性透過涂層進(jìn)行了分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 為了提高太陽輻射能的整體利用率，提出了兩級透射-反射聚光分頻電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的方案，分析了利用線聚焦菲涅耳透鏡、光譜選擇性透過涂層和太陽能集熱管等部件構(gòu)成的電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的光學(xué)行為和效率，計(jì)算結(jié)果表明，作者提出的系統(tǒng)，太陽能利用率高于相同條件下傳統(tǒng)的太陽

7、能聚光光伏系統(tǒng)，并有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于生產(chǎn)的優(yōu)勢。
　　 最后，為了改善傳統(tǒng)聚光系統(tǒng)在太陽能光電池接收面上照射的光強(qiáng)不一致，降低光伏轉(zhuǎn)換效率的問題，設(shè)計(jì)了等光強(qiáng)帶聚焦菲涅耳透鏡聚光器和折平板等光強(qiáng)反射聚光器。理論上,利用蒙特卡羅光線追跡法，對兩種聚光器進(jìn)行了考慮太陽輻射夾角的光學(xué)模擬，并對聚光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對聚光效果的影響進(jìn)行了分析，證明所設(shè)計(jì)的聚光器聚光均勻性都很好；實(shí)驗(yàn)上，在太陽雙軸跟蹤裝置上安裝了折平板等光強(qiáng)反射聚光光