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摘要Brian S. Good提出了几何尺寸与布局会引起腔体各部件角系数变化，而引起热光伏系统腔效率变化，本文对其模型进行优化并讨论相关问题。 通过设计计算机程序考察平板和圆柱两类共四个模型。建立751个通用的辐射能量方程，由于各部件物性参数随波长变化，角系数随几何布局变化，带入方程可得出各面辐射状态，进而得到腔效率。同时本文也比较了圆柱和平板两类模型在相似状态下的效率。 考察腔效率随部件物性参数和几何布局的变化，可对实际热光伏系统的设计具有一定指导作用。 27561
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毕业论文关键词 热光伏 几何布局 角系数 腔效率
Title Effects of Geometry on the Efficiency of TPV system Abstract
Brian S. Good Proposed geometry and layout of the components can cause changes in view factors of the cavity, and then the cavity efficiency of the TPV system .In this article their model were optimized to discuss related problems. A total of four models are created by computer, including two planar one and two cylinder one. Six common radiation energy equation are established for the four models, since the optical properties of the components varies with wavelength and viewfactors varies with the change of geometric layout, radiative flux of each surface can be know by drawn into the equation of the equation, and then get the cavity efficiency. The efficiency of the models of cylindrical and planar under similar conditions also be compared at the same paper. To investigate the cavity efficiency changes with optical properties and geometric component layout can offer actual thermal photovoltaic system a guide. Keywords thermal photovoltaic system geometry viewfactor cavity efficiency
目 次
1 引言 .. 1
2 模型说明 . 3
2.1 物理模型 3
2.2 理论模型 4
2.3 部件物性 9
3 计算讨论 11
3.1 几何尺寸影响 . 11
3.2 布局影响 .. 13
3.2 物性影响 .. 13
结 论 .. 16
致 谢 .. 17
参考文献 18
1 引言 能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。文明进步的历程中,能源都是重要的推手,合理开发和利用能源极大地推进了世界经济和人类社会的发展。 当今社会能源的供应主要依赖化石能源的燃烧,而其非可再生性要求我们在未能找到理想的替代能源之前不断提高对其使用的效率。中国是目前世界上第二位能源生产国和消费国,加快发展现代能源产业,优化能源利用模式对我国来说更加刻不容缓,而热光伏系统就是能源利用领域的新兴技术。 热光伏系统是基于光生伏打效应的热电转换装置,相较于一般的太阳能光伏系统,其并不依赖于太阳的持续供能,可采用多种热源,灵活性强,体量小。 同时与传统热电,水电,风电相比,具有安全,安静等特点。故其在许多行业具有巨大的发展潜力。 热光伏系统和太阳能光伏系统在有着相同的原理，太阳的出射辐射由其表面高温决定了与一般热光伏系统不同的辐射光谱，为安全和实际操作考虑，一般热光伏系统的辐射器温度会在 1500K 左右乃至更低，根据卡诺定律，1500℃黑体辐射的能量转换效率为 83%，而对于一个完美的热光伏系统，其理论效率接近 60%[1]。 但根据电池 PN 结理论，所以实际的效率大概只能到 20%-30% 一个实际的热光伏系统主要包括热辐射器，光学滤波器，热光伏电池组件，热回收器和辅助组件。 最重要的莫过于将热能转化为电能的光伏电池,其自身转化效率很大程度决定整个系统的转化效率。 热能的提供者就是辐射器， 主要分为黑体或灰体辐射器， 选择性辐射器。在石墨，碳化硅等中燃烧燃料或用同位素源加热而引起的辐射多是和黑体辐射谱相近的灰体辐射。选择性辐射器是在稳态高温加热状态下出射一个非常窄的波带的部件。其他还有一些比如钨光学晶体热辐射器，表面带半导体二极管的选择性热辐射器。由于辐射器相应出射温度约为 1500K 左右，与之相对且研究较多的有 SI,Ge，GaSb 等类的光伏电池，Si 的工艺最简单，成本最低，但是其禁带宽度要求太高，对于一般温度下的辐射器，效率往往太低，故会采用石墨等材质制成的选择性发射器，以期利用其灰体辐射谱。 在系统中加入一个光学滤波器是为了反射一些与光伏电池不匹配的来自辐射器的波段，使其被再回收利用；同时透过与光伏电池相符合的部分。除此之外，滤波器也会将部分波长较短的高能粒子也反射回辐射器，这是为了防止造成剩电负荷，光伏电池在温度高于理想状态时，其转化效率非但不会升高，还会明显降低，故为提高转化效率，尽可能滤去并不能有效转化为电能的光谱辐射十分必要。光学滤波器性能的体现主要靠反射率，透射率来体现。 反射率指的是外界投射至表面的热辐射被表面反射的部分和外界投射至表面热辐射之比。反射率由物性自身的材质，外界投射辐射对物体辐射角度，表面温度等多种因素决定。热透射率指的是外界透射至表面的热辐射穿透过表面的部分和外界投射至表面的热辐射量之比。反射率，透射率和吸收率三者之和为一。 在没有外界干预条件下各部件温度可能会持续升高偏离理想值，同时，辐射器自身一直散发热量，为提高效率应当吸收更多热能以提高出射辐射。故有些热光伏系统会采用回热系统来提高系统效率。 美国麻省理工大学林肯实验室的H. H.Koim在1956年构建了一个初步的热光伏系统,当时使用硅作为光电转化材料,彼时能达到的输出功率是 1W[1]。1966年麻省理工学院的研究人员对热光伏电池下了完整定义[2]。但到了上世纪 90 年代当低禁带的锑化镓 GaSb 电池面世之后,热光伏系统才再一次得到了人们的关注[3]-[8]。 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。[5],[12]-[16] Brian S.Good and Donald L.Chubb 等人用计算机代码模拟建立了平板和圆柱两种模型，通过设定能量平衡方程，调节部件布局和部件光谱性能，分析数据结果。指出在视角系数不为一的情况下，热光伏系统中若有反射器则能显著提高穴效率，平板形相较于圆柱形对反射器的反射率更加敏感，当辐射器和热光伏电池的距离一定时，玻璃和光学滤波器位置对穴效率的影响微乎其微。增强光子滤波器的发射率会明显减弱穴效率。[9] C.Ferrari,F.Melino等人通过建立模型设定在不同部件性能和不同部件组成情况下计算，指出在有回热器和理想热光伏电池情况下，热光伏发电系统能达到 20%的热电效率，甚至能和内燃机的效率相比较。而且，合理的选择辐射器的面积能提高效率，使用较小的辐射器也能获得较高效率。[10][11] 热光伏系统的大规模应用还有待更高效的开发，之前对于热光伏系统效率的研究主要集中在对其整体角系数的优化，此次将讨论模型中部件放置位置和部件的光谱物性不同对热光伏系统腔效率的影响。