热光伏系统的实验和理论研究.pdf

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1、中国科学技术大学博士学位论又热光伏系统的实验和理论研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：吴玺天釜工程热物理林其钊教授叶宏副教授二。一二年五月UniversityofScienceandTechnologYofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeExperimentalandTheoreticalInVeStigatiOnSonThermophotovoltaicSystemAuthor’SName：XiⅥ，uSpeciality：EngineeringThermophysicsSu

2、pervisor：．Prof．Q．Z．LinAssociateProf．H．YeFinishedtime：May,2012中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：兰—垒。签字日期：丝k里墨：!?中国科学技术大学学位论文授权使用声明．作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文

3、的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。岖硷开口保密(——年)作者签名：是垒导师签名：签字日期：趔圭。皇≤：9签字日期：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。T

4、PV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一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一电池间

5、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。C，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Y

6、b203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，燃烧一辐射器对整个系统的性能影响至关重

7、要。为此，以Kanthal公司提供的凡款商用燃烧．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的情况下燃烧一辐射器的性能最佳，辐射表面平均温度、表面辐射功率密度、化学能．辐射能摘要转化效率

8、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