太陽能熱光伏系統(tǒng)性能分析研究終稿

1、太陽能熱光伏系統(tǒng)性能分析研究 陳雪 宣益民 韓玉閣(南京理工大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 南京 210094摘要:本文建立了太陽能熱光伏系統(tǒng) (STPV 能量吸收及熱輻射發(fā)電過程的數(shù)理模型, 數(shù)值 模擬了不同聚光器聚光比時(shí)輻射器的溫度分布, 研究聚光比及輻射器溫度對(duì)電池伏安輸出特 性及系統(tǒng)效率的影響。 隨著聚光比的增大, 輻射器表面溫度顯著增高, 電池的輸出功率及系 統(tǒng)效率也成直線增長(zhǎng); 分析了影響系統(tǒng)效率的關(guān)鍵參數(shù)如濾波器、 電池溫度和輻射器上下端 部材料表面反射率對(duì)系統(tǒng)性能與輸出電功率的影響。計(jì)算結(jié)果證明了 STPV 系統(tǒng)的可行性, 形成了高效 STPV 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞:太陽能熱光伏

2、,輻射器,系統(tǒng)效率1引言太陽能熱光伏系統(tǒng)(STPV 是在熱光伏系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的一種新型光電轉(zhuǎn)化裝 置, 其基本原理是通過聚光器會(huì)聚太陽光來加熱輻射接收器, 使其達(dá)到一定的高溫, 再由光 電池將其發(fā)出的輻射能轉(zhuǎn)化為電能。 STPV 系統(tǒng)采用清潔可再生的太陽能為熱源,具有無污 染、 高轉(zhuǎn)化效率、 體積小便攜等優(yōu)點(diǎn)。 目前, 國(guó)外對(duì)于太陽能熱光伏系統(tǒng)的研究已投入廣泛 關(guān)注, 如美國(guó) EDTEK 公司 1, 俄羅斯物理研究所 2及美國(guó) NASA 研究所 3, 都已通過 STPV 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段, 產(chǎn)品正逐步推向市場(chǎng)及軍事領(lǐng)域。 而國(guó)內(nèi)對(duì)于 STPV 系統(tǒng)的研究還處于 空白階段,尚未引起足夠的重

3、視。一個(gè)典型的太陽能熱光伏系統(tǒng)由兩個(gè)基本模塊組成:太陽能聚光器和光電轉(zhuǎn)換裝置。 而 一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置主要包括:熱輻射器、 光學(xué)濾波器、 光電池, 其它子系統(tǒng)是作為提高系統(tǒng) 的轉(zhuǎn)換效率或者為能量的回收利用而適當(dāng)增加的,如電池散熱片、輔助組件等。本文分別以 STPV 系統(tǒng)中的能量吸收裝置 (聚光器+輻射接收器 和熱輻射發(fā)電模塊 (輻 射器+濾波器+電池 為研究對(duì)象, 研究光電直接轉(zhuǎn)換過程, 構(gòu)建輻射接收器吸收太陽能及 瞬態(tài)傳熱過程的數(shù)學(xué)物理模型, 分析計(jì)算不同聚光器聚光比時(shí)輻射器表面的溫度分布, 同時(shí) 對(duì) STPV 系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行數(shù)值模擬,并分析各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響情況,以期 建立 S

4、TPV 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。2 系統(tǒng)性能模型圖 1為太陽能熱光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,包括聚光器、輻射接收器,濾波器,電池組,上 圖 1 STPV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Scheme of STPV system基金項(xiàng)目:江蘇省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (No. BK2007726.下反射層等,輻射接收器采用耐高溫灰體材料,濾波器為 Si/SiO2光子晶體濾波器 4,電池 為低禁帶的族 GaSb 電池, 上下反射層用來反射輻射能以保證輻射器發(fā)出的輻射能被 電池充分吸收 1。 輻射器和電池組安裝在同軸圓柱面上, 接收器空腔上端采光口直徑隨聚光 器聚光比及所產(chǎn)生光斑的大小變化,輻射接收器壁厚 2mm ,高

5、 3cm 。電池所在柱面直徑為 4cm ,單塊電池表面為 2cm×1cm 的方形結(jié)構(gòu)。2.1太陽能聚光器在 STPV 系統(tǒng)中采用卡塞格倫型聚光器 1會(huì)聚太陽能量,該聚光器由兩級(jí)反射鏡組成, 一級(jí)反射鏡為旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡, 二級(jí)反射鏡為旋轉(zhuǎn)雙曲面反射鏡, 拋物面型反射鏡球差為零,而雙曲面鏡又可將射入其一個(gè)焦點(diǎn)的光束嚴(yán)格反射至另一個(gè)焦點(diǎn),沒有像差 5,因此一臺(tái)精密的卡塞格倫型聚光器應(yīng)將垂直入射的太陽光線嚴(yán)格會(huì)聚于一點(diǎn)。 由于兩級(jí)反射鏡加工 中不可避免的會(huì)產(chǎn)生誤差, 這里假設(shè)垂直入射的太陽光線經(jīng)聚光器會(huì)聚后會(huì)產(chǎn)生一定大小的 光斑,取聚光器聚光比變化范圍為 20008000,一級(jí)反射鏡入口直

6、徑 60cm ,則聚光器所產(chǎn) 生的光斑直徑在 6mm 13mm 范圍內(nèi)變化。其中聚光比定義為:2 ' /(a a CR = (1式中, a 一級(jí)鏡入射孔徑, ' a 經(jīng)聚光器會(huì)聚后在焦點(diǎn)處形成的光斑直徑假定太陽光線為平行光, 地面可接受的最大太陽輻射強(qiáng)度為 850W/m26。 兩級(jí)反射鏡的 反射率均為 0.921,部分太陽能量在反射過程中損失。2. 2 輻射接收器能量平衡方程的建立輻射接收器吸收由采光口進(jìn)入的太陽能量, 溫度升高, 對(duì)電池發(fā)出輻射能, 以實(shí)現(xiàn)光電 轉(zhuǎn)換。在高溫狀態(tài)下,輻射器、電池、各反射面間的換熱主要為表面輻射,可認(rèn)為輻射器和 電池間的輻射換熱發(fā)生在密閉腔中,

7、而在接收器空腔中, 存在能量的泄漏, 部分射入的太陽 能量以及輻射器發(fā)出的輻射能將由入口處泄漏, 從而引起能量的損失。 對(duì)模型作出以下假設(shè):經(jīng)聚光器會(huì)聚而來的太陽光束全部進(jìn)入接收器空腔對(duì)其進(jìn)行加熱, 輻射接收器為耐高溫 灰體材料, 其吸收率及發(fā)射率均為 0.85; 所有表面均為漫射表面; 只考慮輻射器表面的 熱輻射, 由于其他表面的溫度均遠(yuǎn)低于輻射器溫度, 根據(jù)輻射四次方關(guān)系, 忽略上下反射面 及電池表面熱輻射是合理的。2. 2.1 輻射器內(nèi)部節(jié)點(diǎn)能量平衡方程針對(duì)輻射器內(nèi)部第 (i, j, k個(gè)面元。根據(jù)能量守恒定律,得出該面元的熱平衡方程: 0321=-+dt dT v Cp Q Q Q (

8、2 式中, 、 Cp 分別為輻射器材料的密度和定壓比熱容。Q 1為面元 (i, j, k接收到周向相鄰面元的導(dǎo)熱加熱: -+-=+-+ ( (1, , 1, , 11, , 1, , 11k r T T z r k r T T z r Q n kj i n k j i n kj i n k j i (3式中, 1, , +n k j i T (n+1時(shí)刻面元 (i,j,k的溫度, K ;Q 2為面元 (i, j, k接收到的縱向相鄰面元的導(dǎo)熱加熱:z T T r k r z T T r k r Q n kj i n k j i n kj i n k j i -+-=+-+1, , 1, 1,

9、1, , 1, 1, 2 ( ( (4Q 3為面元 (i, j, k接收到的厚度方向上內(nèi)外節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)熱加熱: r T T z rk r r T T z rk r Q n kj i n k j i n kj i n k j i -+-+=+-+1, , 11, , 1, , 11, , 32 (2 ( (5針對(duì)輻射器內(nèi)表面第 (i, j, k個(gè)面元(k=1 ,分析其與外界進(jìn)行的各種熱交換。根據(jù)能量 守恒定律,得該面元的熱平衡方程:06547=-+dt dTv Cp Q Q Q Q (6(1 Q4為面元 (i, j, k接收到的經(jīng)聚光器會(huì)聚而來的太陽熱輻射能,采用射線追蹤法跟蹤由輻 射接收器入口處進(jìn)

10、入的太陽光束的傳播路徑,統(tǒng)計(jì)面元 (i, j, k接收的能束數(shù),設(shè)為 k j i N , , , 則 該面元吸收的總太陽能量為:N N Q Q kj i sun , , 4= (7(2 Q5為面元 (i, j, k接收到的其它面元的熱輻射(包括自己在內(nèi)所有面元對(duì) (i, j, k的輻射貢 獻(xiàn) :-=m l h unit S T k j i m l h F Q m l h , , 4, , , , , , 5 (8式中, k j i m l h F , , , , -發(fā)射面元 (h, l, m對(duì)面元 (i, j, k的輻射傳遞系數(shù);unit S 發(fā)射面元的面積。輻射傳遞系數(shù)采用蒙特卡羅法計(jì)算 7

11、。 對(duì)微元面 (h, l, m發(fā)出的 N 條輻射能束進(jìn)行跟蹤, 統(tǒng)計(jì)微元 (i, j, k吸收的來自發(fā)射微元面的能束數(shù) k j i N , , ,即可確定面元 (h, l, m對(duì)面元 (i, j, k的輻射傳遞系數(shù):N N F kj i k j i m l h , , , , , , =- (9(3 Q 6為面元 (i, j, k接收到的相鄰面元的熱傳導(dǎo)。(4 Q 7為面元 (i, j, k向周圍環(huán)境輻射散熱量:unit k j i i S T Q 4, , 7= (102. 2.3 輻射器外表面節(jié)點(diǎn)熱平衡方程的建立針對(duì)輻射器外表面面元 (i, j, k(k=M, M 為厚度方向劃分的總節(jié)點(diǎn)數(shù)

12、 ,分析其與外界進(jìn) 行的各種熱交換。根據(jù)能量守恒定律,得該面元的熱平衡方程:01098=-+dt dTv Cp Q Q Q (11(1 Q 8為面元 (i, j, k接收到的其它面元的熱輻射,主要為經(jīng)濾波器返回的能量。 -=+-1000, , 1, , 581 exp(, , , , m l h n m l h unit k j i m l h S T c c F Q (12 式中, 2/4810742. 31m m W c =, K m c =410439. 12輻射傳遞系數(shù)仍然采用蒙特卡羅法, 由于濾波器在不同波段具有不同的透射率, 則不同 波段內(nèi)的輻射傳遞系數(shù)不同,這就要求在每個(gè)微元波長(zhǎng)

13、范圍內(nèi)(取 m 02. 0進(jìn)行射線跟蹤, 當(dāng)輻射能束到達(dá)濾波器時(shí), 要產(chǎn)生一隨機(jī)數(shù)與濾波器在該單元波長(zhǎng)的透射率比較, 若隨機(jī)數(shù)R (濾波器的光譜性能見 4, 能束可以透過濾波器, 被電池接收 (這里假設(shè)透過濾波器的能束均可被電池吸收 ,否則被反射,則繼續(xù)跟蹤直到此能束被一表面吸收為止。根據(jù)每個(gè)面 元接收到其他所有面元 (包括本面元在內(nèi) 所發(fā)射能束的數(shù)量, 則可確定各面元在單元波長(zhǎng) 區(qū)間的輻射傳遞系數(shù)。(2 Q 9為面元 (i, j, k接收到的相鄰面元的熱傳導(dǎo)。(3 Q 10為面元 (i, j, k向周圍環(huán)境輻射散熱量。熱平衡方程式中存在輻射項(xiàng),屬于非線性問題,采用如下方法對(duì)方程進(jìn)行線性化處理

14、:4, , 1, , 3, , 41(, , 34n kj i n k j i n k j i n k j i T T T T -+ (13 式中, nk j i T , , 是上一時(shí)刻的節(jié)點(diǎn) (i,j,k的溫度,將其與常數(shù)項(xiàng)一起當(dāng)作一個(gè)系數(shù),則(13式是關(guān)于 1, , +n k j i T 的一個(gè)線性表達(dá)式。這樣原來的非線性問題便轉(zhuǎn)化為線性問題 8。計(jì)算時(shí)采用松弛迭代法, 將上一時(shí)刻算得的溫度代入常數(shù)項(xiàng)中, 算得各輻射能量,重新求解溫度場(chǎng), 不斷重 復(fù)以上步驟直到前后兩次迭代溫度場(chǎng)的平均值差 <1.0E-6時(shí),則達(dá)到穩(wěn)定,結(jié)束迭代。2.3 光電轉(zhuǎn)化模塊本文計(jì)算中所采用的 Si/SiO2

15、光子晶體濾波器光譜性 能如圖 2所示 4, 由圖可見, 該濾波器在 GaSb 電池可轉(zhuǎn)換波段 0.71.73m 具有較高的透過率,使得輻射器發(fā)出的該波段的輻射光子可以透過濾波器到達(dá)電池, 轉(zhuǎn)化為電能;而在其余波段透射率較低,因此又可將該部分的輻射光子反射回輻射器重新利用,保持輻射器在一定高溫。由此可見,該濾波器和 GaSb 電池較為匹配,可對(duì)輻射光譜進(jìn)行較好的控制,減少電池的廢熱,實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用。 圖 2 Si/SiO2濾波器光譜特性1 (exp(0-=c S L T k qUJ J J (14式中, J L 為光伏電池的短路電流密度,其表達(dá)式為 10:=g QEd e hce J b L

16、 0 2/m A (15 式中, b e 為輻射器發(fā)出能量的光譜分布 , 為濾波器在不同波段內(nèi)的透射率; QE 為電池內(nèi)量子效率,即電池吸收的光子中轉(zhuǎn)化為電子空穴對(duì)的百分比; hc 分別為普朗克常 數(shù)和真空中的光速。 g為電池的閾值波長(zhǎng)。 J S 為反向飽和電流密度 11, 可采用經(jīng)驗(yàn)公式 :2033/ *exp( 1084. 1(m A T k EgT J c c s -= (16式中, T c 為電池溫度, E g 為電池禁帶寬度, k 0為玻爾茲曼常數(shù)。電池最大輸出功率表示為:FF J V P L oc =max (17 式中, V oc 開路電壓可表示為 9:1ln(0+=S Lcoc

17、 J J e T k V (18FF 填充因子,其經(jīng)驗(yàn)公式為 12: ln( ln(ln1 ln(11(Js J J Js J FF LL L-= (19電池填充因子綜合了串聯(lián)電阻及旁路電阻等不理想因素的影響。不能轉(zhuǎn)化部分結(jié)合少量透過濾波器的禁帶寬度范圍以外的輻射光子一起轉(zhuǎn)化為廢熱,被電池背面的散熱器帶走,以維持電池在一恒定溫度,保證其正常工作性能。系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率為電池輸出功率和照射在一級(jí)反射鏡表面的總太陽能量的比值:的總太陽能 照射在一級(jí)反射鏡表面 輸出電能stpv = (20由電池效率,光譜效率以及集熱裝置效率決定,分別定義為13: 的總太陽能 照射在一級(jí)反射鏡表面 輻射器發(fā)出的凈輻射能=c

18、ollector (21輻 射 器 發(fā) 出 的 凈 輻 射 能s p e c t r 禁 帶 寬 度 的 輻 射 能 通 過 濾 波 器 的 大 于 電 池 = (22 禁帶寬度的輻射能 通過濾波器的大于電池 輸出電能 cell = (23式中, 輻射器發(fā)出的凈輻射能為熱輻射器在一定溫度下發(fā)出的全波段的輻射能減去經(jīng)濾波器 返回并被輻射器重新吸收的能量 14 。3、計(jì)算結(jié)果與分析通過對(duì)以上能量平衡方程的迭代求解, 可以得出輻射器的溫度分布隨聚光器聚光比的變 化情況; 結(jié)合光電池求解經(jīng)驗(yàn)公式及系統(tǒng)效率計(jì)算公式, 可得出聚光比、 光譜控制性能、 電 池溫度等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)輸出功率及效率的影響。3.1聚光

19、器聚光比對(duì)輻射器溫度的影響 圖 3 聚光比為 2000時(shí)輻射器表面溫度分布 圖 4 聚光比對(duì)輻射器表面溫度影響 Fig.3 Temperature distribution of emitter with the Fig.4 The influence of the CR on the emitter Concentrator ratio as 2000 temperature圖 3示出聚光器聚光比為 2000,即太陽光經(jīng)會(huì)聚后所產(chǎn)生的光斑直徑為 1.2cm 時(shí),輻 射器表面的溫度分布情況,可以看出,輻射器表面最高溫度可達(dá)到 1805.15K ,最低為 1715.83K , 分布比較均勻, 溫

20、差的減小可使得電池表面熱流密度更為均勻, 以避免電池局部 溫度過高影響其轉(zhuǎn)化能力及壽命。 表面溫度由下至上呈一遞減趨勢(shì), 由于太陽光線經(jīng)卡塞格 倫型聚光器兩次反射后, 在輻射接收器入口處的入射角很小, 因此大部分光線在照射到輻射 器下端區(qū)域后即被吸收, 而只有未被吸收的光線經(jīng)反射后落到中間及上段區(qū)域, 因此各段會(huì) 存在一定的溫差。 此外由圖 3還可以看出, 輻射器表面溫度沿周向分布還是比較均勻的。 圖 4示出聚光器聚光比對(duì)輻射器溫度分布的影響,由于表面溫度沿周向溫差很小,這里僅示出 縱向溫度分布以作比較。 隨著聚光比的增大, 光斑減小, 在相同的反射鏡直徑下, 進(jìn)入接收 器空腔的能量相等, 隨

21、著接收器采光口的減小, 由開口處泄漏的太陽能量及輻射能減少, 使 得能量得到更好的利用, 因此隨著聚光比的增大, 輻射器的溫度逐漸增高, 在聚光比為 8000時(shí),表面最高溫度可達(dá)到 1892K ,比同樣條件下聚光比為 2000的輻射器溫度高出 82K, 由此 可以看出, 聚光器的會(huì)聚能力對(duì)輻射器溫度有很大影響, 應(yīng)盡量減小光斑面積, 使得太陽能 量會(huì)聚于焦點(diǎn)。3.2 聚光器聚光比及輻射器溫度對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響圖 5 示出了聚光器聚光比對(duì)電池輸出特性及系統(tǒng)效率的影響，電池溫度為 300K。由圖 4 可以看出，隨著聚光比的增大，輻射器表面溫度升高，短路電流密度（和縱軸交點(diǎn)）和開 路電壓（和橫軸交

22、點(diǎn)）都隨之增加，電池最佳工作狀態(tài)點(diǎn)也逐漸向右上方移動(dòng)。電池的輸出 功率對(duì)聚光器聚光比也十分敏感，隨著聚光比的增加，電池輸出功率成直線增大，聚光器聚 光比為 2000 時(shí)，電池輸出功率密度為 1.8W/cm2，當(dāng)聚光比升高到 8000 時(shí)，電池輸出功率 （a） 圖 5 聚光比對(duì)系統(tǒng)性能的影響 (b Fig.5 The influence of the CR on the performance of the system 密度增大到 2.9W/cm2。由此可見，應(yīng)提高聚光器的會(huì)聚能 力，在材料允許范圍內(nèi)盡量提高輻射器表面溫度，以實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)效率的升高。 圖 6 示出在各聚光比下， 系統(tǒng)效率隨輻射器

23、表面溫度的 變化。由圖可見，在各個(gè)聚光比下，系統(tǒng)效率隨輻射器表 面溫度的變化趨勢(shì)類似，隨著輻射器溫度的升高，系統(tǒng)效 率先增大，這是由于輻射器溫度升高，其發(fā)出的輻射能量 顯著增加，且其發(fā)出的輻射光譜和電池的可轉(zhuǎn)換波段更為 匹配，使得透過濾波器的能量增加，因此系統(tǒng)效率增 圖 6 系統(tǒng)效率隨聚光比及輻射器溫度的變化 高。但是當(dāng)溫度升高到一定值時(shí)，系統(tǒng)效率 Fig.6 System efficiency verse CR and emitter temperature 反而減小，這是因?yàn)殡S著輻射器溫度的升高，由采光口射出的輻射能量增高，當(dāng)損失的能量 超過一定范圍時(shí)，系統(tǒng)效率降低。即存在一最優(yōu)溫度可使得

24、系統(tǒng)效率達(dá)到最大值。隨著聚光 比的增大，該最優(yōu)溫度由 2000suns 時(shí)的 1750K 升高到 8000suns 時(shí)的 1950K，而最高系統(tǒng)效 率也由 21上升到 34。 3.3 光譜控制對(duì)系統(tǒng)的影響 圖 7 示出采用性能較為優(yōu)良的 Si/SiO2 光子晶體 濾波器和不采用濾波器時(shí)輻射器表面平均溫度及電 池中所產(chǎn)生廢熱的比較。由圖可見，有濾波器時(shí)的 輻射器溫度要比沒有濾波器時(shí)輻射器表面平均溫度 高出近 300K， 這是由于濾波器可將電池?zé)o法轉(zhuǎn)換波 段的光子反射回輻射器以重新利用。同時(shí)由圖 7 可 以看出，濾波器可以大大減小電池中所產(chǎn)生的廢熱 量，在含有濾波器的 STPV 系統(tǒng)中，當(dāng)輻射器表

25、面 圖 7 濾波器對(duì)輻射器溫度及系統(tǒng)性能的影響 溫度達(dá)到 1890K 時(shí)，電池中產(chǎn)生的廢熱不超過 Fig.7 The influence of the filter on waste 5w/cm2，而不含有濾波器的系統(tǒng)中，當(dāng)輻射器溫度為 heat and emitter temperature 1600K 時(shí)，電池中產(chǎn)生的廢熱就高達(dá) 16w/cm2，電池中過多的廢熱將引起電池性能的下降， 增加了對(duì)散熱器的需求，由此可見濾波器是至關(guān)重要的。 3.4 電池溫度的影響 6 圖 8 示出聚光器聚光比為 8000， 電池溫度在 300380K 范圍內(nèi)變化時(shí)的電池輸出特性以 及電池效率的變化情況。由圖 8

26、（a）可以看出，電池溫度的變化對(duì)短路電流幾乎沒有影響, 這由公式（16）亦可看出，但是隨著電池溫度的升高，電池開路電壓逐漸減小，由 300K 時(shí) 的 0.49V 下降到 380K 時(shí)的 0.38V，電池的最優(yōu)工況點(diǎn)也逐漸向左下方移動(dòng)。電池的輸出功 率對(duì)電池溫度也十分敏感，當(dāng)電池溫度為 300K 時(shí)，電池輸出功率密度為 2.9W/cm2，而當(dāng)電 (a 圖 8 電池溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響 (b Fig 8 The influence of cell temperature on the STPV performance 池溫度升高到 380K 時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率降為 2.3W/cm2。由圖 8（b）

27、可以看出，電池溫度 的升高對(duì)電池效率以及系統(tǒng)總效率也有很大的影響，當(dāng)電池溫度從 300K 升高到 400K 時(shí)， 電池效率降低了 15 個(gè)百分點(diǎn)，從而使得系統(tǒng)效率降低了 10 個(gè)百分點(diǎn)。由此可以看出，電池 溫度的升高對(duì)系統(tǒng)性能有很大的負(fù)作用， 因此必須采用良好的散熱系統(tǒng)以消除電池中產(chǎn)生的 廢熱，同時(shí)提高濾光器的性能，盡量使得不可轉(zhuǎn)化波段的輻射光子反射回輻射器重新利用。 3.5 上下反射層性能的影響 圖 9 示出輻射器和電池間區(qū)域上下端反射層的反射率對(duì)輻射器溫度及系統(tǒng)效率的影響， 聚光器聚光比取為 8000，電池溫度為 300K。由 圖可見，隨著反射層反射率的減小，輻射器表面 溫度及系統(tǒng)效率均成

28、線型下降，隨著反射材料對(duì) 輻射能的吸收率的增大，部分輻射能無法到達(dá)電 池表面，使得電池的輸出功率減小，而電池?zé)o法 吸收的能量又不能完全反射回輻射器重新吸收， 也使得輻射器的溫度降低，造成了能量極大的損 失。 可以看出， 反射層的反射率每降低 10,輻射 器表面平均溫度降低 10K，而效率隨之降低 1.8。 圖 9 反射層的反射率對(duì)系統(tǒng)性能的影響 因此在太陽能熱光系統(tǒng)的實(shí)際搭建中，要注意 Fig.9 The performance of system verse the 該項(xiàng)影響參數(shù)，盡量選用高反射率材料以減少能量的損失。 reflectivity of reflector 4、結(jié)論 本文構(gòu)建了

29、 STPV 系統(tǒng)能量吸收及熱輻射發(fā)電過程的數(shù)理模型，討論了聚光器聚光比對(duì) 輻射器溫度以及系統(tǒng)性能的影響，同時(shí)也分析了輻射器表面溫度、電池溫度、濾波器等對(duì)系 統(tǒng)效率的影響，得出結(jié)論如下： 聚光器的會(huì)聚能力對(duì)輻射器的溫度有很大影響， 隨著聚光器聚光比的增大， 輻射器表面溫 度升高。 輻射器溫度是影響系統(tǒng)性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)， 隨著輻射器表面溫度升高， 電池輸出功率及 系統(tǒng)效率也隨之升高。在每個(gè)聚光比下都存在一最優(yōu)溫度，當(dāng)超過該極限值，輻射能的泄漏 量大大提高，反而使得系統(tǒng)效率降低。 光譜控制裝置的濾光能力對(duì)系統(tǒng)性能有著很大的影響， 濾波器在提高輻射器溫度的同時(shí)也 7 減小了電池中產(chǎn)生的廢熱。 電池溫

30、度的升高將導(dǎo)致其輸出功率及系統(tǒng)效率的減小， 因此， 保持電池溫度穩(wěn)定也是提高 系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。 反射層的反射率降低使得輻射器表面溫度及系統(tǒng)效率均有所下降， 因此在實(shí)際應(yīng)用中， 應(yīng) 盡量選擇高反射材料，減少其對(duì)輻射能的吸收，提高能量的有效利用。 在進(jìn)行數(shù)值模擬過程中，仍然忽略了一些參數(shù)的影響，如輻射器外表面和電池間不能完 全密封，且在該區(qū)域中不能保證完全真空，存在一定的對(duì)流換熱，電池計(jì)算模型比較理想等 等，因此對(duì)系統(tǒng)模型的分析還有待進(jìn)一步完善。 參考文獻(xiàn) 1 Horne E. Hybrid Thermophotovoltaic Power Systems. Consultant Report

31、, 2002. 2 Andreev V M, et al. Solar thermophotovoltaic converters based on tungsten emitters. Transactions of the ASME, 2007, 129: 298-303. 3 Stone K. W, et al. Solar thermophotovoltaic power experiments at McDonnell Douglas. Proceedings of the 29th Intersociety Energy Conversion Engineering Confere

32、nce, 1994, 4:1692-1696. 4 劉廣平, 宣益民, 韓玉閣.一維光子晶體在熱光伏技術(shù)中的應(yīng)用, 光子學(xué)報(bào), 2007, 37(1: 115-119. 5 徐南榮, 卞南華. 紅外輻射與制導(dǎo). 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社，1997. 6 沈輝, 曾祖勤. 太陽能光伏發(fā)電技術(shù). 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004. 7 卞伯繪. 輻射換熱的分析與計(jì)算. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1988. 8 宣益民. 計(jì)算傳熱學(xué). 南京: 南京理工大學(xué)出版社, 1994. 9 劉恩科, 朱秉生等. 半導(dǎo)體物理學(xué). 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 1997. 10 Qiu K, Haydena A

33、C S, Mauk M G, et al. Generation of electricity using InGaAsSb and GaSb TPV cells in combustion-driven radiant sources. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2006, 68(81: 68-81. 11 Ferguson L G., Frass L M. Theoretical study of Gasb PV cell efficiency as a function of temperature. Solar Energy Mat

34、erals and Solar cells, 1995, 39: 11-18. 12 MacMurray D W. Modeling and performance of microscale thermophotovoltaic energy conversion devices. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2002, 17(1:130-141. 13 Zenker M. et al. Efficiency and power density potential of combustion-driven thermophotovoltaic sys