【摘 要】
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太阳能在众多可再生能源中,因其储量丰富,分布广泛和无污染等优点而备受关注,其在众多可再生能源中最具有发展潜力。在太阳能光伏电池中,激发电子-空穴对只需要与光伏电池禁带值相当的光子能量,其余的光子能量都将以热能的形式浪费。这部分能量导致光伏电池温度升高,降低光伏电池效率。因为热电模块能将热能直接转化成电能,所以热电模块被引入光伏电池系统,组成对太阳能利用更加充分的光伏-热电耦合系统。为了降低系统成本
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太阳能在众多可再生能源中,因其储量丰富,分布广泛和无污染等优点而备受关注,其在众多可再生能源中最具有发展潜力。在太阳能光伏电池中,激发电子-空穴对只需要与光伏电池禁带值相当的光子能量,其余的光子能量都将以热能的形式浪费。这部分能量导致光伏电池温度升高,降低光伏电池效率。因为热电模块能将热能直接转化成电能,所以热电模块被引入光伏电池系统,组成对太阳能利用更加充分的光伏-热电耦合系统。为了降低系统成本,提升光伏-热电耦合系统的经济性能,采用聚光元件提升光伏电池表面的太阳辐照强度。但是,由于聚光元件在电池表面产生的不均匀辐照度分布,影响电池的光电转换效率,因此需要对聚光系统进行改进,提升电池表面辐照度分布的均匀性。电池表面辐照度增加,热化过程和低能光子产热急剧增加,电池温度升高。电池温度升高导致负温度系数的光伏电池效率降低,但是有益于效率随温度升高而增加的热电模块,两者之间温度不匹配的问题更加突出。为了解决上述问题,提高聚光光伏-热电耦合系统对太阳能的利用率,本文主要目的是对聚光光伏-热电耦合方法与系统性能进行研究。具体研究内容包括以下几个方面:1.聚焦光斑均匀分布的聚光透镜设计基于太阳能聚光光伏发电系统,提出了一种辐照度分布均匀,用于聚光光伏电池系统的新型聚光透镜设计方法。根据菲涅尔透镜设计的几何光学原理,建立聚光透镜的理论模型,采用蒙特卡洛法对聚光透镜模型进行光线追迹模拟分析。将新型聚光透镜性能与菲涅尔透镜性能进行对比。2.聚光光伏-热电耦合系统的热力学理论模型和理论分析方法在光伏-热电耦合系统中加入聚光元件,提升光伏电池表面单位面积的太阳辐照强度,有效降低系统成本。对能量在聚光光伏-热电耦合系统中传递过程中产生的不可逆损失分析,深入了解太阳能在系统的传递规律需要借助热力学第二定律分析。因此,有必要基于热力学第二定律,建立典型的光伏电池组成的聚光光伏-热电耦合系统的理论模型和理论分析方法。对太阳能在耦合系统中的不可逆损失机理进行分析,研究降低不可逆损失的方法。3.聚光光伏-相变-热电耦合系统性能实验研究在聚光光伏-热电耦合系统中,由于聚光系统作用,负温度系数的光伏电池和热电模块之间温度不匹配的问题更加严重。采用具有温度调控的作用的相变材料,结合三结In Ga P/In Ga As/Ge光伏电池和相变材料,建立光伏-相变-热电耦合系统实现提高光伏电池对太阳能的利用率的目的。研究了聚光比、聚焦光斑均匀性、光伏电池与热电模块的耦合方式和冷却条件对耦合性能的影响。相变材料具有降低和稳定光伏电池温度的作用,研究相变材料对光伏-热电耦合系统性能调控作用。4.聚光热光伏-热电耦合系统理论模型、理论分析方法及实验研究为了充分利用聚光热光伏电池系统中热光伏电池无法利用的发射器发射的高温热辐射能,解决热光伏电池和热电模块之间温度相互影响的问题,建立新型热光伏-热电（STPV-TE）耦合系统的理论模型和分析方法。根据对STPV-TE耦合系统的理论分析的结果,建立STPV-TE耦合实验系统,采用验证STPV-TE系统的可行性,研究吸收器/发射器温度对热光伏电池温度、热电模块温度的影响。在相同的冷却条件下,对比单独STPV电池系统和STPV-TE耦合系统性能。
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