（工程热物理专业论文）太阳能热光伏系统机理与实验研究.pdf

博士论文太阳能热光伏系统机理与实验研究 摘要 随着能源的日益紧缺，世界各国致力于寻求新型发电装置。太阳能作为一种洁净能 源，既是一次能源，又是可再生能源，有着矿物质能源不可比拟的优越性。太阳能热光 伏发电( s o l a rt h e r m o p h o t o v o l t a i c ，s t p v ) 是目前对太阳光热综合利用的又一种途径。 s t p v 系统具有高功率密度、高转换效率、无运动部件、易于维护等优点，具有广阔的 应用前景。本文的目的是研究太阳能热光伏系统的运行机理，优化设计各组成部件，并 开展全面的实验研究。具体研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 太阳能热光伏系统机理研究 针对s t p v 系统建立了完整的理论分析模型，采用蒙特卡洛法研究了碟式反射聚光 器的会聚性能，分析了太阳光不平行度、跟踪误差、镜面反射误差等对焦面光斑大小及 位置的影响；构建了热光伏转换装置间热交换及热电转换过程的物理模型，讨论了各性 能参数对电池输出特性的影响；对整个s t p v 系统建立了效率求解模型，深入探讨了聚 光器会聚比、辐射器温度、电池温度、散热器流速等特性参数间的相互影响关系，从而 为优化设计s t p v 系统提供了必要的理论指导。 ( 2 ) 太阳能热光伏系统设计计算 对s t p v 系统的主要组成部件辐射器、滤波器及散热器进行设计计算。针对不同 结构及材料的辐射器建立了温度求解模型，分析了不同结构辐射器的截断因子及能量损 失情况，并对其温度分布及对系统性能的影响进行了研究，同时对不同选择性辐射器及 带有光子晶体滤波器的灰体辐射器的能量有效利用率及系统效率进行了比较。针对 g a s b 电池，理论设计了一维微结构光谱控制装置，分析了滤波器与辐射器能量光谱分 布及电池的匹配特性；设计了应用于s t p v 系统的水冷式散热装置，采用c f d 软件对 水冷式散热器中的流动换热过程进行了数值模拟，研究了结构、材料及流速等参数对散 热性能的影响。 ( 3 ) 太阳能热光伏系统热分析 对s t p v 系统中的热交换过程进行了深入研究。构建了辐射器空腔内部自然对流换 热的数学物理模型，讨论了开口处对流热损失对辐射器温度及电池输出特性的影响，并 提出了一定的改进措施，在不影响吸收的太阳能量的基础上减小了对流损失，并和开口 辐射器性能进行了对比，为系统的优化提供了理论依据。研究了热光伏转换装置中辐射 器电池间的能量交换，构建了封闭腔内对流及辐射换热的数学物理模型，得出电池表 面辐射及对流热负荷随辐射器温度的变化规律，讨论了对流换热对系统性能的影响。同 时，研究了存在自然对流换热时，不同辐射器温度、散热器入口流速及热负荷下电池的 输出功率及系统效率，并求得不同辐射器温度下的最优散热器入口流速，以获得系统最 摘要 博士论文 佳工作条件。 ( 4 ) 太阳能热光伏系统性能优化及热力学第二定律研究 建立了太阳能热光伏系统的优化设计方法以进一步提高系统性能及转换效率。针对 辐射器入口处的辐射能量泄露问题，提出了一种选择透过性薄膜，建立了针对选择性薄 膜截止波长的优化设计方法，并分析了该选择性薄膜对系统性能的优化结果；从热力学 第二定律的角度对s t p v 系统进行了建模分析，构建了其主要组成部分辐射器、滤波 器及光电池的熵产计算模型，同时计算了各模块的转换效率，讨论了聚光器会聚比、辐 射器温度、电池禁带宽度等参数对系统熵产及效率的影响，从另一个角度对s t p v 系统 进行了深入的探讨。 ( 5 ) 太阳能热光伏系统实验研究 对s t p v 系统进行了全面的实验研究，对系统组成装置即聚光器、辐射器、滤波器、 电池、散热器等进行了合理的选型及加工，实验测试了聚光器、散热器及光伏电池的工 作性能；设计了系统中热光伏转换器的整体结构，并进行实验搭建，结合自动跟踪装置， 对整个s t p v 系统进行了现场测试，分析了太阳能量密度对辐射器温度的影响，对不同 辐射器入口条件时的温度分布进行了比较，并针对单片及两片并联连接的g a s b 电池， 测量了不同辐射器温度下的电池输出特性；研究了散热器流速对电池温度及其输出功率 的影响；讨论了实验测量值与理论解存在差异的原因。 关键词：太阳能热光伏，效率，电功率，聚光器，辐射器，滤波器，散热器，对流换 热，优化设计 i i 博士论文太阳能热光伏系统机理与实验研究 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gs h o r t a g eo ft h ee n e r g y , m a n yc o u n t r i e sa r ec o m m i t t e dt os e e k i n ga n e wk i n do fe l e c t r i c i t yg e n e r a t i o np l a n t a sc l e a ne n e r g y , s o l a re n e r g yh a si n c o m p a r a b l e s u p e r i o r i t y s i n c ei ti sn o to n l yp r i m a r y e n e r g y , b u ta l s o r e n e w a b l e e n e r g y s o l a r t h e r m o p h o t o v o l t a i c ( s t p v ) i sa n o t h e rw a yo fs o l a re n e r g yu t i l i z a t i o n m o d u l a r i t y , p o r t a b i l i t y , a b s e n c eo fm o v i n gp a r t s ，p o l l u t i o n - f l e e ，h i 曲e f f i c i e n c y , h i 曲p o w e rd e n s i t ya r ek e y a d v a n t a g e so f s t p vs y s t e m s ，w h i c hm a yh a v ea 丽d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t t h ep u r p o s eo f t h i st h e s i si st oi n v e s t i g a t et h eo p e r a t i o n a lm e c h a n i s m so fs 1 p vs y s t e m o p t i m i z et h ev a r i o u s c o m p o n e n tp a r t sa n dc a r r yo u tac o m p r e h e n s i v ee x p e r i m e n t a ls t u d y t h ed e t a i l e dc o n t e n t sa r e f o c u s e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) n u m e r i c a li n v e s t i g a t i o no ft h em e c h a n i s mo ft h es o l a rt h e r m o p h o t o v o l t a i c a ni n t e g r a t e dt h e o r e t i c a la n a l y s i sm o d e lo ft h es t p vs y s t e mi sc o n s t r u c t e d m o n t e c a r l o m e t h o di su s e dt oi n v e s t i g a t et h ec o n v e r g e n c ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed i s hr e f l e c t o r , t h ee f f e c t so f t h en o n - p a r a l l e l i s mo fs u nr a y s ，t r a c k i n ge r r o r sa n dr e f l e c t i o ne r r o r so nt h es i z ea n dl o c a t i o n o ft h ef a c u l aa r en u m e r i c a l l ya n a l y z e d t h ep h y s i c a lm o d e lo ft h eh e a tt r a n s f e ra n d t h e r m o e l e c t r i c i t yc o n v e r s i o np r o c e s si nt h et p vs y s t e mi sc o n s t r u c t e d ，t h ee f f e c t so ft h e c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so nt h ec e l lp e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e d ；a l s o ，am o d e lo fp r e d i c t i n g t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es t p vs y s t e mi sp r e s e n t e da n dt h er e l a t i o no ft h ec o n c e n t r a t i o n r a t i o ，t h ee m i t t e rt e m p e r a t u r e ，c e l lt e m p e r a t u r ea n dt h ev e l o c i t yi nt h ec o o l i n gs y s t e mi s i n v e s t i g a t e di nd e p t h , w h i c hp r o v i d e sn e c e s s a r yt h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h eo p t i m i z a t i o n d e s i g no ft h es t p vs y s t e m ( 2 ) d e s i g no f t h es t p vs y s t e m t h em a i nc o m p o n e n tp a r t so ft h es t p vs y s t e mi n c l u d i n gt h ee m i t t e r , t h ef i l t e ra n dt h e c o o l i n gs y s t e ma r ed e s i g n e di nt h i st h e s i s an u m e r i c a lm o d e lo fp r e d i c t i n gt h ep e r f o r m a n c e o ft h ee m i t t e r s 、析t 1 1d i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n sa n dm a t e r i a l si sp r e s e n t e d t h ec u t - o f ff a c t o ra n d t h ee n e r g yl o s so ft h ed i f f e r e n te m i t t e r sa r ea n a l y z e d ，a l s ot h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n di t s i m p a c to nt h es y s t e mp e r f o r m a n c ea r es i m u l a t e d s i m u l t a n e o u s l y , t h ee n e r g yu t i l i z a t i o na n d t h es y s t e me f f i c i e n c yo ft h ed i f f e r e n ts e l e c t i v ee m i t t e r sa n dt h eg r a y b o d ye m i t t e rw i t h p h o t o n i cc r y s t a lf i l t e ra r ec o m p a r e d t h eo n e - d i m e n s i o n a lm i c r o s t r u c t u r es p e c t r a lc o n t r o l d e v i c ea r en u m e r i c a l l yd e s i g n e df o rt h eg a s bc e l l ，a l s ot h em a t c h e dc h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h e c e l la n dt h ep o w e rd i s t r i b u t i o no ft h ee m i t t e ra l ea n a l y z e d an e wt y p eo fw a t e rc o o l e rf o r s t p vs y s t e m si s d e s i g n e d a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh e a t t r a n s f e ra n df l o w m a b s t r a c t博士论文 p e r f o r m a n c ei so p e r a t e di nv i r t u eo fc f ds o f t w a r e n l ei n f l u e n c eo ft h ec o n f i g u r a t i o n , t h e m a t e r i a la n dt h ev e l o c i t yo nt h ec o o l i n gp e r f o r m a n c ei si n v e s t i g a t e d ( 3 ) t h e r m a la n a l y s i so ft h es t p vs y s t e m a ni n - d e p t hr e s e a r c ho nt h eh e a te x c h a n g ep r o c e s si nt h es t p vs y s t e mi sd o n e a3 - d m o d e li su s e dt oi n v e s t i g a t et h ea p p r o x i m a t ee s t i m a t i o no ft h en a t u r a lc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r i n t h ee m i t t e rc a v i t y , a n dt h ee f f e c t so ft h ef l e ec o n v e c t i o nh e a tl o s so nt h ee m i t t e r t e m p e r a t u r ea n dt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec e l l sa r ed i s c u s s e d a l s o ，s o m ei m p r o v e m e n t m e t h o d sa l ep r o p o s e dt or e d u c et h ef r e ec o n v e c t i o nl o s sw i t h o u ta f f e c t i n gt h ea m o u n to ft h e s o l a re n e r g ya b s o r b e d 砀ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e ds y s t e mi sc o m p a r e dw 坳t h es y s t e m w i t ho p e ne m i t t e ra n dp r o v i d e sat h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o r t h es y s t e mo p t i m i z a t i o n t h ee n e r g y e x c h a n g eb e t w e e nt h ee m i t t e ra n dt h ec e l li nt h e 刑c o n v e r t e ri ss t u d i e da n dt h ep h y s i c a l m o d e lo ft h eh e a tt r a n s f e ro ff l e ec o n v e c t i o na n dr a d i a t i o ni sc o n s t r u c t e d t h ei n f l u e n c eo ft h e e m i t t e rt e m p e r a t u r eo nt h er a d i a t i o na n dc o n v e c t i o nh e a tl o a di nt h ec e l li sa n a l y z e d ，a l s ot h e e f f e c t so ft h ef l e ec o n v e c t i o nh e a t t r a n s f e ro nt h e s y s t e mp e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e d m e a n w h i l e ，t h ec e l lo u t p u tp o w e ra n ds y s t e me f f i c i e n c yu n d e rd i f f e r e n te m i t t e rt e m p e r a t u r e ， i n l e tv e l o c i t yo ft h ec o o l i n gs y s t e ma n dt h ec e l lh e a tl o a dw i t ht h ee x i s t e n c eo ft h ef r e e c o n v e c t i o na r es t u d i e d t h eo p t i m a li n l e tv e l o c i t yc o r r e s p o n d i n gt oe v e r ye m i t t e rt e m p e r a t u r e i so b t a i n e db yt h eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi no r d e rt og e tt h eo p t i m u mw o r k i n gc o n d i t i o n s ( 4 ) o p t i m i z a t i o no ft h es t p vs y s t e ma n dt h ei n v e s t i g a t i o nw i t ht h e s e c o n dl a wo f t h e r m o d y n a m i c s a no p t i m a ld e s i g nm e t h o do ft h es t p vs y s t e mi se s t a b l i s h e dt of u r t h e ri m p r o v et h e s y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c y a i m e da t t h ee n e r g yl e a k a g ea tt h e e n t r a n c eo ft h er a d i a t o r ，as e l e c t i v ef i l mw i t ht h eo p t i m i z e dc u t o f fw a v e l e n g t hi sp u tf o r w a r d a si tw i l lr e d u c et h er a d i a t i o nl o s s b a s e do nt h es e c o n dl a wo ft h e r m o d y n a m i c s ，at h e o r e t i c a l m o d e li se s t a b l i s h e df o r e f f i c i e n c ya n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n o ft h es t p vs y s t e m t h e e n t r o p yp r o d u c t i o nf o rt h ec o m p o n e n tm o d u l e si n v o l v e di nt h ew h o l es y s t e ma s s e m b l yi s a n a l y z e d t h ee f f e c t so ft h ec o n c e n t r a t i o nr a t i o ，e m i t t e rt e m p e r a t u r e ，e n e r g yb a n d g a p ，c e l l t e m p e r a t u r eo nt h ee n t r o p ya n dt h ee f f i c i e n c ya r ei n v e s t i g a t e da n da l li n d e p t hd i s c u s s i o no f t h es t p vs y s t e mi sc a r r i e do u tf r o ma n o t h e rp o i n to fv i e w ( 5 ) e x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h es t p vs y s t e m t h ew h o l es t p vs y s t e mi se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s t h es u b a s s e m b l i e s o ft h es y s t e mi n c l u d i n gt h ec o n c e n t r a t o r , t h ee m i t t e r , t h ef i l t e r ，c e l l sa n dt h ec o o l i n gs y s t e m a r es e l e c t e da n dp r o c e s s e d ，a l s ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n c e n t r a t o r , t h ec o o l i n gs y s t e ma n d t h ep vc e l l sa r et e s t e d n l et p vc o n v e r t e ri sd e s i g n e da n dp u tu p ，c o m b i n e d 、i t l lt h e 博士论文太阳能热光伏系统机理与实验研究 a u t o t r a c k i n gm o d u l e t h ew h o l es y s t e mi st e s t e d t h ei n f l u e n c eo ft h es o l a rr a d i a t i o no nt h e e m i t t e rt e m p e r a t u r ei s a n a l y z e da n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n s o ft h ee m i t t e ru n d e r d i f f e r e n ti n l e tc o n d i t i o ma r ec o m p a r e d t h eo u p u tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec e l l su n d e rd i f f e r e n t e m i t t e rt e m p e r a t u r e sa l em e a s u r e da n dt h ee f f e c t so ft h ev e l o c i t yi nt h ec o o l i n gs y s t e mo nt h e c e l lt e m p e r a t u r ea n do u t p u tp o w e ra l ei n v e s t i g a t e d f i n a l l y , t h er e a s o n sf o rt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h et h e o r e t i c a la n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：s o l a rt h e r m o p h o t o v o l t a i c ，e f f i c i e n c y ，e l e c t r i cp o w e r , c o n c e n t r a t o r , e m i t t e r ， f i l t e r , c o o l i n gs y s t e m ，f r e ec o n v e c t i o n ，o p t i m i z a t i o n v 主要符号表 博士论文 聚光器口径比 光速，m s 定压比热容，j ( k g k ) 几何会聚比 太阳赤纬 电池禁带能量，e v 表面辐射传递系数 填充因子 摩擦系数 聚光器焦距，m 吉布斯自由能 普朗克常量( j s ) 表面换热系数，w m 2 k 聚光器高度，m 能流密度，w m 2 电流，a 玻尔兹曼常数 模拟光线数目 折射率 电池功率，w 压力，p a 热流密度，w m 2 电量，c 电池量子效率 半径，m 聚光器采光口半径，m 随机数 电阻q 瑞利数 雷诺数 面积，m 2 主要符号表 口 妒 珂 p a 熵 温度，k 或 电压，v 导热系数，w ( m k ) 波长，岬 单元表面发射率 太阳光束锥角 周向角 天顶角 效率 密度，k g m 3 吸收率 松弛因子 空气动力粘度，p a s 电池化学势 体积热膨胀系数 广义扩散系数 巨热力学势 太阳能热光伏 光伏 热光伏 v q 洲州 欲 印。锨如&f厅厂g日 ， 七 玎尸 q l g纷厂足 如疋s x 博士论文太阳能热光伏系统机理与实验研究 1 绪论 1 1 研究背景及意义 太阳能作为一种洁净能源，既是一次能源，又是可再生能源，有着矿物质能源不可 比拟的优越性。开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、减缓气候变化等， 都具有极其重大的意义。依据能量转换的形式，太阳能可以分别转换为热能、电能和化 学能等，目前的热点主要集中在太阳能光伏发电、太阳能热发电、太阳能建筑一体化、 基于太阳能热利用的复合能量系统等【l j 。 利用一种装置将太阳辐射能转换为电能的发电方式称为太阳能发电。太阳能发电目 前主要有两种基本途径：一种是先将太阳辐射能转换为热能，然后再按照某种发电方式 将热能转换为电能，这种发电方式称为太阳能热发电；另一种是通过光电器件直接将太 阳辐射能转换为电能，这种发电方式称为太阳能光发叫。光伏删) 电池的综合利用是 当前开发研究新能源的热点之一，美国贝尔实验室的科学家于1 9 5 4 年成功研制出世界 上第一个实用型单晶硅p n 结电池 2 1 ，随后，光伏发电首先在太空领域得到应用，由于 太阳电池能长期在大范围阳光强度和温度下工作，还具有高可靠性、高效率、长寿命和 良好的抗辐射性能( 包括空间带电粒子引起的辐射和紫外辐射) 等优点，使得它作为一种 较为理想的空间电源获得了广泛应用。此外，太阳电池在地面的应用非常广泛，主要集 中在照明、通信、交通等领域。而光伏发电与建筑物的结合以及并网发电是当今光伏应 用新的趋势【2 】。但由于太阳辐射能流密度很低，且受季节性变化和天气状况等不确定因 素影响，限制了p v 电池的发展，此外太阳电池转换效率仍然较低。太阳能热发电技术 又可分为两大类型：一类是太阳能热动力发电，另一类是太阳能热能发电。太阳能热动 力发电是先把太阳辐射能转换为热能，再把热能转换成机械能，最后再把机械能转换为 电能，这种类型的太阳能热发电技术目前已达到实际应用水平，美国等一些国家已建成 具有一定规模的实用太阳能热发电站。根据聚光太阳能集热器的类型，可将太阳能热发 电系统分为三类即槽式系统、塔式系统和碟式系统，目前只有槽式系统已进入商业化阶 段，其峰值效率也仅有2 0 ，年净效率为1 1 1 6 ，且成本较高。太阳能热能直接发电 是先把太阳辐射能转换为热能，然后再把热能直接转换为电能，包括利用半导体材料或 金属材料的温差发电、真空器件中的热电子和热离子发电、碱金属的热电转换、磁流体 发电等【i 】。早在上世纪7 0 年代就提出可用t p v ( t h e r m o p h o t o v o l t a i c ) 将热能转化为电能， 从而获得高且稳定的p v 电池能流密剧弘引。太阳能热光伏系统( s o l a rt h e r m o p h o t o v o l t a i c ， s t p v ) 是目前太阳能热能直接发电的又一种途径。 s t p v 系统的基本工作原理与p v 电池是完全相同的，即半导体p 1 1 结接收能量大 于能带隙e g 的辐射光子，产生过余正、负电荷，通过扩散漂移至结的两端，形成稳定 l l 绪论 博士论文 的电势差，产生电能输出【6 叫。s t p v 系统与p v 的区别主要在于辐射源的温度和系统的 几何尺寸 3 1 ：p v 电池的辐射源为太阳，可视为6 0 0 0 k 的黑体，距离约为1 5 0 x 1 0 6 k m ； 而在s t p v 系统中，通过聚光器会聚太阳光来加热辐射器，其温度可达到1 3 0 0 1 8 0 0 k ， 但辐射器与电池间的距离仅为若干厘米。根据辐射定律：辐射能量密度正比于辐射器温 度的四次方，反比于距离的二次方，虽然s t p v 系统中辐射源的温度较低，但由于距离 充分小，其辐射能量密度仍为p v 电池的几倍到几十倍，无聚光的太阳能电池表面可接 受到的辐射能量密度约为0 1 w c m 2 ，而在s t p v 系统中则可达到5 - 3 0 w c m 2 。另外，s t p v 系统在获得电能的同时，还可以得到附加的热能，进一步提高了能量的利用效率。 典型的s t p v 系统通常由聚光器、热辐射器、光学滤波器、光伏电池及散热设备组 成。s t p v 系统主要的优点有：理论效率较高，噪音低，无移动部件，可便携，可靠性 高，高体积比功率，高重量比功率，可将热能利用和发电结合在一起等。s t p v 系统可 用于城镇居民住宅的热、电供应，既可作为野外作业的分散式电源，也可集中组成太阳能 发电系统向电网输送电力。另外，利用太阳能热光伏系统代替现有的太阳能电池系统， 可提高太空飞行器( 如卫星、空间站等) 的有效载荷比，降低太空飞行器的发射成本。 目前太阳能热光伏技术的研究是个热点，很多国家光伏研究机构和大学都在开展相关研 究，但尚处于起步和探索阶段，对其进行理论及实验研究，并促进其向军事及商业化领 域发展具有十分重要的意义。 1 2s t p v 系统工作原理介绍 s t p v 系统能量传递与转换原理如图1 1 所示，图中给出了各组成部件的相对位置 关系以及热辐射光子能量传递方向。通过聚光器将太阳能会聚成高能量密度的聚焦光 束披光伏电池利 h聚 恩 太阳缆、 光 v 嚣 霭 j h j ；u 一，p m 一目i 口 8 辐 j 滤 阳参 射 、 k波 器 ) 器 y k 渤 1 红辨辐焉謇能、 1电能 ， i 。 r 岳圜剐 图1 1s t p v 系统能量传递与转换原理图 斑，投射到辐射器壁面并对其进行加热。高温辐射器对外释放红外热辐射能，经过波长 选择性滤波器后，一部分光伏电池无法利用的红外辐射能被反射回辐射器重新利用，继 续对辐射器进行加热，而和电池阈值波长相匹配的可用红外辐射能则投射到光伏电池表 面，通过p - n 结的光电效应将接收到的红外辐射能转换为电能。为了保证s t p v 系统中 光电池的正常工作及光电转换效率，在电池外部设有一用来降低光伏电池表面温度，带 2 博士论文太阳能热光伏系统机理与实验研究 走废热的冷却装置。自动跟踪系统的作用是实时保持聚光器主光轴与太阳入射光线平 行，以确保聚焦光线能始终进入辐射器空腔。 1 3 国内外研究现状 太阳能热光伏系统的研究起源于二十世纪六十年代，早在1 9 5 6 年，美国麻省理工 大学林肯实验室的d rk o l mhh 就构造了一个初步的t p v 系统，采用硅电池作为光电 转换器并推断出系统输出功率达到1 w t l o l 。上世纪6 0 年代，美国麻省理工学院( m i t ) 的 研究人员给出了完整的热光伏系统的原理和概念。但限于当时的技术条件，一直处于理 论研究阶段，直到上世纪9 0 年代，随着低禁带的i i i - v 族化合物( 一种高效转换器材料) 的出现，t p v 的优越性得到了证实，并开始受到人们的广泛关注【1 1 1 。上世纪8 0 年代后 期，m c d o n n e l ld o u g l a sa e r o s p a c e ( m d a ) 提出了应用于太空和陆地的s t p v 系统【1 2 。1 引。 目前，美国n a s a 、e d t e k 【1 5 】、俄罗斯技术物理研究所【1 6 1 均已完成了整个s t p v 系统的 开发，并将逐步推向民用与军事领域，而对于s t p v 系统的理论研究相对较少。我国目 前对s t p v 系统的研究还未开展，只对各单一部件进行了一定的开发 1 7 - 2 1 l ，尚未有完整 的成品推出。s t p v 系统的主要组成装置包括太阳能聚光系统，能量转换系统( 吸收辐 射器、滤波器、光伏电池) ，冷却系统。 太阳能聚光器的种类很多【2 2 2 5 】，主要有：锥形聚光器，抛物面形聚光器，复合抛物 面聚光器( c p c ) ，固定的球形反射聚光器( s r t a ) ，半圆柱形聚光器，塔式聚光器，反射 式菲涅耳聚光器，透镜聚焦式聚光器，折射式菲涅耳聚光器。应用于s t p v 系统的聚光 器主要是抛物面型和折射式菲涅耳聚光器两种【2 睨引。目前对于s t p v 系统聚光一吸收过程 聚光效率的研究主要采用蒙特卡洛方法 2 9 - 3 1 】。 s t p v 系统要实现较高的会聚比，需要实时对太阳进行跟踪，使聚光系统始终正对 太阳【3 2 硼。国外在2 0 世纪8 0 年代就对太阳跟踪系统进行了研究，如美国、德国在单双 轴自动跟踪、日本在聚光菲涅耳透镜跟踪、西班牙在2 倍聚光反射跟踪等方面均开发出 了相应的商品化自动太阳跟踪器。我国于2 0 世纪9 0 年代左右也对其进行了大量的研究， 2 0 0 6 年1 0 月在西藏羊八井安装了4 套共计1 3 2k w 不同形式的单、双轴并网发电太阳 自动跟踪系统。 热辐射器是将太阳能转换成热辐射能，并提供给半导体转换器的装置。分为黑体辐 射器、选择性辐射器、灰体辐射器等1 3 引。黑体辐射器在整个波长范围内发射率几乎一致， 而长波的光子无法被转换器吸收，为了保证一定的转换效率，就要求转换器的禁带宽度 较低，这种半导体往往难以获得或成本较高。用燃料、同位素源等把石墨、s i c 、s i n 、 堇青石、多铝红柱石等材料加热直接辐射出来的辐射谱是灰体辐射，与黑体辐射光谱接 近【3 9 1 。由文献看出【加，4 1 1 ，在热光伏系统中，多选用s i c 、s i n 等作为材料，其q b s i c 具有 较高的发射率( 接近0 9 ) ，以及较好的耐热性，因此使用较为普遍。而选择性辐射器在高 3 l 绪论 博士论文 温加热情况下的平衡态的热辐射光谱非常窄，具有单色性。目前研究的选择性辐射器主 要包括稀土元素的选择性辐射器、钨光子晶体热辐射器【4 2 书1 、表面微结构热辐射器、表 面带半导体二极管【4 5 】的选择性热辐射器。稀土元素包括镱、铒、铥、钬以及它们的混合 体，一般可以将它们掺杂在陶瓷片中作为热辐射器m l 。目前，许多研究机构开始研究一 种具有诱人前景的基于表面微结构的波长选择性材料，即具有周期性微结构的钨表面， c e l a n o v i ci 等人【4 7 j 利用钨基二维光子晶体作为选择性辐射体，钨在长波范围内( 1 8 “m ) 的高反射率可以抑制光子晶体的辐射，而由于二维光子晶体的几何周期及频率对材料介 电常数的影响，则在短波范围内又具有提高钨发射率的作用，因此具有很好的选择辐射 效果。l i nsy t 4 8 】等人利用钨基三维光子晶体作为波长选择性辐射表面，在其它条件相同 的情况下，对辐射表面分别采用黑体、微结构钨表面、氧化铒氧化镱表面、钨三维光 子晶体的热光伏系统的效率进行了比较分析，其效率依次为1 2 6 ，2 2 4 ，1 5 5 ， 2 6 2 ，结果表明钨三维光子晶体作为辐射面可显著提高热光伏系统的效率。但是目前 二维、三维光子晶体难于加工，并且在高温下易氧化，需在无氧环境下使用，因此其实 用性受到了一定的限制。 滤波器用来实现热辐射器与热光伏电池之间的光学匹配。迄今为止对于滤波器材料 的研究已涉及频率选择表面滤波裂4 9 。5 1 】、周期性一维微结构滤波器【1 9 , 5 2 - 5 3 1 】、t c o s 等离 子体滤波器【5 4 1 、基于绝缘栈的多层滤波器【5 5 。5 7 】，背面反射器等。干扰滤波器是目前研究 较多的一种滤波器d s , 5 9 1 ，一般由6 0 层左右不同透射系数的薄膜组成，由于各层不同的反 射、透射系数及可能发生的相变引起了干涉，因此产生选择性，使一些频率的光子可以 透过，而其它光子则反射回辐射体。t c o s 材料本质上是一种宽禁带的半导体，因此光 电传导性质都较好，包括氧化铟、氧化锡、铟锡氧化物、氧化锌等【6 0 , 6 1 】。最近，c e l a n o v i c i 等人d o , 5 3 , 6 2 1 研究发现一维s i s i 0 2 光子晶体( p h c ) 作为滤波装置使用可显著提高光谱效 率，该物质可通过在一p 型s i 基体上的低压化学蒸发沉积过程得到。背面反射器与上述 几种滤波器不同，布置在光伏电池的背面，低能量的光子通过转换器时只有一小部分被 吸收，剩余的光子到达背面反射器时，将按原路径返回辐射体。在文献 6 3 6 5 亡p 详细介 绍了这种反射器。背面反射器主要和i i l g a a 饥n p 电池结合使用，具有很高的反射能力， 非常成功的实现了滤波功能。 光伏电池是热光伏系统中的核心部件，用来实现热辐射能和电能的转换。目前研究 较多的热光伏电池有硅电池、锗电池【6 6 ，6 7 】、v 族化合物电池以及多量子阱( m q w ) 电 池等。硅电池的转换效率较低，但制备工艺成熟，成本低【6 引。h i v 族化合物是s t p v 系 统中最常用的电池类型。主要包括g a s h 、g a a s 及基于g a s b 的多元化合物，如i n g a s b 、 i n g a a s s b 、i n g a a s s b f 【6 9 。7 2 】等等。f r a a slm 7 3 】首先采用t o a s b 电池。其禁带宽度约为 0 7 2 e v ，可通过液相外延【7 4 1 、分子束外延【7 5 】、有机金属化合物【7 6 j 以及z n , 扩散法【7 7 1 获得。 目前，热光伏电池的主要研究工作集中在四元化合物1 1 1 g a a s s b ，其禁带宽度最低可达到 4 博士论文 太阳能热光伏系统机理与实验研究 0 5 3 e v ( 相应于2 3 4 9 m 的波长) ，拓宽了光谱的响应范围，且转换效率非常高。v 族化 合物的m i m 结构是近年来热光伏电池研究的热点问题，最早由w o j t c z u kse t a 1 1 7 8 提出用 于激光照射实验中作为能量转换装置，f a t e m inse t a l t 7 9 】也介绍了m i m 结构光伏电池的 制作过程。m i m 装置具有以下优点【8 0 j ：减少了焦耳损失，可提供较高的输出电压，提高 了系统的可靠性，即单一电池的损坏不会对整个转换装置有太大影响等。 目前，s t p v 系统的冷却主要还是采用风冷强迫对流的方式【8 懈6 】以及水冷的散热方 式【8 5 8 引。风冷方式普遍采用肋片配合风扇强