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太阳能热电—光电复合发电系统的热力学分析与结构优化

杨天麒  
【摘要】:本文首先根据实际碲化铋热电器件的结构建立了有限元分析模型,并将其分析结果与碲化铋器件的测试结果进行了对比。结果显示,在相同边界条件的情况下,模拟结果和测试结果是基本吻合的,这证明本文的分析模型无误。 然后,建立了用于太阳能热电—光电复合发电的级联热电器件单P-N节的有限元分析模型,模型中考虑了接触电阻的影响以及热电材料参数随温度变化的实际情况,并分别对碲化铋单P-N节和方钴矿单P-N节在最大效率条件下不同结构时的性能进行了分析。结果表明,以P节碲化铋1.8 mm×1 mm×1mm、N节碲化铋1.8 mm×1 mm×0.98 mm、N节方钴矿4.08 mm×1 mm×1 mm和P节方钴矿4.08 mm×1mm×1.32 mm的尺寸组成的级联热电单P-N节,当其在最宽温域下工作时,低温热电单P-N节和中温热电单P-N节恰好在各自的最佳温域工作,且都获得了热电转化效率的极大值。此时,级联热电单P-N节在最佳设计下的热电转化效率的极大值可达11.922%。 接着,基于级联热电单P-N节的最佳设计方案,建立了太阳能热电装置的分析模型,模型中考虑了太阳能热电装置的实际工作条件以及各种热损失的影响,对其在不同工况下的性能进行分析。结果表明,热传导损失、自然对流热损失和热辐射损失对太阳能热电装置的性能有显著的负面影响,并增加聚光和装置冷却的难度。在实际装置中,应尽量选择热导率低的材料作为P、N节间的填充物以降低热传导损失,应采用真空绝热等技术以降低自然对流热损失,应选用具有高太阳辐射吸收率和低发射率的集热体表面涂层以降低热辐射损失。在绝热材料热导率为0.05 W/mK、集热体表面发射率为0.1以及接触电阻为50μOcm2的合理情况下,基于级联热电器件的太阳能热电装置在最宽温域下工作时,其对太阳能的总利用率可达6.902%。然后,在热效率分析的基础上,根据(?)分析的基本理论,建立了太阳能热电装置的(?)分析模型。分析模型中考虑了太阳能热电装置各个组成部分的(?)损失,对各种热损失对太阳能热电装置(?)效率的影响进行了分析。结果显示,热传导损失、自然对流热损失和热辐射损失对太阳能热电装置的(?)效率有显著的负面影响。因此,不论从能量“量”的角度还是从能量“质”的角度,尽量降低热传导损失、自然对流热损失和热辐射损失对于太阳能热电装置都是非常必要的。在绝热材料热导率为0.05 W/mK、集热体表面发射率为0.1以及接触电阻为50μOcm2的合理情况下,基于级联热电器件的太阳能热电装置在最宽温域下工作时的(?)效率可达11.04%。 最后,在热电子系统和光伏子系统的热力学分析的基础上,建立了太阳能热电—光电复合发电系统的热力学分析模型,模型中考虑了分光波长对复合发电系统性能的影响,并对复合发电系统的热效率和(?)效率进行分析。结果表明,将分光波长定为光电材料产生光电效应的截止波长不仅可以使复合发电系统获得最大的能量转化效率,而且可以使复合发电系统获得最大的(?)效率,即其不论对于复合发电系统对能量“量”的利用还是对能量“质”的利用都是非常重要的。此时,太阳能热电—光电复合发电系统的能量转化效率可达20.42%,火用效率可达29.81%。


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