【摘要】：太陽能熱電子發(fā)電是一種直接熱電轉(zhuǎn)換技術(shù),理論發(fā)電效率可達(dá)60%-70%(耦合熱力底循環(huán)),發(fā)展?jié)摿薮�。熱電子發(fā)電不僅可以完全依靠高溫?zé)崮軄眚?qū)動,還可以利用太陽光中的高頻光子(大于熱陰極禁帶寬度)來增強(qiáng)熱電子的發(fā)射,獲得更高的轉(zhuǎn)換效率。然而,高溫?zé)犭娮影l(fā)射特性缺乏系統(tǒng)性的研究,熱電轉(zhuǎn)換的能量傳遞機(jī)制尚不清晰,光子增強(qiáng)熱發(fā)電的熱力學(xué)理論尚不完善,都有待進(jìn)一步的研究。首先,研究了熱電子的發(fā)射、極間輸運(yùn)及能量輸出特性。實(shí)驗(yàn)研究表明,陰極溫度影響陰極的熱電子數(shù)和熱發(fā)射的表面、極間能級分布。由于銫的物理吸脫附效應(yīng)對陰極表面勢壘的影響,熱發(fā)射電流(或功率)隨電極溫度呈先增后減再增的變化趨勢(陰極溫度550℃具有極大值)。陰陽極間距則影響電子與銫碰撞幾率、極間銫離化概率。試驗(yàn)表明,極間距增大,熱發(fā)射電流減小,而輸出電壓將增大(陽極功函數(shù)下降所致)。通過實(shí)驗(yàn)研究光輻射下的熱電子發(fā)射特性,發(fā)現(xiàn)了光致激發(fā)熱電子發(fā)射效應(yīng),即銫原子在整個過程中作為電子傳輸?shù)拿劫|(zhì)。另外,通過研究具有高熱發(fā)射特性的鋇鎢熱陰極發(fā)現(xiàn),當(dāng)陰極溫度為1200℃,其最大熱發(fā)射短路電流達(dá)~160 mA/cm~2,最大熱電子輸出功率達(dá)~21.7 mW/cm~2,發(fā)電效率則為1.74%。而熱發(fā)射電流隨陰陽極間距增大呈指數(shù)遞減趨勢,極間距22μm時的熱電子短路電流為198μm時的~21倍。本文提出了熱電子致電效率的概念,用于表征熱陰極發(fā)射至陽極的電子能量中有效電能輸出的概率(其余能量轉(zhuǎn)化為熱能)。當(dāng)陰極溫度由900℃上升至1200℃,陰極功函數(shù)增長速率較陽極更大,陰陽極費(fèi)米能級差增大,熱電子致電效率由6%提升至11%。而當(dāng)陰陽極間距由22μm增大至198μm時,極間積累電子數(shù)增多,極間電子勢壘增大,陰陽極費(fèi)米能級差增大,熱電子致電效率則由11%提升至19%。其次,探究了光子增強(qiáng)熱電子發(fā)射的物理機(jī)制。實(shí)驗(yàn)表明,PETE電流(和輸出功率)大于TE電流(和輸出功率),證實(shí)了PETE由熱激發(fā)和光激發(fā)共同貢獻(xiàn)。當(dāng)極間距130μm,極間銫離化效應(yīng)較顯著,輸出電流隨極間距的增大而增大。而當(dāng)極間距130μm,電子渡越時間增長,電子與銫的碰撞效應(yīng)相對更顯著,輸出電流隨極間距的增大而減小。陰極(晶格)溫度升高,光激發(fā)電子在陰極體內(nèi)擴(kuò)散,與晶格發(fā)生熱交換而損失的能量減少,發(fā)射至真空中的光電子數(shù)增多。而入射光的增強(qiáng),一方面使得發(fā)射至真空的PETE電子數(shù)增多,另一方面PETE電子在陰極體內(nèi)復(fù)合增強(qiáng)、與極間銫離子的碰撞復(fù)合增強(qiáng),導(dǎo)致PETE電子數(shù)與光強(qiáng)呈非線性單調(diào)遞增關(guān)系。入射光子波長增大,激發(fā)至導(dǎo)帶中的光電子能量降低,能夠克服表面勢壘并發(fā)射至真空的光電子數(shù)相應(yīng)減少。實(shí)驗(yàn)得到,當(dāng)陰極溫度為350℃時,300nm波長光子入射的PETE量子效率達(dá)~0.82%。此后,研究了太陽能熱電子發(fā)電的熱力學(xué)機(jī)理。理論推導(dǎo)并建立了太陽能熱電子發(fā)電的能、熵、?模型。通過?模型計算得到,當(dāng)聚光比為500倍時,光子增強(qiáng)熱電子發(fā)射的?效率高達(dá)62.36%,其中光激發(fā)?流占比13.66%,電子熱化?流占比48.70%,遠(yuǎn)高于相同條件下熱電子發(fā)電的?效率(51.44%)�；陟啬Ｐ�,定量分析了太陽能熱電子發(fā)電過程中的熱力學(xué)過程,提出了以電子為工質(zhì)的熱電子發(fā)電的溫熵圖。在熱電子發(fā)電過程中,電子工質(zhì)由費(fèi)米能級熱化,經(jīng)外部負(fù)載重新返回費(fèi)米能級。而在光子增強(qiáng)熱電子發(fā)電過程中,電子工質(zhì)則由導(dǎo)帶熱化,經(jīng)循環(huán)后返回價帶。這一能級差(即化學(xué)勢)的存在使得光激發(fā)能量無需經(jīng)聲子的傳遞,直接并完全轉(zhuǎn)換為電能,即該過程不產(chǎn)生熵增。最后,基于實(shí)驗(yàn)與理論研究,設(shè)計了適合于實(shí)際太陽能發(fā)電的碟式熱電子-斯特林系統(tǒng),討論不同太陽光譜輻射強(qiáng)度對系統(tǒng)發(fā)電性能的影響。在聚光比500倍、鏡場面積100m~2情況下,太陽能蝶式熱電子-斯特林系統(tǒng)的峰值發(fā)電效率為34%-37%,年發(fā)電量約為119MWh。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM615

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 郝陽;王中陽;楊敏;薛永鋒;李小亭;許苗;;±800kV特高壓直流輸電線路極間距離優(yōu)化研究[J];電網(wǎng)與清潔能源;2012年01期

2 張保華;翟富兵;;銅電解極間距優(yōu)化分析[J];新疆有色金屬;2018年02期

3 彭錄生，況明星，黃學(xué)順;極間距離L與身高H之比的研究[J];現(xiàn)代診斷與治療;1995年06期

4 王益人;陳勝泉;;對6例兩極間距接近觸電案的分析[J];刑事技術(shù);1984年02期

5 何巖;錢文姝;朱永平;譚浩文;張小力;;±1100 kV直流線路極間距優(yōu)化研究[J];電網(wǎng)與清潔能源;2017年11期

6 毛虔如,高躍飛,趙志堅;胸圍C與極間距離L之比的測試和分析[J];江西醫(yī)學(xué)院學(xué)報;1996年04期

7 劉金亮;真空二極管中陰—陽極間距補(bǔ)償誤差的測量[J];自動化與儀表;1997年06期

8 單玫;;濕度對電氣設(shè)備氣隙擊穿電壓的影響規(guī)律[J];電焊機(jī);2015年09期

9 陳仕修,陳慈萱;直流細(xì)線效應(yīng)的研究[J];高電壓技術(shù);1995年01期

10 劉鵬;提高金鹵燈極間距精度的幾種方法[J];燈與照明;2003年03期

相關(guān)會議論文 前3條

1 郭常寧;裴景玉;胡德金;雍耀偉;;動態(tài)極間距離對放電加工特性影響的研究[A];第十屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集[C];2003年

2 張子生;王春勝;任士明;王占友;宋登元;;高壓靜電分選廢舊光伏電池回收效率實(shí)驗(yàn)研究[A];中國物理學(xué)會第十九屆全國靜電學(xué)術(shù)會議論文集[C];2014年

3 張鑫;;分子鍍制備鑭系元素靶[A];第二屆全國核化學(xué)與放射化學(xué)青年學(xué)術(shù)研討會論文摘要集[C];2013年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 鄭光華;太陽能熱電子發(fā)電的實(shí)驗(yàn)與理論基礎(chǔ)研究[D];浙江大學(xué);2019年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 楊立;±800kV特高壓直流輸電線路1250mm~2截面導(dǎo)線極間距優(yōu)化研究[D];華北電力大學(xué);2018年

2 李愛玲;極間距對銅電解物理場及始極片形變影響研究[D];昆明理工大學(xué);2017年

3 李碩;WC-12Co涂層的電解b斯夤ひ沼嘔癰斯饃璞縛D];山東大學(xué);2015年

4 李文琴;大氣壓下水陰極放電特性的研究[D];大連理工大學(xué);2013年

5 莊琳懿;酸性氧化電位水的產(chǎn)生條件與作用的初步研究[D];同濟(jì)大學(xué);2007年

本文編號：2722182