稀土輻射器TPV利用高溫余熱發電的性能研究

周 潔, 龐志偉, 盧曉嘯

(浙江大學 能源工程學系,杭州310027)

熱光伏(TPV)是將高溫輻射體的熱能直接轉換成電能的技術.熱輻射照在光伏電池上,電池吸收光能,大于電池帶隙的光子產生電子-空穴對,在電池內建電場作用下產生“光生電壓”,接上負載后獲得功率輸出.一個TPV系統主要由燃燒熱源、輻射器、濾波器及熱光伏電池等組件構成.TPV系統具有能量輸出密度高、無移動部件及可熱電聯產等優點,在工業節能和軍事領域有很好的應用前景.

熱電轉換效率和輸出功率密度是衡量TPV系統性能的重要參數.與黑體輻射器相比,選擇性輻射器可顯著提高TPV效率,國外已有研究人員對選擇性輻射器進行了大量研究[1-3].B.Bitnar等[4]對稀土氧化物氧化鐿(Yb2O3)和氧化鉺(Er2O3)輻射器的光譜選擇性能進行了分析,提出與灰體輻射器相比,Yb2O3輻射器的系統熱電轉換效率有大幅提高,但研究未涉及稀土輻射器與灰體輻射器在系統輸出功率方面的分析與比較.

濾波器是提高TPV系統熱電轉換效率的重要組件.目前,有關濾波器的研究主要集中在提高濾波器與光伏電池的匹配性能上[5-7].L.Mao等[8]對濾波器產生的光譜遷移進行了分析,并提出了部分短波輻射可被濾波器吸收后以長波輻射形式發出.

目前,對TPV的研究主要集中在為航天及軍事等領域供電的電源型TPV系統,對工業余熱回收的余熱型TPV系統研究尚較少.T.Bauer等[9]在2003年對TPV應用在玻璃工業余熱回收的前景進行了分析,提出了將TPV應用于一個生產能力為100 t/d的熔窯時,其發電功率可達到270 k W.但是,該方面的研究尚未涉及到余熱型TPV的具體結構和在不同工況下的工作性能.

本文針對高溫廢氣余熱回收設計的余熱型TPV系統,采用蒙特卡洛法(Monte Carlo method)對TPV系統的性能進行了分析,研究了稀土輻射器和TCO濾波器的光譜選擇特性在提高TPV熱電轉換效率上發揮的作用,同時討論了稀土層和濾波器對系統輸出功率的不利影響,設計了實驗裝置并對其進行了驗證.

1 模型與計算

1.1 發電原理

圖1為TPV系統余熱發電模型.多孔介質由SiC材料制成,高溫煙氣流過多孔介質時加熱輻射器.在多孔介質外側是一層致密的SiC,即SiC灰體輻射器,若在SiC層外涂上稀土氧化物便成為選擇性輻射器.輻射器以很高的表面溫度向外輻射能量,高能光子透過濾波器到達Si電池便產生電能.

圖1 TPV系統余熱發電模型Fig.1 Model of a TPV waste heat power generation system

SiC輻射器在整個灰體波長范圍內的發射率均為0.8;稀土材料氧化鐿(Yb2O3)的選擇性輻射集中在可見光、近紅外波段(0.6～1.2μm),與硅(Si)光伏電池匹配性能良好[4].圖2為稀土輻射器在各波段的發射率.

圖2 稀土輻射器在各波段的發射率Fig.2 Selective performance of rare-earth emitter

濾波器是回收低能光子的組件,透明導電氧化物(TCO)濾波器能較好地與硅電池匹配[10].圖3為TCO濾波器的光學透過率與反射性質.從圖3可知:TCO濾波器在λ＜1.2μm的波段有高透過率,在λ=1.0μm附近有一定的吸收性.

圖3 TCO濾波器的光學性質Fig.3 Optical property of TCO filter

與銻化鎵(GaSb)電池相比,Si電池具有價格低、易獲得等優點,適合應用在工業余熱回收需要大面積電池板的場合.冷卻水用來冷卻電池板,絕熱層用來防止熱量散失,在其上、下兩個表面涂有高反射率的金屬箔.輻射器與電池的視角系數為0.95.

1.2 蒙特卡洛法計算

蒙特卡洛法是一種統計學方法,通過跟蹤每個能束的軌跡,從輻射器表面開始直到該光束被吸收,模擬熱輻射能的傳遞,其計算流程示于圖4.

計算模型的幾何結構見圖1,輻射器表面發射性能見圖2,濾波器的選擇性能見圖3,輻射器與電池的視角系數為0.95.把總輻射能量Q分成能量相等的N束,取N=50 000,每束能量為:

式中:ελ為光譜發射率;eλb為光譜輻射力.

圖4 蒙特卡洛法的計算流程圖Fig.4 Flow chart of calculation by Monte Carlo method

指派給每個能束的波長,必須保證由蒙特卡洛過程產生的發射能量的譜分布與實際發射能量的譜分布相同,即指定N個能束的波長的隨機數等于波長的累積分布函數:

式中:σ為波爾茲曼常數.

對波長 λ進行離散 Δλ=0.05μm,將λ對Rλ的表格存入存儲器,對選定的Rλ值,利用內插法可得到λ值.

指定波長為λ的能束從輻射器發出到達濾波器后產生的隨機數為Rf,若Rf＜ρ(λ)則能束被反射回輻射器,否則被吸收或穿過.穿過的光束到達Si電池后產生的隨機數為Rc,B.Bitnar等[4]得到了Si電池效率 μ(λ)與波長的關系曲線:若Rc＜μ(λ),則能束轉化為電能,對該能束的跟蹤結束,重新對下一個能束跟蹤.對全部N個能束完成跟蹤后,輸出結果得到凈輻射能束個數L和產電能束個數S,便可得到系統的凈輻射能J和電能輸出功率PTPV,進而計算出TPV系統的效率ηTPV.

1.3 模型試驗

本試驗的目的是測試SiC灰體輻射器和稀土選擇性輻射器等不同輻射器TPV系統的工作性能及有、無濾波器對系統性能的影響,并驗證數值分析得出的結果.圖5為模型的試驗裝置示意圖.

圖5 模型的試驗裝置示意圖Fig.5 Schematic of experimental setup for a TPV waste heat power generation system

在試驗中,TPV系統采用平板式結構,輻射器、濾波器和電池板呈平行布置,輻射器距濾波器10 mm,電池板緊貼濾波器.

輻射器以SiC為基體,厚20 mm,表面上涂1 mm厚的稀土材料Yb2O3層,利用S型熱電偶測量輻射器表面溫度,其最高工作溫度為1 800 K.利用電加熱使輻射器獲得高溫.

選用厚度為5 mm的TCO濾波器,選用的Si電池在太陽光入射強度AM1.5時效率為16%,面積為0.2 m×0.2 m,通過調節冷卻水流量,使Si電池保持在50℃的溫度下工作,可在Si電池的輸出端測量其輸出功率.在試驗過程中,通過調功器調節電加熱功率,改變輻射器表面溫度,并可得到電池輸出功率隨輻射器溫度的變化關系.

2 結果與分析

2.1 稀土涂層的光譜選擇性分析

本文分別對SiC輻射器和稀土輻射器TPV系統進行了試驗研究.圖6為SiC輻射器和稀土輻射器TPV輸出功率密度的理論值與試驗值的比較.從圖6可知:在表面溫度T=1 650 K時,試驗值比計算值偏小,誤差為16%;在表面溫度T=1 450 K時,誤差則高達20%,產生誤差的原因是:①試驗中輻射器表面溫度分布具有一定的不均勻性;②裝置存在漏熱,因而使得投射到電池板的輻射熱流減少.

從圖6還可知:稀土輻射器比SiC輻射器的TPV系統輸出功率密度減小10%左右.在SiC灰體表面涂上稀土層后,功率密度下降的主要原因是稀土材料在λ＜1.2μm波段的發射率略低于SiC.在表面溫度T=1 600 K時,SiC輻射器的TPV電功率密度為1.6 k W/m2,在涂上稀土層后,則SiC輻射器的TPV電功率密度減小為1.4 kW/m2.

圖7為在不同工作溫度下SiC和稀土輻射器的TPV熱電轉換效率.利用MCM對SiC基體輻射器與稀土輻射器的熱電轉換效率進行了計算,由計算結果可知:在SiC基體上涂稀土層后,熱電轉換效率提高了2～3倍.如在表面溫度T=1 600 K時,SiC輻射器TPV熱電轉換效率只有6.8%,而涂上稀土層后熱電轉換效率可達到16.6%,提高近2.5倍.

圖6 SiC輻射器和稀土輻射器TPV輸出功率密度理論值與試驗值的比較Fig.6 Comparison of output power density between calculated and experimental data for TPV systems respectively with SiC/rare-earth emitter

與SiC輻射器相比,稀土輻射器極大地提高了熱電轉換效率,盡管輸出功率略有減小,但稀土輻射器TPV系統的綜合性能較好.

圖7 在不同工作溫度下SiC和稀土輻射器的TPV熱電轉換效率Fig.7 Efficiency of TPV systems respectively with SiC/rare-earth emitter at different working temperatures

2.2 濾波器的性能分析

本文對裝有TCO濾波器的TPV系統和未裝濾波器的TPV系統分別進行了試驗研究.圖8為有、無TCO濾波器TPV系統的功率密度理論值與試驗值的比較.從圖8可知:由于漏熱等因素的影響,與理論值相比,試驗值同樣偏小.由于濾波器對短波輻射有吸收作用,如在λ=1μm時吸收率高達0.2,濾波器吸收短波輻射的因素導致TPV系統的輸出功率下降20%～40%;在表面溫度T=1 600 K時,無濾波器TPV系統的功率密度可達2.1 k W/m2,可見,由于濾波器吸收短波輻射導致功率損失高達30%.

圖8 有無TCO濾波器TPV系統的功率密度理論值與試驗值的比較Fig.8 Comparison between calculated and experimental data for output power density of TPV system with or without filter

圖9 濾波器對TPV系統效率的影響Fig.9 Influence of filter on efficiency of TPV system

圖9 為濾波器對TPV系統效率的影響.從圖9可知:與無濾波器的TPV系統相比,裝有TCO濾波器的TPV系統的效率提高了3%～10%,裝有理想濾波器的TPV系統(當λ＜1.2μm時,穿透率τ=1,當 λ＞1.2μm時,反射率 ρ=1)的效率可達到20%～25%.

可見,雖然TCO濾波器提高了TPV系統的熱電轉換效率,但由于其吸收短波導致輸出功率大幅下降,因此目前的TCO濾波器還需進一步優化.在某些不需考慮余熱回收效率的場合下,對余熱型TPV系統,可以考慮不安裝TCO濾波器,這樣不但可以降低投資成本,而且可以提高輸出功率.

2.3 TPV系統的經濟性分析

與太陽能光伏發電相似,余熱型TPV的能量來自高溫廢氣,故不需要增加額外燃料成本,而且二者的主要元件都是Si電池.太陽能光伏發電受到日照時間、晝夜更替及陰雨天氣的影響.以杭州地區為例,年發電量僅為190 k W·h/m2,以系統壽命20年計算,發電成本高達1.8元/(k W·h).鋼鐵冶煉等耗能大戶,其生產過程中有大量1 000～1 800 K的廢氣,以玻璃熔窯為例,其廢氣溫度高達1 650 K,若將TPV輻射器加熱到1 600 K,余熱TPV能長時間穩定工作,按每年工作7 000 h、系統壽命10年計算,裝有TCO濾波器組件的TPV系統的熱電轉換效率為16%,發電成本為0.22元/(k W·h),若不考慮余熱利用效率,省去濾波器組件,發電成本僅為0.12元/(k W·h),具有良好的經濟性.表1為余熱TPV系統的經濟性分析.

表1 余熱TPV系統的經濟性分析Tab.1 Economical analysis of TPV waste heat power generation system

3 結束語

由稀土輻射器、TCO濾波器及Si電池組成的TPV系統用于工業高溫廢氣余熱回收具有可行性.針對TPV系統的不同形式進行了理論分析,并進行了試驗驗證,理論值與試驗結果吻合.SiC基體涂上稀土氧化物后,成為選擇性輻射器,可提高系統熱電轉換效率,同時對輸出功率影響不大.雖然TCO濾波器可大幅提高系統效率,但由于其吸收短波輻射導致輸出功率下降20%～40%,因此亟待研發性能更加優良的濾波器,以改善TPV系統性能.在不考慮余熱效率情況下,應用無濾波器組件的TPV系統的發電成本較低.

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