基于汽車尾氣余熱的TPV系統(tǒng)設計和性能分析.pdf

1、隨著理論研究的不斷深入和現(xiàn)代微加工技術(shù)的飛速進步,光子學經(jīng)歷著前所未有的發(fā)展,產(chǎn)生了許多新的交叉學科和新興研究方向,納米光子學即為產(chǎn)物之一。其主要研究光與物質(zhì)在微納米尺度下的相互作用規(guī)律及其在光的產(chǎn)生、光譜調(diào)控、傳輸、傳感和探測等方面的應用。
　　本文針對汽車尾氣能量巨大,造成環(huán)境熱污染嚴重等時事問題,以尾氣余熱TPV發(fā)電為研究背景,結(jié)合已報道光伏電池的響應范圍及效率,選用了禁帶波長3.2μm的InAsSbP/InAs型PV電池為

2、研究對象。設計了與該PV電池匹配的濾波器和選擇輻射器,實現(xiàn)了TPV系統(tǒng)的光譜調(diào)控。
　　依據(jù)電磁學理論設計了一維(LH)4型Si-SiO2光子晶體濾波器,仿真結(jié)果顯示:結(jié)構(gòu)在3.2~6.2μm波段形成高反射帶,1.59~3.2μm則是高透射帶,其能實現(xiàn)所選PV電池的光譜調(diào)控。但高通帶內(nèi)振蕩波峰多、反射峰值較高,針對此類問題,依據(jù)反射層原理和介質(zhì)層的等效折射率理論優(yōu)化設計出L/2H(LH)3和1.12(L/2HL/2)(L/2HL/

3、2)21.16(L/2HL/2)型濾波器,實現(xiàn)通帶內(nèi)振蕩峰及反射峰值的大幅下降,大大提高了濾波器性能。分析了各參數(shù)對光譜調(diào)控的影響,為實際加工應用提供參考。用磁控濺射技術(shù)制備樣品進行實驗,實驗結(jié)果與理論仿真很好的吻合。計算了黑體輻射光譜通過設計濾波器后能量分布圖和光譜控制效率,比無濾波器時平均提高了25％。
　　分析了微結(jié)構(gòu)光柵的表面等離子體共振和磁極化共振特性,基于此設計了3.2μm處選擇輻射的Au-Si-Au-Si-Au光柵輻

4、射器,輻射半高寬約0.7μm且無方向選擇性。進一步優(yōu)化設計出Ag-SiO2-Ag光柵輻射器,該結(jié)構(gòu)在邊界波長處輻射曲線更陡直,即選擇輻射性更強,且加工更方便,造價更低,半高寬約0.45μm。借助LC電路的等效模型對輻射器磁極化共振條件進行了預測,預測結(jié)果與FDTD仿真結(jié)果吻合較好。最后計算了設計選擇輻射器的光譜控制效率,比使用黑體輻射器時平均提高了43%。
　　將設計濾波器和選擇輻射器聯(lián)合使用,溫度為1200K時TPV熱電轉(zhuǎn)換效率