新型光伏電池混合系統(tǒng)和光伏制氫系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究.pdf

1、能源作為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心動(dòng)力，促進(jìn)了人類(lèi)社會(huì)的變革與生產(chǎn)力水平的提高，但是傳統(tǒng)化石能源的過(guò)度使用，導(dǎo)致了資源的緊缺與嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者把目光投向了太陽(yáng)能、氫能、風(fēng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉?。其中，光伏電池作為最有前景的新能源形式之一，既可作為?dú)立能源，也可并網(wǎng)發(fā)電；而氫能由于其具有高熱值，儲(chǔ)量豐富和清潔等優(yōu)點(diǎn)，故被認(rèn)為是未來(lái)最有前景的能源載體之一。另一方面，光伏制氫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電和電解水制氫兩種綠色能源生產(chǎn)方式的結(jié)合，

2、以氫氣為燃料的燃料電池是氫能利用的代表性裝置之一，它可以提供高效，穩(wěn)定和無(wú)污染的電能，而且高溫燃料電池廢熱的循環(huán)利用，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)整體的能量效率，因此對(duì)光伏電池混合系統(tǒng)，光伏制氫系統(tǒng)和燃料電池混合系統(tǒng)性能及其優(yōu)化性能進(jìn)行研究，不僅有理論意義，而且有實(shí)用價(jià)值，對(duì)開(kāi)發(fā)可再生能源、發(fā)展新能源技術(shù)、能源的高效利用、改善生態(tài)環(huán)境、開(kāi)拓交叉學(xué)科領(lǐng)域研究等具有重要意義。
　　基于以上原因，本論文主要研究光伏電池混合系統(tǒng)，光伏制氫系統(tǒng)和燃料電

3、池混合系統(tǒng)等幾種新型混合能量系統(tǒng)的性能特性，詳細(xì)分析了系統(tǒng)內(nèi)一些重要參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能特性及優(yōu)化性能的影響，優(yōu)化系統(tǒng)的重要性能參數(shù)，建立了相應(yīng)的優(yōu)化理論。相關(guān)的研究?jī)?nèi)容安排在第二章到第六章。
　　在第二章中，簡(jiǎn)要說(shuō)明了太陽(yáng)輻射度和輻射功率的概念，分析了太陽(yáng)能電池的反射損失。建立了光子增強(qiáng)熱離子發(fā)射太陽(yáng)能電池這一新型太陽(yáng)能電池的數(shù)學(xué)模型，從能量轉(zhuǎn)換的角度出發(fā)，結(jié)合有限時(shí)間熱力學(xué)和非平衡態(tài)熱力學(xué)理論，導(dǎo)出了光子增強(qiáng)熱離子發(fā)射太陽(yáng)能電池的效

4、率和功率的一般表達(dá)式，分析了空間電荷效應(yīng)對(duì)光子增強(qiáng)熱離子發(fā)射太陽(yáng)能電池性能的影響，詳細(xì)討論了該類(lèi)太陽(yáng)能電池的性能特性。
　　在第三章中，建立了一類(lèi)考慮實(shí)際系統(tǒng)中所存在的多種傳熱損失下的不可逆光子增強(qiáng)熱離子發(fā)射太陽(yáng)能電池與溫差熱電發(fā)電器組合而成的混發(fā)電系統(tǒng)模型，基于太陽(yáng)能電池與溫差熱電發(fā)電器之間的能量平衡方程，推導(dǎo)出該混合系統(tǒng)輸出功率和效率的表達(dá)式。通過(guò)數(shù)值計(jì)算，詳細(xì)討論了光子增熱離子發(fā)射太陽(yáng)能電池的面積、電子親和勢(shì)、陰極半導(dǎo)體材料

5、的禁帶寬度以及溫差熱電發(fā)電器無(wú)量綱電流對(duì)混合系統(tǒng)優(yōu)化性能的影響，確定混合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于最大效率下光子增強(qiáng)熱離子太陽(yáng)能電池陰極材料的禁帶寬度，電子親和勢(shì)，電池面積和溫差熱電發(fā)電器的無(wú)量綱電流的優(yōu)化值，并對(duì)溫差熱電不同材料對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明采用混合系統(tǒng)，太陽(yáng)能能轉(zhuǎn)換效率可提高約10％，而光增熱離子太陽(yáng)能電池陰極半導(dǎo)體材料禁帶寬度在最大效率下的優(yōu)化值則比單一光增熱離子太陽(yáng)能電池的小。
　　在第四章中，建立了一類(lèi)光伏電池

6、驅(qū)動(dòng)堿性電解槽制氫混合系統(tǒng)的電和熱模型?；跓崃W(xué)和電化學(xué)的理論，得到了系統(tǒng)的效率表達(dá)式。對(duì)光伏陣列和電解槽系統(tǒng)之間的匹配問(wèn)題進(jìn)行了討論。通過(guò)數(shù)值模擬，優(yōu)化了制氫系統(tǒng)的效率。對(duì)系統(tǒng)中一些諸如太陽(yáng)輻射，電解槽的操作溫度，壓縮機(jī)效率和回?zé)崞餍实戎匾獏?shù)，以及光伏電池禁帶寬度和理想因子對(duì)制氫效率的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析。結(jié)果表明當(dāng)電解槽系統(tǒng)工作在鄰近光伏電池的最大功率點(diǎn)效率時(shí)，制氫效率將達(dá)到最大值?；旌舷到y(tǒng)中各種參數(shù)對(duì)最大制氫效率的影響有明顯

7、不同。
　　在第五章中，建立了一類(lèi)不可逆固體氧化物燃料電池與半導(dǎo)體溫差熱電發(fā)電器/真空熱離子發(fā)電器混合發(fā)電系統(tǒng)模型，基于非平衡態(tài)熱力學(xué)理論，導(dǎo)出混合系統(tǒng)一些重要性能參數(shù)諸如輸出功率、效率和溫差熱電開(kāi)始工作時(shí)燃料電池的電流密度等的一般表達(dá)式，分析系統(tǒng)的性能特性和優(yōu)化性能，給出系統(tǒng)在最大輸出功率或最大效率時(shí)的優(yōu)化條件，確定了系統(tǒng)一些重要性能參數(shù)的優(yōu)化工作區(qū)域，詳細(xì)討論系統(tǒng)的一些主要不可逆性對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化性能的影響，得到一些有意義的新結(jié)論。

8、
　　在第六章中，提出了一種固體氧化物燃料電池廢熱利用的新模型，基于熱力學(xué)和電化學(xué)理論，推導(dǎo)出了新系統(tǒng)效率的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)固體氧化物燃料電池與溫差熱電發(fā)電器的耦合進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上討論了溫差熱電驅(qū)動(dòng)電解槽制氫的匹配，并將混合系統(tǒng)和單獨(dú)燃料電池效率進(jìn)行比較，揭示了系統(tǒng)重要參數(shù)對(duì)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新混合系統(tǒng)能有效提高燃料電池的效率，該新系統(tǒng)可以有效的將燃料電池的廢熱轉(zhuǎn)換成氫氣，提高能源利用效率。
　　本文建立了新型光伏電