【摘要】：太陽(yáng)能熱光伏是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)高效光電轉(zhuǎn)換的技術(shù),它吸收太陽(yáng)的全光譜能量,再轉(zhuǎn)換為窄帶輻射到熱光伏電池上,理論上可以突破傳統(tǒng)單結(jié)太陽(yáng)能電池的極限,達(dá)到85.4%的效率。本論文從這一技術(shù)的基本原理和結(jié)構(gòu)要求出發(fā),設(shè)計(jì)制備了其中關(guān)鍵的光譜調(diào)控器件,包括吸收體、濾波器和集成吸收發(fā)射器件,針對(duì)系統(tǒng)中的輻射損耗問題提出有效解決方案,并搭建了光譜調(diào)控型的太陽(yáng)能熱光伏系統(tǒng)。選擇性吸收體的截止寬度是指其吸收光譜從高吸收率向低吸收率過渡的波長(zhǎng)寬度。太陽(yáng)能熱光伏系統(tǒng)中,選擇性吸收體的太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨著截止寬度的減小而增大。我們提出以減小吸收截止寬度來(lái)提高太陽(yáng)能吸收效率的方法,設(shè)計(jì)并制備了基于硅納米線的吸收體,由于半導(dǎo)體的本征的光譜選擇性,其截止寬度僅有200 nm,小于大多數(shù)報(bào)道的吸收體的截止寬度,有效降低系統(tǒng)中的輻射損耗,這一器件適用于低聚光倍數(shù)下的太陽(yáng)能熱光伏系統(tǒng)。對(duì)于系統(tǒng)中的電池,對(duì)應(yīng)帶隙能量的窄帶光譜的光電轉(zhuǎn)換效率最高,但是目前報(bào)道的大多數(shù)發(fā)射體的發(fā)射光譜都很寬,大于1000nm,大大降低了發(fā)射光譜的光電轉(zhuǎn)換效率,我們?cè)O(shè)計(jì)并制備了基于布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)的窄帶濾波器,從而優(yōu)化發(fā)射體的發(fā)射光譜性能。我們制備的器件在2 μm波段構(gòu)建了帶寬130 nm的高透射率通帶,有效減小了發(fā)射光譜帶寬,并提高了系統(tǒng)效率。雖然系統(tǒng)的吸收和發(fā)射光譜得到了優(yōu)化,但是開放的太陽(yáng)能熱光伏結(jié)構(gòu)仍然會(huì)存在大量輻射逃逸損耗從而降低系統(tǒng)效率。我們發(fā)現(xiàn)吸收和發(fā)射功能的集成能夠用于輻射逃逸損耗的抑制,并降低系統(tǒng)的工程難度。我們?cè)O(shè)計(jì)并制備了集成吸收和發(fā)射雙功能的光譜調(diào)控器件,器件在400-1000 nm的可見光波段達(dá)到了 0.8的高吸收率,在紅外目標(biāo)波長(zhǎng)達(dá)到0.97的高發(fā)射率,且具有很好的高溫穩(wěn)定性。這一器件適用于籠式太陽(yáng)能熱光伏系統(tǒng),有效降低系統(tǒng)的輻射逃逸損耗。在以上器件設(shè)計(jì)制備的基礎(chǔ)上,我們進(jìn)而發(fā)現(xiàn)和總結(jié)了太陽(yáng)能熱光伏系統(tǒng)的兩個(gè)基本要求,器件工作溫度的維持和高效的輻射傳遞。我們?cè)O(shè)計(jì)并制造了一套光譜調(diào)控型的太陽(yáng)能熱光伏系統(tǒng),系統(tǒng)在16W的輸入功率下,加熱吸收體和發(fā)射體到達(dá)1241 K,取得了 5.04%的實(shí)驗(yàn)效率。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM615;TB302
【圖文】：

光伏的概念是比較簡(jiǎn)單的，但是實(shí)驗(yàn)上由于聚光、隔熱、冷卻等要求，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，逡逑效率一直低于如Ｄａｔａｓ和Ａｌｇｏｒａ在２０１２年發(fā)表的文章中搭建的太陽(yáng)能逡逑熱光伏裝置（圖１．２）邋［１１］，在他們的裝置中，包括聚光系統(tǒng)，柱狀太陽(yáng)能吸收發(fā)逡逑射體（主要材料是氧化鉿保護(hù)的金屬鎢），以及２４個(gè)圍繞在吸收發(fā)射體周圍的鍺逡逑電池，電池背面綁定循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)上測(cè)得了邋０．９５邋Ａ／ｃｍ２的短路電流，６７逡逑ｍＷ／ｃｍ２的輸出電能密度，和約０．８％的系統(tǒng)效率。在這一實(shí)驗(yàn)中，作者認(rèn)為，如逡逑此低的效率主要源于兩點(diǎn)，一是系統(tǒng)運(yùn)行過程中電池溫度過高，高達(dá)１２０°Ｃ，另逡逑一點(diǎn)是聚光系統(tǒng)的光學(xué)損耗比較大。實(shí)際上還有一個(gè)重要的缺點(diǎn)是，實(shí)驗(yàn)中所用逡逑的吸收發(fā)射共同體對(duì)于光譜并沒有達(dá)到很好的調(diào)制效果，接近于黑體的吸收雖然逡逑能夠全譜吸收太陽(yáng)光，但這樣一來(lái)也同樣意味著，寬譜的發(fā)射導(dǎo)致的低效率。逡逑２逡逑

吸收體是由垂直排列的多壁碳納米管組成，提供接近百分百的全光譜吸收，逡逑發(fā)射體是一個(gè)一維光子晶體，由硅和氧化硅多層膜構(gòu)成，每一層的厚度通過優(yōu)化逡逑使得其發(fā)射光譜對(duì)應(yīng)銦鎵砷銻（ＩｎＧａＡｓＳｂ）電池的帶隙（圖１．３）。光子晶體發(fā)射逡逑體在帶隙波長(zhǎng)處發(fā)射率截｜丨：，從而抑制低ｒ－帶隙的能Ｍ輻射。吸收發(fā)射體和電池逡逑共同置��？茛空壞境屮以減小熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流帶來(lái)的損耗。通過－個(gè)氙燈聚光加熱，逡逑吸收發(fā)射體達(dá)到『１３００邋Ｋ的高溫，并最終獲得了邋３．２％的效率，相比前人的實(shí)驗(yàn)逡逑提聞很大。逡逑在這一工作的實(shí)驗(yàn)體系中，實(shí)驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)了邋－個(gè)屯要的控制效率的參數(shù)，就逡逑是吸收發(fā)射體的面積比。這是源ｒ？吸收體在吸收的ｎ時(shí)也在向人陽(yáng)輻射能量，降逡逑低吸收面的相對(duì)面積，能夠提高整體效率。不過，降低相對(duì)面積也會(huì)造成發(fā)射體逡逑３逡逑

將納米光子學(xué)應(yīng)用到太陽(yáng)能熱光伏系統(tǒng)中有著很好的前景。同一年，他們繼續(xù)逡逑進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方案，將具有高溫穩(wěn)定性的難熔金屬光子晶體運(yùn)用到發(fā)射吸收體的設(shè)逡逑中［１４］，如圖１．４所示，通過在金屬鉭的表面制備大面積周期性孔陣結(jié)構(gòu)，實(shí)逡逑在不同波長(zhǎng)吸收截止，一方面制成了選擇性的太陽(yáng)能吸收體，另一方面也可以逡逑成發(fā)射率在光譜上呈臺(tái)階式的選擇性發(fā)射體。將總效率提高到了邋３．７４％，相比逡逑前提升很小，根據(jù)作者的分析，所制備的選擇性太陽(yáng)能吸收體的平均吸收率為逡逑

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本文編號(hào)：2774683