热光伏系统的实验和理论研究

【摘要】：热光伏(Thermophotovoltaic,简称TPV)技术是指将高温热源发射的红外辐射能通过半导体p-n结直接转换成电能的技术。TPV系统具有较高的能量输出密度和理论效率、可应用能源形式多样、便携、运行安静、维护成本低,安全、无污染,可实行热电联供等优点,在工业、商业、军事和航空航天等领域都将拥有非常巨大的实用价值和应用前景。 目前,TPV技术的研究工作已逐渐由对单个部件的优化设计转移到对整个系统的设计和研究上。本文首先从以多孔介质燃烧器为基础构建的端面辐射器TPV系统入手,通过实验获得了使用SiC辐射器时GaSb和Si电池的伏安特性,分析了辐射器温度以及辐射器—电池间距对单片电池和电池组件输出性能的影响。结果表明：提高辐射器温度或减小辐射器—电池间距,可使电池短路电流增大,但由于电池温度的升高,使得开路电压降低,系统输出功率密度增幅逐渐减弱。在相同条件下GaSb电池的输出功率密度大于Si电池。此外,利用理想二极管模型计算得到的电池性能虽然在趋势上与实验值能很好地吻合,但误差较大。而实验中较低的辐射器温度(1000℃)以及未使用光谱控制技术使得发电效率均小于1%。 为提高辐射器温度,改用高温电炉加热辐射器,辐射面最高温度可达1300℃,并着重分析了选择性辐射器(Er203或Yb203)配合不同PV电池(GaSb或Si)所构成TPV系统的性能参数。由于Er203和Yb203的光谱选择性一定程度上抑制了红外波段辐射,降低了电池温度,从而提高了热电转换效率,但同时也降低了电池的输出功率。而光谱效率的不理想以及设计结构上的缺陷,使得系统的热电转换效率普遍较低。此外,为了改善上述理论模型的缺陷,利用实际二极管模型及光线追踪法建立了一个新的物理数学模型,并在预测开路电压和最大输出功率上取得了较高的精度,而短路电流的预测误差也大大降低。 通过对上述两个TPV系统平台的实验研究,为建立大型燃烧器TPV系统积累了大量经验。鉴于使用气态碳氢燃料作为该系统的热源,燃烧-辐射器对整个系统的性能影响至关重要。为此,以Kanthal公司提供的几款商用燃烧-辐射器为基础,结合Fraas提出的钨+抗反射涂层的概念构建了理论模型。重点分析了甲烷质量流率、回热器有效度、空燃比等因素对辐射器表面平均温度,表面辐射功率密度以及化学能-辐射能转化效率的影响。结果表明空气与甲烷的空燃比和甲烷质量流率分别以20.64：1和0.988kg/h为最佳,在此基础上发现在内、外管内径分别为27.2mm和38.5mm,内、外管壁厚分别为7.0mm和3.5mm的情况下燃烧-辐射器的性能最佳,辐射表面平均温度、表面辐射功率密度、化学能-辐射能转化效率分别为1523.8K、11.99W/cm2和73.7%。 上述计算结果还表明采用回热器可显著提高辐射表面的温度和化学能一辐射能转化效率,进而提高TPV系统的整体性能。因此,有必要对回热器进行理论分析和实验验证。考虑到TPV系统结构的紧凑性,选用内装固体蓄热填充物的旋转式回热器作为换热设备。研究发现回热器有效度理论值与实验值的偏差随旋转周期的增大而减小。对燃烧功率为10kW的TPV系统,当旋转周期为3s时,偏差为3.5%；当旋转周期增为15s时,偏差为1.5%。误差主要来源于模型中未考虑冷、热流体的携带损失。考虑了携带损失后,所得结果有较大改善。在此基础上分析了不同燃烧功率下,回热器几何尺寸对其有效度的影响,结果表明有效度随回热器直径和高度的增大而变大,但由于流体携带损失也随之增加,削弱了回热器几何尺寸对有效度的影响。 最后,在结合上述研究成果的基础上构建了大型燃烧器TPV系统。在系统设计上重点改善了电池与辐射器间的几何位置,将电池组件以六面体的形式围绕在辐射器的外侧。从Si电池组件配套SiC辐射器的实验结果来看,输出功率密度较高温电炉TPV系统有了明显的改善。当辐射器温度为1473K时,输出功率密度为0.087W/cm2。采用GaSb电池后,当SiC辐射器温度约为1243K时,输出功率密度为0.307W/cm2；相同辐射器温度下,选用Er203选择性辐射器时GaSb电池的输出功率密度略有降低,为0.208W/cm2。 【关键词】：热光伏系统 输出功率密度 电池温度 回热器 燃烧-辐射器热电效率
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK123
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-46
• 1.1 热光伏技术基本原理12-15
• 1.1.1 热光伏技术发展历程12-13
• 1.1.2 热光伏技术与光伏技术的对比13
• 1.1.3 热光伏系统13-15
• 1.2 热光伏系统应用15-37
• 1.2.1 碳氢燃料TPV系统16-27
• 1.2.2 核能TPV系统27-30
• 1.2.3 太阳能TPV系统30-33
• 1.2.4 生物能TPV系统33-35
• 1.2.5 余热TPV系统35-37
• 1.3 本论文主要工作内容37-39
• 参考文献39-46
• 第2章 多孔介质燃烧器端面辐射TPV系统46-60
• 2.1 引言46-47
• 2.2 实验介绍47-48
• 2.3 模型说明48-49
• 2.4 实验结果与分析49-58
• 2.4.1 单片PV电池49-55
• 2.4.2 PV电池组件55-56
• 2.4.3 视角系数56-57
• 2.4.4 效率57-58
• 2.5 小结58-59
• 参考文献59-60
• 第3章 高温辐射器下TPV系统的特性研究60-82
• 3.1 引言60-61
• 3.2 实验介绍61-66
• 3.2.1 实验系统61-63
• 3.2.2 辐射器发射率测量63-66
• 3.3 理论模型66-69
• 3.3.1 单片TPV电池Ⅰ-Ⅴ特性67-68
• 3.3.2 光谱辐照密度qi(λ)68-69
• 3.4 结果与讨论69-79
• 3.4.1 Si电池69-73
• 3.4.2 GaSb电池73-76
• 3.4.3 效率76-79
• 3.5 小结79-81
• 参考文献81-82
• 第4章 大型燃烧器TPV系统的研制82-110
• 4.1 引言82
• 4.2 燃烧-辐射器82-90
• 4.2.1 模型说明82-83
• 4.2.2 物理模型及计算方法83-85
• 4.2.3 计算结果与分析85-90
• 4.3 回热器90-98
• 4.3.1 模型说明90-94
• 4.3.2 实验介绍94-95
• 4.3.3 结果与分析95-98
• 4.4 大型燃烧器TPV系统98-107
• 4.4.1 实验系统介绍99-101
• 4.4.2 实验初步结果101-104
• 4.4.3 效率分析104-107
• 4.5 小结107-108
• 参考文献108-110
• 第5章 结论与展望110-112
• 5.1 结论110-111
• 5.2 展望111-112
• 攻读学位期间发表的学术论文和取得的研究成果112-113
• 致谢113

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