太阳能利用中的热物理基础理论及实验研究

【摘要】：由于人类社会发展及环境保护的需求,寻求可再生而洁净新能源取代有限的且污染环境的矿物燃料是全世界急迫和重要的课题。太阳能作为最丰富、最洁净的永久的能源,其高效利用和低成本地转换成电能,是当今研究的热点。太阳能传递和与接收器之间的能量转换过程,均是在开放的非平衡状态下进行的,而现有的经典辐射热力学是建立在平衡态空腔光子气模型的基础上,难以直接应用；另外现有的光热利用、光电利用或光电-热综合利用大多停留在以能量守恒定律来进行分析评价的层次,尚未系统地以热力学第二定律结合光谱特性进行太阳能利用分析和研究。因此有必要开展太阳能利用中的热物理基础理论研究,包括光谱有效能的表征,熵参数描述,开放系、非平衡态的太阳辐射能传递、转换过程的辐射热力学体系构建,辐射能与物质界面的光热、光电量子作用的机理探讨等。在此基础上提出科学利用太阳能的方法并进行相关实验研究。 本文在本课题组工作的基础上,主要的研究工作如下： 首先利用非平衡态辐射热力学的基础理论,对非平衡态辐射场,特别是对太阳能辐射接收器入口处的辐射能状态进行了描述和表征,区分了太阳辐射能在光热作用时显示宏观平均能量特性,和在光伏、光化作用时显示量子特性的两重性特点。根据太阳辐射能在传递中因为扩散性产生的能流密度降低和辐射流的光谱频率组成与太阳表面辐射相同的特点,计算了地面接收的太阳辐射能在热利用时比太阳表面辐射能降低的品位和熵增,确定了在光伏、光化作用时地面和太阳表面光谱辐射量子特性相同。 其次,研究太阳辐射能与物质作用的能量转换机理和增强措施。从研究和修正光与物质作用的机理入手,提出光子波模型假设,对光子波与物质中存在的原子核-原子核和原子核-电子两种简谐振子之间的作用过程进行了分析,结果与用经典波动理论分析得到的结果是一致的,一定程度上说明了光子波模型的正确性。光子波驱动力与物质表面层的分子、声子、原子核-电子简谐振子的频率不同,表现出不同光谱辐射的热作用和量子作用的不同机制,分子和声子吸收辐射能主要把辐射能转换为物质的热能,光与物质量子作用,辐射能激发物质内部的电子跃迁,辐射能转换为电能并伴随有热能。对影响半导体材料型的太阳辐射接收器的吸收系数和反射率等参数进行了详细分析,结果表明,拥有较小共振跃迁频率、较小能带隙和较大阻尼系数的半导体材料对有效太阳辐射的吸收率更高。 在此基础上,为提高光电转换效率,又利用光子波与物质作用模型,对单晶硅太阳电池表面镀膜材料光学性质进行了分析；又采用在太阳电池表面构造了多种不同形状,规则的、不规则的、有序的、无序的微结构表面,比较了它们对太阳辐射能吸收率的差别,结果显示,无序的表面微结构相对有序的表面微结构更利于太阳电池吸收率的提高；使用Needle法对用于光伏发电的光谱选择性透过涂层进行了分析和优化设计。 为了提高太阳辐射能的整体利用率,提出了两级透射-反射聚光分频电热联产系统的方案,分析了利用线聚焦菲涅耳透镜、光谱选择性透过涂层和太阳能集热管等部件构成的电热联产系统的光学行为和效率,计算结果表明,作者提出的系统,太阳能利用率高于相同条件下传统的太阳能聚光光伏系统,并有结构简单,成本低廉,易于生产的优势。 最后,为了改善传统聚光系统在太阳能光电池接收面上照射的光强不一致,降低光伏转换效率的问题,设计了等光强带聚焦菲涅耳透镜聚光器和折平板等光强反射聚光器。理论上,利用蒙特卡罗光线追迹法,对两种聚光器进行了考虑太阳辐射夹角的光学模拟,并对聚光器的结构参数对聚光效果的影响进行了分析,证明所设计的聚光器聚光均匀性都很好；实验上,在太阳双轴跟踪装置上安装了折平板等光强反射聚光光伏系统,采用CCD法对实验中折平板聚光器的聚光效果进行了测量,并对此条件下太阳电池单体和组件的伏安特性曲线进行了测试；实验结果与理论分析结果都符合得很好,系统中太阳电池单体和组件的光电转换效率均大于相同条件下半槽式抛物面聚光光伏系统中的太阳电池效率。折平板等光强聚光器的生产成本较低,便于加工,适用于中低倍数的太阳能聚光光伏系统中。 【关键词】：太阳能 辐射传热 光与物质的作用 光伏 电热联产 均匀聚光 分频 光谱选择性涂层 菲涅耳透镜 光学分析
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK519;TK121
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 目录10-13
• 第1章 绪论13-43
• 1.1 研究背景13-15
• 1.2 太阳能利用综述15-21
• 1.2.1 太阳辐射能15-16
• 1.2.2 太阳能资源和开发潜力16
• 1.2.3 太阳能利用发展现状16-21
• 1.2.4 太阳能利用理论和实验研究的意义21
• 1.3 太阳能利用中已有的一些重要理论21-28
• 1.3.1 经典黑体辐射基本定律21-22
• 1.3.2 太阳能传输到达地面接收器的照射辐射强度理论22-24
• 1.3.3 辐射接收器的辐射性质24-26
• 1.3.4 光电转换理论及光电池的材料光谱特性26-28
• 1.4 太阳能利用中需要研究的基础理论问题28-36
• 1.4.1 太阳能的品位属性和热力学表征问题28-30
• 1.4.2 太阳光合作用的负熵问题30-31
• 1.4.3 太阳发射、传输、接收过程的熵变问题31-33
• 1.4.4 地面上利用太阳能转化为电能的极限效率33-34
• 1.4.5 非平衡态辐射热力学问题34
• 1.4.6 光与物质作用的能量转换机制34
• 1.4.7 材料表面辐射性质研究34-35
• 1.4.8 分频和综合利用太阳能的理论基础及技术35-36
• 1.4.9 太阳能聚光技术和聚光光强分布问题36
• 1.5 本文研究内容36-38
• 参考文献38-43
• 第2章 非平衡态辐射场能量状态参数的表征43-59
• 2.1 引言43-44
• 2.2 非平衡辐射热力学系统44-45
• 2.3 非平衡辐射热力学系统能量参数表征45-48
• 2.3.1 光量子的能量参数45-46
• 2.3.2 辐射场边界的光谱能量参数46-47
• 2.3.3 辐射场边界单位面积单位时间半球向的辐射能参数47-48
• 2.4 辐射场能量的表征48-56
• 2.4.1 照射辐射强度和当量辐射温度49-50
• 2.4.2 照射辐射能的特征温度50-51
• 2.4.3 照射辐射能的能量、熵和有效能方程51-54
• 2.4.4 最佳接收温度54
• 2.4.5 状态参数分析54-56
• 2.5 小结56-57
• 参考文献57-59
• 第3章 光与物质作用的基础理论研究59-88
• 3.1 引言59-62
• 3.1.1 光的本质59-60
• 3.1.2 光与固态物质的作用形式60-62
• 3.2 光与物质作用的机理探究62-80
• 3.2.1 光子波模型假设62-65
• 3.2.2 物质中的简谐振子模型65
• 3.2.3 光与物质作用的力学模型65-71
• 3.2.4 结果与讨论71-80
• 3.3 物质表面微结构对光与物质作用的影响80-85
• 3.3.1 硅太阳电池模型80-82
• 3.3.2 模拟结果及分析82-85
• 3.4 小结85-86
• 参考文献86-88
• 第4章 聚光分频太阳能利用及其分频器的研究88-123
• 4.1 引言88-89
• 4.2 聚光光热利用系统89-94
• 4.2.1 聚光光热系统和光谱选择性吸收涂层89-90
• 4.2.2 光谱选择性吸收涂层最佳截止波长的求解和分析90-92
• 4.2.3 系统效率分析92-94
• 4.3 聚光分频光伏发电系统94-109
• 4.3.1 聚光光伏系统和光谱选择性透过涂层94-97
• 4.3.2 分频器的设计和优化97-106
• 4.3.3 系统效率分析106-109
• 4.4 反射聚光分频-反射光伏发电+透射光热利用系统109-113
• 4.4.1 系统原理109-110
• 4.4.2 分频器的设计和优化110-112
• 4.4.3 系统效率分析112-113
• 4.5 两级透射聚光分频-光伏发电+反射光热利用系统113-120
• 4.5.1 系统原理113-117
• 4.5.2 分频器的设计和分析117-119
• 4.5.3 系统效率分析119-120
• 4.6 小结120-121
• 参考文献121-123
• 第5章 等光强聚光光伏系统的理论和实验研究123-170
• 5.1 太阳能一维驱动二维跟踪器的研究123-130
• 5.1.1 技术背景123-125
• 5.1.2 二维太阳跟踪器实例和工作原理125-129
• 5.1.3 维太阳跟踪器特点和优越性129-130
• 5.2 等光强带聚焦菲涅耳透射聚光器设计和分析130-146
• 5.2.1 引言130-131
• 5.2.2 带聚焦菲涅耳透镜的设计131-136
• 5.2.3 带聚焦菲涅耳透镜的光学分析136-146
• 5.3 折平板等光强反射聚光器设计和分析146-160
• 5.3.1 引言146
• 5.3.2 折平板反射聚光器的设计146-150
• 5.3.3 折平板反射聚光器的光学分析150-160
• 5.4 折平板等光强反射聚光光伏系统实验研究160-166
• 5.4.1 能流密度分布和聚光效率测试160-164
• 5.4.2 系统I-V特性测试164-166
• 5.5 小结166-167
• 参考文献167-170
• 第6章 结论与展望170-174
• 6.1 结论与创新点170-172
• 6.1.1 结论170-171
• 6.1.2 创新点171-172
• 6.2 展望172-174
• 致谢174-175
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果175-176

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