光伏-热电耦合系统的性能分析与匹配机制研究

随着能源危机的日益加剧,发展太阳能发电技术成为人类最迫切的需求之一。光伏电池是目前太阳能利用的主要方法之一,但是其无法利用波长较长的光子,此外热化损失会导致光伏电池对短波光子的利用率较低。热电器件对太阳光的波长没有要求,利用热电器件来弥补光伏电池的缺点可以实现太阳能的全光谱高效利用,因此越来越多的学者对光伏-热电耦合系统展开了研究。光伏-热电耦合系统的关键技术难题是光伏电池和热电器件对温度的需求不同。较高的温差可以提高热电器件的效率,但却有可能造成光伏电池的效率下降,因此需要对光伏-热电耦合系统中的能量匹配与能量传递机制展开研究,从而提高光伏-热电耦合系统的效率。本论文将围绕着光伏-热电耦合系统的全光谱太阳能高效利用展开研究,建立光伏-热电耦合系统的设计准则,主要研究内容包括:(1)光伏-热电耦合系统的能量匹配机制分析了单晶硅电池,多晶硅薄膜电池,有机电池和铜铟镓硒电池这四种电池对光伏-热电耦合系统的影响。与硅电池不同,有机电池和铜铟镓硒电池具有正温度特性,这一特性使得系统可以分配更多能量给热电器件。模拟结果还表明降低接触热阻、强化对流换热和提高聚光比都可以提高热电器件的可用能量。(2)光伏-热电耦合系统的传热过程与影响因素研究了聚光光伏-热电耦合系统中的热量传递过程。由于聚光光伏-热电耦合系统中热流密度较高,此时光伏电池表面的热损失可以忽略,而热电器件两端的热管理则是提高系统性能的关键性难点。研究结果表明采用均温板以及水冷则可以有效降低聚光光伏-热电耦合系统中的?损失,提高系统效率。(3)变辐照度工况下的光伏-热电耦合系统设计针对变辐照度工况对光伏-热电耦合系统进行了改进,提出了一种热电器件热阻可调的光伏-热电耦合系统,通过冷却水循环的开关来抑制太阳辐照度变化所导致的温度波动。实验结果与理论分析表明该设计可以使得光伏-热电耦合系统始终在最佳温度点附近工作,从而提高系统效率。(4)光伏-热电耦合系统的一体化设计通过一体化设计对光伏-热电耦合系统的结构进行简化,摒弃了传统光伏-热电耦合系统中的陶瓷板与均温板以强化换热,采用V型槽设计来强化光伏-热电耦合系统的全光谱吸收能力。测试结果表明,改进后光伏-热电耦合系统的效率可以提高20%。(5)光伏-热电耦合系统的电路匹配研究了不同电气连接方式对光伏-热电耦合系统性能的影响,阐明了光伏-热电耦合系统的电路匹配机制。对于热阻可调光伏-热电耦合系统和光伏-相变材料-热电耦合系统,太阳辐照度的变化难以造成光伏电池温度的大幅波动,因此对于这些系统,光伏电池和热电器件之间应该采用并联连接的电气连接方式。(6)钙钛矿电池在光伏-热电耦合系统中的应用探索了钙钛矿电池-热电耦合系统的可行性,阐明了钙钛矿电池的光学特性对钙钛矿电池-热电耦合系统效率的影响规律,探讨了降低钙钛矿电池-热电耦合系统成本的潜在方法。研究结果表明,钙钛矿电池的温度系数较低,因此钙钛矿电池-热电耦合系统的效率高于纯钙钛矿电池。为了降低系统的成本,钙钛矿电池-热电耦合系统应该采用热聚焦这一方法。此外,研究结果还表明钙钛矿电池-热电耦合系统需要对钙钛矿电池的红外发射率进行调控以提高系统的效率。