熱光伏系統(tǒng)的實驗和理論研究.pdf

1、熱光伏(Thermophotovoltaic，簡稱TPV)技術(shù)是指將高溫?zé)嵩窗l(fā)射的紅外輻射能通過半導(dǎo)體p-n結(jié)直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。TPV系統(tǒng)具有較高的能量輸出密度和理論效率、可應(yīng)用能源形式多樣、便攜、運行安靜、維護成本低，安全、無污染，可實行熱電聯(lián)供等優(yōu)點，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。
　　 目前，TPV技術(shù)的研究工作已逐漸由對單個部件的優(yōu)化設(shè)計轉(zhuǎn)移到對整個系統(tǒng)的設(shè)計和研究上。本文首

2、先從以多孔介質(zhì)燃燒器為基礎(chǔ)構(gòu)建的端面輻射器TPV系統(tǒng)入手，通過實驗獲得了使用SiC輻射器時GaSb和Si電池的伏安特性，分析了輻射器溫度以及輻射器—電池間距對單片電池和電池組件輸出性能的影響。結(jié)果表明：提高輻射器溫度或減小輻射器—電池間距，可使電池短路電流增大，但由于電池溫度的升高，使得開路電壓降低，系統(tǒng)輸出功率密度增幅逐漸減弱。在相同條件下GaSb電池的輸出功率密度大于Si電池。此外，利用理想二極管模型計算得到的電池性能雖然在趨勢上與

3、實驗值能很好地吻合，但誤差較大。而實驗中較低的輻射器溫度(＜1000℃)以及未使用光譜控制技術(shù)使得發(fā)電效率均小于1％。
　　 為提高輻射器溫度，改用高溫電爐加熱輻射器，輻射面最高溫度可達1300℃，并著重分析了選擇性輻射器（Er2O3或Yb2O3）配合不同PV電池(GaSb或Si)所構(gòu)成TPV系統(tǒng)的性能參數(shù)。由于Er2O3和Yb2O3的光譜選擇性一定程度上抑制了紅外波段輻射，降低了電池溫度，從而提高了熱電轉(zhuǎn)換效率，但同時也降低了

4、電池的輸出功率。而光譜效率的不理想以及設(shè)計結(jié)構(gòu)上的缺陷，使得系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率普遍較低。此外，為了改善上述理論模型的缺陷，利用實際二極管模型及光線追蹤法建立了一個新的物理數(shù)學(xué)模型，并在預(yù)測開路電壓和最大輸出功率上取得了較高的精度，而短路電流的預(yù)測誤差也大大降低。
　　 通過對上述兩個TPV系統(tǒng)平臺的實驗研究，為建立大型燃燒器TPV系統(tǒng)積累了大量經(jīng)驗。鑒于使用氣態(tài)碳氫燃料作為該系統(tǒng)的熱源，燃燒一輻射器對整個系統(tǒng)的性能影響至關(guān)重要。

5、為此，以Kanthal公司提供的幾款商用燃燒．輻射器為基礎(chǔ)，結(jié)合Fraas提出的鎢+抗反射涂層的概念構(gòu)建了理論模型。重點分析了甲烷質(zhì)量流率、回?zé)崞饔行Ф?、空燃比等因素對輻射器表面平均溫度，表面輻射功率密度以及化學(xué)能．輻射能轉(zhuǎn)化效率的影響。結(jié)果表明空氣與甲烷的空燃比和甲烷質(zhì)量流率分別以20.64∶1和0.988kg/h為最佳，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)在內(nèi)、外管內(nèi)徑分別為27.2mm和38.5mm，內(nèi)、外管壁厚分別為7.0mm和3.5mm的情況下燃燒

6、-輻射器的性能最佳，輻射表面平均溫度、表面輻射功率密度、化學(xué)能-輻射能轉(zhuǎn)化效率分別為1523.8K、11.99W/cm2和73.7%。
　　 上述計算結(jié)果還表明采用回?zé)崞骺娠@著提高輻射表面的溫度和化學(xué)能—輻射能轉(zhuǎn)化效率，進而提高TPV系統(tǒng)的整體性能。因此，有必要對回?zé)崞鬟M行理論分析和實驗驗證?？紤]到TPV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊性，選用內(nèi)裝固體蓄熱填充物的旋轉(zhuǎn)式回?zé)崞髯鳛閾Q熱設(shè)備。研究發(fā)現(xiàn)回?zé)崞饔行Ф壤碚撝蹬c實驗值的偏差隨旋轉(zhuǎn)周期的增大而

7、減小。對燃燒功率為10kW的TPV系統(tǒng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)周期為3s時，偏差為3.5%；當(dāng)旋轉(zhuǎn)周期增為15s時，偏差為1.5%。誤差主要來源于模型中未考慮冷、熱流體的攜帶損失?？紤]了攜帶損失后，所得結(jié)果有較大改善。在此基礎(chǔ)上分析了不同燃燒功率下，回?zé)崞鲙缀纬叽鐚ζ溆行Ф鹊挠绊?，結(jié)果表明有效度隨回?zé)崞髦睆胶透叨鹊脑龃蠖兇?，但由于流體攜帶損失也隨之增加，削弱了回?zé)崞鲙缀纬叽鐚τ行Ф鹊挠绊憽?br>　　 最后，在結(jié)合上述研究成果的基礎(chǔ)上構(gòu)建了大型燃燒

8、器TPV系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計上重點改善了電池與輻射器間的幾何位置，將電池組件以六面體的形式圍繞在輻射器的外側(cè)。從Si電池組件配套SiC輻射器的實驗結(jié)果來看，輸出功率密度較高溫電爐TPV系統(tǒng)有了明顯的改善。當(dāng)輻射器溫度為1473K時，輸出功率密度為0.087W/cm2。采用GaSb電池后，當(dāng)SiC輻射器溫度約為1243K時，輸出功率密度為0.307W/cm2；相同輻射器溫度下，選用Er2O3選擇性輻射器時GaSb電池的輸出功率密度略有降低，為