收藏本站
《中国科学技术大学》 2009年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

辐射热力学的基础理论及其应用研究

莫松平  
【摘要】: 太阳能作为辐射能的一种,与常见的热能的性质存在较大差别,最显著的差别就是辐射具有频率特性,辐射能的转换如光电转换具有频率选择特性。由于辐射热力学理论至今还不很完善,使得太阳能光伏光热利用长期以来多局限于热力学第一定律的热效率分析上,对太阳能的能量品位的有效利用缺乏根本性的理论指导。因此,加强太阳能非平衡辐射热力学的基础研究,可为提高太阳能利用效率,特别是有效能利用效率提供理论指导,为降低太阳能发电成本寻求更行之有效的途径。 本文首先就光谱辐射的热力学问题开展研究,提出了表征光量子能量hv的品质的新参数一光谱等效温度T_λ,给出了T_λ与波长的关系式λT_λ=c_3=5.33016×10~(-3)m·K。根据光谱等效温度方程和光量子的能量表达式,导出了光量子熵常数s_λ=3.72680×10~(-23) J/K,并证明通过s_λ算出的黑体等效温度等于黑体辐射温度,验证了光量子熵常数结论的正确性。 在此基础上,用T_λ和s_λ讨论了黑体光谱辐射力、平衡态空腔辐射能、开口系辐射流等的有效能、熵参数、焓参数的表征及光子气的状态变化过程的熵变化。通过光谱辐射有效能的分析,证明用光谱等效温度表示的适合光合作用的谱带的辐射能的有效能效率大于以太阳温度为高温热源的卡诺效率,从而解释了文献中出现的光合作用产生熵减的论点的产生原因。 其次,以平行平板间的等热流非平衡辐射传热为例,对非平衡辐射热力学进行了研究,导出了非平衡辐射传热过程中的熵流、熵产、有效能和最大有效能传输效率时的最佳接收温度的计算式。在此基础上,讨论了辐射强度随传输距离不断减弱的非平衡辐射热力学问题,提出了辐射强度系数和当量辐射温度的概念,并以太阳能热接收转换器为例,导出了以当量辐射温度表征的辐射能接收转换热效率,熵增强度,有效能输出效率,最佳接收温度的计算式。这些计算式具有与等辐射强度的辐射传热模型导出的计算式相同的形式,辐射强度变化的影响通过辐射强度系数由当量辐射温度体现;而熵产(熵增)因子只与太阳表面温度和接收面温度有关;同时还考察了聚光度对提高太阳能接收器有效能输出效率的作用。 再次,讨论辐射能转换器的辐射有效能不可逆损失的计算法,给出辐射能接收器的净辐射熵差的计算式。针对太阳能光伏发电,提出了光量子在光电转换中的能量效率的表示方法,给出了太阳电池光电转换的理论效率极限,以及太阳电池的理论最佳带隙和最佳截止波长。讨论了光电转换的驱动力,分析了光电跃迁的有效能的不可逆损失和熵增,给出了太阳电池中激发电子的有效能的表达式。 对辐射强度随传递距离不断减弱的辐射传热的热力学研究结果表明,对于太阳能利用采取聚光方法,可以提高太阳能接收转换器的有效辐射密度,从而提高有效能输出效率。因此,开展了太阳能聚光光伏实验。设计制造了一个菲涅耳透镜聚光光伏发电系统,硅光电池板贴在散热铝板上采用被动式散热,系统几何聚光比为23,实际聚光比约为12.9。室外测试结果表明,外接负载时最大输出净效率为7.60%,与非聚光发电相比,相同电池面积的最大输出功率提高到5.6倍。 基于提出的与辐射频率相关的辐射热力学基础理论,对太阳能聚光分频利用电热联产的机理进行了探讨,给出了太阳能光谱有效能函数以及太阳能二次反射聚光分频利用光伏/光热发电的设计方案,并对该系统进行了热力性能分析,发电投资和成本比较。结果表明,对30倍聚光分频的光伏/光热发电系统,光伏发电效率约0.095,热发电效率0.043,总发电效率为0.139;与普通光伏发电系统相比,单位面积硅光电池发电功率提高约16倍,投资成本和发电成本大大下降。 为分析分频利用光伏/光热发电方案的特点,建立了平板固定式、数倍聚光式、抛物槽一次反射聚光式、碟形反射聚光分频式和菲涅尔透镜聚光式等五种光伏发电方式的光学系统和辐射能量转换器的热物理模型,进行了能量效率和有效能利用效率分析,给出了地面太阳光谱辐射有效能的计算式,分析表明在光电池许可的温度下适当提高聚光比可大幅减少光电池的使用面积。 最后,介绍抛物面反射聚光分频电热联产实验的进展及相关的改进建议。针对太阳能二次反射聚光分频利用电热联产方案的缺点,提出几种改进的太阳能聚光分频利用方案,介绍相关的原理性实验。作为聚光分频利用电热联产方案的热利用的另一种方式,对聚光太阳能驱动的半导体热电堆的发电性能进行了实验研究,得出在冷端温度基本不变的情况下,半导体热电堆的性能参数随太阳入射光强的变化关系,比较了在不同聚光比下不同面积半导体热电片的发电性能,提出了改进半导体热电堆的发电性能的建议,初步探讨了半导体温差发电与太阳能光伏发电相结合的可行性。
【学位授予单位】:

知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 刘林华;;对“辐射热力学的新进展——辐射有效能 光量子等效温度 光量子熵常数”一文的讨论[J];中国科学(E辑:技术科学);2009年07期
2 王海山,李野,卢耀华,田景全;微通道板光量子探测器[J];长春光学精密机械学院学报;1994年04期
3 陈则韶;莫松平;胡芃;;辐射热力学的新进展——辐射有效能 光量子等效温度 光量子熵常数[J];中国科学(E辑:技术科学);2009年04期
4 范良藻;冯劲松;;光的本性[J];中国工程科学;2007年02期
5 吴双,梁林梅,李承祖,Surasak Chiangga;光量子随机数发生器[J];量子光学学报;2005年02期
6 王少波;;从近距离观察光的衍射现象结果中认识光的波粒二象性[J];科学之友;2011年02期
7 Victor A. Vilnrottor;王谦;;接收双信号的光量子接收器[J];应用光学;1988年01期
8 ;新一代UV-N系列光疗机[J];中华皮肤科杂志;1996年05期
9 沈维道;;热力学中辩证唯物主义与唯心论的斗争[J];上海交通大学学报;1960年02期
10 黄永灶;;对高感微粒乳剂的一点探讨[J];影像材料;1980年02期
11 朱承驻;张仁熙;舒小红;赵庆祥;侯惠奇;;特种光量子技术降解水体中微量4-氯酚[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2007年01期
12 何秀堂;;X 射线缺陷信息传递及其注解[J];机械;1983年05期
13 陈彬,李建国;光电效应的实验及理论研究[J];郑州铁路职业技术学院学报;2003年03期
14 冯庆宇;;第三讲 数字化医疗影像设备质量评价与控制[J];中国医疗设备;2010年09期
15 魏岱海;;特定电磁波辐射器(简称TDP)生物效应的物理机制初探[J];哈尔滨理工大学学报;1987年02期
16 王其美;瞿华璞;;电子探针仪用流气正比计数管[J];电子显微学报;1982年02期
17 ;新一代UV-N系列光疗机[J];中华皮肤科杂志;1997年05期
18 ;WJP99型(WUV-N)系列光治疗机[J];中华皮肤科杂志;2007年02期
19 ;澳研发出迄今最高效激光量子存储技术[J];光学仪器;2010年04期
20 周立明;;能源植物与人工叶绿体[J];太阳能;1980年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 冯劲松;;对红外线、可见光、紫外线等一份光量子(hr)内所含光子数量的实验测定和电磁波本性的光子学诠释[A];中国光学学会2006年学术大会论文摘要集[C];2006年
2 刘丽娟;王玲霞;吴春燕;靳玉荣;;光量子氧辐射液体法治疗寻常型银屑病的观察及护理体会[A];全国内科护理学术交流暨专题讲座会议论文汇编[C];2002年
3 王力纬;;光量子的实质[A];2007年中国青年光学学术研讨会论文摘要集[C];2007年
4 虞红;段效明;李会同;;光量子“取斑王”治疗色素增加性皮肤病疗效观察[A];2005年全国中西医结合医学美容学术研讨会论文汇编[C];2005年
5 冯劲松;;运动光子与原子核外运动电子的相互精确定量调控机理[A];2007年光电探测与制导技术的发展与应用研讨会论文集[C];2007年
6 刘仔兰;;光量子库血治疗烧伤低氧血症的护理[A];中华医学会第五次全国烧伤外科学术会议论文汇编[C];1997年
7 冯劲松;;运动光子与原子核外运动电子的相互精确定量调控机理[A];第二届红外成像系统仿真测试与评价技术研讨会论文集[C];2008年
8 许鸿源;白坤栋;周文亮;施力军;周凤珏;;IBA和CC对木薯Chl.荧光动力学参数的影响[A];中国植物生理学会第九次全国会议论文摘要汇编[C];2004年
9 刘颂豪;廖常俊;;光量子保密通信[A];2002年中国光学学会年会论文集[C];2002年
10 李宏东;叶秀清;顾伟康;;直接从RGB估计光谱的量子统计方法[A];面向21世纪的科技进步与社会经济发展(上册)[C];1999年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 高春颀;光量子开辟激光医学新路[N];中华工商时报;2003年
2 李长久;验证“光量子说”和发现宇宙射线[N];经济参考报;2002年
3 柴会群;“打假医生”陈晓兰[N];南方周末;2004年
4 记者 何聪;光量子电话网在合肥建成[N];人民日报海外版;2009年
5 记者 冀卫平;山西大学“量子光学与光量子器件”实验室进入“国家队”[N];山西日报;2002年
6 刘建;“打假医生”陈晓兰 十年艰辛矢志推动立法[N];法制日报;2007年
7 记者 李智;一个亮点凸现山大实力[N];山西经济日报;2002年
8 记者 刘纯友;合肥建成世界首个光量子电话网[N];安徽日报;2009年
9 ;良知医生:陈晓兰[N];民营经济报;2006年
10 本报记者 柴会群;医生陈晓兰10年打假路[N];南方周末;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前6条
1 莫松平;辐射热力学的基础理论及其应用研究[D];中国科学技术大学;2009年
2 楚双霞;非相干辐射传递过程的热力学分析[D];哈尔滨工业大学;2009年
3 孙宇章;药用植物苍术、银杏的资源遥感监测研究[D];中国中医科学院;2008年
4 任建武;三种石斛的光合电子传递、碳同化动态研究[D];中国林业科学研究院;2009年
5 汤正辉;苦苣苔科植物的快速繁殖、离体保存及耐阴性研究[D];四川大学;2007年
6 吕梅;红桤木生理生态、固氮活性及根瘤放线菌研究[D];南京林业大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 丁毅;宇宙学原理基础上的光谱频移特性研究[D];南京理工大学;2007年
2 戴凌峰;四种灌木树种的耐荫性研究[D];北京林业大学;2007年
3 王凯;蓝百合耐荫性研究[D];东北林业大学;2007年
4 权菊香;单光子探测技术及其在真随机源中的应用[D];华东师范大学;2006年
5 李雪莹;鸢尾属(Iris.L)部分植物组织培养及耐荫性的研究[D];南京林业大学;2006年
6 王瑞;12种园林植物耐荫性研究[D];华中农业大学;2008年
7 姚广;铅胁迫对玉米、黄瓜幼苗叶片光合机构活性的影响[D];山东农业大学;2008年
8 闻婧;LED红蓝光波峰及R/B对密闭植物工厂作物的影响[D];中国农业科学院;2009年
9 张伟;新疆棉花冠层结构特征图像诊断系统的研究[D];石河子大学;2005年
10 胡勇;红外探测器用PLCT热释电材料的研究[D];华中科技大学;2006年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978