輻射熱力學(xué)的基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用研究.pdf

1、太陽能作為輻射能的一種，與常見的熱能的性質(zhì)存在較大差別，最顯著的差別就是輻射具有頻率特性，輻射能的轉(zhuǎn)換如光電轉(zhuǎn)換具有頻率選擇特性。由于輻射熱力學(xué)理論至今還不很完善，使得太陽能光伏光熱利用長期以來多局限于熱力學(xué)第一定律的熱效率分析上，對太陽能的能量品位的有效利用缺乏根本性的理論指導(dǎo)。因此，加強(qiáng)太陽能非平衡輻射熱力學(xué)的基礎(chǔ)研究，可為提高太陽能利用效率，特別是有效能利用效率提供理論指導(dǎo)，為降低太陽能發(fā)電成本尋求更行之有效的途徑。 本文

2、首先就光譜輻射的熱力學(xué)問題開展研究，提出了表征光量子能量hv的品質(zhì)的新參數(shù)-光譜等效溫度Tλ，給出了Tλ與波長的關(guān)系式λTλ= c3=5.33016×10-3m·K。根據(jù)光譜等效溫度方程和光量子的能量表達(dá)式，導(dǎo)出了光量子熵常數(shù)sλ=3.72680×10-23 J/K，并證明通過sλ算出的黑體等效溫度等于黑體輻射溫度，驗(yàn)證了光量子熵常數(shù)結(jié)論的正確性。 在此基礎(chǔ)上，用Tλ和sλ討論了黑體光譜輻射力、平衡態(tài)空腔輻射能、開口系輻射流等的

3、有效能、熵參數(shù)、焓參數(shù)的表征及光子氣的狀態(tài)變化過程的熵變化。通過光譜輻射有效能的分析，證明用光譜等效溫度表示的適合光合作用的譜帶的輻射能的有效能效率大于以太陽溫度為高溫?zé)嵩吹目ㄖZ效率，從而解釋了文獻(xiàn)中出現(xiàn)的光合作用產(chǎn)生熵減的論點(diǎn)的產(chǎn)生原因。 其次，以平行平板間的等熱流非平衡輻射傳熱為例，對非平衡輻射熱力學(xué)進(jìn)行了研究，導(dǎo)出了非平衡輻射傳熱過程中的熵流、熵產(chǎn)、有效能和最大有效能傳輸效率時(shí)的最佳接收溫度的計(jì)算式。在此基礎(chǔ)上，討論了輻射

4、強(qiáng)度隨傳輸距離不斷減弱的非平衡輻射熱力學(xué)問題，提出了輻射強(qiáng)度系數(shù)和當(dāng)量輻射溫度的概念，并以太陽能熱接收轉(zhuǎn)換器為例，導(dǎo)出了以當(dāng)量輻射溫度表征的輻射能接收轉(zhuǎn)換熱效率，熵增強(qiáng)度，有效能輸出效率，最佳接收溫度的計(jì)算式。這些計(jì)算式具有與等輻射強(qiáng)度的輻射傳熱模型導(dǎo)出的計(jì)算式相同的形式，輻射強(qiáng)度變化的影響通過輻射強(qiáng)度系數(shù)由當(dāng)量輻射溫度體現(xiàn)；而熵產(chǎn)(熵增)因子只與太陽表面溫度和接收面溫度有關(guān)；同時(shí)還考察了聚光度對提高太陽能接收器有效能輸出效率的作用。

5、 再次，討論輻射能轉(zhuǎn)換器的輻射有效能不可逆損失的計(jì)算法，給出輻射能接收器的凈輻射熵差的計(jì)算式。針對太陽能光伏發(fā)電，提出了光量子在光電轉(zhuǎn)換中的能量效率的表示方法，給出了太陽電池光電轉(zhuǎn)換的理論效率極限，以及太陽電池的理論最佳帶隙和最佳截止波長。討論了光電轉(zhuǎn)換的驅(qū)動力，分析了光電躍遷的有效能的不可逆損失和熵增，給出了太陽電池中激發(fā)電子的有效能的表達(dá)式。 對輻射強(qiáng)度隨傳遞距離不斷減弱的輻射傳熱的熱力學(xué)研究結(jié)果表明，對于太陽能利用采

6、取聚光方法，可以提高太陽能接收轉(zhuǎn)換器的有效輻射密度，從而提高有效能輸出效率。因此，開展了太陽能聚光光伏實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)制造了一個菲涅耳透鏡聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)，硅光電池板貼在散熱鋁板上采用被動式散熱，系統(tǒng)幾何聚光比為23，實(shí)際聚光比約為12.9。室外測試結(jié)果表明，外接負(fù)載時(shí)最大輸出凈效率為7.60％，與非聚光發(fā)電相比，相同電池面積的最大輸出功率提高到5.6倍。 基于提出的與輻射頻率相關(guān)的輻射熱力學(xué)基礎(chǔ)理論，對太陽能聚光分頻利用電熱聯(lián)產(chǎn)的機(jī)

7、理進(jìn)行了探討，給出了太陽能光譜有效能函數(shù)以及太陽能二次反射聚光分頻利用光伏/光熱發(fā)電的設(shè)計(jì)方案，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了熱力性能分析，發(fā)電投資和成本比較。結(jié)果表明，對30倍聚光分頻的光伏/光熱發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電效率約0.095，熱發(fā)電效率0.043，總發(fā)電效率為0.139；與普通光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，單位面積硅光電池發(fā)電功率提高約16倍，投資成本和發(fā)電成本大大下降。 為分析分頻利用光伏/光熱發(fā)電方案的特點(diǎn)，建立了平板固定式、數(shù)倍聚光式、拋物

8、槽一次反射聚光式、碟形反射聚光分頻式和菲涅爾透鏡聚光式等五種光伏發(fā)電方式的光學(xué)系統(tǒng)和輻射能量轉(zhuǎn)換器的熱物理模型，進(jìn)行了能量效率和有效能利用效率分析，給出了地面太陽光譜輻射有效能的計(jì)算式，分析表明在光電池許可的溫度下適當(dāng)提高聚光比可大幅減少光電池的使用面積。 最后，介紹拋物面反射聚光分頻電熱聯(lián)產(chǎn)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展及相關(guān)的改進(jìn)建議。針對太陽能二次反射聚光分頻利用電熱聯(lián)產(chǎn)方案的缺點(diǎn)，提出幾種改進(jìn)的太陽能聚光分頻利用方案，介紹相關(guān)的原理性實(shí)驗(yàn)。