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文档简介

1、 中国科学 E 辑: 技术科学 2009 年 第 39 卷 第 5 期 的输出功率对聚光器聚光比也十分敏感 , 随着聚光 比增加 , 电池输出功率成直线增大 , 聚光器聚光比 2000 时, 电池输出功率密度为 1.8 W/cm , 当聚光比 2 高出近 300 K, 这是由于滤波器可将电池无法转换波 段的光子反射回辐射器以重新利用. 同时由图 7 可以 看出 , 滤波器可以大大减小电池中所产生的废热量 , 在含有滤波器的 STPV 系统中, 当辐射器表面温度达 到 1890 K 时, 电池中所产生的废热不会超过 5 W/cm2, 而不含有滤波器的系统中 , 当辐射器温度为 1600 K 时,

2、 电池中产生的废热就高达 16 W/cm2, 电池中过多 的废热将引起电池性能的下降 , 增加了对散热器的 需求, 由此可见滤波器是至关重要的. 升高到 8000 时, 电池输出功率密度增大到 2.9 W/cm . 由此可见, 应提高聚光器的会聚能力 , 在材料允许范 围内尽量提高辐射器表面温度 , 以实现系统效率的 升高. 图 6 示出在各聚光比下, 系统效率随辐射器表面 温度的变化 . 由图 6 可见 , 在各个聚光比下 , 系统效 率随辐射器表面温度的变化趋势类似 , 随着辐射器 温度的升高 , 系统效率先增大, 这是由于辐射器温度 升高, 其发出的辐射能量显著增加, 且其发出的辐射 光

3、谱和电池的可转换波段更为匹配 , 使得透过滤波 器的能量增加因此系统效率增高 . 但是当温度升高 到一定值时 , 系统效率反而减小 , 这是因为随着辐射 器温度的升高, 由采光口射出的辐射能量增高, 当损 失的能量超过一定范围时, 系统效率降低 . 即存在一 最优温度可使得系统效率达到最大值 . 随着聚光比 的增大, 该最优温度由聚光比为 2000 时的 1750 K 升 高到聚光比为 8000 时的 1950 K, 而最高系统效率也 由 21%上升到 34%. 2 图7 滤波器对辐射器温度及系统性能的影响 3.4 电池温度的影响 图 8 示出聚光器聚光比为 8000, 电池温度在 300 3

4、80 K 范围内变化时的电池输出特性以及电池效率的 变化情况 . 由图 8(a可以看出 , 电池温度的变化对短 路电流几乎没有影响 , 这由 (16式亦可看出 . 但是随 着电池温度的升高, 电池开路电压逐渐减小, 由 300 K 时的 0.49 V 下降到 380 K 时的 0.38 V, 电池的最优 工况点也逐渐向左下方移动 . 电池的输出功率对电 池温度也十分敏感, 当电池温度为 300 K 时, 电池输 出功率密度为 2.9 W/cm2, 而当电池温度升高到 380 K 时, 系统的输出功率降为 2.3 W/cm2. 由图 8(b可以 看出 , 电池温度的升高对电池效率以及系统总效率

5、图6 系统效率随聚光比及辐射器温度的变化 也有很大的影响, 当电池温度从 300 K 升高到 400 K 时, 电池效率降低了 15 个百分点 , 从而使得系统效 率降低了 10 个百分点. 由此可以看出, 电池温度的升 高对系统性能有很大的负作用 , 因此必须采用良好 的散热系统以消除电池中产生的废热 , 同时提高滤 波器的性能 , 尽量使得不可转化波段的辐射光子反 射回辐射器重新利用. 1031 3.3 光谱控制对系统的影响 图 7 示出采用性能较为优良的 Si/SiO2 光子晶体 滤波器和不采用滤波器时辐射器表面平均温度及电 池中所产生废热的比较. 由图 7 可见, 有滤波器时的 辐射器

6、温度要比没有滤波器时辐射器表面平均温度 陈雪等: 太阳能热光伏系统性能分析研究 图8 电池温度对系统性能的影响 3.5 上下反射层性能的影响 图 9 示出辐射器和电池间区域上下端反射层的 过程的数理模型 , 讨论了聚光器聚光比对辐射器温 度以及系统性能的影响 , 同时也分析了辐射器表面 温度、电池温度、滤波器等对系统效率的影响, 得出 结论如下. 1 聚光器的会聚能力对辐射器的温度有很大 反射率对辐射器温度及系统效率的影响 , 聚光器聚 光比取为 8000, 电池温度为 300 K. 由图可见, 随着 反射层反射率的减小 , 辐射器表面温度及系统效率 均成线型下降 , 随着反射材料对辐射能的吸

7、收率的 增大, 部分辐射能无法到达电池表面 , 使得电池的输 出功率减小 , 而电池无法吸收的能量又不能完全反 射回辐射器重新吸收, 也使得辐射器的温度降低 , 造 成了能量极大的损失. 可以看出 , 反射层的反射率每 降低 10%, 辐射器表面平均温度降低 10 K, 而效率随 之降低 1.8%. 因此在太阳能热光系统的实际搭建中 , 要注意该项影响参数 , 尽量选用高反射率材料以减 少能量的损失. 影响 , 随着聚光器聚光比的增大 , 辐射器表面温度 升高. 2 辐射器温度是影响系统性能的一个关键参数, 随着辐射器表面温度升高 , 电池输出功率及系统效 率也随之升高 . 在每个聚光比下都存

8、在一最优温度 , 当超过该极限值 , 辐射能的泄漏量大大提高, 反而使 得系统效率降低. 3 光谱控制装置的滤光能力对系统性能有着很 大的影响 , 滤波器在提高辐射器温度的同时也减小 了电池中产生的废热. 4 电池温度的升高将导致其输出功率及系统效 率的减小, 因此, 保持电池温度稳定也是提高系统性 能的关键所在. 5 反射层的反射率降低使得辐射器表面温度及 系统效率均有所下降 , 因此在实际应用中 , 应尽量选 择高反射材料, 减少其对辐射能的吸收, 提高能量的 有效利用. 本文在进行数值模拟过程中 , 仍然忽略了一些 图9 反射层的反射率对系统性能的影响 参数的影响 , 如辐射器外表面和电

9、池间不能完全密 封, 且在该区域中不能保证完全真空, 存在一定的对 流换热, 电池计算模型比较理想等等, 因此对系统模 型的分析还有待进一步完善. 4 结论 本文构建了 STPV 系统能量吸收及热辐射发电 1032 中国科学 E 辑: 技术科学 2009 年 第 39 卷 第 5 期 参考文献 1 2 3 Horne E. Hybrid Thermophotovoltaic Power Systems. Consultant Report, California Energy Commission. 2002 Andreev V M, Vlasova S, Khvostikov V P, et

10、 al. Solar thermophotovoltaic converters based on tungsten emitters. T ASME, 2007, 129(3: 298303 Stone K W, McDonnell D, Huntington B, et al. Solar thermophotovoltaic power experiments at McDonnell Douglas. In: Proc 29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. Monterey: American Insti

11、tute of Aeronautics and Astronautics, 1994. 16921696 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 刘广平, 宣益民, 韩玉阁. 一维光子晶体在热光伏技术中的应用. 光子学报, 2007, 37(1: 115119 徐南荣, 卞南华. 红外辐射与制导. 北京: 国防工业出版社, 1997 沈辉, 曾祖勤. 太阳能光伏发电技术. 北京: 化学工业出版社, 2004 卞伯绘. 辐射换热的分析与计算. 北京: 清华大学出版社, 1988 宣益民. 计算传热学. 南京: 南京理工大学出版社, 1994 刘恩科, 朱秉生, 罗晋生, 等. 半导

12、体物理学. 西安: 西安交通大学出版社, 1997 Qiu K, Haydena A C S, Mauk M G, et al. Generation of electricity using InGaAsSb and GaSb TPV cells in combustion-driven radiant sources. Sol Energ Mat Sol C, 2006, 68(81: 6881 Ferguson L G, Frass L M. Theoretical study of Gasb PV cell efficiency as a function of temperature

13、. Sol Energ Mat Sol C, 1995, 39(1: 1118 MacMurray D W. Modeling and performance of microscale thermophotovoltaic energy conversion devices. IEEE T Energy Conver, 2002, 17(1: 130141 Zenker M, Heinzel A, Stollwerck G, et al. Efficiency and power density potential of combustion-driven thermophotovoltaic syste

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