（材料学专业论文）太阳能热电—光电复合发电系统的发电功率与效率模型.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在地球环境污染和能源形势日趋严峻的今天，太阳能作为一种新型的绿色 可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点，越来越受到人们的重 视，太阳能发电技术的应用更是目前关注的焦点。本文综述了太阳能发电的发 展概况、研究动态及应用前景，并在此基础上对太阳能热电发电器件、光电发 电器件和热电一光电复合发电系统进行了研究。 本文首先从热电发电的基本原理出发，建立了热电发电器件的热一电模型 和光一热一电模型，并用传热学理论进行分析。认为热电发电子系统的输出功 率和效率随器件热端和冷端接触层热导的增加而增加，随器件热导的减小而增 加，且器件热导的影响远大于接触层热导的影响：当热电器件低端温度不变时， 输出功率随聚光比的增加丽增加，效率随聚光比的增加先增加后减小；在高聚 光比下。热损失主要由热端热辐射造成且对器件输出功率和效率影响较大。自 然对流换热造成的热损失可忽略不计；此外，集热体发射率和吸收率对热电器 件功率和效率影响也很大，且吸收率的影响大于发射率的影响。 对于光伏发电子系统，本文基于光伏发电的基本原理，建立了光一电模型 和光一电一热模型并进行研究。结果表明，温度对光伏电池的功率和效率影响 很大。聚光比低于5 0 倍的工况，可采用增加散热片面积的方式降低电池的工作 温度；而对于超过5 0 倍聚光比的工况，必须采用水冷等其它的散热措施。 最后，本文在前面工作的基础上建立了太阳能热电一光电复合发电系统模 型，并研究了分光波长对复合发电系统输出功率和效率的影响。结果表明，热 电发电子系统的功率随分光波长的增加而减小，效率随着分光波长的增加先增 加后减小；光伏发电子系统和复合发电系统的功率和效率都随分光波长的增加 先增加后减小，且都在光伏电池的截止波长处达到最大值。因此，复合发电系 统的最佳分光波长应该取在光伏电池的截止波长处。 本文主要从理论的角度，对太阳能热电一光电复合发电系统进行了分析优 化，对复合发电系统的设计具有一定的指导意义。 关键词：热电；光电；复合发电：效率；功率：模型 + 本论文研究得到国家高技术发展研究计划项目“太阳能热电一光电复合发电关键技术与分布式电站示范 系统”( n o 2 0 0 7 a a 0 5 2 4 4 4 ) 的资助 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eb a c k g r o u n do fs e r i o u sp o l l u t i o na n de n e r g yc r i s i st o d a y , t h es o l a r e n e r g y , a san o v e lg r e e na n dr e n e w a b l ee n e r g y , w h i c hi sa b u n d a n t , e c o n o m i ca n d n o n p o l l u t i o n , a t t r a c t s l o t so fa t t e n t i o n s ，a n dt h e a p p l i c a t i o n o ft h es o l a r t h e r m o e l e c t r i ca n d p h o t o v o l t a i ce n e r g yt e c h n o l o g yh a s b e t h ef o c u sw h i c hp e o p l e a t t e n dt o t h es u r v e y , d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do fs o l a rt h e r m o e l e c t r i c a n dp h o t o v o l t a i ce n e r g yt e c h n o l o g ya r eg i v e na n dt h es t u d yo fs o l a rh y b r i dg e n e r a t o r s y s t e ma r ep r e s e n t e d ，t h et h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o r , t h ep h o t o e l e c t r i cg e n e r a t o ra n dt h e s o l a rh y b r i dg e n e r a t o rs y s t e ma r ea l s os t u d i e di nt h i sp a p e r t h et h e r m o e l e c t r i cm o d e la n dt h el i g h t - t h e r m o e l e c t r i cc o u p l i n gm o d e la r c e s t a b l i s h e da n da n a l y z e da c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ft h e r m o d y n a m i c s t h er e s u l t s s h o wt h a t , t h eo u t p u tp o w e ra n dt h ee f f i c i e n c yi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h e c o n t a c tl a y e r st h e r m a lc o n d u c t a n c e ，t h e ya l s oi n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo ft h e g e n e r a t o r s t h e r m a lc o n d u c t a n c e ，a n dt h e i m p a c to ft h eg e n e r a t o r st h e r m a l c o n d u c t a n c ei sf a rg r e a t e rt h a nt h a no ft h ec o n t a c tl a y e r w h e nt h el o wt e m p e r a t u r ei s f l x e d ，t h eo u t p u tp o w e ri n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ef o c u sr a t i o ，t h ee f f i c i e n c y i n c r e a s e sf i r s ta n dd e c r e a s e sl a t e li ft h ef o c u sr a t i oi sv e r yl a r g e t h ei m p a c tc a u s e d b yt h et h e r m a lr a d i a t i o ni sg r e a t e rt h a nt h a no ft h en a t u r a lc o n v e c t i o n i na d d i t i o n ，t h e e m i s s i v i t ya n da b s o r p t i v i t yo f t h et h e r m a lc o l l e c t o rh a v eag r e a ti m p a c to nt h eo u t p u t p o w e ra n dt h ee f f i c i e n c y , a n dt h ea b s o r p t i v i t y si m p a c t i sg r e a t e rt h a nt h e e m i s s i v i t y s t h ep h o t o e l e c t r i cm o d e la n dt h ep h o t o e l e c t r i c - h e a tc o u p l i n gm o d e la r e e s t a b l i s h e da n d a n a l y z e da c c o r d i n g t ot h e t h e o r y o fs e m i c o n d u c t o ra n d t h e r m o d y n a m i c s t h er e s u l t ss h o wt h a t , t e m p e r a t u r eh a sag r e a ti m p a c to nt h e p h o t o v o l t a i cc e l l s o u t p u tp o w e ra n de f f i c i e n c y w h e nt h ef o c u s r a t i oi sl e s st h a n5 0 ， t h et e m p e r a t u r ec a nb er e d u c e db yu s i n gc o o l i n gp l a t e ，w h e nt h ef o c u sr a t i oi sm o r e t h a n5 0 ，o t h e rm e a s u r e ss u c ha sc o o l i n gw a t e rm u s tb ea d o p t e d f i n a l l y , t h em o d e lo fs o l a rh y b r i dg e n e r a t o rs y s t e mi se s t a b l i s h e da n da n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ew a v e l e v i g t hw h e r et h es u n l i g h ti s s e p a r a t e d ，t h eo u t p u tp o w e ro ft h et h e r m o e l e c t r i cs u b s y s t e md e c r e a s e s ，b u t t h e n 武汉理工大学硕士学位论文 e f f i c i e n c yd e c r e a s e sa f t e rt h ef i r s ti n c r e a s i n g t h eo u t p u tp o w e r a n de f f i c i e n c yo ft h e p h o t o e l e c t r i cs u b s y s t e mi n c r e a s e ，a n dr e a c ht h em a x i m u ma tt h ec u t o f fw a v e l e n g t h ， s od o e st h eh y b r i dg e n e r a t o rs y s t e m t h u s ，t h eo p t i m a lv a l u eo fw a v e l e n g t hw h e r et h e s u n l i g h ti ss e p a r a t e d , i sa tt h ec u t o f f w a v e l e n g t ho f t h ep h o t o v o l t a i cc e l l s i nt h i sp a p e r , t h es o l a rh y b r i dg e n e r a t o rs y s t c mi sa n a l y s o da n do p t i m i z e d ，t h e r e s u l t sw i l lh a v e 枷i m p o r t a n tr e f e r e n c et od e s i g n k e yw o r d s ：t h e r m o e l e c t r i c ：p h o t o v o l t a i c ：h y b r i dg e n e r a t o rs y s t e m ；e f f i c i e n c y ；o u t p u t p o w e r ；m o d e l 1 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 主要符号表 意义 定日镜接收太阳光的总面积，一 n 型半导体元件的横截面积，一 p 型半导体元件的横截面积，一 光伏电池接收光子的面积，0 集热体的接收太阳光的面积，0 初步聚焦系统的聚焦比 菲涅尔透镜的聚焦比 整个聚焦系统的聚光比 电子电量，c 温度为t 时半导体的禁带宽度，c v 温度为o k 时半导体的禁带宽度，c v 太阳光谱的辐照度，w ( m 2 流过二极管的正向电流，a 二极管反向饱和电流，a 电流，a 短路电流，a 光伏电池最大输出功率的电流，a 空穴产生的电流密度，0 电子产生的电流密度，幻。 载流子产生的电流密度，a 詹 热传导系数，w ( m 硒 玻尔兹曼常数 p 型半导体的热导率。w ( m 目 n 型半导体的热导率，w ( m 硒 热电元器件的热导，w ( m k ) p 型半导体元件的长度，m i v 意义 n 型半导体元件的长度，m 光子通量，l ，( m 2 ) 光电池对外的输出功率，w 热电系统的输出功率，w 半导体元器件的电阻，q 空间某点的温度，k 热流密度，w m 2 入射太阳光的能量密度。w ，m 2 发电器因温差产生的传导热流，w 发电器件产生的焦耳热，w 自然对流换热损失的能量，w 热辐射损失的能量，w 其他散热损失的能量，w 入射到光伏发电子系统的能量，w 入射到热电子系统的能量，w 聚焦后入射到分光器的能量，w 单位时间进入光电系统的能量，w 热源温度，k 时同， 冷源温度，k 集热体温度，k 太阳能电池的参考温度，k 光伏电池输出功率最大时的电压，v 结电压，v 负载两端的电压，v 位移，m 衢o，r。靠伤如q如，瓦屹_矿x 错以厶4知如q g q。聊毛l，l ll歹七岛k k 武汉理工大学硕士学位论文 空穴寿命，s 电子寿命， 塞贝克系数，v k p 结的塞贝克系数，v i k n 结的塞贝克系数，v i k 帕尔帖系数，v p 结的电阻率，q n 结的电阻率，q 日 空穴迁移率，m 2 o z 硒 电子迁移率，m 锕硒 热电子系统中光一热转换效率 定日镜效率 光学聚焦系统效率 汤姆逊系数，v i k 光伏电池的转化效率 分光器的效率 反射塔效率 热电子系统的转换效率 复合发电系统总效率 电池上表面的发射率 散热板的发射率 斯蒂藩一玻耳兹曼常数， 5 6 7 * 1 0 1w ，( m 2 1 c ) v o。唧哳怖帅心o叩屯仃 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：i 礁叠日期：2 1 1 三丛2 一 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存论文。 戳：卫。刷程各挑嗍：皿川z，v9 。0 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章主要介绍太阳能热电发电和太阳能光电发电的研究意义、发展历史、 工作原理，并详细介绍太阳能热电发电和光电发电效率模型研究的课题背景， 综述了国内外相关工作研究进展，最后介绍了本文的研究工作。 1 1 课题背景 能源是人类社会存在和发展的物质基础。随着经济的发展，人类对能源的 需求日益增加，作为主要能源的煤、石油、天然气等常规能源的储量日益减少， 加上在其利用过程中排放的污染物对生态环境造成的破坏日益加重，能源与环 境问题己成为当今世界普遍关注的两大主要问题【1 i 。 1 1 1 我国能源的现状 我国是全世界能源生产和消费大国，从总量上看，我国原煤产量居世界第 一位，约占世界煤炭总产量的2 9 5 ，煤炭储量居世界第二位，原油产量居世界 第5 位，石油探明可采储量居世界第1 l 位，天然气产量居世界第1 8 位，水能资 源居世界第1 位。此外，我国的风能、太阳能、生物质能的资源也都比较丰富。 但我国入口众多，人均能源处于较低的水平，全国总人口数占世界总人口的2 0 ， 己探明的煤炭储量占世界储量的1 1 ，原油占世界储量的2 4 ，天然气仅占1 2 。 人均煤炭资源为世界平均值的4 2 5 ，人均石油资源为世界平均值的1 7 1 ，人 均天然气资源为世界平均值的1 3 。2 t 2 l 。2 0 0 0 年我国年耗能总量为1 3 亿t 标煤 当量，年人均能耗约1 - ot 标煤，而发达国家( 日、英、德、俄等国) 为4 6t 标煤。 根据预测，我国在2 0 2 0 2 0 5 0 年间的人口将维持在1 5 亿左右。到本世纪中叶， 我国年能源消耗总量将高达3 5 4 7 亿吨煤，为目前水平的3 倍左右。但我国人 均能源处于较低水平的现状，能源利用率仅为3 0 左右，比发达国家低1 0 1 7 ， 浪费严重的问题。因此，加快对新能源的研究和利用，逐步用新能源取代化石 燃料，建立多元化的能源消费结构是我国能源发展的必然趋势。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 太阳能及其发电技术 ( 1 ) 太阳能的特点 在众多的新能源中，太阳能因其独特的优势，正受到越来越多的关注州： a 储量的无限性 太阳每秒钟放射的热量大约是3 7 5 * 1 0 ”k w ，其中到达地球陆地表的辐射能 大约为1 7 - 1 0 t 3 k w ，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量 的3 5 ，0 0 0 多倍，太阳的寿命至少尚有4 0 亿年，相对于人类历史来说，太阳可 源源不断供给地球能源的时间可以说是无限的。 b 分布的普遍性 相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大部分地区存在普遍性，可就 地取用，这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好的前景。 c 利用的清洁性 太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎对环境不造成 任何的污染。 d 利用的经济性 太阳能的经济性主要表现在以下两个方面：一是接收太阳能时不收任何的 “税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，太阳能的利用不仅可能 而且可行。 因此，太阳能必将在未来能源结构的转换中将担当重任，成为理想的替代 能源。 ( 2 ) 太阳能发电技术 太阳能发电分为太阳能直接光发电和太阳能间接光发电。太阳能直接光发 电有太阳能光伏发电，太阳能光感应发电等；太阳能间接光发电有太阳能热发 电，太阳能光化学发电，太阳能光生物发电等。 太阳能间接发电中的热发电又分为太阳能热直接发电和太阳能热间接发 电。其中，太阳能热直接发电有太阳能热离子发电，太阳能热光伏发电，太阳 能热温差发电和太阳能热磁流体发电等；太阳能热间接发电分为非聚光类太阳 能热发电和聚光类太阳能热发电等。目前，较为成熟的太阳能发电技术是太阳 能光伏发电技术和太阳能热电发电技术【7 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 太阳能光伏发电是利用光电转换器件的光伏效应将太阳能直接转换为电 能。光伏发电设备具有使用寿命长，安全可靠、操作方便、维护简单、不易损 坏、适合无人管理等特点，是一种理想的替代能源。但目前太阳能光伏发电的 价格比常规电力价格高出许多，在电力市场上无法与常规能源进行竞争，主要 原因是技术还不成熟，需要进一步进行研究。 太阳能热发电技术是光伏发电技术以外的另一有很大发展潜力的太阳能发 电技术，它是把太陬辐射能转换成电能，主要包括两大类型；一类是利用太阳 热能通过热机带动发电机发电，其基本组成与常规发电设备类似：另一类是利 用太阳热能直接发电，其中最主要的是半导体或金属材料的温差发电，它是先 将太阳能转换为热能，再利用塞贝克效应( 温差电效应) 将热能转换为电能。 它的发电特点是发电装置本体没有活动部件，结构简单、体积小：没有机械传 动部分：制造工艺简单；运行成本低；寿命长：没有移动部件；工作时无噪音； 对环境污染较小；可利用太阳能、放射性同位素等提供热源，正是因为这些优 点，热电转换研究日益受到各国的重视。 1 1 3 太阳能复合发电系统及其存在的问题 利用太阳能光电发电。只能使波长较短的光缛烈利甩，波长较长的光完全 浪费，且使电池的温度升高，导致电池的效率下降；利用太阳能热电发电，可 以充分利用整个波长的太阳光，但其发电效率比较低。故本实验室和和日本科 学家新野正之合作，共同提出了将分别适用于8 0 0 3 0 0 0 n m 的热电发电技术和 2 0 0 8 0 0 n m 的光伏发电技术进行低成本集成复合。实现太阳能全光谱高效直接 转换利用的科学技术构想，即太阳能热电光电复合发电技术的科学技术构想。 此构想得到了我国n s f c 和日本j s t 的重大国际合作研究项目的支持，并在其 联合资助下，中日双方格基于半导体热电转换材辩与器件的热电转换技术和基 于光伏电池的聚光光伏技术进行低成本集成复合，在2 0 0 5 年研制出了国际上第 一台千瓦级太阳能热电一光电复合发电的实验系统，实现了太阳能的全光谱直 接转换利用。为太阳能高效、低成本直接发电技术的发展开辟了新的技术途径。 尽管目前的热电一光电复合发电实验系统实现了热电发电技术和光电发电 技术之间的集成复合和太阳光谱分离以及光谱分离后红外光的热聚集技术，但 是此系统目前还面临着一系列新的技术难题，导致复合发电系统的效率仍然比 3 武汉理工大学硕士学位论文 较低。根据对实验系统一年多来积累的实验数据的分析，发电效率还有大幅度 提高的可能，但如何提高尚有待继续研究? 另外，在目前的实验系统中，热电 发电子系统、光电发电子系统和光谱分离系统的各种参数均是根据经验确定， 并未进行优化。因此，为了进一步提高太阳能热电发电和太阳能光电发电的效 率和功率，使太阳能发电技术早日普及使用，非常有必要对太阳能复合发电系 统建立模型，进行深入的研究。 1 2 国内外研究现状 根据课题研究的需要，查阅了国内外相关文献资料，将从以下几个方面进 行分类综述：太阳能发电的国内外研究现状、太阳能光伏发电和热电发电的研 究及其仿真等进行分类综述。 1 2 1 太阳能发电 在对太阳能发电的研究方面，目前各国政府纷纷制订各种优惠政策甩来推 动太阳能发电的发展。 美国政府在1 9 9 6 年实行了一项“光伏建筑物计划”、1 9 9 7 年在世界领域率先宣 布发起“百万太阳能屋顶计划”，2 0 0 2 年光伏电池生产总产量达至t 1 1 2 9 m w ，计划 到2 0 1 眸要求发电成本降到7 7 美分千瓦时；日本政府在1 9 7 4 年就公布了“阳光计 划”、1 9 9 3 年又提出“新阳光计划”、来推动太阳能研究计划全面长期的发展；德 国政府1 9 9 0 年提出“1 0 0 0 太阳能屋顶计划”，继而扩展为2 0 0 0 屋顶计划。1 9 9 9 年 又实施“十万太阳能屋顶计划”。此外，意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西 班牙等国都有类似的计划来推进太阳能发电技术的发展眇l 。 我国政府在2 0 0 3 年1 0 月由科技部制订的未来5 年太阳能资源开发计划，发改 委“光明工程”将筹资1 0 0 亿用于推进太阳能发电计划的应用。2 0 0 4 年我国在深 圳建成了亚洲最大并网太阳能发电站，2 0 0 8 年北京奥运会国家计划各奥运建筑 将大范围采用太阳能等绿色能源技术等 i o - u i 。 1 2 2 太阳能热电发电 在国内，清华大学、中国科技大学、浙江大学、南开大学、中山大学等均 4 武汉理工大学硕士学位论文 在进行太阳能发电方面的研究，并取得了一定的进展。武汉理工大学材料复合 新技术国家重点实验室也已在该领域进行了多年的研究工作，并且与日本宇宙 航空研究开发机构、日航空宇宙技术振兴财团、东芝以及日本东北大学等合作 进行太阳能光热复合发电系统的开发。在国外，美国、加拿大、德国、日本、 新加坡等也进行了大量的研究工作，并取得了具有一定学术价值的成果。 对太阳能热电发电系统的研究方面，国内的刘宏等l ”1 从热电优值z 的基本公 式出发分析出提高材料的s e e b e c k 系数的途径，认可以通过提高材料的电导率或 降低材料的热导率来提高热电优值。但对许多热电半导体材料而言，电导率提 高至一定值后，其s e e b e c k 系数却随着电导率的进一步提高而大幅度地下降。而 材料的热导率由电子热导率和声子热导率两部分构成，电子热导率是电子运动 对热量的传导，声子热导率是声子振动产生的热量传递。对热电半导体材料来 讲，半导体热电材料中电子热导率占总热导率的比例较小，通过降低声子热导 率来调节材料的热导率几乎成了提高半导体热电材料热电优值最主要的方法， 具体可通过：( 1 ) 掺杂或不同材料之间形成固溶体的办法来提高声子的散射能 力以此提高热电优值提高；( 2 ) 多晶半导体材料中晶界对声子的散射作用，会 实现声子热导率的降低；( 3 ) 填充原子形成s k u t r m d i t e 结构。国外的b a d r i a n 、 b c h e r b e r t 等1 1 3 1 4 1 均认为在半导体热电器件研制中，一方面以提高半导体材料的 优值系数和生产工艺为研究方向：另一方面应从热电转换系统出发，考虑不同 的外部条件，分析各种效应、各种不可逆性对系统性能的影响，应用非平衡态 热力学优化控制理论提供优化设计方案和最佳运行准则。 张华俊等l “l 对半导体热电堆的发电性能进行了实验研究j 当冷端温度不交 时，热端温度越高，电堆输出电压和内阻越大，回路中的电流强度越大。当热 端温度不变时，冷端温度越高，电堆输出电压越小，电流强度越小。 中国科技大学的贾磊等【1 ”对p n 结半导体温差发电模型进行了热力学分析， 并阐述了传导热和汤姆逊热对输出功率和效率的影响，表明传导热对于器件的 发电效率有较大的影响。传导热越多，效率就越低；而汤姆逊热对于输出功率 则有较大的影响温度越低、温差越大，汤姆逊热的影响就越明显。同时，温差 发电器件有其对应的优值系数，为达到较好的工作状况，所用的材料必须具有 高的相对塞贝克系数、低的热导率和高的电导率。这三个指标在通常的材料中 是无法同时达到的，这就需要研究材料的物性参数随温度的变化关系，从而进 一步研究最佳发电性能与冷端、热端温度之间的关系，选择合适的工作温度使 5 武汉理工丈学硕士学位论文 发电器件最大效率的发挥其功效。 国外的d b h y u n 1 7 1 对( b i ，t e ，s o 半导体材料进行了深入的研究，其结果 表明：当温度为2 5 0 k 左右时，塞贝克系数达到最大值。这与文献的结果基本吻 合。随着冷端温度的降低。塞贝克系数减小，但是温差还在增大。这就造成输 出电动势只能以较小的幅度减小。并通过具体实验验证了自己的结论。 国外的d t m o r e l l i ，n m a t e e v a 等i n - 1 9 1 均研究认为，在高温和常温区间内，半 导体热电材料的输出电动势是随着冷端温度的降低而增大。但武汉理工大学的 余柏林等1 2 0 1 分析了半导体热电材料的输出电动势与冷端温度的关系。他认为，热 端温度相同时，输出电动势随着冷端温度的降低而出现先增大后减小的趋势。 这主要是是因为每种半导体材料的塞贝克系数都与材料的晶体结构、化学组成 及能带结构有关，而电导率则与载流子浓度和迁移率有关。通过降低半导体材 料的冷端温度可以提高载流子浓度和迁移率，从而提高半导体热电材料的电导 率。但实验证明，对于许多半导体热电材料而言，电导率提高到一定范围后， 其塞贝克系数却随着电导率的进一步提高而较大幅度的下降，从而造成输出电 动势随着冷端温度的降低而出现先增大后减小的趋势 国外的j s c h i l z ，j p f l e u r i a l ，y s k a n g 等1 2 1 2 3 1 均认为在热电发电装置中，决定 换能效率的因素是温差电优值z r 值。但单一均质材料的z t 值随温度而变化， 为此，他们都分别设法将各种均质热电材料按应用温区设计成梯度结构 ff g m ) ，使均质材料各段在整个温区均能发挥最佳效率。鲍思前等为了获得高 的热电能量转换效率，则实验时把不同单体联接制成多段热电装置形成梯度结 构( f g m ) 从而能效扩大工作温度区间：同时又可以使每段材科工作在其最佳温 度范围内，获得最佳的热电优值，有效提高热电转换效率。 鲍思前、樊希安等陆”1 认为热电材料的梯度结构包括材料载流子浓度的梯度 化和叠层热电材料接合界面的梯度化。在不同温度下，热电材料具有不同的最 佳载流予浓度值。如果在材料适用温度范围内，适当控制载流予浓度，使其沿 材料连续改变，保证整体材料在相应温度点上都具有最佳的载流子浓度，这样 就能够充分利用材料使用中实际环境的热能源，在较宽的温度范围内得到较高 的品质因子，从而提高均匀材料( 载流子浓度一定) 在其适用温度域内的热电转换 效率。文献h 3 介绍了梯度材料优化设计的理论基础及方法，并且将两种不同单 体材料连接起来，制备成梯度结构热电材料( f r o m ) ，不仅能扩大材料的应用温 区，而且能极大地提高材料的热电转换效率。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 国外的g n a k a m o t o 等在研究b i 2 t e 3 p b t e 合会时，根据材料的热导率之比 来确定2 种材料的长度之比，这种方法显然不够精确。j y p e n g 等】在研究截流 子浓度不同的p b t e 合金组成的梯度材料时，将两段材料功率因子与温度曲线上 的交点作为组成该梯度结构的最佳界面温度，从而决定两单段材料的长度。 u s c h u l 等闭在研究z n 2 s b 3 ( b i s b ) 2 - ( t e s e ) 3 时，用数值计算法计算出各自最佳界 面温度与每段材料的最佳长度比，以及p 型和n 型热电堆的最佳截面比。 宋瑞银等1 2 9 1 结合普通热电发电器的理论模型，考虑到汤姆孙效应、接触热阻， 焊料层和导热覆盖基板等因素的影响，建立了微小型热电发电器的精确数学模 型，并进行了性能优化分析，指出热电发电器在尺寸微小型化后，覆盖片、导 流层和焊料层等引起的接触内阻、导热率等不能忽视。并通过实验得到结论： 微小型热电发电器的电偶臂最佳面长比为0 4 5 5 m m - 0 5 m m 。国外的m t s u t s u i 等 则采用更为精确的有限元法计算了最大热电输出功率及各单段材料长度，并与 实验条件下的数据相比，结果很相似。但对于如何更精确地确定梯度热电材料 的结构还需要在实验中摸索。潘玉灼等【3 1 以为具有梯度结构的热电材料成分是梯 度变化的，由于材料的热导率，电导率，塞贝克系数等存在差异，容易导致整个 梯度材料的性能在界面处发生突变。造成由于热膨胀率的不同引起界面脱落， 在接触面处相互扩散导致性能剧降，在两端和界面处的不同材料间产生接触电 热阻等影响等问题，其优化设计理论错综复杂，形式多样如何对梯度热电材料 进行优化设计，最大限度地提高转换效率，是目前热电材料领域研究的热电之 一。他认为具体应该从以下几个方面进行研究：( 1 ) 从热电传输特性方面，热 电材料本身的各项参数如塞贝克系数，热导率，电导率等，通过提高材料的优 值来优化。( 2 ) 从热传导理论方面研究，从基本的热传导方程出发，计算梯度 结构的温度场，分析温度对各项参数及性能的影响。( 3 ) 界面方面，主要考虑 扩散的影响，根据f i c k 扩散定律，分析各单体材料。连接材料及接触电极间的裙 互扩散情况，对界面进行优化，利用离散与解析相结合的方法，利用模型建立 温度函数，并由此计算各段长度的最佳比值，内阻，输出功率和热电转换效率 等进行研究。大连理工大学的钱卫强等1 3 2 1 提出半导体温差发电器材料特性是发电 性能的前提条件，大z t 值的热电材料是制备高效热电设备的基础。对选定的半 导体材料，发电性能还取决于构成温差发电器的几何尺寸和工艺条件。利用水 冷散热的冷端散热方式效率很高，其换热系数比空气自然对流散热大1 0 0 i 1 0 0 0 倍。若再通过一定的强化传热方法，如做成小管径以增加冷却水流程，焊上翅 片等，冷却效果非常好。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 太阳能光伏发电 对太阳能光电发电系统的研究方面，国内的顾超等 3 3 1 等通过对不同倾角下各 月辐射量占该倾角下全年总辐射量的比例计算，结合最小二乘法，提供了系统 均衡或非均衡负载计算的最佳倾角算法。该方法对不同倾角下，不同分布的负 载类型都能很好的解决。国外的a b r a h a m 、k r i b u s 等介绍了近三十年世界太 阳能热电发电研究的趋势：提高太阳光的聚光比、增加热电器件的工作温度和 对热电转换效率的研究。现在技术水平下的模型为太阳能驱动组合循环有 几千的聚光比、大约1 0 0 0 - 1 3 0 0 0 c 温度和年均2 0 的转换效率。并认为下一个可 能的研究方向是太阳能循环三元组有一个高温m i l l ) 发电器和两个附加循环 序列。该三元循环组由太阳热能提供原始能量，温度大约在2 0 0 0 0 c ，聚光比大 约为1 0 0 0 0 。太阳能三元组热电转换效率的全部峰值都比太阳能组合循环效率高 的多。并重点讨论了太阳能三元组循环的几个系统参数和技术可行性。 国外的y v o r o b i e v 等i 圳对含有只能利用部分太阳光谱的光伏发电装置和既 含有光伏发电和热电发电的混合高温发电装置进行了理论分析和对比，认为复 合系统更加有效和实用。y v v o r o b i e v 等脚1 贝h 具体分析了在高温状态下工作的太 阳能混合转换系统。该系统由一个辐射集中器、一个光伏电池和热力发电机组 成。并重点讨论了两种方案：一种是太阳辐射能全部都有工作在高温下的光伏 电池来吸收：另一种是具有特殊的光伏电池结构，它可以利用一部分不能被半 导体材料吸收的太阳光谱来达到高温，而光伏电池本身工作在环境温度下。第 一种情况装置工作在高温条件下，材料所能提供的最低效率依赖于转换效率； 第二种情况要求材料要有较宽的能带间隙( b a n dg a p ) 。这里光和热能的损失均 被考虑进来，包括在高温端的对流和辐射损失。计算表明混合系统是切实可行 且有效的，且效率远高于第一种情况的效率。 孔娟、杨金焕等1 3 e - 3 3 概述了太阳能光伏发电系统的组成及优缺点，介绍了目 前我国太阳能光伏发电技术的应用，并根据不同场合的需要，对太阳能光伏发 电系统进行了分类。且简述了单晶硅太阳电池的工作原理，分析了目前单晶硅 太阳电池的应用情况，提出了单晶硅太阳电池应用的改进方案。王瑞林哪l 在光照 的条件下，运用少子的连续方程并结合了空穴电子表面复合速度和薄膜材料的 厚度推导出光电效率的表达式，同时还给出少子浓度的扩散系数，扩散长度， 空间电荷区的宽度和材料的习惯系数的变化曲线。 8 武汉理工大学硕士学位论文 清华大学的吴玉庭等 3 9 j 对常规太阳电池在聚光条件下的热电特性进行了试 验研究。研究结果表明：( 1 ) 如果不采用聚光，即光强约为1k w m 2 时，太阳 电池的输出功率只有6 6 w m 2 。在没有冷却的情况下，光强在3 3k w m 2 以下的范 围内电池会有比较高的转换效率，此时单片太阳电池的峰值输出功率可以达到 1 7 7 7 w m 2 ，是不采用聚光的2 7 倍。采用水自然冷却的太阳电池的聚光强度达到 6k w m 2 仍有较高的转换效率，其峰值输出功率为3 1 8 5 w m 2 ，是没有聚光的4 8 倍，是聚光但不冷却的1 8 倍。证明了对常规太阳电池采用聚光和水自然对流冷 却的措旌能得到明显的收益。( 2 ) 当光强在1 2 0k w m 2 范围内的时候，设计 加工的换热器能够保证在聚光状态下太阳电池的温度低于6 0 ，使电池在较高 的转换效率下工作。吴玉庭等同样【柚】为了为进一步开发聚光光伏发电系统提供指 导和依据，建立了聚光光伏发电系统的数学模型，然后对不同聚光光伏发电系统 方案的热电特性进行了计算，分析了串联内阻和换热系数对系统性能的影响。结 果表明，在特定的串联内阻下，太阳电池的峰值功率首先随光强的升高而直线 升高，升高到一定程度后曲线变得平缓。曲线的拐点随串联内阻的降低而升高。 换热系数越高，系统的性能越好，而且随着光强的升高，换热系数的影响越来越 显著。 陈中华等f 4 1 1 提出了一种新的简化使用的太阳能电池数学模型，并由此得出最 大功率点的计算公式。该模型能与实验结果更好的吻合，且形式简单，便于计 算机编程，更有利于太阳能光伏系统的优化设计。 1 2 4 热电发电和光电发电的模拟研究 在计算机仿真方面，华中科技大学的苏景芳等 4 2 - 4 4 1 采用计算机辅助设计对温 差电制冷组件进行研究，他认为，开发高效温差发电器应该成为主攻的方向，在 这方面应该融合先进设计方法和多学科的基础理论，如：热电偶的优值除与电极 材料有关，也与电极的截面和长度有关，不同电阻率和导热率的电极应有不同的 几何尺寸，只有符合最优尺寸才能获得最佳的器件优值。同时，设计中还要对温 差发电器的负载等性能以及结构进行综合考虑，采用优化、仿真和c a d 等方法 进行优化设计。另外，温差发电器在设计中，需要根据热、冷源的形式，研究它 的传热方式、接触热阻、散热形式，几何形状及强化方法等问题。这方面的研 究不仅是温差发电器设计的基础，而且是今后研究的重要课题之一。浙江大学 9 武汉理工大学硕士学位论文 的钱剑锋等附】通过热电器件的理论模型推导出考虑接触效应的实际模型，提出器 件电阻、输出功率与电偶臂长度的相互关系模型，通过两种途径对热电器件的 性能进行分析。通过对不同规格的热电器件的实验，测得所制备的热电器件的 熟电材料的电阻和塞贝克系数随温度变化的趋势，并分别进行线性化近似，在 此基础上推导出最大输出功率的数学表达式，通过试验验证，表达式能基本吻 合实际的情况。对热电器件的热电性能的主要参数进行实验测量，通过对不同 高度热电器件的实验，对热电器件的电阻和热阻的组成进行分折，能有效的对 附加电阻和附加热阻对热电器件的基本性能的影响做出评估，该研究为本热电 器件在室温范围内方面的实际应用起指导作用。在仿真方面，对热电器件进行 了稳态的热分析，通过仿真对热电器件理论模型和实验计算结果进行了比较。 间接说明了实际接触效应对热阻的影响。并指出对热电器件的研究可以通过更 精确的设备实现对各种物理量的测量，实现对误差的分析和消除，对热电性质 采用曲线进行更精确的拟和。 国外的h s c h e r r e r 等【蟠l 通过计算机数值模拟技术对方钻矿热电发电设备性 能、尺寸和重量等建立热电发电设备的数学模型并进行模拟运算，以求得高效 率的最优设计方案。结论表明热电发电设备具有优越的性能和潜在的开发价值， 可以代替像太阳能电池板或放射性同位素这些标准的发电设备。 国外的s a o m e r 等m 建立了有多个热电偶组成的热电单元模型，讨论了的 最优几何参数并对优化模型的性能进行了预测。该模型与以前其他模型相比考 虑了全部因素的影响，且最佳单元长度不是在最优效率的前提下确定的，而是 在最大功率输出的基础上确定的。计算表明优化接触层和优化单元的长度都可 以达到优化的目的，但在他们着重分析了热电设备的几何参数的优化。l p a u i 、 e a , e l e n a 等【“9 1 均建立了包括焦耳热、赛贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应影 响的有限元模型并进行了热电设备稳态和瞬态模拟分析，得出了热电偶a n s y s 模型可以用来精确高效的分析热电设备的结论。 宋瑞银等嗍按照微型热电发电器输出功率的理论模型，对内阻、塞贝克系数 和热导率等热电性能参数在不同温度范围内进行了测量和拟合。实验测试了不 同电偶臂对数、电偶臂高度以及不同冷热端温度时微型热电发电器的最大输出 功率，结果表明：一定范围内的最大输出功率随电偶臂高度的减小而增大，对 电偶臂高度面积的比值进行适当选取，可使最大输出功率达到最优值：一定范 围内的最大输出功率随电偶臂对数的增加而增大；温差和平均温度达到一定值 l o 武汉理工大学硕士学位论文 时，最大输出功率可得到最优。根据测试结果，研制了微小型热电转换装置。 屈健等1 5 1 j 在半导体温差发电的微观机理方面，提出了针对热电材料的优值系 数达到一定值后会随温度下降的半导体极性弱化假设，探讨了在高温情况下的 低温差发电器半导体电偶臂的内部和半导体，金属界面处非平衡载流子在温差和 电势作用下的产生和复合运动过程。就发电器的内部结构和外部换热条件进行 了优化设计与分析。 武汉理工大学的王军等p 2 l 通过对均质材料的性能指数与温度的关系研究得 出均质材料c o s b ，和b i ，a e ，最佳的界面结合温度约为5 0 0 k ；当梯度结构 b i ，t e , c o s b ，热电材料在3 0 0 k 至8 0 0 k 的范围使用时，对梯度热电材料中均质材料 c o s b ，和b i ，t e ，的长度比进行了优化设计，设计的结果表明：最佳的c o s b ，和 b i ，t c ，的长度比约为1 5 ：2 。他们还通过s e m 分析了制备的，t e ，c o s b ，二元梯度 热电材料。结果表明：当热端和冷端温度分别保持在8 0 0k 和3 0 0k 时，对2 种均 质材料界面结合处的温度和长度进行了计