微热光电系统中光电池、隔热管及燃烧管的研究

论文摘要

从二十世纪90年代以来,随着材料科学以及微机电系统的迅速发展,人们开始对小型能源和微型能源产生了极高的兴趣。微热光电系统(MTPV)作为微系统和能源领域的结合体,由于其预期的能量密度可以达到现有最好电池的10～100倍,所以成为人们关注的重点。现有的微热光电系统的研究还处于初级阶段,其获得的能量密度还非常低。本文主要介绍了整个系统的三个部分:光电池、隔热管、及其系统控制。首先介绍了国内外微热光电(MTPV micro thermophotovoltaic)系统中关键元件光电池的性能及其主要参数如开路电压,短路电流密度,能量密度。并对现今TPV系统中所应用的Si、量子阱、GaSb和GaInAsSb光电池做了详细的介绍,分析了电池本身温度变化对其性能的影响。为了使光电池的性能在本系统中达到最佳水平,根据本系统的特点对其进行了结构的设计和改造。通过模拟光强的实验,获得了光源的光强变化与光电池各个参数的关系,这为后期真实光强的实验提供了宝贵的数据。通过系统真实的实验,获得了在SiC燃烧室氢氧混合燃烧的情况下,光电池的性能及其与温度、可燃气体的流量、辐射器表面温度和光强的关系。其次介绍了一种新的石英玻璃真空隔热管。为了提高系统的效率,其关键问题之一就是对光电池进行降温。因为光电池的性能与自身的温度成反比关系。为了满足这个要求可以使用隔热管,但是目前的隔热管尺寸大,不透光,或者透过的光谱范围不能按照光电池的特性选择,且大都是单层非真空的,隔热效果差,所以根本不能满足微热光电系统的特殊需要。本文设计了一种具有尺寸小,高透光率,高隔热率,且可以有目的地选择透过隔热管的光谱范围。还通过使用ANSYS软件进行模拟,获得了隔热管和整个系统的温度分布场。通过SiC燃烧室氢氧混合燃烧实验验证了隔热管的效果和隔热管表面镀膜的效果,及有无隔热管对系统的影响。最后研究了燃烧管的性能,分析了流量与开路电压Voc及燃烧管外壁温度C的关系以及流量比例与开路电压Voc的关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 课题研究的现状
• 1.3 本论文的研究内容
• 第二章 微热光电系统
• 2.1 微热光电系统的原理
• 2.2 微热光电系统的不足和改进
• 2.3 系统的机构模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 微热光电系统中的光电池
• 3.1 微热光电系统中的光电池的原理
• 3.2 微热光电系统中的光电池的结构
• 3.3 微热光电系统中的光电池的性能参数和测量
• 3.3.1 光电池的光谱响应和测量
• SC的直流测量'>3.3.2 短路电流密度J_SC的直流测量
• SC的干涉滤光片测量'>3.3.3 短路电流密度J_SC的干涉滤光片测量
• 3.3.4 光谱能量的测量
• 3.3.5 光电池的伏安曲线及串联电阻的测量
• 3.3.6 光电池的P-N结特性的测量
• 3.3.7 光电池负载特性的测试
• 3.3.8 光电池的输出功率
• 3.3.9 光电池的填充因数
• 3.3.10 光电池的效率η
• 3.3.11 电性能温度系数的测试
• 3.3.12 串联电阻的测量
• 3.4 微热光电系统中各种光电池的比较
• 3.4.1 传统的光电池
• 3.4.2 新工艺的光电池
• 3.4.3 低频带隙光电池
• 3.4.4 比较结论
• 3.5 微热光电系统中GaSb光电池的性能和参数
• 3.5.1 GaSb光电池的制造过程
• 3.5.2 GaSb光电池的参数
• 3.6 GaSb光电池的结构设计和改进
• 3.6.1 GaSb光电池的结构设计
• 3.7 模拟光强实验
• 3.7.1 模拟光强实验准备
• 3.7.2 模拟光强实验结果
• 3.8 SiC燃烧室氢氧混合燃烧实验
• 3.8.1 实验目的
• 3.8.2 实验准备
• 3.8.3 实验结果
• 3.9 本章小结
• 第四章 微热光电系统中的隔热管
• 4.1 微热光电系统中的隔热管的原理
• 4.2 微热光电系统中的隔热管的设计和制造
• 4.2.1 微热光电系统中的隔热管的设计
• 4.2.2 微热光电系统中的隔热管的制造
• 4.3 ansys模拟实验
• 4.4 SiC燃烧管氢氧混合燃烧实验中隔热管的性能
• 4.4.1 实验目的
• 4.4.2 实验准备
• 4.4.3 实验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 燃烧管
• 5.1 多空介质燃烧管的原理
• 5.2 SiC燃烧管氢氧混合燃烧实验
• 5.2.1 实验目的
• 5.2.2 实验准备
• 5.2.3 实验结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要研究结论
• 6.2 深入研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士期间发表的论文及专利