光伏-热电耦合系统的性能分析与匹配机制研究

发布时间：2020-06-12 00:44

【摘要】：随着能源危机的日益加剧,发展太阳能发电技术成为人类最迫切的需求之一。光伏电池是目前太阳能利用的主要方法之一,但是其无法利用波长较长的光子,此外热化损失会导致光伏电池对短波光子的利用率较低。热电器件对太阳光的波长没有要求,利用热电器件来弥补光伏电池的缺点可以实现太阳能的全光谱高效利用,因此越来越多的学者对光伏-热电耦合系统展开了研究。光伏-热电耦合系统的关键技术难题是光伏电池和热电器件对温度的需求不同。较高的温差可以提高热电器件的效率,但却有可能造成光伏电池的效率下降,因此需要对光伏-热电耦合系统中的能量匹配与能量传递机制展开研究,从而提高光伏-热电耦合系统的效率。本论文将围绕着光伏-热电耦合系统的全光谱太阳能高效利用展开研究,建立光伏-热电耦合系统的设计准则,主要研究内容包括:(1)光伏-热电耦合系统的能量匹配机制分析了单晶硅电池,多晶硅薄膜电池,有机电池和铜铟镓硒电池这四种电池对光伏-热电耦合系统的影响。与硅电池不同,有机电池和铜铟镓硒电池具有正温度特性,这一特性使得系统可以分配更多能量给热电器件。模拟结果还表明降低接触热阻、强化对流换热和提高聚光比都可以提高热电器件的可用能量。(2)光伏-热电耦合系统的传热过程与影响因素研究了聚光光伏-热电耦合系统中的热量传递过程。由于聚光光伏-热电耦合系统中热流密度较高,此时光伏电池表面的热损失可以忽略,而热电器件两端的热管理则是提高系统性能的关键性难点。研究结果表明采用均温板以及水冷则可以有效降低聚光光伏-热电耦合系统中的?损失,提高系统效率。(3)变辐照度工况下的光伏-热电耦合系统设计针对变辐照度工况对光伏-热电耦合系统进行了改进,提出了一种热电器件热阻可调的光伏-热电耦合系统,通过冷却水循环的开关来抑制太阳辐照度变化所导致的温度波动。实验结果与理论分析表明该设计可以使得光伏-热电耦合系统始终在最佳温度点附近工作,从而提高系统效率。(4)光伏-热电耦合系统的一体化设计通过一体化设计对光伏-热电耦合系统的结构进行简化,摒弃了传统光伏-热电耦合系统中的陶瓷板与均温板以强化换热,采用V型槽设计来强化光伏-热电耦合系统的全光谱吸收能力。测试结果表明,改进后光伏-热电耦合系统的效率可以提高20%。(5)光伏-热电耦合系统的电路匹配研究了不同电气连接方式对光伏-热电耦合系统性能的影响,阐明了光伏-热电耦合系统的电路匹配机制。对于热阻可调光伏-热电耦合系统和光伏-相变材料-热电耦合系统,太阳辐照度的变化难以造成光伏电池温度的大幅波动,因此对于这些系统,光伏电池和热电器件之间应该采用并联连接的电气连接方式。(6)钙钛矿电池在光伏-热电耦合系统中的应用探索了钙钛矿电池-热电耦合系统的可行性,阐明了钙钛矿电池的光学特性对钙钛矿电池-热电耦合系统效率的影响规律,探讨了降低钙钛矿电池-热电耦合系统成本的潜在方法。研究结果表明,钙钛矿电池的温度系数较低,因此钙钛矿电池-热电耦合系统的效率高于纯钙钛矿电池。为了降低系统的成本,钙钛矿电池-热电耦合系统应该采用热聚焦这一方法。此外,研究结果还表明钙钛矿电池-热电耦合系统需要对钙钛矿电池的红外发射率进行调控以提高系统的效率。
【图文】：

maxmin( ) ( )( E ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )lglghuEl x lxghuEhu huW J d I e d I e (3.1本章通过研究四种光伏电池(单晶硅电池，多晶硅薄膜电池，有机电池和铜铟镓硒电池)究光伏-热电耦合系统中的能量匹配机制。这四种光伏电池的结构如图 2.2 所示，其中光伏的面积为 2.5×2.5 cm2，结构的其它参数取自文献[74-76]。与硅电池和铜铟镓硒电池不同，有机电池中的左右载流子是通过激子的分离产生，其中的生成速率依旧可以通过朗伯-比尔定律计算，激子的传输和分离采用文献[77]中的方法计算(a)单晶硅电池 (b)多晶硅薄膜电池

度的升高而降低，因此当温度较低时，升温有助于提高有机电池的效率。但是当温度较高时，复合的影响大于接触电阻的影响，此时继续升温则会导致有机电池的效率下降。铜铟镓硒电池的温度特性介于硅电池和有机电池之间，当聚光比较小的时候，其温度特性类似于硅电池，当聚光比较高的时候，，其效率-温度曲线则为抛物线形。由此可见聚光比也是光伏电池的一个重要参数。对硅电池而言，提高聚光比有助于提高其效率，这主要是因为其复合的影响远高于串联电阻的影响。与硅电池不同，有机电池并不适合在聚光条件下工作，这是因为聚光会导致光电流提高，而有机电池的高串联电阻会产生较大的焦耳热。(a)单晶硅电池 (b)多晶硅薄膜电池
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM914.4

【参考文献】

相关期刊论文 前9条

1 张宇锋;林伟清;潘华清;孙振宁;刘向鑫;施天谟;郑金成;;利用热力学模型研究光伏—热电复合系统效率提升机制[J];科技导报;2013年24期

2 韩新月;王一平;朱丽;张辉;向海军;;液浸对聚光硅太阳电池电性能的影响[J];太阳能学报;2013年05期

3 全睿;唐新峰;全书海;黄亮;;串联式汽车尾气热电发电系统台架试验[J];上海交通大学学报;2012年05期

4 王一平;李文波;朱丽;韩新月;方振雷;;聚光光伏电池及系统的研究现状[J];太阳能学报;2011年03期

5 陈立东;熊震;柏胜强;;纳米复合热电材料研究进展[J];无机材料学报;2010年06期

6 孔建国;朱丽;王一平;孙勇;黄群武;;中倍聚光太阳电池液浸散热特性的模拟实验[J];太阳能学报;2009年12期

7 陈雪;宣益民;韩玉阁;;太阳能热光伏系统性能分析研究[J];中国科学(E辑:技术科学);2009年05期

8 徐鹏威;刘飞;刘邦银;段善旭;;几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进[J];电力电子技术;2007年05期

9 陈维;沈辉;舒碧芬;;光伏系统跟踪效果分析[J];中国科学技术大学学报;2006年04期

本文编号：2708739