基于超常介质的太阳能热光伏器件研究

发布时间：2020-03-30 06:20

【摘要】：随着能源的日益紧缺、环境的持续恶化,世界各国政府致力于寻求新型、清洁、可持续的能源。太阳能作为一种清洁能源,又是可再生能源,有着化石能源不可比拟的优越性从而被世界各国开发利用。太阳能热光伏发电是目前对于太阳能光热利用的一种新途径。太阳能热光伏系统较一般太阳能光伏系统具有高功率密度、高转换效率、无运动部件、易于维护等优点,具有广阔的应用前景。特别是在中国雾霾肆虐的今天太阳能热光伏系统的研究就显得更加急迫。本文研究了太阳能热光伏系统的运行机理,优化各个组成部件。具体研究包括以下几个方面:(1)针对太阳能热光伏系统建立完整的物理模型,分析其运行原理。通过分析各个部件的工作原理来优化其效率从而来提高整体的效率。分析基尔霍夫定律弄清楚热辐射的原理,以及超材料与一维光子晶体对太阳光的选择性的特性和光伏电池的禁带宽度等。以上这些都为优化设计太阳能热光伏系统提供了必要的理论指导。(2)提出一种基于超材料的十字架结构的选择性吸波器。超材料是一种人工设计、具有超常物理特性的电磁材料,基于超材料的太赫兹吸波材料在太阳能热光伏领域中有着许多潜在的应用。本文针对系统的选择性辐射器进行了研究。根据基尔霍夫定律可知物体的吸收率等于发射率,研究选择性辐射器相当于研究选择性吸波器。本文利用超材料吸波器的特性设计一种基于十字架结构的选择性吸波器并进行了理论分析。仿真结果表明,该吸波器在频率为129.3THz、波长为2.33um处吸收率达到了99.6%,可以与InGaAsSb光伏电池相匹配。该吸波器的材料选用钨、三氧化二铝,能满足太阳能热光伏系统对于工作温度的要求。(3)提出一种基于一维光子晶体的滤波器。本文针对系统的滤波器进行了研究,滤波器是主要作用是透射光伏电池所能吸收的电磁波,同时将光伏电池不能吸收电磁波反射回去给热辐射器加热。滤波器是实现热辐射器与光伏电池之间相匹配的器件,滤波器的好坏会直接影响到热光伏系统的转换效率,因此对其进行有关的研究是非常重要的。本文利用Macleod设计一种一维光子晶体滤波器并进行了理论分析。仿真结果表明,该滤波器截止波长为2um,短波平均透射率大于70%,长波平均反射率大于90%,可以与GaSb光伏电池相匹配,能大大提高太阳能热光伏系统的效率。
【图文】：

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第 2 章太阳能热光伏系统效率研究2.1 太阳能热光伏系统原理分析STPV 系统的简化结构如图 2.1 所示，其最重要的部分是放置于太阳和光伏电池之间的吸波-辐射单元，，如图所示与与太阳光相邻的部分为吸波器，与光伏电池相邻的部分为辐射器。基本原理是吸波－辐射单元的吸波器会将照射过来的太阳光吸收，从而加热辐射器使其温度上升，然后辐射器辐射恰恰高于光伏电池禁带宽度的窄带光谱，而滤波器作用是会让高于光伏电池禁带宽度的光通过其它的光会反射回辐射器继续加热。经过合理设计的滤波器的电磁波几乎全是能够被光伏电池吸收转换为电能。理想情况下，加入了滤波器的 STPV 系统的转换效率可达85%[10]。

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μ>0 ε< 0, μ<0 2.2 常规材料与左手材的折射示意图自从发现以来就一直受到了人们的注意料吸波器就为此研制出来了。超材料吸行合理设计，从而实现与自由空间的阻磁波产生接近于 100%吸收的吸波器。在特性首次制备出完美超材料吸波器[15]，介质层，下面是短导线（如图 2.4 所示）图 2.3 所示）。上层谐振环以中间导线为流分布对称，类似于电谐振环结构产生，这种反向平行电流就是磁谐振的特征磁波的电场和磁场分量，且在窄带下具
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM615;TM914.4

【参考文献】