碩士論文熱光伏發(fā)電系統(tǒng)研究 摘要 熱光伏技術(shù)( t p 是將高溫熱輻射體的能量通過半導體p - n 結(jié)直接轉(zhuǎn)換成電 能的技術(shù)，有較高的能量輸出密度及理論效率，具有很好的發(fā)展前景。本文針對 某熱光伏發(fā)電裝置進行較為詳細的研究，主要通過對系統(tǒng)單個部件的優(yōu)化設計使 得熱光伏系統(tǒng)總電能輸出及發(fā)電效率得到提高。 首先，本文設計了4 組輻射燃燒系統(tǒng)并對其分別進行了實驗研究，通過比較 燃料燃燒的充分性及輻射面溫度、輻射功率、熱輻射效率等參數(shù)的大小，評價了 幾組燃燒系統(tǒng)的性能，確定了最優(yōu)的輻射燃燒系統(tǒng)。 其次，在原回熱系統(tǒng)1 的基礎上提出了改進方法并借助f l u e n t 分析了肋 片結(jié)構(gòu)對回熱器回熱性能和阻力特性的影響，結(jié)合機械加工可行性及經(jīng)濟性設計 了回熱系統(tǒng)2 ；對兩套回熱系統(tǒng)進行實驗研究并利用f l u e n t 對回熱系統(tǒng)2 進行 了仿真模擬，分析了實驗結(jié)果與模擬結(jié)果的誤差，通過比較兩套回熱系統(tǒng)的空氣 入口溫度、煙氣出口溫度、熱阻、傳熱量及回熱有效度等參數(shù)的大小，評價了兩 套回熱系統(tǒng)的性能。 再次，針對原直流道式水冷系統(tǒng)的不足之處并結(jié)合f l u e n t 校核計算，重 新設計了盤旋流道式水冷系統(tǒng)；對兩套水冷系統(tǒng)進行實驗研究，比較了兩套水冷 系統(tǒng)的散熱性能及對熱光伏電池電能輸出特性的影響；在不同水流量下，對盤旋 流道式水冷系統(tǒng)傳熱和阻力特性分別進行了測試和f l u e n t 數(shù)值仿真，兩者符 合較好，在此計算方法基礎上，討論了導流片及肋片結(jié)構(gòu)對散熱器傳熱阻力性能 的影響。 針對原直肋風冷系統(tǒng)的不足之處，提出了改進方法，利用f l u e n t 分析了 肋片結(jié)構(gòu)對散熱器傳熱和阻力特性影響，結(jié)合機械加工可行性及經(jīng)濟性設計了彎 曲分叉肋風冷系統(tǒng)；對兩套風冷系統(tǒng)進行了實驗研究，給出了不同輻射器溫度下 散熱器熱流面溫度及電池輸出特性隨風扇功率的變化曲線：比較了兩套風冷系統(tǒng) 在相同工況下，對應熱流面溫度，電池輸出短路電流和開路電壓的大小，討論了 改進后的彎曲分叉肋風冷系統(tǒng)的性能及其對熱光伏電能輸出的影響。 最后，測試了不同燃燒工況下，基于黑體輻射器和選擇性輻射器的熱光伏系 電能輸出特性，總結(jié)出了系統(tǒng)最大輸出功率和系統(tǒng)總發(fā)電效率的變化規(guī)律。 關(guān)鍵詞：熱光伏，f l u e n t ，輻射燃燒系統(tǒng)，回熱系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng) a b s t r a c t 碩士論文 a b s t r a c t b yu s i n gt h et h e r m o - - p h o t o v o l t a i c ( t p v ) t e c h n o l o g y ，t h e r m a lr a d i a t i o nc a nb e c o n v e r t e di n t oe l e c t r i c i t yt h r o u g hp h o t o v o l t a i cc e l l s t h ea d v a n t a g e so ft p vi n c l u d e t h ew i d er a n g eo fh e a ts o u r c e sa n dt h ep o t e n t i a l l yh i g hp o w e rd e n s i t yo u t p u t s ，w h i c h i n d i c a t et h a tt h ep o t e n t i a lm a r k e tf o rt p v a p p l i c a t i o n si sv e r yl a r g e i nt h i sp a p e r ，t h e o u t p u te l e c t r i cp o w e ra n dp o w e rg e n e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h et p vs y s t e ma r e i m p r o v e db yo p t i m i z i n g t h e p e r f o r m a n c e o fi n d i v i d u a lc o m p o n e n t si na t h e r m o p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o nd e v i c e i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe m i t t e r ，f o u rg r o u p so fr a d i a n tb u m sa r e d e s i g n e da n ds t u d yi nt h ef i r s tp a r t t h r o u g hc o m p a r i n gb u r n i n ga d e q u a c ya n dt h e p a r a m e t e r ss u c ha st h es u r f a c et e m p e r a t u r eo fe m i t t e r ，r a d i a n tp o w e rd e n s i t y ，r a d i a n t e f f i c i e n c y , t h ep a p e rd e t e r m i n eas e to fo p t i m a lr a d i a n tb u m p r o p o s i n gi m p r o v e dm e t h o do nt h eb a s i so ft h eo r i g i n a lr e g e n e r a t i v es y s t e m1 a n dd i s c u s s i n gt h ee f f e c to fv a r i o u sf i ns t r u c t u r eo nh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e g e n e r a t o r ，c o n s i d e r i n gw i t hm a n u f a e t u r a b i l i t ya n dm a c h i n i n g e c o n o m i c s ，t h ep a p e rd e s i g nt h er e g e n e r a t i v es y s t e m2 t h ep a r a m e t e r ss u c h a s t e m p e r a t u r eo fa i r i n l e ta n df l u e g a s - o u t l e t ，h e a tr e s i s t a n c e ，e x c h a n g eh e a t ，a n dh e a t t r a n s f e re f f i c i e n c yo ft h et w or e g e n e r a t i v e s y s t e m sa r et e s t e da n dc o m p a r e d ，t h e r e g e n e r a t i v es y s t e m2i sm o d e l e dw i t hf l u e n t i ti ss h o wt 1 1 a t ，t h er e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na c c o r dw i t h e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e r e g e n e r a t i v es y s t e m2i sb e t t e rt h a nt h er e g e n e r a t i v es y s t e m1 ，t h er e g e n e r a t i v es y s t e m 2i m p r o v ee f f e c t i v e l yt h eo u t p u te l e c t r i cp o w e ra n dp o w e r g e n e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h e t p v s y s t e m f o rt h ei m p e r f e c to ft h es t r a i g h t f l o ww a t e r c o o l i n gs y s t e m ，t h ep a p e rr e - d e s i g n t h e s p i r a l - f l o ww a t e r c o o l i n gs y s t e ma f t e rc h e c k i n gc a l c u l a t i o nw i t hf l u e n t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es p i r a l f l o ww a t e r c o o l i n gs y s t e m h e a t - f l u xs u r f a c e t e m p e r a t u r ei sl o w e r , c o r r e s p o n d i n gs h o r tc i r c u i tc u r r e n ta n do p e nc i r c u i tv o l t a g eo f t p vc e l lh a sb e e ne f f e c t i v e l yi m p r o v e d t 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 r a n df l o wp e r f o r m a n c eo ft h es p i r a l f l o ww a t e r c o o l i n gs y s t e mi so p e r a t e di nv i r t u eo f f l u e n ts o f t w a r e ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt e m p e r a t u r eo fh e a t f l u xs u r f a c ea n dl o s s o ff l o wr e s i s t a n c ec l o s et ot h e e x p e r i m e n t a l v a l u e s t h ee f f e c to f o fv a r i o u s w a t e r - l e a d i n gp l a t ea n df i ns t r u c t u r eo nh e a tt r a n s f e ra n df r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y z e dt h r o u g hn u m e r i c a lm e t h o dm e n t i o n e da b o v e n 碩士論文 熱光伏發(fā)電系統(tǒng)研究 t h ep a p e ra l s op r e s e n t ss o m ei m p r o v e dm e t h o d sw h i c ht a k i n gi n t oa c c o u n tt h e s h o r t a g eo fo d g h a a ll o n g i t u d i n a l - f i n sa i rc o o l i n gs y s t e m a f t e rt h ee f f e c to ft h ef i n s t r u c t u r ec h a n g e so nt h eh e a tt r a n s f e ra n df l o wc h a r a c t e r i s t i co ft h eh e a ts i n ka leb e e n a n a l y z e dw i t hf l u e n t , an e wb e n d e db i f i d - r i b sa i rc o o l i n gs y s t e mi st h e nf a b r i c a t e d b yc o u p l i n gm a n u f a c t u r a b i l i t ya n dm a c h i n i n ge c o n o m i c s m e a n w h i l e ，t h eh e a ts i n k s h e a t - f l u xs u r f a c et e m p e r a t u r ev a r i a t i o nc u r v ew i t ht h ef a np o w e rc h a n g e sa td i f f e r e n t r a d i a t o rt e m p e r a t u r ea leg i v e nb yt h ee x p e r i m e n t so ft h et w oa i rc o o l i n gs y s t e m s t h e s i z eo ft h eh e a tf l u xs u r f a c et e m p e r a t u r e ，o u t p u ts h o r tc i r c u i tc u r r e n ta n dt h eo p e n c i r c u i tv o l t a g eo ft h et p vc e l la r eb e e nc o m p a r e dw h i l et h eb o t hs y s t e m sa r ei ns a m e c o n d i t i o n s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e db e n d e db i f i d - f i b sa i rc o o l i n gs y s t e ma s w e l la st h ee f f e c tt ot h et p v p o w e ro u t p u ta r ea l lb e e nd i s c u s s e d f i n a l l y , t h et r e n do fs h o r tc i r c u i tc u r r e n ta n do p e nc i r c u i tv o l t a g ew a sa n a l y z e d u n d e rd i f f e r e n tc o m b u s t i o nc o n d i t i o na n ds y s t e mo u t p u te l e c t r i cp o w e ra n dp o w e r g e n e r a t i o ne f f i c i e n c yw a sc a l c u l a t e dw h i l et h et p vs y s t e mr e s p e c t i v e l yb a s e do n b l a c k b o d ye m i e t t e ra n ds e l e c t i v ee m i t t e r k e y w o r d s ：t p vs y s t e m ，f l u e n t ，r a d i a n tb u m ，r e g e n e r a t i v es y s t e m ，c o o l i n gs y s t e m i i i 符合注釋表碩士論文 v i 符號注釋表 空氣體積量，m 3 燃氣流量，l h 空氣流量，m 3 l l 輻射器表面溫度， 單位面積輻射功率，w c m 2 燃料總熱值，w 單位體積燃料熱值，w l 總輻射功率，w 熱輻射效率 短路電流，m a 開路電壓，m v 肋片長度，r a i n 肋片或?qū)Я髌瑪?shù)目 肋片厚度，r a i n 肋片或?qū)Я髌叨龋琲 n t l l 內(nèi)外肋片高度比 空氣入口溫度， 空氣出口溫度， 煙氣入口溫度， 煙氣出口溫度， 回熱有效度 壓力損失，p a 傳熱量，w 平均溫差， 熱流面溫度， 水流量，n i l s 風扇耗功，w 入口總壓，p a 最大輸出電功率，w 總輸出電功率，w 系統(tǒng)發(fā)電效率 系統(tǒng)最大發(fā)電效率 p q l 枷 ， m 審 椰 班 n n b n e 衄卸們 qr咿 霎 u k 一 kl n d h w 聲明 本學位論文是我在導師的指導下取得的研究成果，盡我所知，在 本學位論文中，除了加以標注和致謝的部分外，不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機構(gòu)的學位或?qū)W 歷而使用過的材料。與我一同工作的同事對本學位論文做出的貢獻均 已在論文中作了明確的說明。 研究生簽名：j 芷雌 儼加年多月1 日 學位論文使用授權(quán)聲明 南京理工大學有權(quán)保存本學位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱 或上網(wǎng)公布本學位論文的部分或全部內(nèi)容，可以向有關(guān)部門或機構(gòu)送 交并授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學位論文的部分或全部內(nèi)容。對 于保密論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。 碩上論文熱光伏發(fā)電系統(tǒng)研究 1 緒論 1 1 熱光伏系統(tǒng)簡介 熱光伏技術(shù)( t p v ) 是將高溫熱輻射體的能量通過半導體p n 結(jié)直接轉(zhuǎn)換成電 能的技術(shù)【l 硎。也就是說是利用半導體p n 結(jié)在近紅外光照射下，產(chǎn)生光生伏特 效應，其原理與太陽光伏發(fā)電技術(shù)相似，只是利用輻射源不同而已。太陽能電池 利用的光源是太陽光或可見光( 4 0 0 - - - 8 0 0 r i m ) ，而熱光伏電池是利用紅外線熱輻射 或火焰發(fā)出的紅外線( 8 0 0 - - 2 0 0 0 h m ) 。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)( p v ) 的輻射源來源 于距離地球1 5 1 0 8 千米、溫度大約6 0 0 0k 的太陽，而熱光伏發(fā)電技術(shù)接受來自 相對低溫的輻射表面( 如1 5 0 0 1 8 0 0 k 的溫度) 的輻射能，輻射面與電池的的距離 可以是幾個厘米而已，單位面積電池所接受到的輻射功率遠遠大于太陽能電池 的，輸出的電功率相應較大，因而有較大的市場應用前景 1 , 3 - 5 】。 典型的熱光伏系統(tǒng)包括以下幾個部分【昏7 】：熱源、熱輻射器、光學濾波器、 熱光伏電池。另外熱回收器和電池散熱器也是其不可缺少的附件。熱光伏發(fā)電技 術(shù)可利用的熱源非常廣泛【弘1 0 】，如燃氣、燃油、核能、工業(yè)廢熱等。輻射器是將 熱源發(fā)出的能量轉(zhuǎn)化為紅外輻射的裝置，主要分為黑體輻射器和選擇性輻射器 【l 卜1 5 j 。黑體輻射器各個波段的發(fā)射率相同、且光譜發(fā)射率較高( 一般高達9 0 ) ， 多選用耐高溫的s i c 和s i n 作為材料。選擇性輻射器的輻射光譜非常窄且具有單 色性，在光伏電池可轉(zhuǎn)化的波段有較高發(fā)射率，其它波段有較高反射率。目前研 究的選擇性輻射器主要為稀土氧化物，其中包括鑭系元素氧化物以及氧化鐿、氧 化鉺、氧化鈧等。濾波器【1 6 - 1 8 是一種光譜選擇性透過器件，一般配合黑體輻射器 一起使用，與光伏電池所對應波長范圍內(nèi)的熱輻射可以透過濾波器到達電池表 面，而其它波長范圍的熱輻射被返回繼續(xù)加熱輻射器，以提高熱能源的利用效率， 并且可以降低熱光伏電池的工作溫度。光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率也是決定整個系 統(tǒng)效率的重要因素，高效率的光伏電池要求能轉(zhuǎn)化更寬波段的輻射光譜，一般選 擇禁帶較低的轉(zhuǎn)換器材料?，F(xiàn)階段用來作為轉(zhuǎn)換器材料的i i i v 族混合物主要 包括禁帶寬度為0 7 2 的g a s b ，及與g a s b 相關(guān)的禁帶寬度在0 5 0 6 間的三元四 元合金( 如i n g a s b 、g a l n a s s b 等) 1 9 - 2 3 】。熱光伏系統(tǒng)燃料燃燒后所排放的是高溫 煙氣，如果直接排放將會損失大量熱能，大大的降低了燃燒系統(tǒng)效率，進而降低 熱光伏系統(tǒng)總發(fā)電效率，所以熱回收器也是系統(tǒng)不可缺少的部件。另外由于熱光 伏電池本身屬于電子產(chǎn)品，其工作效率和自身溫度關(guān)系很大。m u r r a y 等【2 5 】生產(chǎn) 并測試了i n p a s i n g a a s i n p a s i n p 電池( 0 6 5 e v ) ，結(jié)果表明，在輻射源溫度為 1 2 2 7 時，電池溫度為2 5 情況下電池轉(zhuǎn)換效率為2 5 ，而當電池溫度為1 3 0 時，電池的轉(zhuǎn)換效率則降低為1 7 。因此在t p v 系統(tǒng)電池的外部通常還要設計 1 緒論碩士論文 一個用來降低光伏電池表面溫度的散熱裝置。 熱光伏系統(tǒng)工作原理及其基本結(jié)構(gòu)示意圖【2 6 】如圖1 1 1 所示，通過熱源燃燒 加熱輻射器到高溫( 通常在1 2 0 0 k 以上) ，輻射器發(fā)出的紅外輻射一部分經(jīng)過濾波 器到達光伏電池，另一部分返回到輻射器繼續(xù)加熱輻射器，照射到光伏電池的輻 射能一部分被轉(zhuǎn)化為電能，剩下的輻射能將轉(zhuǎn)化為廢熱，電池通過散熱器將廢熱 排出以控制自身溫度。 ji 罄娃 救熱 可r 可光 繃飫 教 汽電 拔 - - - , o 漶 囂 電轆 熱 厶i 土一 l 鰱l 投 器 六箍 7 化學箴。i 越。o 黧一 圖1 - i i 熱光伏系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖 熱光伏系統(tǒng)主要的優(yōu)點有：理論效率較高，噪音低，無移動部件，可便攜， 可靠性高，高體積比功率，高重量比功率，熱源廣泛及可將熱能利用和發(fā)電結(jié)合 在一起等優(yōu)點。另外熱光伏技術(shù)與太陽能光伏技術(shù)相比具有不依賴太陽光的特 點，所以不受晝夜，季節(jié)或天氣的影響而提供穩(wěn)定的電能。特別地，近些年微型 化技術(shù)和微加工技術(shù)的發(fā)展，許多微型電力系統(tǒng)已經(jīng)應用于汽車、航天、電信、 衛(wèi)生保健、軍事等領域。但是當前的大多微型電力系統(tǒng)幾乎都是電池供給電能， 電池不僅能量密度小、充電不方便、效率比較低，同時也存在電池材料昂貴及廢 棄電池污染和浪費等許多缺點。基于此，人們希望研制出能量密度高，能源利用 效率高，無污染的微型電力系統(tǒng)。微型熱光伏系統(tǒng)因其在許多方面的優(yōu)勢便成為 了研究的重點，并有望替代一些微型電力系統(tǒng)，成為許多應用微型電力系統(tǒng)的主 流。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 早在1 9 世紀6 0 年代t p v ( 熱光伏系統(tǒng)) 已經(jīng)開始被研究，但直到上世紀9 0 年代，隨著低禁帶的i 一v 族化合物( 一種高效轉(zhuǎn)換器材料) 的出現(xiàn)，t p v 的優(yōu)越 性得到了證實，并開始受到人們的廣泛關(guān)注【1 2 6 1 。熱光伏電池在發(fā)電方面具有很 多獨特之處，使其在尖端科研領域和軍事上有很大的潛在應用價值。目前熱光伏 技術(shù)的研究是個熱點，美國、俄羅斯、德國、澳大利亞、英國、瑞士和日本等國 2 碩士論文熱光伏發(fā)電系統(tǒng)研究 的著名的光伏研究機構(gòu)和大學都在積極開展熱光伏系統(tǒng)的研究工作，力圖通過基 礎研究將這項新技術(shù)投入實用化【6 】。 熱光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點即是熱源廣泛，國外學者已經(jīng)設計或已經(jīng)制 作出了各種燃料的熱光伏系統(tǒng)。b r o m a i l 【27 】等人用生物燃料作為熱源設計了一套 熱光伏系統(tǒng)，輻射器溫度高達1 3 0 0 k , 并提出如果選用較好的濾波器，輻射器溫度 將會進一步的提高，從而提高熱光伏系統(tǒng)的總效率。s c h o c k 2 8 】等人用核燃料作為 熱源設計了熱光伏系統(tǒng)，系統(tǒng)設計布置6 4 x 4 塊g a s b 電池，預計發(fā)電功率為2 5 0 w 。 g u a z z o n i 2 9 】等人以液體烴作為燃料設計了熱光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)設計成便攜式， 可以輸出電功率幾百瓦到上千瓦，根據(jù)設計方案計算出效率大概有4 左右。 b e c k e r t 3 0 】等人設計了一燃燒柴油并可以輸出電能1 5 0 w 的便攜式熱光伏發(fā)電裝 置，此裝置選用氧化鐿作為輻射器，高效的s i 電池作為光電池，系統(tǒng)效率最高可 達8 8 。f r a a s 3 1 】等人設計加工了一套燃燒丙烷的熱光伏裝置。裝置中串聯(lián)布置 4 8 塊g a s b 電池。測試結(jié)果表明在最大功率輸出點處系統(tǒng)輸出電壓為1 5 v ，輸出電 流為1 6 a 。并且指出系統(tǒng)中布置4 8 塊電池只占其輻射器輻射范圍的7 5 ，可以更 緊促的布置電池使系統(tǒng)的輸出功率得到提高。k u s h c h 3 2 】等人設計了燃燒天然氣 的熱光伏系統(tǒng)。系統(tǒng)設計為熱電聯(lián)產(chǎn)模式，產(chǎn)生2 0 0 w 的電能并且提供熱水，預 計效率高達8 3 以上，并且排放的氮氧化物均符合加利福尼亞州的限制。e d w a r d d o y l e 3 3 j 等人設計并加工了一用丙烷作為燃料，可以輸出2 5 w 電能的熱光伏系統(tǒng)。 燃燒器性能的好壞關(guān)系到熱光伏系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及輻射燃燒效率，進而影 響到熱光伏系統(tǒng)的性能及總發(fā)電效率，燃燒器的研究是國內(nèi)外學者研究的熱點， 也是本課題的核心內(nèi)容。性能良好的輻射燃燒器要求可以穩(wěn)定的燃燒，且具有高 的熱光轉(zhuǎn)換效率和高且分布均勻的輻射面( 即燃燒室外表面) 溫度。y a n g w e n m i n g 3 4 等人實驗研究了圓柱s i c 輻射器壁厚對熱光發(fā)電系統(tǒng)輸出電功率和 電流的影響。實驗發(fā)現(xiàn)在一定工況下，對應壁厚為0 4 m m 、0 6 m m 、0 8 m m 的s i c 輻射器三種工況，系統(tǒng)最大輸出電功率分別為0 9 2 w 、0 7 8 w 、o 5 7 w ，對應的短 路電流也是急劇的下降。得出結(jié)論，s i c 輻射器的壁厚越薄越好，但太薄又難以 加工，所以選用0 4 m m 的s i c 輻射器最為適合。此p b y a n gw e n m i n g 3 5 】等人還結(jié)合 熱光伏系統(tǒng)比較了有無向后臺階的圓管燃燒器對燃燒效果及輻射器表面溫度分 布的影響，實驗結(jié)果表明，有向后臺階的燃燒器增強了空氣和燃氣的混合、增長 了燃氣在燃燒室中的停留時間、可以使輻射器表面溫度分布更加均勻。j u nl i 3 酬、 j f p a n 3 7 j 等人分別分析了燃燒室尺寸、燃料特性、燃氣空氣當量比、噴嘴和燃 燒室直徑比、燃燒室壁厚與直徑比、預混氣體溫度等參數(shù)對熱損失率( 尾氣熱量 與入口預混氣體熱量之比) 、輻射器表面溫度高低及其分布均勻性的影響，為熱 光伏系統(tǒng)燃燒室的設計提供了思路。 3 1 緒論 碩士論文 輻射器其實就是燃燒器的外表面，它主要是將熱能轉(zhuǎn)化為紅外輻射。性能良 好的輻射器要求在光伏電池可利用的輻射波段有較高的發(fā)射率，而物體表面的發(fā) 射率主要取決于物質(zhì)的材料。目前使用較多的黑體輻射器有s i c 和s i n ，選擇性輻 射器主要為稀土氧化物，其中包括鑭系元素氧化物( 元素周期表中從締到镥) 以及 氧化鐿、氧化鉺、氧化鈧等。z h e n gc h e n 3 8 】等人分別對裝配黑體輻射器和選擇性 輻射器的熱光伏系統(tǒng)進行了實驗研究，結(jié)果表明裝配以鉺為主要材料的選擇性輻 射器時系統(tǒng)的效率是裝配黑體輻射器的1 8 陪。p a t r i c kc s a x t o n 3 9 等人結(jié)合熱光 伏系統(tǒng)從光譜發(fā)射率、熱導率、熱膨脹性及可加共性等方面，分別比較了b o r o n n i t r i d e 、s i l i c o nn i t r i d e 、t u n g s t e n - r h e n i u m 、z i r c o n i a 、s i c s i ( o x i d i z e d ) 、s i c 等材 料的特性，結(jié)果表明輕度氧化的s i c s i 和s i c 性能最符合熱光伏系統(tǒng)中的輻射器 材料的要求，特別是這兩種材料有高的發(fā)射率( 高達9 0 ) 。n a r i h i t on a k a g a w a 4 川 等人實驗研究t a l 2 0 3 e r 3 a 1 5 0 1 2 陶瓷在高溫下的輻射特性。結(jié)果表明，到溫度到 達1 6 5 09 c 1 7 0 0 間，a 1 2 0 3 e r 3 a 1 5 0 1 2 具有強烈的選擇性輻射特性，并且在 1 5 0 0 n m 附近具有較高的發(fā)射率，這與g a s b 光伏電池很好的匹配。所以這種陶瓷 被認為是熱光伏系統(tǒng)中很有前途的輻射器材料。b b i t n a r t 4 1 l 等人結(jié)合熱光伏系統(tǒng) 研究了分別由y b 2 0 3 和e r 2 0 3 合成的選擇性輻射器。發(fā)現(xiàn)用丁烷提供1 3 5 k w 的熱 量可以將y b 2 0 3 輻射器和e r 2 0 3 輻射器分別加熱到1 7 3 5 k 和1 6 8 0 k 。y b 2 0 3 輻射器 的最大發(fā)射率發(fā)生在光子能量為1 2 7 e v 處的波段，其值高達0 8 5 ；e r 2 0 3 輻射器 的最大發(fā)射率發(fā)生在光子能量為0 8 0 e v 處的波段，其值高達0 8 2 。理論計算估計 在一個簡單的燃燒模型下，當使用y b 2 0 3 輻射器，s i 電池，一套完美的濾波器， 熱光伏系統(tǒng)的效率可達1 0 。d d i s o 4 2 】等人以選擇性輻射材料鉺來作為一光譜波 段集中主要1 4 0 0 n m 1 6 0 0 n m 的熱光伏系統(tǒng)的輻射器。通過在鉺中添加氧化鋯和氧 化鋁粉末來增強其熱沖擊抵抗性。實驗結(jié)果表明添加氧化鋯的復合物極大的降低 了鉺的選擇性輻射特性，相反添加氧化鋁的復合物有較好的選擇性輻射特性，在 1 4 0 0 n m 1 6 0 0 n m 有很高的發(fā)射率，并且在較高的溫度下有良好的熱沖擊抵抗性 能。 光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率也是決定整個系統(tǒng)效率的重要因素，高效率的光伏 電池要求能轉(zhuǎn)化更寬波段的輻射光譜，一般選擇禁帶較低的轉(zhuǎn)換器材料。目前研 究較多的熱光伏電池有硅電池、鍺電池、v 族化合物電池以及多量子阱 ( m q w ) 電池等。t a k a s h ia m a n o 【4 3 】等人比較t g a s b 電池和s i 電池的發(fā)電效益， 實驗結(jié)果顯示，g a s b 電池的輸出功率和系統(tǒng)總效率分別為0 2 5 w 和0 0 8 2 ，對應 s i 電池分別為0 11 w 和0 0 3 6 。表明低禁帶寬度的g a s b 電池的發(fā)電效率明顯優(yōu)于 s i 電池。另外提出，如果在系統(tǒng)中布滿3 0 塊g a s b 電池時系統(tǒng)的輸出功率和效率將 提高到1 2 5 和0 4 。o v s u l i m a 刪等人提出通過在g a s b 電池中擴散入鋅可以使 4 碩士論文熱光伏發(fā)電系統(tǒng)研究 電池內(nèi)部量子效率提高至u 9 0 以上，開路電壓提高到5 0 0 m v 以上。k q i u t 4 5 】等人 研究比較了i n g a a s s b 電池和g a s b 電池在熱光伏發(fā)電系統(tǒng)中的優(yōu)越性。研究結(jié)果 表明，在輻射器溫度從9 3 0 升到1 2 1 5 時，i n g a a s s b 電池的短路電流的升高速 率比g a s b 電池的快許多。當輻射器溫度為1 2 1 5 時，i n g a a s s b 電池與g a s b 電池 的輸出功率分別為0 6 w c m 2 和0 5 3 w c m 2 。 光學濾波器是將電池不能利用的紅外輻射返回輻射器重新利用，目前使用最 多的光學濾波器是通過在石英玻璃表面鍍上各種耐高溫的膜系結(jié)構(gòu)。在石英玻璃 內(nèi)表面鍍上一種s n 0 2 膜的光學濾波器，能夠?qū)⒓t外光的反射率從4 5 提高到 8 0 6 】。i c e l a n o v i 2 6 , 4 6 】等人發(fā)現(xiàn)，一維s i s i 0 2 光子晶體( p h c ) 作為濾波裝置使 用可顯著提高光譜效率。實驗結(jié)果顯示，光譜效率是無濾波裝置的兩倍，此外， 與二維光子晶體的選擇性輻射器結(jié)合使用時，光譜效率可高達9 0 。b e r n a r d w e r n s m a n 4 7 等人研究了反射光譜控制裝置對熱光伏系統(tǒng)的影響。研究表明輻射 器溫度從9 0 0 到1 0 0 0 。c 時，裝配反射光譜控制可以使熱光轉(zhuǎn)換效率提高3 左 右。并且指出裝配反射光譜控制可以有效的降低光電池的溫度。 回熱器用于回收熱光伏系統(tǒng)排出尾氣的熱量。m a r kg o l d s t e i n l 2 4 等人在一套 熱光伏系統(tǒng)中研究了回熱器對燃燒效率的影響，研究表明在熱光伏系統(tǒng)中加入回 熱器可以使燃燒效率提高3 0 5 0 。e d w a r dd o y l e 3 3 】等人在結(jié)合熱光伏系統(tǒng)研究 回熱器，給出設計套管回熱器的一些建議：1 ) 逆流，內(nèi)外都布置肋片；2 ) 使用 導熱系數(shù)較低的合金來加工回熱器；3 ) 通過在軸向打斷翅片來減少軸向?qū)帷?美國華盛頓大學的研究小組研制了一種新的褶皺式的陶瓷熱交換器，采用能夠進 行最大可能熱交換的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)，并保持簡單的球形外形來防止熱沖擊，因此 大幅度提高了熱能利用效率；另外該研究小組還開發(fā)了一種新的3 1 0 型不銹鋼熱 回收器，這種新結(jié)構(gòu)熱回收器能夠?qū)⒅虚g金屬區(qū)的熱能利用效率從6 5 提高到 8 2 ，熱廢氣排放熱量減少了5 0 ，這為熱光伏發(fā)電效率的提高作出了很大貢 獻 6 , 4 8 】。 散熱器用于控制光伏電池工作溫度，目前主要有風冷強迫對流換熱方式和 水冷強迫對流散熱方式。l u c i a n g f e r g u s o n 4 9 】等人設計的熱光伏系統(tǒng)采用風冷， 其散熱翅片沿軸向分布，圍繞著輻射器成為一圓柱形，風扇布置在系統(tǒng)最下面通 過吹風來冷卻翅片，同時可以將空氣吹入燃燒室作為氧化劑。k q i u l 5 0 】等人在一 套熱電聯(lián)產(chǎn)的熱光伏系統(tǒng)中應用了水冷裝置對光電池散熱，但文章中沒有詳細介 紹散熱器結(jié)構(gòu)。t i m o t h y a 嘶c k s o n 5 1 】設計的熱光伏系統(tǒng)用水冷進行冷卻，將光 電池貼在銅片上，然后銅片接到冷卻水管上，光電池的熱量先傳遞到銅片上，銅 片通過導熱將熱量傳遞到冷卻水管上，冷卻水將熱量帶走。d r k c c h e n 5 2 】等人 提出做光伏電池散熱器時，將散熱器作成8 塊，然后圍繞輻射器，這種做法的效 5 l 緒論碩士論文 果比將散熱器做成一個整體好。 國內(nèi)目前有關(guān)熱光伏發(fā)電技術(shù)的研究報道還比較少【7 】，我國這方面起步的比 較遲，發(fā)展也比較緩慢，從事該領域研究的機構(gòu)和人員也不多。材料和技術(shù)問題 是限制我國熱光伏發(fā)展的瓶頸問題，沒有得到根本解決，材料主要依靠進口，價 格昂貴，我國在這方面發(fā)展比較緩慢。 另外國內(nèi)對熱光伏系統(tǒng)的研究更多是針對系統(tǒng)的單個部件，特別主要是對燃 燒輻射器的研究，而對整個系統(tǒng)的研究更是缺乏。陳雪【7 】等通過對一熱光伏系統(tǒng) 的數(shù)值模擬，得到不同燃燒工況下的輻射器表面溫度以及系統(tǒng)效率，和實驗值比 較吻合，g a s b 電池的輸出電功率可達到2 8 w c m 2 ，同時計算分析了g a s b 電池 溫度的升高對輸出功率及效率的影響。潘劍峰 5 3 】、薛宏【剮、衛(wèi)堯 5 5 】、唐維新【5 6 1 、 趙新璞【5 。7 】分別研究了燃燒室結(jié)構(gòu)、燃燒器管徑壁厚、燃氣空氣當量比、輻射器 材料對熱光伏系統(tǒng)燃燒器性能及輻射器表面溫度分布的影響。另外潘宏亮【5 8 、 凌忠錢5 9 1 、岑可法1 6 0 - 6 3 】、王恩宇6 4 , 6 5 都對多孔介質(zhì)燃燒器進行了實驗研究。結(jié)果 表明，多孔介質(zhì)燃燒器可以有效提高燃燒器外表面溫度并且可以使溫度分布的更 加均勻，這種燃燒器有望應用于熱光伏系統(tǒng)中。 總體而言，國內(nèi)外學者對熱光伏系統(tǒng)的研究存在以下幾個特點：1 ) 理論研 究遠多于實驗研究，無論在國外還是國內(nèi)，更多的學者只是進行了t p v 理論上 的設計或數(shù)值模擬；2 ) 理論效率遠高于實驗效率，理論上熱光伏的效率可達 2 0 - - 一3 0 ，然而到目前為止實驗效率大多數(shù)不到5 。3 ) ，整個系統(tǒng)的研究遠 少于單個部件的研究，更多的學者僅是研究熱光伏系統(tǒng)中的兩個核心部件：輻射 器和光電池，而對熱光伏整個系統(tǒng)進行研究的，特別是通過實驗研究的學者不多； 4 ) 國內(nèi)研究遠落后于國外研究，許多發(fā)達國家早己開始研究t p v ，早在1 9 9 6 年，美國j xc r y s t a l 公司已經(jīng)制造了一種基于g a s b 電池的便攜式壁爐，而我國 僅僅剛開始研究。隨著2 0 0 6 年1 月1 日可再生能源法的正式實施，相信t p v 將會越來越受到歡迎。因而在國內(nèi)盡快系統(tǒng)的實驗研究熱光伏發(fā)電技術(shù)，提高整 個系統(tǒng)的總效率，彌補國內(nèi)外的差異，不僅是很有必要，并且也是大有前景。 1 3 課題主要研究內(nèi)容 熱光伏發(fā)電技術(shù)具有熱源廣泛、理論效率高、無運動部件、易于維護、高功 率密度、無噪聲運行與低輻射等優(yōu)點，具有良好的發(fā)展前景。熱光伏發(fā)電系統(tǒng)的 總效率為輻射燃燒器效率、光譜效率以及電池效率的乘積，即單個部件效率的乘 積。本課題依托科研項目的進行，在已有的熱光伏系統(tǒng)上，通過實驗和理論分析 對整個系統(tǒng)及其單個部件進行深入研究，完善熱光伏發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)，使熱光伏 系統(tǒng)發(fā)電效率得到提高。本文的研究內(nèi)容主要包括以下幾部分： 6 碩士論文 熱光伏發(fā)電系統(tǒng)研究 第一章：簡要介紹了熱光伏系統(tǒng)的背景和意義，并對熱光伏系統(tǒng)國內(nèi)外研究 現(xiàn)狀進行了綜述，由此引出本文研究的主要內(nèi)容。 第二章：熱光伏系統(tǒng)實驗裝置介紹及輻射燃燒系統(tǒng)特性研究。 第三章：回熱系統(tǒng)特性研究。 第四章：冷卻系統(tǒng)特性研究。 第五章：熱光伏系統(tǒng)電能輸出特性研究。 第六章：結(jié)論與展望。 7 ! 墊堂垡墨塹型些簍曼絲塑盟墨縫墨堡笪堂生塾墅絲主 2 熱光伏系統(tǒng)實驗裝置及輻射燃燒系統(tǒng)特性研究 熱光伏發(fā)電技術(shù)( t p v ) 是將高溫熱輻射體的能量通過半導體p - n 結(jié)直接轉(zhuǎn)換 成電能的技術(shù)。由于其的諸多優(yōu)點，近幾年國內(nèi)外學者對熱光伏發(fā)電技術(shù)進行了 大量研究，但更多的只限于理論研究，熱光伏發(fā)電技術(shù)的實驗效率遠低于理論效 率。 本章首先對一熱光伏發(fā)電系統(tǒng)實驗裝置進行較為系統(tǒng)的介紹，為下文對熱光 伏系統(tǒng)單個部件的實驗研究奠定基礎。然后對熱光伏系統(tǒng)的核心部件一輻射燃燒 系統(tǒng)進行詳細的研究討論。 2 1 熱光伏系統(tǒng)實驗裝置 圖211 和圖212 分別為熱光伏實驗裝置示意圖和實物圖。裝置系統(tǒng)主要包 括供氣系統(tǒng)、熱光伏系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 圈2 11 熱光伏實驗裟簧示意圖 幽2 l _ 2 熱光伏實驗裝置實物幽 圖2 13 供氣裝置實物圈 2 1 1 供氣系統(tǒng) 圖213 為供氣系統(tǒng)實物圖實驗通過空壓機和液化石油氣罐分別提供空氣 顧論i 熱光伙發(fā)電系統(tǒng)研究 和燃氣。空氣為室溫，燃氣成分為丙烷和丁烷，丙烷的體積分數(shù)為3 6 ，丁烷的 體積分數(shù)為6 4 ?？諝夂腿細饬髁扛髯酝ㄟ^玻璃轉(zhuǎn)子流量計控制( 一般空氣流量 為08 m 3 ，h 2 0 m 3 h 燃氣流量為3 0 l h 7 0 l h ) 。 2 1 2 熱光伏系統(tǒng) 典型的熱光伏系統(tǒng)包括以下幾個部分：熱源、熱輻射器、光學濾波器、熱光 伏電池。其他子系統(tǒng)是為了提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率或者為能量的回收循環(huán)利用所適 當增加的，如控制電池工作溫度的散熱系統(tǒng)、尾氣熱量回收的回熱系統(tǒng)。 圖2 14 熱光伉系統(tǒng)示意目囤 圖2 15 熱光伏系統(tǒng)實物酗 本文的熱光伏系統(tǒng)主要包括熱源、輻射燃燒系統(tǒng)、濾波系統(tǒng)、光伏電池、回 熱系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，圖2 14 和2 l5 分別為熱光伏系統(tǒng)示意圖與實物圖。燃料經(jīng) 由燃料管送入輻射燃燒系統(tǒng)空氣經(jīng)由燃料管與空氣管所形成的環(huán)形通道到達燃 燒系統(tǒng)?？諝馀c燃料在由碳化硅管與多孔介質(zhì)組成的燃燒室中燃燒，形成的高溫 煙氣進入回熱系統(tǒng)，流經(jīng)空氣管與進入燃燒室的冷空氣進行換熱后排入大氣。 圖2 l6 真空石英玻璃罩實物酗 2 熱光優(yōu)系統(tǒng)蟲驗裝置及射燃燒系統(tǒng)特性研究l 論i 高溫的碳化硅管發(fā)出的熱輻射透過真空石英玻璃罩到達濾波器真空石英玻 璃罩一方面是作為燃燒器的外殼，防止燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣對濾波器和光伏電池 的污染，并可以透過熱輻射( 如圖216 ) ；另一方面可以使從燃燒系統(tǒng)中出來的 煙氣回流進入回熱系統(tǒng)。 濾光器是一種光譜選擇性透過器件，本文所用的光譜過濾器( 如圖2l7 ) 是針對銻化鎵( g a s b ) 光伏電池所設計的多層介質(zhì)干涉式濾光器，圖2 1 8 是濾 波器在不同波段的光譜透射率曲線，對波長小于17 8 i a n 的輻射能( 屯池可以利 用的波段) 具有較高的透射率，大于l7 8 - t m ( 電池不可轉(zhuǎn)換的波段) 的輻射能 有較高的反射率。實驗中針對不同冷卻系統(tǒng)共設計了兩套濾波器，每套共8 片， 兩套濾波器的光譜特性相同，僅尺寸不同，第一套單片濾波器厚度為2 m m ，寬 2 6 r a m ，長5 0 m m ：第二套單片厚15 m m ，寬2 6 m m ，長9 7 m m 。八片濾光片成八 邊形分布在輻射器四周，布置在光伏電池前方，固定在散熱器內(nèi)壁上。 1 圖2 i7 濾波器實物圈圖2 i8 濾波器在不同波段的光譜透射率曲線 圖2 19 光伏電池實物圖 本文采用美國j xc r y s t a l s 公司生產(chǎn)的銻化鎵( g a s b ) 光伏電池，電池均勻 分布在輻射燃燒器四周，通過導熱絕緣膠粘結(jié)在冷卻系統(tǒng)內(nèi)壁，冷卻系統(tǒng)的作用 是降低電池片的運行溫度。由于光電池價格昂貴，并且容易老化，所以在優(yōu)化熱 光伏發(fā)電系統(tǒng)的過程中僅用面積為11 3 x 16 5 r a m 的單片電池進行實驗研究。圖 219 是片貼在j x l 冷散熱翅片上的光伏電池。 一 碩論i熱光伙靛電系統(tǒng)研究 2 1 3 測試系統(tǒng) 試驗測試系統(tǒng)由熱電偶、萬用表、輻射熱流計、u 型管壓力計、數(shù)據(jù)采集儀 和電腦組成。測試的物理參數(shù)主要有；輻射器表面溫度、回熱器煙氣空氣進出 口溫度、散熱器熱流面溫度( 電池溫度) 、光伏電池輸出開路電壓及短路電流、