太阳能热电子发电的实验与理论基础研究

发布时间：2020-06-20 08:55

【摘要】：太阳能热电子发电是一种直接热电转换技术,理论发电效率可达60%-70%(耦合热力底循环),发展潜力巨大。热电子发电不仅可以完全依靠高温热能来驱动,还可以利用太阳光中的高频光子(大于热阴极禁带宽度)来增强热电子的发射,获得更高的转换效率。然而,高温热电子发射特性缺乏系统性的研究,热电转换的能量传递机制尚不清晰,光子增强热发电的热力学理论尚不完善,都有待进一步的研究。首先,研究了热电子的发射、极间输运及能量输出特性。实验研究表明,阴极温度影响阴极的热电子数和热发射的表面、极间能级分布。由于铯的物理吸脱附效应对阴极表面势垒的影响,热发射电流(或功率)随电极温度呈先增后减再增的变化趋势(阴极温度550℃具有极大值)。阴阳极间距则影响电子与铯碰撞几率、极间铯离化概率。试验表明,极间距增大,热发射电流减小,而输出电压将增大(阳极功函数下降所致)。通过实验研究光辐射下的热电子发射特性,发现了光致激发热电子发射效应,即铯原子在整个过程中作为电子传输的媒质。另外,通过研究具有高热发射特性的钡钨热阴极发现,当阴极温度为1200℃,其最大热发射短路电流达~160 mA/cm~2,最大热电子输出功率达~21.7 mW/cm~2,发电效率则为1.74%。而热发射电流随阴阳极间距增大呈指数递减趋势,极间距22μm时的热电子短路电流为198μm时的~21倍。本文提出了热电子致电效率的概念,用于表征热阴极发射至阳极的电子能量中有效电能输出的概率(其余能量转化为热能)。当阴极温度由900℃上升至1200℃,阴极功函数增长速率较阳极更大,阴阳极费米能级差增大,热电子致电效率由6%提升至11%。而当阴阳极间距由22μm增大至198μm时,极间积累电子数增多,极间电子势垒增大,阴阳极费米能级差增大,热电子致电效率则由11%提升至19%。其次,探究了光子增强热电子发射的物理机制。实验表明,PETE电流(和输出功率)大于TE电流(和输出功率),证实了PETE由热激发和光激发共同贡献。当极间距130μm,极间铯离化效应较显著,输出电流随极间距的增大而增大。而当极间距130μm,电子渡越时间增长,电子与铯的碰撞效应相对更显著,输出电流随极间距的增大而减小。阴极(晶格)温度升高,光激发电子在阴极体内扩散,与晶格发生热交换而损失的能量减少,发射至真空中的光电子数增多。而入射光的增强,一方面使得发射至真空的PETE电子数增多,另一方面PETE电子在阴极体内复合增强、与极间铯离子的碰撞复合增强,导致PETE电子数与光强呈非线性单调递增关系。入射光子波长增大,激发至导带中的光电子能量降低,能够克服表面势垒并发射至真空的光电子数相应减少。实验得到,当阴极温度为350℃时,300nm波长光子入射的PETE量子效率达~0.82%。此后,研究了太阳能热电子发电的热力学机理。理论推导并建立了太阳能热电子发电的能、熵、?模型。通过?模型计算得到,当聚光比为500倍时,光子增强热电子发射的?效率高达62.36%,其中光激发?流占比13.66%,电子热化?流占比48.70%,远高于相同条件下热电子发电的?效率(51.44%)。基于熵模型,定量分析了太阳能热电子发电过程中的热力学过程,提出了以电子为工质的热电子发电的温熵图。在热电子发电过程中,电子工质由费米能级热化,经外部负载重新返回费米能级。而在光子增强热电子发电过程中,电子工质则由导带热化,经循环后返回价带。这一能级差(即化学势)的存在使得光激发能量无需经声子的传递,直接并完全转换为电能,即该过程不产生熵增。最后,基于实验与理论研究,设计了适合于实际太阳能发电的碟式热电子-斯特林系统,讨论不同太阳光谱辐射强度对系统发电性能的影响。在聚光比500倍、镜场面积100m~2情况下,太阳能蝶式热电子-斯特林系统的峰值发电效率为34%-37%,年发电量约为119MWh。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM615

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