Renewable Energy：采用被动辐射冷却方法的温度相关近场热光伏性能分析

近日，山东高等技术研究院吴小虎研究员与河南师范大学于坤教授合作，在近场热光伏领域取得重要进展。辐射冷却（RC）是热光伏（TPV）等能源转换技术中通过中红外辐射散热多余热量的一种有效方法，对提高能源效率和支持碳减排工作至关重要。然而，TPV系统较低的温度导致了有限的功率密度。为了应对这一挑战，近场热光伏（NTPV）的概念被引入，利用近场效应来提高性能。本文建立了一个温度依赖的NTPV系统模型，包括发射体、光伏电池和RC模块，同时考虑了温度依赖的带隙能量和电池的介电常数。通过与其他两种配置进行比较，分析了所提系统的性能。此外，还分析了对流换热系数、RC模块与电池的面积比、选择性和宽带RCs对系统性能的影响。NTPV的独特特性，如热源和电池之间的显著辐射热交换，为RC技术带来了新的挑战和机遇。相关研究以“Performance analysis of temperature-dependent near-field thermophotovoltaics with passive radiative cooling approach”为题，发表在《Renewable Energy》。

热光伏（TPV）技术是一种高效利用热能的方式，通过将热能转化为电能实现能源回收。然而，传统TPV系统在低温条件下的功率密度较低，限制了其应用范围。近场热光伏（NTPV）技术通过缩小发射器与光伏电池之间的距离至微纳米尺度，利用近场效应显著提升系统性能。尽管如此，现有研究大多忽略了光伏电池温度变化对系统性能的影响。此外，被动辐射冷却（RC）技术作为一种可持续的散热方法，能够通过中远红外波段向天空辐射热量，降低光伏电池温度，从而提升系统效率。

该研究建立了考虑光伏电池温度依赖性带隙和介电常数的NTPV-RC系统模型，系统分析了不同配置下的性能差异。

图1 (a)由方解石薄膜制成的发射器和锑化铟半导体电池组成的NTPV-RC的原理图和(b)能量流图。(c) RC的吸收率和发射率。（d）在汽车发动机余热回收、余热锅炉、石油炼制工业的应用潜力。

结果表明，温度依赖性NTPV-RC系统在发射器温度为600 K、间隙为20 nm时，功率密度达到954.49 W/m²，效率达到44.63%，相较于传统NTPV系统分别提升了109.3%和13.6%。

图2 (a)功率密度P，(b)效率η，(c) NTPV模块的净能量交换Q_net，以及(d)电池温度T₂随外部电压的不同而变化。(e)三个系统以最大功率运行时的各种参数。在这里，T₁ = 600 K, d₀= 20 nm。

研究发现，对流换热系数（h_c）、辐射冷却模块与光伏电池的面积比（γ）以及不同类型的辐射制冷模块对系统性能有显著影响。通过优化这些参数，可以进一步提升系统的功率密度和效率。

图3 (a)对于不同的h_c，光谱热流随角频率的变化。(b) 温度相关NTPV-RC系统在其最大功率密度时的各种参数。这里T₁ = 600 K, d₀= 20 nm。

图4 (a)具有面积比的温度相关NTPV-RC系统原理图和能量流图。(b)系统在不同面积比下的功率密度。(c)系统的各种性能指标作为面积比的函数。这里T₁ = 600 K, d₀= 20 nm。

图5 (a)在不同湿度条件下各种类型的辐射制冷模块的光谱。橙色阴影区域代表AM 1.5太阳光谱。中红外波段阴影区域为不同湿度条件下AW透过率。(b)在潮湿条件下，三种RC光谱的温度相关NTPV-RC系统的功率密度。(c)三种类型在以最大功率运行时的各种参数。在这里，T₁ = 600 K, d₀= 20 nm。

                              供稿：课题组

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。