ECM: 圆柱形近场太阳能热光伏系统
文摘
科学
2025-01-08 09:03
山东
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论文信息：
Kunpeng Yuan , Binghong Chen , Shiquan Shan , Jun Shu , Qiguo Yang ，Cylindrical near-field solar thermophotovoltaic system with multilayer absorber/emitter structures: Integrated solar radiation absorption and cooling energy consumption，Energy Conversion and Management，Volume 324，119299(2025).论文链接：https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.119299TPV 系统具有热源多样、效率高、无活动部件和无噪音运行等特点，是一种很有前途的直接能源转换技术，具有巨大的发展潜力，近年来受到了相当大的关注。遗憾的是，尽管在远场 TPV 系统中使用优化的光谱选择发射器或光谱滤波器可以提高热电转换效率，但它们通常会导致较低的输出功率密度。造成这种现象的原因是，远场条件下的能量传递主要依赖于传播波，其传热能力从根本上受到普朗克黑体辐射极限的限制。转换效率和功率密度之间的这种权衡对远场 TPV 系统的开发提出了挑战。因此，高效实用的 TPV 系统发展的未来趋势在于不断提高转换效率，同时努力实现更高的功率密度。本研究中提出的圆柱形 NFSTPV 系统如图1（a） 所示，其特点是位于系统外部的金属基板的两侧都有吸收器和发射器，负责吸收太阳辐射并将其转化为热辐射能。芯由光伏电池和冷却通道组成，封装在吸收器/发射器结构内，由微/纳米级真空间隙隔开。为了更清楚地说明系统内的能量转换过程，图1（b） 中绘制了其横截面图。图 1.（a）NFSTPV 系统图。（b）NFSTPV 系统的横截面。（c）吸收器的结构模型。（d） 发射器的结构模型。结果表明，这种吸收器结构的太阳辐射-热转换效率达到了 0.9504。
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在本研究中，发射器和电池的温度分别设置为 1000 K 和 300 K，并考虑相对较大的真空间隙（100 nm）来计算光谱辐射通量，从而评估发射器的性能。结果如图中的蓝色曲线所示。从图3中可以观察到，光谱辐射通量的峰值位于InAs单元带隙的略上方，辐射通量在较高的角频率下逐渐减小。然而，在电池带隙以下的范围内仍然存在一定水平的辐射通量。总体而言，位于带隙略上方的光谱辐射通量的强峰值表明发射器可以实现出色的选择性辐射。在发射器和 InAs 电池分别保持在 1000 K 和 300 K 的温度，真空间隙为 100 nm 的条件下，实现的输出功率为 18104 W/m2，从热辐射到电能的转换效率为 33.75 %。相比之下，当使用 W 板作为发射器时，转换效率为 30.96 %，输出功率为 5052 W/m2.虽然这种多层平面选择性发射极的热电转换效率与 W 板发射极相比没有显着提高，但其输出功率实现了 3.58 倍的显着增加。
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图4进一步揭示了不同介电材料对光谱辐射性能的影响。从图中可以观察到，当二氧化硅、氧化铝和氧化铪用作介电层时，没有观察到选择性光谱辐射性能，这些材料的辐射强度相对较低。相比之下，当碳化硅、氮化硅和氧化钛用作介电层时，会获得显着的选择性辐射，其中碳化硅显示出最明显的效果。此外，值得注意的是，当氮化硅用作介电层时，带隙以下的辐射能量明显增加。因此，可以得出结论，由于各种介电材料之间光学特性的差异，选择合适的介电材料对于发射极结构的优化设计至关重要。
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图4.各种介电材料的光谱辐射通量
在本研究中，提出了一种将多层平面吸收器/发射极结构与水冷系统集成在一起的圆柱形近场太阳能热光伏系统。主要结论总结如下：(1)拟议的 NFSTPV 系统包括太阳能热源、选择性吸收器/发射器、光伏电池和水冷子系统，与传统平面布局相比，其新颖的垂直圆柱形布局具有更高的空间效率和更少的侧面热损失，这更接近 NFSTPV 的实际应用。(2)选择性发射是通过三层金属/介电结构实现的。真空、SiC 和 W 层之间的极化激元色散关系对光谱辐射通量有显著影响。在 1000 K 的发射极温度和 100 nm 的真空间隙下，实现的输出功率和热电转换效率为 18104 W/m2和 33.75%，分别是传统钨板发射器的 3.58 倍和 2.79 %。(3)考虑到对吸收器/发射器的太阳辐射和循环水冷却系统的性能，在 900-1200 K 的工作温度下，拟议的 NFSTPV 系统效率可以稳定保持在 20% 以上，浓度比为> 70。
