太陽(yáng)能利用中的熱物理基礎(chǔ)理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、由于人類社會(huì)發(fā)展及環(huán)境保護(hù)的需求，尋求可再生而潔凈新能源取代有限的且污染環(huán)境的礦物燃料是全世界急迫和重要的課題。太陽(yáng)能作為最豐富、最潔凈的永久的能源，其高效利用和低成本地轉(zhuǎn)換成電能，是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。太陽(yáng)能傳遞和與接收器之間的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，均是在開放的非平衡狀態(tài)下進(jìn)行的，而現(xiàn)有的經(jīng)典輻射熱力學(xué)是建立在平衡態(tài)空腔光子氣模型的基礎(chǔ)上，難以直接應(yīng)用；另外現(xiàn)有的光熱利用、光電利用或光電-熱綜合利用大多停留在以能量守恒定律來(lái)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)的層次，尚

2、未系統(tǒng)地以熱力學(xué)第二定律結(jié)合光譜特性進(jìn)行太陽(yáng)能利用分析和研究。因此有必要開展太陽(yáng)能利用中的熱物理基礎(chǔ)理論研究，包括光譜有效能的表征，熵參數(shù)描述，開放系、非平衡態(tài)的太陽(yáng)輻射能傳遞、轉(zhuǎn)換過(guò)程的輻射熱力學(xué)體系構(gòu)建，輻射能與物質(zhì)界面的光熱、光電量子作用的機(jī)理探討等。在此基礎(chǔ)上提出科學(xué)利用太陽(yáng)能的方法并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。
　　 本文在本課題組工作的基礎(chǔ)上，主要的研究工作如下：
　　 首先利用非平衡態(tài)輻射熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論，對(duì)非平衡態(tài)

3、輻射場(chǎng)，特別是對(duì)太陽(yáng)能輻射接收器入口處的輻射能狀態(tài)進(jìn)行了描述和表征，區(qū)分了太陽(yáng)輻射能在光熱作用時(shí)顯示宏觀平均能量特性，和在光伏、光化作用時(shí)顯示量子特性的兩重性特點(diǎn)。根據(jù)太陽(yáng)輻射能在傳遞中因?yàn)閿U(kuò)散性產(chǎn)生的能流密度降低和輻射流的光譜頻率組成與太陽(yáng)表面輻射相同的特點(diǎn)，計(jì)算了地面接收的太陽(yáng)輻射能在熱利用時(shí)比太陽(yáng)表面輻射能降低的品位和熵增，確定了在光伏、光化作用時(shí)地面和太陽(yáng)表面光譜輻射量子特性相同。
　　 其次，研究太陽(yáng)輻射能與物質(zhì)作用的

4、能量轉(zhuǎn)換機(jī)理和增強(qiáng)措施。從研究和修正光與物質(zhì)作用的機(jī)理入手，提出光子波模型假設(shè)，對(duì)光子波與物質(zhì)中存在的原子核-原子核和原子核-電子兩種簡(jiǎn)諧振子之間的作用過(guò)程進(jìn)行了分析，結(jié)果與用經(jīng)典波動(dòng)理論分析得到的結(jié)果是一致的，一定程度上說(shuō)明了光子波模型的正確性。光子波驅(qū)動(dòng)力與物質(zhì)表面層的分子、聲子、原子核-電子簡(jiǎn)諧振子的頻率不同，表現(xiàn)出不同光譜輻射的熱作用和量子作用的不同機(jī)制，分子和聲子吸收輻射能主要把輻射能轉(zhuǎn)換為物質(zhì)的熱能，光與物質(zhì)量子作用，輻射能

5、激發(fā)物質(zhì)內(nèi)部的電子躍遷，輻射能轉(zhuǎn)換為電能并伴隨有熱能。對(duì)影響半導(dǎo)體材料型的太陽(yáng)輻射接收器的吸收系數(shù)和反射率等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明，擁有較小共振躍遷頻率、較小能帶隙和較大阻尼系數(shù)的半導(dǎo)體材料對(duì)有效太陽(yáng)輻射的吸收率更高。
　　 在此基礎(chǔ)上，為提高光電轉(zhuǎn)換效率，又利用光子波與物質(zhì)作用模型，對(duì)單晶硅太陽(yáng)電池表面鍍膜材料光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析；又采用在太陽(yáng)電池表面構(gòu)造了多種不同形狀，規(guī)則的、不規(guī)則的、有序的、無(wú)序的微結(jié)構(gòu)表面，比較了它

6、們對(duì)太陽(yáng)輻射能吸收率的差別，結(jié)果顯示，無(wú)序的表面微結(jié)構(gòu)相對(duì)有序的表面微結(jié)構(gòu)更利于太陽(yáng)電池吸收率的提高；使用Needle法對(duì)用于光伏發(fā)電的光譜選擇性透過(guò)涂層進(jìn)行了分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 為了提高太陽(yáng)輻射能的整體利用率，提出了兩級(jí)透射-反射聚光分頻電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的方案，分析了利用線聚焦菲涅耳透鏡、光譜選擇性透過(guò)涂層和太陽(yáng)能集熱管等部件構(gòu)成的電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的光學(xué)行為和效率，計(jì)算結(jié)果表明，作者提出的系統(tǒng)，太陽(yáng)能利用率高于相同條件下傳統(tǒng)的太陽(yáng)

7、能聚光光伏系統(tǒng)，并有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，易于生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。
　　 最后，為了改善傳統(tǒng)聚光系統(tǒng)在太陽(yáng)能光電池接收面上照射的光強(qiáng)不一致，降低光伏轉(zhuǎn)換效率的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了等光強(qiáng)帶聚焦菲涅耳透鏡聚光器和折平板等光強(qiáng)反射聚光器。理論上,利用蒙特卡羅光線追跡法，對(duì)兩種聚光器進(jìn)行了考慮太陽(yáng)輻射夾角的光學(xué)模擬，并對(duì)聚光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)聚光效果的影響進(jìn)行了分析，證明所設(shè)計(jì)的聚光器聚光均勻性都很好；實(shí)驗(yàn)上，在太陽(yáng)雙軸跟蹤裝置上安裝了折平板等光強(qiáng)反射聚光光