应用于热光伏系统的选择性辐射器的制备及辐射性能的研究

【摘要】：热光伏技术(TPV)是通过热光伏电池直接将高温辐射能转换成电能的技术。TPV系统的突出优点在于具有较高的能量输出密度及理论效率,并且可使用多种形式的热源,具有便携、无移动部件、污染小及可同时产生电能和热能等优点,在工业、商业、军事和航空航天等众多领域有广泛的应用前景。 目前,热光伏技术研究的最大挑战在于如何最大化系统热电转换效率。在电池研究短时间内难以取得更大突破的情况下,高效的光谱调控手段对提升TPV系统效率至关重要。选择性辐射器是研究最多也是最主要的一种光谱调控手段。本文从材料和结构两个方面对选择性辐射器进行了研究。 首先,我们针对稀土元素类选择性辐射器研究中存在的辐射器高温热稳定性差的问题利用等离子喷涂技术在碳化硅片表面喷涂氧化铒制备出氧化铒涂层型选择性辐射器,高温测试结果表明这种涂层型辐射器在1400℃高温下具有很好的热稳定性。为了测试这种涂层型辐射器的选择性发射性能,我们测量了样品的高温法向光谱发射率和常温半球向光谱发射率,对涂层厚度对辐射性能的影响进行了分析,并以辐射光谱效率为评价指标对样品的选择性发射特性进行了讨论。结果表明当涂层厚度超过氧化铒的穿透深度(-100μm)后,碳化硅基底的影响可以忽略；样品在1550nm附近出现明显的选择性发射峰,可以与GaSb电池相匹配,但是由于高温下氧化铒在电池无法转化波段处(尤其是1.725-5μm波段处)的发射很强,不可转化的能量占总能量的比重很大,所以样品的辐射光谱效率并不比碳化硅辐射器高。因此对于稀土元素类选择性辐射器,有效抑制其带外发射对提高辐射器的辐射光谱效率至关重要。 针对氧化铒选择性辐射器存在的窄带发射和不可转化波段发射强的问题,接下来我们根据Ni2+的能级跃迁可以在可见光和近红外波段实现高发射的特点,研究了在高反射宿主材料氧化镁中掺杂氧化镍来制备选择性辐射器。利用常压烧结的方法,我们先制备了掺杂氧化镍的氧化镁陶瓷型选择性辐射器样品,测量了样品的光谱发射率,并对氧化镍含量对样品发射率的影响进行了分析,结果表明氧化镍含量越高,样品的选择性发射峰就越高,但同时其不可转化波段对应的发射也就越强。由于样品的选择性发射峰仍然比较窄,我们又在样品中掺杂了氧化铒,实验结果表明掺杂氧化铒可以拓展“氧化镍+氧化镁”样品近红外波段的发射峰宽度,但氧化铒含量的增多会使由Ni2+产生的发射峰有所降低。TPV系统模拟计算结果表明,受2.68～4.0μm波段发射的影响,氧化铒含量的增多对辐射器有效功率密度和电池效率的提升很小,并且辐射器的光谱效率和系统效率会出现大幅度的降低。以辐射器光谱效率和TPV系统效率为评价指标,在当前研究中,配比为MgO:NiO:Er2O3=63:27:10的样品辐射性能是最优的。在相同温度下,相比于SiC辐射器,采用该样品作为选择性辐射器,TPV系统效率理论上可以提高43.87%;在相同功率密度下(10W/cm2), TPV系统的电输出功率和系统效率理论上是SiC辐射器系统的5-6倍。 相比于材料类选择辐射器,结构类选择性辐射器利用微结构所产生的表面等离子体极化、微腔效应和光子禁带效应等来实现选择性发射,其可设计性更强。利用二氧化钒高熔点和高温下呈现金属相的特点,我们采用时域有限差分法对由二氧化钒构成的二维圆柱微腔和矩形微腔结构的光子晶体的光谱发射率进行了计算和分析,并结合谐振腔理论讨论了几何参数对二维光子晶体光谱发射率的影响,研究表明周期性微腔结构的二维光子晶体的选择性发射特性的实现主要取决于微腔效应,通过光波与微腔谐振模的耦合,可以增强光子晶体在波长小于微腔谐振基模波长(截止波长)波段的发射,实现选择性发射特性。截止波长的位置主要受微腔几何尺寸的影响,并且对微腔截面特征尺寸的变化更敏感,随着深度的增大,波长小于截止波长的波段的平均发射率逐渐增大。光子晶体的周期对截止波长的位置影响不大,但是受衍射模的影响,在与周期大小相等的波长附近,衍射模的存在会减弱腔体对光的吸收,使光子晶体在该波长附近的发射率出现明显的降低。不论微腔截面是圆形或是矩形,选择合适的尺寸都可以设计出与GaSb相匹配的性能优异的二维光子晶体选择性发射器,辐射器在电池可转化波段的发射率可以达到0.95以上,而在不可转化波段的发射率低于0.30。 【关键词】：选择性辐射器 氧化铒 氧化镁 氧化镍 光子晶体 微腔效应
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-40
• 1.1 热光伏技术介绍12-13
• 1.2 热光伏技术原理13-16
• 1.3 TPV辐射器的发展历程和研究现状16-31
• 1.3.1 材料型选择性辐射器16-21
• 1.3.2 微/纳米结构选择性辐射器21-31
• 1.4 本论文主要工作内容31-33
• 参考文献33-40
• 第2章 氧化铒涂层型选择性辐射器40-54
• 2.1 引言40
• 2.2 稀土离子的光谱特性40-41
• 2.3 氧化铒涂层型选择性辐射器的制备41-43
• 2.3.1 等离子喷涂原理41-42
• 2.3.2 样品的制备42-43
• 2.4 高温光谱法向发射率的测量43-46
• 2.5 结果和分析46-52
• 2.6 小结52-53
• 参考文献53-54
• 第3章 陶瓷材料选择性辐射器54-84
• 3.1 引言54-55
• 3.2 过渡金属离子Ni~(2+)的能级结构和光谱特性55-58
• 3.3 样品制备58-68
• 3.3.1 造粒过程58
• 3.3.2 成型过程58-59
• 3.3.3 烧结过程59-60
• 3.3.4 傅里叶变换红外光谱检测60-62
• 3.3.5 用环境扫描电镜观察样品的微观结构62-64
• 3.3.6 X射线衍射分析检测64-67
• 3.3.7 小结67-68
• 3.4 光谱发射率的测量和分析68-81
• 3.4.1 NiO掺杂的MgO的光谱发射率68-69
• 3.4.2 NiO含量对样品光谱发射率的影响69-71
• 3.4.3 掺杂Er_2O_3对样品光谱发射率的影响71-81
• 3.5 小结81-82
• 参考文献82-84
• 第4章 二氧化钒二维光子晶体型选择性辐射器84-110
• 4.1 引言84
• 4.2 二维光子晶体光谱调控机理84-88
• 4.3 二氧化钒的性质88-90
• 4.4 氧化钒光子晶体选择性辐射器的优化设计90-105
• 4.4.1 时域有限差分法(FDTD)90-93
• 4.4.2 结构参数对辐射器的影响93-105
• 4.5 小结105-107
• 参考文献107-110
• 第5章 总结与展望110-114
• 5.1 总结110-111
• 5.2 展望111-114
• 攻读学位期间发表的学术论文和取得的研究成果114-116
• 致谢116

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