高效率热光伏电池系统的设计

论文摘要

热光伏电池系统作为一种新兴的绿色清洁能源技术,相对于太阳能光伏电池系统,具有较高的系统效率和输出能量密度,所以越来越受到人们的重视。加之现代微纳制造技术的迅速发展,相信在不久的将来,热光伏电池系统将取代传统的化学电池和太阳能电池,广泛应用于各个行业和领域。本文从整体上对热光伏电池系统做了数学抽象,建立了求解其性能的数学模型,主要对于设计高效率的热光伏电池系统做了比较详细的分析。首先,从基本的热辐射和热传递理论出发,结合近场传热的理论,建立了热光伏电池系统包含完整近场效应的求解模型,为分析和设计高效率的热光伏电池系统奠定了理论上的基础。其次,分析了带有光谱滤器的热光伏电池系统的性能。从采用修正的四分之一膜堆光谱滤波器出发,到后来利用改进的遗传算法优化多层膜的光谱滤波器,得到了全场高效率的热光伏电池系统。再次,分析了带有MIM（Meta-Insulator-Metal）型窄带红外发射光源的热光伏电池系统的性能。借助FDTD仿真方法,详细探讨了MIM型窄带红外热发射光源的发射特性包括发射谱的中心波长和中心波长处的发射率,与MIM型结构的材料参数以及几何参数的关系。最后,分析了一种带有完美后反射器的理想热光伏电池系统。分别讨论了这种理想系统的远场的极限和近场当真空间隙为零时的性能。在近场时,这种理想热光伏电池系统可以同时达到高的系统效率和高的输出功率密度。另外,得到的一些结论对于优化热光伏电池系统的性能,诸如发射源的材料的选择以及最优的真空间隙方面,具有很有益的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 热光伏电池技术
• 1.2 国内外发展和研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 2 热光伏电池系统的数学模型的建立
• 2.1 基本的热辐射和热传递理论
• 2.2 近场热传递理论
• 2.3 热光伏电池系统的数学模型抽象
• 2.4 本章小结
• 3 带有光谱滤波器的高效率热光伏电池系统的设计
• 2 光子晶体作为光谱滤波器的热光伏电池系统'>3.1 一维Si/SiO₂光子晶体作为光谱滤波器的热光伏电池系统
• 3.2 运用遗传算法优化多层膜堆光谱滤波器
• 3.3 带有不同光谱滤波器的热光伏电池系统的远场性能的比较
• 3.4 本章小结
• 4 带有选择性发射光源的高效率热光伏电池系统的设计
• 4.1 时域有限差分方法
• 4.2 材料的介电常数和色散
• 4.3 对MIM 型窄带红外发射光源的FDTD 仿真
• 4.4 带有MIM 型窄带红外发射光源的热光伏电池系统
• 4.5 本章小结
• 5 带有完美后反射器的高效率热光伏电池系统的设计
• 5.1 理想热光伏电池系统的远场极限
• 5.2 理想热光伏电池系统当真空间隙为零时的性能
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文