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热光伏系统中ITO薄膜滤波器的设计与制备

光学学报 2013年第12期33卷 349-352页

作者：杨惠尹陈雪钱子勍上海空间电源研究所上海200245

氧化铟锡(ITO)半导体薄膜为典型的宽禁带半导体材料,具有短波高透射、长波高反射以及超宽的反射带等特性,满足热光伏(TPV)系统对滤波器的要求。以载流子浓度N和迁移率μ以及膜层厚度d为参数,对ITO薄膜的光学性质进行了仿真,给出了在不... 详细信息

氧化铟锡(ITO)半导体薄膜为典型的宽禁带半导体材料,具有短波高透射、长波高反射以及超宽的反射带等特性,满足热光伏(TPV)系统对滤波器的要求。以载流子浓度N和迁移率μ以及膜层厚度d为参数,对ITO薄膜的光学性质进行了仿真,给出了在不同参数下滤波器的光谱曲线。通过磁控溅射薄膜沉积系统制备了ITO薄膜,对退火处理后的滤波器进行了光学性能测试,最终得到可用于热光伏系统的ITO薄膜滤波器。制备的与GaSb电池匹配的滤波器截止波长为2μm,短波平均透射率接近70%,长波平均反射率接近70%,而且超宽的长波反射带延伸至10μm,可大大提高TPV系统的效率。

关键词：薄膜半导体薄膜薄膜滤波器磁控溅射退火热光伏系统

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热光伏系统燃烧.辐射器的性能分析

太阳能学报 2009年第8期30卷 1058-1063页

作者：吴玺叶宏戴苏明中国科学技术大学热科学和能源工程系合肥230027 苏州大学物理科学与技术学院苏州215006

分析了甲烷质量流率、回热器有效度、空燃比、几何尺寸等因素对热光伏系统中燃烧-辐射器性能的影响。计算结果表明:采用回热器可显著提高辐射表面的温度和化学能-辐射能转化效率;空气与甲烷的空燃比和甲烷质量流率分别以20.64∶1.00和0.... 详细信息

分析了甲烷质量流率、回热器有效度、空燃比、几何尺寸等因素对热光伏系统中燃烧-辐射器性能的影响。计算结果表明:采用回热器可显著提高辐射表面的温度和化学能-辐射能转化效率;空气与甲烷的空燃比和甲烷质量流率分别以20.64∶1.00和0.988kg/h为最佳。在此基础上讨论了几何尺寸对燃烧-辐射器的影响,发现在内、外管内径分别为27.2mm和38.5mm,内、外管壁厚分别为7.0mm和3.5mm的情况下燃烧-辐射器的性能最佳,辐射表面平均温度、表面辐射功率密度和化学能-辐射能转化效率分别为1523.8K、11.99W/cm^2和73.7%。

关键词：热光伏系统燃烧-辐射器辐射表面温度

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用于热光伏系统的近场辐射光谱控制表面结构

物理学报 2018年第2期67卷 153-160页

作者：于海童刘东杨震段远源清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室二氧化碳资源化利用与减排技术北京市重点实验室北京100084 南京理工大学能源与动力工程学院南京210094

为提升近场热光伏发电系统的能源转换效率和发电功率,设计了Ⅲ-Ⅴ族半导体表面的矩形光栅结构,以实现从热发射器到热光伏电池的近场辐射热流选择性调制.使用在近红外波段具有表面等离子体激元特性的掺杂氧化锌作为热发射器,在GaSb热光... 详细信息

为提升近场热光伏发电系统的能源转换效率和发电功率,设计了Ⅲ-Ⅴ族半导体表面的矩形光栅结构,以实现从热发射器到热光伏电池的近场辐射热流选择性调制.使用在近红外波段具有表面等离子体激元特性的掺杂氧化锌作为热发射器,在GaSb热光伏电池表面添加亚微米二维光栅结构,在近场间距下形成与表面波耦合的陷光效应,由此有选择性地增强了电池能带内的光谱辐射热流.有别于以往类似研究中常用的等效近似方法,开展了时域有限差分方法模拟,能够严格考虑周期性结构细节,结合以涨落耗散理论为基础的Langevin方法,直接计算了复杂结构参与的近场辐射传热问题,以此揭示表面结构影响近场辐射传热的物理机理.结果显示使用带表面结构的薄膜GaSb电池,可使辐射热流的光谱峰值达到同温度远场黑体辐射源情况下的2.84倍,且热流增益区集中在波长略短于电池能带的窄波段区间,适应高效率、高功率热光伏系统对辐射传热设计的要求.

关键词：近场辐射光谱控制热光伏系统时域有限差分法

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热光伏系统基本特征研究

电工电能新技术 2007年第4期26卷 41-46页

作者：陈雪韩玉阁李强宣益民南京理工大学动力工程学院江苏南京210094

光谱控制材料以及光电池技术的高速发展使得热光伏系统(TPV)逐渐得到应用,这就要求通过对其效率的计算来评价其性能。通过对一热光伏系统的数值模拟,得到不同燃烧工况下的辐射器表面温度以及系统效率,和实验值比较吻合,GaSb电池的输出... 详细信息

光谱控制材料以及光电池技术的高速发展使得热光伏系统(TPV)逐渐得到应用,这就要求通过对其效率的计算来评价其性能。通过对一热光伏系统的数值模拟,得到不同燃烧工况下的辐射器表面温度以及系统效率,和实验值比较吻合,GaSb电池的输出电功率可达到2.8W/cm2,同时计算并比较分析了GaSb电池温度的升高对输出功率及效率的影响。本文旨在通过对系统的数值模拟,找出影响系统效率及输出电能的关键参数,为提高效率及实际装置的实现打下一定的理论基础。

关键词：热光伏系统效率蒙特卡罗法光伏电池

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热光伏系统效率影响因素研究

热光伏系统效率影响因素研究

作者：陈包佳浙江大学

学位级别：硕士

热光伏(Thermophotovoltaic)发电技术是一项将热源产生的辐射能通过光电池的光电效应转换成电能的技术。该技术不仅辐射源广泛,而且有高能量输出密度和高理论效率,还可与传统朗肯循环、斯特林机等耦合实现热电联产,有巨大的潜在应用价... 详细信息

热光伏(Thermophotovoltaic)发电技术是一项将热源产生的辐射能通过光电池的光电效应转换成电能的技术。该技术不仅辐射源广泛,而且有高能量输出密度和高理论效率,还可与传统朗肯循环、斯特林机等耦合实现热电联产,有巨大的潜在应用价值。本文首先自行设计和搭建了一个完整热光伏系统,该系统包括燃烧器、辐射器、光伏电池、散热器和集成设施。并对其中的燃烧器和散热器进行了性能测试,通过增加燃烧器喷嘴直径实现燃气空气部分预混解决了燃烧器功率低、易熄火的问题,确定了并联流道连接的散热器散热效果更好。为获得均匀辐射源,减少电池因辐射不均造成电能损失,随后利用经典双色法测量辐射器的轴向温度,研究多孔介质对辐射器温度分布均匀性影响。实验结果表明,10ppi的多孔介质传热性能优于20ppi,并通过在10ppi的中心穿不同孔径通孔,并按孔径28mm/20mm/12mm由大到小的变孔径分布,可以获得温度梯度最小(0.75K/mm)的辐射源。紧接着,本文研究了甲烷流量、当量比、孔密度等对TPV系统的影响。实验结果表明随着燃料流量的提高,碳化硅管、不锈钢管、多孔碳化硅三种辐射器的温度都有不同程度的提高。其中多孔碳化硅辐射器的辐射性能明显优于其他两种辐射器,且在燃气流量为4L/min时,有着最大的系统电效率(0.0235%)。燃气燃烧存在最佳当量比,研究发现当量为0.9时TPV系统的各项性能参数最高。相较于化学当量比下燃烧,在0.9当量比时系统发电效率提高了20%。紧接着对比多孔碳化硅孔密度对TPV系统影响,发现在0.9当量比下换用10ppi的多孔介质发电效率可进一步提升29%。此外还测试了变孔径填充的辐射器在串联电池组系统中的表现,发现该方式因偏低的辐射器温度电池的输出功率不及填充未穿孔的10ppi多孔碳化硅。文章最后针对电池温度偏高问题,利用TFCalc软件模拟设计了匹配Si电池的一维Si/SiO光子晶体滤波器以实现无效辐射能的反射。该滤波器以(1/2LH1/2L)对称膜系为基本单元,确定5个基本单元的膜层具有最佳的反射率曲线。此外,通过在膜料同入射介质和基片间加镀匹配层,成功压缩透射带内的次级波峰。最后,改变膜料的厚度,设计了匹配GaSb电池的滤波器。

关键词：热光伏系统辐射器双色测温法开路电压短路电流光子晶体滤波器

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热光伏系统散热研究

热光伏系统散热研究

作者：陶玲南京理工大学

学位级别：硕士

热光伏技术通过光伏电池将受热高温辐射体的能量直接转化为电能,系统具有较高的能量输出密度及理论效率,具有很好的发展前景,但其核心部件的散热性能差一直是热光伏技术发展的一个瓶颈问题,已成为制约该技术发展的重要因素之一。为了... 详细信息

热光伏技术通过光伏电池将受热高温辐射体的能量直接转化为电能,系统具有较高的能量输出密度及理论效率,具有很好的发展前景,但其核心部件的散热性能差一直是热光伏技术发展的一个瓶颈问题,已成为制约该技术发展的重要因素之一。为了保证热光伏系统及其核心部件的工作稳定性和可靠性,提高系统性能,本文结合热光伏系统的整体结构和性能,对某实际热光伏系统的散热进行了研究。文章分析了热光伏系统散热器的设计原则,建立了散热器的基本模型,并利用Fluent仿真研究了散热器部分附属结构对散热性能的影响,讨论了风扇的实体建模与Fluent自定义Fan模型对仿真精度的影响;研究了不同形状结构的发射状散热器的散热效果,利用场协同原理分析了散热器结构对散热性能的影响,对散热器结构进行了优化设计;讨论了热光伏系统的数值计算方法和理论模型,建立了基于最优散热器模型的热光伏系统数值模型,利用Fluent建模分析了燃烧器燃烧辐射过程、回热器回热过程以及散热装置散热过程,利用编程软件Fortran分析了燃烧面的辐射、滤光器的滤光作用以及电池将热辐射能转化为电能并产生余热这三个红外能量辐射过程,给出了热光伏系统的仿真结果,验证了本文散热器设计的可行性和系统设计的合理性。

关键词：热光伏系统 Fluent 散热发射状肋片散热器肋片形状场协同原理

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热光伏系统中热发射器的机器学习优化研究

热光伏系统中热发射器的机器学习优化研究

作者：赵怡婷华中科技大学

学位级别：硕士

随着全球变暖和化石燃料的枯竭,当今世界迫切需要采用一种行之有效的办法利用可再生能源和低品位热能。热光伏技术(Thermophotovoltaic,TPV)可以通过热发射器直接将高温辐射能(太阳能、工业废热等)转换为电能,具有较高的输出功率和理论... 详细信息

随着全球变暖和化石燃料的枯竭,当今世界迫切需要采用一种行之有效的办法利用可再生能源和低品位热能。热光伏技术(Thermophotovoltaic,TPV)可以通过热发射器直接将高温辐射能(太阳能、工业废热等)转换为电能,具有较高的输出功率和理论转换效率,被广泛应用于混合动力汽车、深空探测、聚集型光伏以及热能储存等重要领域。以高性能TPV系统中的选择性热发射器作为研究对象,采用机器学习的方法对不同结构的热发射器进行优化,有效调控从热源吸收到的入射辐射,使其发射光谱与特定的光伏电池的光学响应波段相匹配,以此达到提高光伏电池输出功率和TPV系统转换效率的目的。主要的研究内容及结果如下:(1)提出了一种基于一维金属/绝缘体/金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)结构的选择性热发射器,利用贝叶斯优化算法对其参数进行调控,使热发射器的发射光谱实现波长选择性和方向不敏感性,同时增强热发射。结果表明,经优化得到的最佳一维MIM型选择性热发射器,在高发射率波段宽度为0.96μm时,同时实现高输出功率(4.2W/cm)和高系统效率(35.4%),优于人工优化的具有相同MIM型结构的选择性热发射器。(2)提出了一种基于非周期分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflection,DBR)结构的塔姆(Tamm)等离激元结构选择性热发射器,采用蒙特卡洛树搜索算法优化Si O/Ti O的非周期DBR和W-AlO合金层的排列顺序以及W-AlO合金层中W的占比(f),实现高性能的TPV系统。结果表明,基于非周期DBR结构的金属侧Tamm等离激元选择性热发射器的性能更优,其输出功率密度为3.85 W/cm,系统效率为39.7%。

关键词：热光伏系统选择性热发射器机器学习优化贝叶斯优化算法蒙特卡洛树搜索算法

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光子晶体热辐射器在热光伏系统中的应用

激光与光电子学进展 2010年第6期47卷 23-28页

作者：杜盼盼许静李宇杰陈金宏国防科学技术大学材料工程与应用化学系湖南长沙410073

提高热光伏(TPV)系统的光电转换效率是目前热光伏技术的研究重点,提高热辐射器的辐射效率是提高热光伏系统效率的重要途径,而光子晶体结构以其特有的选择性辐射性能成为热光伏系统理想的热辐射器。简述了热光伏系统的工作原理及光子晶... 详细信息

提高热光伏(TPV)系统的光电转换效率是目前热光伏技术的研究重点,提高热辐射器的辐射效率是提高热光伏系统效率的重要途径,而光子晶体结构以其特有的选择性辐射性能成为热光伏系统理想的热辐射器。简述了热光伏系统的工作原理及光子晶体的物理特性,重点介绍了光子晶体热辐射性能及其在热光伏系统中应用研究的进展情况。

关键词：热光伏系统热辐射器光子晶体选择性热辐射

光子晶体热辐射器应用于热光伏系统中的研究进展

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光子晶体热辐射器应用于热光伏系统中的研究进展