热光伏系统性能优化的理论与实验研究

【摘要】热光伏（Thermophotovoltaic,简称TPV）技术是指将高温热源发射的红外辐射能通过半导体PN结直接转换成电能的技术。其具有输出功率密度高、应用能源形式多样、便携、运行安静和可实行热电联供等优点，在工业、商业、军事和航空航天等领域拥有巨大的实用价值。本文首先构建了大型燃气TPV实验系统，实验发现辐射器及电池存在温差降低了电池组件的输出性能。因此，建立了TPV系统理论模型，重点分析了组件串并联方式、辐射器和电池温度以及Rs和Rsh对组件输出性能的影响，并根据研究结果对实验系统进行了性能优化，发现改进后的TPV系统在不同实验工况下输出功率分别提高了20.24%和33.99%。然而，这一性能提高十分有限，因此本文通过近场效应来提高TPV系统性能。通过研究材料表面不同距离处光谱能流密度的大小来分析极化激元的强弱，探讨了材料表面温度对激元强度的影响。研究发现，材料的温度不改变表面声子极化激元的激发频率，仅改变极化激元的强度。材料表面温度越高，辐射能随温度升高越快。最后，本文建立了以SiC金属线谐振环超材料为辐射器的近场TPV系统，并计算了该TPV系统的输出性能，当真空间距d=10nm时，近场TPV系统输出功率高达1.32MWm-2，即面积约为18cm2的TPV电池就能满足家庭电功率所需的2.5kW。
【作者】徐晓杰；
【导师】吴玺；沈明荣；
【作者基本信息】苏州大学，光学工程，2014，硕士
【关键词】热光伏；近场辐射；系统效率；输出功率密度；

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