太陽能利用中的熱物理基礎理論及實驗研究.pdf

1、由于人類社會發(fā)展及環(huán)境保護的需求，尋求可再生而潔凈新能源取代有限的且污染環(huán)境的礦物燃料是全世界急迫和重要的課題。太陽能作為最豐富、最潔凈的永久的能源，其高效利用和低成本地轉換成電能，是當今研究的熱點。太陽能傳遞和與接收器之間的能量轉換過程，均是在開放的非平衡狀態(tài)下進行的，而現有的經典輻射熱力學是建立在平衡態(tài)空腔光子氣模型的基礎上，難以直接應用；另外現有的光熱利用、光電利用或光電-熱綜合利用大多停留在以能量守恒定律來進行分析評價的層次，尚

2、未系統(tǒng)地以熱力學第二定律結合光譜特性進行太陽能利用分析和研究。因此有必要開展太陽能利用中的熱物理基礎理論研究，包括光譜有效能的表征，熵參數描述，開放系、非平衡態(tài)的太陽輻射能傳遞、轉換過程的輻射熱力學體系構建，輻射能與物質界面的光熱、光電量子作用的機理探討等。在此基礎上提出科學利用太陽能的方法并進行相關實驗研究。
　　 本文在本課題組工作的基礎上，主要的研究工作如下：
　　 首先利用非平衡態(tài)輻射熱力學的基礎理論，對非平衡態(tài)

3、輻射場，特別是對太陽能輻射接收器入口處的輻射能狀態(tài)進行了描述和表征，區(qū)分了太陽輻射能在光熱作用時顯示宏觀平均能量特性，和在光伏、光化作用時顯示量子特性的兩重性特點。根據太陽輻射能在傳遞中因為擴散性產生的能流密度降低和輻射流的光譜頻率組成與太陽表面輻射相同的特點，計算了地面接收的太陽輻射能在熱利用時比太陽表面輻射能降低的品位和熵增，確定了在光伏、光化作用時地面和太陽表面光譜輻射量子特性相同。
　　 其次，研究太陽輻射能與物質作用的

4、能量轉換機理和增強措施。從研究和修正光與物質作用的機理入手，提出光子波模型假設，對光子波與物質中存在的原子核-原子核和原子核-電子兩種簡諧振子之間的作用過程進行了分析，結果與用經典波動理論分析得到的結果是一致的，一定程度上說明了光子波模型的正確性。光子波驅動力與物質表面層的分子、聲子、原子核-電子簡諧振子的頻率不同，表現出不同光譜輻射的熱作用和量子作用的不同機制，分子和聲子吸收輻射能主要把輻射能轉換為物質的熱能，光與物質量子作用，輻射能

5、激發(fā)物質內部的電子躍遷，輻射能轉換為電能并伴隨有熱能。對影響半導體材料型的太陽輻射接收器的吸收系數和反射率等參數進行了詳細分析，結果表明，擁有較小共振躍遷頻率、較小能帶隙和較大阻尼系數的半導體材料對有效太陽輻射的吸收率更高。
　　 在此基礎上，為提高光電轉換效率，又利用光子波與物質作用模型，對單晶硅太陽電池表面鍍膜材料光學性質進行了分析；又采用在太陽電池表面構造了多種不同形狀，規(guī)則的、不規(guī)則的、有序的、無序的微結構表面，比較了它

6、們對太陽輻射能吸收率的差別，結果顯示，無序的表面微結構相對有序的表面微結構更利于太陽電池吸收率的提高；使用Needle法對用于光伏發(fā)電的光譜選擇性透過涂層進行了分析和優(yōu)化設計。
　　 為了提高太陽輻射能的整體利用率，提出了兩級透射-反射聚光分頻電熱聯產系統(tǒng)的方案，分析了利用線聚焦菲涅耳透鏡、光譜選擇性透過涂層和太陽能集熱管等部件構成的電熱聯產系統(tǒng)的光學行為和效率，計算結果表明，作者提出的系統(tǒng)，太陽能利用率高于相同條件下傳統(tǒng)的太陽

7、能聚光光伏系統(tǒng)，并有結構簡單，成本低廉，易于生產的優(yōu)勢。
　　 最后，為了改善傳統(tǒng)聚光系統(tǒng)在太陽能光電池接收面上照射的光強不一致，降低光伏轉換效率的問題，設計了等光強帶聚焦菲涅耳透鏡聚光器和折平板等光強反射聚光器。理論上,利用蒙特卡羅光線追跡法，對兩種聚光器進行了考慮太陽輻射夾角的光學模擬，并對聚光器的結構參數對聚光效果的影響進行了分析，證明所設計的聚光器聚光均勻性都很好；實驗上，在太陽雙軸跟蹤裝置上安裝了折平板等光強反射聚光光