【摘要】：隨著能源危機(jī)的日益加劇,發(fā)展太陽能發(fā)電技術(shù)成為人類最迫切的需求之一。光伏電池是目前太陽能利用的主要方法之一,但是其無法利用波長較長的光子,此外熱化損失會導(dǎo)致光伏電池對短波光子的利用率較低。熱電器件對太陽光的波長沒有要求,利用熱電器件來彌補光伏電池的缺點可以實現(xiàn)太陽能的全光譜高效利用,因此越來越多的學(xué)者對光伏-熱電耦合系統(tǒng)展開了研究。光伏-熱電耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難題是光伏電池和熱電器件對溫度的需求不同。較高的溫差可以提高熱電器件的效率,但卻有可能造成光伏電池的效率下降,因此需要對光伏-熱電耦合系統(tǒng)中的能量匹配與能量傳遞機(jī)制展開研究,從而提高光伏-熱電耦合系統(tǒng)的效率。本論文將圍繞著光伏-熱電耦合系統(tǒng)的全光譜太陽能高效利用展開研究,建立光伏-熱電耦合系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則,主要研究內(nèi)容包括:(1)光伏-熱電耦合系統(tǒng)的能量匹配機(jī)制分析了單晶硅電池,多晶硅薄膜電池,有機(jī)電池和銅銦鎵硒電池這四種電池對光伏-熱電耦合系統(tǒng)的影響。與硅電池不同,有機(jī)電池和銅銦鎵硒電池具有正溫度特性,這一特性使得系統(tǒng)可以分配更多能量給熱電器件。模擬結(jié)果還表明降低接觸熱阻、強(qiáng)化對流換熱和提高聚光比都可以提高熱電器件的可用能量。(2)光伏-熱電耦合系統(tǒng)的傳熱過程與影響因素研究了聚光光伏-熱電耦合系統(tǒng)中的熱量傳遞過程。由于聚光光伏-熱電耦合系統(tǒng)中熱流密度較高,此時光伏電池表面的熱損失可以忽略,而熱電器件兩端的熱管理則是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵性難點。研究結(jié)果表明采用均溫板以及水冷則可以有效降低聚光光伏-熱電耦合系統(tǒng)中的?損失,提高系統(tǒng)效率。(3)變輻照度工況下的光伏-熱電耦合系統(tǒng)設(shè)計針對變輻照度工況對光伏-熱電耦合系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種熱電器件熱阻可調(diào)的光伏-熱電耦合系統(tǒng),通過冷卻水循環(huán)的開關(guān)來抑制太陽輻照度變化所導(dǎo)致的溫度波動。實驗結(jié)果與理論分析表明該設(shè)計可以使得光伏-熱電耦合系統(tǒng)始終在最佳溫度點附近工作,從而提高系統(tǒng)效率。(4)光伏-熱電耦合系統(tǒng)的一體化設(shè)計通過一體化設(shè)計對光伏-熱電耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,摒棄了傳統(tǒng)光伏-熱電耦合系統(tǒng)中的陶瓷板與均溫板以強(qiáng)化換熱,采用V型槽設(shè)計來強(qiáng)化光伏-熱電耦合系統(tǒng)的全光譜吸收能力。測試結(jié)果表明,改進(jìn)后光伏-熱電耦合系統(tǒng)的效率可以提高20%。(5)光伏-熱電耦合系統(tǒng)的電路匹配研究了不同電氣連接方式對光伏-熱電耦合系統(tǒng)性能的影響,闡明了光伏-熱電耦合系統(tǒng)的電路匹配機(jī)制。對于熱阻可調(diào)光伏-熱電耦合系統(tǒng)和光伏-相變材料-熱電耦合系統(tǒng),太陽輻照度的變化難以造成光伏電池溫度的大幅波動,因此對于這些系統(tǒng),光伏電池和熱電器件之間應(yīng)該采用并聯(lián)連接的電氣連接方式。(6)鈣鈦礦電池在光伏-熱電耦合系統(tǒng)中的應(yīng)用探索了鈣鈦礦電池-熱電耦合系統(tǒng)的可行性,闡明了鈣鈦礦電池的光學(xué)特性對鈣鈦礦電池-熱電耦合系統(tǒng)效率的影響規(guī)律,探討了降低鈣鈦礦電池-熱電耦合系統(tǒng)成本的潛在方法。研究結(jié)果表明,鈣鈦礦電池的溫度系數(shù)較低,因此鈣鈦礦電池-熱電耦合系統(tǒng)的效率高于純鈣鈦礦電池。為了降低系統(tǒng)的成本,鈣鈦礦電池-熱電耦合系統(tǒng)應(yīng)該采用熱聚焦這一方法。此外,研究結(jié)果還表明鈣鈦礦電池-熱電耦合系統(tǒng)需要對鈣鈦礦電池的紅外發(fā)射率進(jìn)行調(diào)控以提高系統(tǒng)的效率。
【圖文】：

maxmin( ) ( )( E ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )lglghuEl x lxghuEhu huW J d I e d I e (3.1本章通過研究四種光伏電池(單晶硅電池，多晶硅薄膜電池，有機(jī)電池和銅銦鎵硒電池)究光伏-熱電耦合系統(tǒng)中的能量匹配機(jī)制。這四種光伏電池的結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示，其中光伏的面積為 2.5×2.5 cm2，結(jié)構(gòu)的其它參數(shù)取自文獻(xiàn)[74-76]。與硅電池和銅銦鎵硒電池不同，有機(jī)電池中的左右載流子是通過激子的分離產(chǎn)生，其中的生成速率依舊可以通過朗伯-比爾定律計算，激子的傳輸和分離采用文獻(xiàn)[77]中的方法計算(a)單晶硅電池 (b)多晶硅薄膜電池

度的升高而降低，因此當(dāng)溫度較低時，升溫有助于提高有機(jī)電池的效率。但是當(dāng)溫度較高時，復(fù)合的影響大于接觸電阻的影響，此時繼續(xù)升溫則會導(dǎo)致有機(jī)電池的效率下降。銅銦鎵硒電池的溫度特性介于硅電池和有機(jī)電池之間，當(dāng)聚光比較小的時候，其溫度特性類似于硅電池，當(dāng)聚光比較高的時候，，其效率-溫度曲線則為拋物線形。由此可見聚光比也是光伏電池的一個重要參數(shù)。對硅電池而言，提高聚光比有助于提高其效率，這主要是因為其復(fù)合的影響遠(yuǎn)高于串聯(lián)電阻的影響。與硅電池不同，有機(jī)電池并不適合在聚光條件下工作，這是因為聚光會導(dǎo)致光電流提高，而有機(jī)電池的高串聯(lián)電阻會產(chǎn)生較大的焦耳熱。(a)單晶硅電池 (b)多晶硅薄膜電池
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM914.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2708739