太阳能电池玻璃基板对流辐射复合传热特性的数值模拟

【摘要】：近年来太阳能薄膜电池的制造和应用得到了高速发展,其中铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池具有成本低、性能稳定、抗辐射能力强、高吸收效率和转化效率等优点,受到了国际光伏界的广泛关注。铜铟镓硒(CIGS)光伏电池是以玻璃基板上的铜铟镓硒为吸收层的高效薄膜太阳能电池,其CIGS (?)吸收层的制备工序需在热处理炉中进行,制备工序中对流辐射复合传热的过程关系到玻璃基板加热的均匀性、应力应变等重要问题。目前关于太阳能薄膜电池的研究主要集中在吸收层的化学制备及晶像分析上,而对炉内玻璃基板对流辐射受热的研究较少。本文通过数值模拟研究了扩散炉工作过程中炉内的流场、温度场分布及传热规律,分析了玻璃基板的受热情况与热流组成,进行了板件“热-结构”耦合的有限元应力应变模拟,发现最外侧板翘曲变形严重且与实际生产现象相符,最后提出改进措施并通过计算和实验进行了验证。 通过数值模拟研究了热处理炉内的流场分布,对炉内玻璃板对流辐射复合加热的工况进行了非稳态数值计算,得到了加热阶段不同时刻炉内工件的温度场和热流量,发现炉内外侧板和内侧板的加热升温机理存在明显不同,其中最外侧基板以辐射加热为主,板的两面受热不均衡且有厚度方向的向温度梯度；靠内侧的基板以对流加热为主且受热均衡。分析了最外侧易翘曲玻璃基板的温差应力,判断出厚向温差应力是导致翘曲变形的主要因素。 通过有限元模拟进行了玻璃板“热-结构”耦合应力应变计算。模拟得到的变形形状与变形量与实际生产现象相符,验证了板件热应力变形的分析判断。提出了采用低发射率玻璃代替石英舟原来采用的石英玻璃的改进方案,重新进行炉内对流辐射复合加热的数值模拟。结果证实改进后各玻璃板温度差异明显减少,最外侧板厚向温度梯度与厚向变形量明显变小,炉内加热均匀性得到明显提高,基本解决了板件翘曲变形的问题。 针对数值计算中采用的非灰体辐射模型设计了对流辐射复合换热的烘箱进行石英玻璃与浮法玻璃的红外辐射加热实验,结果显示实验与模拟中被加热板的温升曲线基本一致,验证了采用数值研究结果的可靠性。 【关键词】：扩散炉 数值模拟 对流辐射 翘曲变形
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ054;TM914.4
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-12
• 主要符号表12-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 研究背景和意义13-14
• 1.2 CIGS薄膜太阳能电池的结构14-15
• 1.3 CIGS薄膜的制备方法15-16
• 1.4 CIGS薄膜电池热硒化处理的研究现状16-20
• 1.4.1 CIGS薄膜硒化及退火研究进展16-17
• 1.4.2 玻璃基板热处理模拟研究现状17-19
• 1.4.3 热处理炉内工件加热模拟研究现状19-20
• 1.5 本文主要工作20-21
• 第2章 扩散炉对流辐射传热的数值模拟21-50
• 2.1 扩散炉模型21-26
• 2.1.1 数学模型23-25
• 2.1.2 网格划分25-26
• 2.2 流场模拟26-31
• 2.2.1 流动边界条件26
• 2.2.2 流场计算结果26-30
• 2.2.3 流场分析小结30-31
• 2.3 辐射模型31-35
• 2.3.1 非灰体辐射模型31-34
• 2.3.2 DO模型的边界条件34-35
• 2.3.3 玻璃热物性参数35
• 2.4 辐射模型实验验证35-41
• 2.4.1 实验装置35-37
• 2.4.2 实验步骤与结果37-39
• 2.4.3 数值模拟对比验证39-41
• 2.5 温度场模拟41-49
• 2.5.1 传热计算求解设置42-43
• 2.5.2 温度场计算结果43-44
• 2.5.3 基板热流量分析44-49
• 2.6 本章小结49-50
• 第3章 玻璃基板应力应变模拟50-60
• 3.1 玻璃退火理论简介50-51
• 3.2 玻璃基板应力应变分析51-53
• 3.3 玻璃基板应力应变模拟53-58
• 3.3.1 玻璃机械性质参数54
• 3.3.2 应力应变模拟步骤54-55
• 3.3.3 翘曲变形模拟结果55-58
• 3.4 变形机理分析58-59
• 3.4.1 基板永久变形成因58-59
• 3.4.2 基板变形总结59
• 3.5 本章小结59-60
• 第4章 扩散炉改进结构的传热数值模拟60-78
• 4.1 低辐射玻璃简介60-61
• 4.2 改进结构的数值模拟61-76
• 4.3 本章小结76-78
• 第5章 全文总结78-80
• 5.1 主要工作和结论78-79
• 5.2 主要创新点79
• 5.3 工作不足79-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-85
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文85-86
• 附件86

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