熱光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及模型研究.pdf

1、熱光伏（Thermophotovoltaic，TPV）技術(shù)是指將高溫輻射器紅外波段的輻射能通過(guò)低能帶隙熱光伏電池直接轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。TPV具有功率密度高、維護(hù)成本低、無(wú)噪音、無(wú)污染和燃料豐富等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、商業(yè)、軍事和航空航天領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。
　　 我們首先設(shè)計(jì)并制作了使用氣體燃料的TPV實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的燃料、輻射器和熱光伏電池可以更換，因而可以用于比較不同部件在相同系統(tǒng)上的性能差異。利用此平臺(tái)，我們測(cè)試了燃料為

2、丙烷、輻射器為碳化硅/氧化餌、熱光伏電池為銻化鎵(GaSb)的TPV系統(tǒng)在輻射器溫度為1273K和1373K時(shí)的系統(tǒng)輸出。測(cè)試結(jié)果表明:隨著輻射器溫度的升高，系統(tǒng)開路電壓降幅很小，短路電流大幅提高，輸出功率有大幅度提升，輻射器溫度從1273K升高至1373K時(shí)，短路電流和輸出功率的提升幅度接近100％。
　　 我們采用商業(yè)軟件FLUENT對(duì)燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了模擬計(jì)算;然后將輻射器溫度分布的計(jì)算值賦值給光譜功率密度程序進(jìn)行能量傳輸計(jì)算

3、，該軟件基于蒙特卡洛方法求解到達(dá)電池表面的光譜輻照密度;最后采用P-N結(jié)等效電路理論計(jì)算了電池輸出特性。利用文獻(xiàn)中的輻射器溫度分布數(shù)據(jù)對(duì)模型驗(yàn)證計(jì)算，結(jié)果表明:在輻射器溫度低于1373K時(shí)，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合較好，誤差低于5％;輻射器溫度為1523K時(shí)，二者短路電流誤差為6.7％，開路電壓相等，最大功率誤差為16.7％。誤差較大的原因是計(jì)算模型中使用了理想條件下的電池參數(shù)，使得計(jì)算值高于實(shí)驗(yàn)值?？紤]實(shí)際電池的性能參數(shù)會(huì)隨著電池溫

4、度升高而降低之后，計(jì)算誤差可以降低。
　　 最后利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了分析計(jì)算。通過(guò)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn):視電池表面污染程度不同，電池表面的污染會(huì)造成電池吸收的能量降低5％～20％，;燃燒器中內(nèi)管的偏心會(huì)造成輻射器表面周向溫度分布不均勻，偏向側(cè)溫度低于偏離側(cè);采用熱電偶在測(cè)量高溫輻射器溫度時(shí)，熱電偶的自身輻射和接觸熱阻會(huì)造成測(cè)量溫度低于真實(shí)溫度;將實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種外部影響因素囊括進(jìn)模型之后，計(jì)算得到的系統(tǒng)輸出