太陽能熱光伏系統(tǒng)機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著能源的日益緊缺，世界各國致力于尋求新型發(fā)電裝置。太陽能作為一種潔凈能源，既是一次能源，又是可再生能源，有著礦物質(zhì)能源不可比擬的優(yōu)越性。太陽能熱光伏發(fā)電(Solar Thermophotovoltaic，STPV)是目前對太陽光熱綜合利用的又一種途徑。STPV系統(tǒng)具有高功率密度、高轉(zhuǎn)換效率、無運(yùn)動部件、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文的目的是研究太陽能熱光伏系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理，優(yōu)化設(shè)計(jì)各組成部件，并開展全面的實(shí)驗(yàn)研究。具體研究內(nèi)容

2、主要包括以下幾個(gè)方面：
　　 (1)太陽能熱光伏系統(tǒng)機(jī)理研究
　　 針對STPV系統(tǒng)建立了完整的理論分析模型，采用蒙特卡洛法研究了碟式反射聚光器的會聚性能，分析了太陽光不平行度、跟蹤誤差、鏡面反射誤差等對焦面光斑大小及位置的影響；構(gòu)建了熱光伏轉(zhuǎn)換裝置間熱交換及熱電轉(zhuǎn)換過程的物理模型，討論了各性能參數(shù)對電池輸出特性的影響；對整個(gè)STPV系統(tǒng)建立了效率求解模型，深入探討了聚光器會聚比、輻射器溫度、電池溫度、散熱器流速等特性參

3、數(shù)間的相互影響關(guān)系，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)STPV系統(tǒng)提供了必要的理論指導(dǎo)。
　　 (2)太陽能熱光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
　　 對STPV系統(tǒng)的主要組成部件-輻射器、濾波器及散熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。針對不同結(jié)構(gòu)及材料的輻射器建立了溫度求解模型，分析了不同結(jié)構(gòu)輻射器的截?cái)嘁蜃蛹澳芰繐p失情況，并對其溫度分布及對系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了研究，同時(shí)對不同選擇性輻射器及帶有光子晶體濾波器的灰體輻射器的能量有效利用率及系統(tǒng)效率進(jìn)行了比較。針對GaSb電池

4、，理論設(shè)計(jì)了一維微結(jié)構(gòu)光譜控制裝置，分析了濾波器與輻射器能量光譜分布及電池的匹配特性；設(shè)計(jì)了應(yīng)用于STPV系統(tǒng)的水冷式散熱裝置，采用CFD軟件對水冷式散熱器中的流動換熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了結(jié)構(gòu)、材料及流速等參數(shù)對散熱性能的影響。
　　 (3)太陽能熱光伏系統(tǒng)熱分析
　　 對STPV系統(tǒng)中的熱交換過程進(jìn)行了深入研究。構(gòu)建了輻射器空腔內(nèi)部自然對流換熱的數(shù)學(xué)物理模型，討論了開口處對流熱損失對輻射器溫度及電池輸出特性的影響

5、，并提出了一定的改進(jìn)措施，在不影響吸收的太陽能量的基礎(chǔ)上減小了對流損失，并和開口輻射器性能進(jìn)行了對比，為系統(tǒng)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。研究了熱光伏轉(zhuǎn)換裝置中輻射器-電池間的能量交換，構(gòu)建了封閉腔內(nèi)對流及輻射換熱的數(shù)學(xué)物理模型，得出電池表面輻射及對流熱負(fù)荷隨輻射器溫度的變化規(guī)律，討論了對流換熱對系統(tǒng)性能的影響。同時(shí)，研究了存在自然對流換熱時(shí)，不同輻射器溫度、散熱器入口流速及熱負(fù)荷下電池的輸出功率及系統(tǒng)效率，并求得不同輻射器溫度下的最優(yōu)散熱器入

6、口流速，以獲得系統(tǒng)最佳工作條件。
　　 (4)太陽能熱光伏系統(tǒng)性能優(yōu)化及熱力學(xué)第二定律研究
　　 建立了太陽能熱光伏系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能及轉(zhuǎn)換效率。針對輻射器入口處的輻射能量泄露問題，提出了一種選擇透過性薄膜，建立了針對選擇性薄膜截止波長的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并分析了該選擇性薄膜對系統(tǒng)性能的優(yōu)化結(jié)果；從熱力學(xué)第二定律的角度對STPV系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析，構(gòu)建了其主要組成部分-輻射器、濾波器及光電池的熵產(chǎn)計(jì)算模型

7、，同時(shí)計(jì)算了各模塊的轉(zhuǎn)換效率，討論了聚光器會聚比、輻射器溫度、電池禁帶寬度等參數(shù)對系統(tǒng)熵產(chǎn)及效率的影響，從另一個(gè)角度對STPV系統(tǒng)進(jìn)行了深入的探討。
　　 (5)太陽能熱光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究
　　 對STPV系統(tǒng)進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究，對系統(tǒng)組成裝置即聚光器、輻射器、濾波器、電池、散熱器等進(jìn)行了合理的選型及加工，實(shí)驗(yàn)測試了聚光器、散熱器及光伏電池的工作性能；設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中熱光伏轉(zhuǎn)換器的整體結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)搭建，結(jié)合自動跟蹤裝置，