【摘要】：隨著能源危機的日益加劇,發(fā)展太陽能發(fā)電技術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)的關鍵技術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)的設計準則,主要研究內容包括:(1)光伏-熱電耦合系統(tǒng)的能量匹配機制分析了單晶硅電池,多晶硅薄膜電池,有機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。模擬結果還表明降低接觸熱阻、強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)性能的關鍵性難點。研究結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)設計針對變輻照度工況對光伏-熱電耦合系統(tǒng)進行了改進,提出了一種熱電器件熱阻可調的光伏-熱電耦合系統(tǒng),通過冷卻水循環(huán)的開關來抑制太陽輻照度變化所導致的溫度波動。實驗結果與理論分析表明該設計可以使得光伏-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)的一體化設計通過一體化設計對光伏-熱電耦合系統(tǒng)的結構進行簡化,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化換熱,采用V型槽設計來強化光伏-熱電耦合系統(tǒng)的全光譜吸收能力。測試結果表明,改進后光伏-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)的電路匹配機制。對于熱阻可調光伏-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)應該采用熱聚焦這一方法。此外,研究結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)射率進行調控以提高系統(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)中的能量匹配機制。這四種光伏電池的結構如圖 2.2 所示，其中光伏的面積為 2.5×2.5 cm2，結構的其它參數(shù)取自文獻[74-76]。與硅電池和銅銦鎵硒電池不同，有機電池中的左右載流子是通過激子的分離產生，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[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，因此當溫度較低時，升溫有助于提高有機電池的效率。但是當溫度較高時，復合的影響大于接觸電阻的影響，此時繼續(xù)升溫則會導致有機電池的效率下降。銅銦鎵硒電池的溫度特性介于硅電池和有機電池之間，當聚光比較小的時候，其溫度特性類似于硅電池，當聚光比較高的時候，，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，這主要是因為其復合的影響遠高于串聯(lián)電阻的影響。與硅電池不同，有機電池并不適合在聚光條件下工作，這是因為聚光會導致光電流提高，而有機電池的高串聯(lián)電阻會產生較大的焦耳熱。(a)單晶硅電池 (b)多晶硅薄膜電池
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM914.4

【參考文獻】

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本文編號：2708739