稀土辐射器TPV利用高温余热发电的性能研究

周 洁, 庞志伟, 卢晓啸

(浙江大学 能源工程学系,杭州310027)

热光伏(TPV)是将高温辐射体的热能直接转换成电能的技术.热辐射照在光伏电池上,电池吸收光能,大于电池带隙的光子产生电子-空穴对,在电池内建电场作用下产生“光生电压”,接上负载后获得功率输出.一个TPV系统主要由燃烧热源、辐射器、滤波器及热光伏电池等组件构成.TPV系统具有能量输出密度高、无移动部件及可热电联产等优点,在工业节能和军事领域有很好的应用前景.

热电转换效率和输出功率密度是衡量TPV系统性能的重要参数.与黑体辐射器相比,选择性辐射器可显著提高TPV效率,国外已有研究人员对选择性辐射器进行了大量研究[1-3].B.Bitnar等[4]对稀土氧化物氧化镱(Yb2O3)和氧化铒(Er2O3)辐射器的光谱选择性能进行了分析,提出与灰体辐射器相比,Yb2O3辐射器的系统热电转换效率有大幅提高,但研究未涉及稀土辐射器与灰体辐射器在系统输出功率方面的分析与比较.

滤波器是提高TPV系统热电转换效率的重要组件.目前,有关滤波器的研究主要集中在提高滤波器与光伏电池的匹配性能上[5-7].L.Mao等[8]对滤波器产生的光谱迁移进行了分析,并提出了部分短波辐射可被滤波器吸收后以长波辐射形式发出.

目前,对TPV的研究主要集中在为航天及军事等领域供电的电源型TPV系统,对工业余热回收的余热型TPV系统研究尚较少.T.Bauer等[9]在2003年对TPV应用在玻璃工业余热回收的前景进行了分析,提出了将TPV应用于一个生产能力为100 t/d的熔窑时,其发电功率可达到270 k W.但是,该方面的研究尚未涉及到余热型TPV的具体结构和在不同工况下的工作性能.

本文针对高温废气余热回收设计的余热型TPV系统,采用蒙特卡洛法(Monte Carlo method)对TPV系统的性能进行了分析,研究了稀土辐射器和TCO滤波器的光谱选择特性在提高TPV热电转换效率上发挥的作用,同时讨论了稀土层和滤波器对系统输出功率的不利影响,设计了实验装置并对其进行了验证.

1 模型与计算

1.1 发电原理

图1为TPV系统余热发电模型.多孔介质由SiC材料制成,高温烟气流过多孔介质时加热辐射器.在多孔介质外侧是一层致密的SiC,即SiC灰体辐射器,若在SiC层外涂上稀土氧化物便成为选择性辐射器.辐射器以很高的表面温度向外辐射能量,高能光子透过滤波器到达Si电池便产生电能.

图1 TPV系统余热发电模型Fig.1 Model of a TPV waste heat power generation system

SiC辐射器在整个灰体波长范围内的发射率均为0.8;稀土材料氧化镱(Yb2O3)的选择性辐射集中在可见光、近红外波段(0.6～1.2μm),与硅(Si)光伏电池匹配性能良好[4].图2为稀土辐射器在各波段的发射率.

图2 稀土辐射器在各波段的发射率Fig.2 Selective performance of rare-earth emitter

滤波器是回收低能光子的组件,透明导电氧化物(TCO)滤波器能较好地与硅电池匹配[10].图3为TCO滤波器的光学透过率与反射性质.从图3可知:TCO滤波器在λ＜1.2μm的波段有高透过率,在λ=1.0μm附近有一定的吸收性.

图3 TCO滤波器的光学性质Fig.3 Optical property of TCO filter

与锑化镓(GaSb)电池相比,Si电池具有价格低、易获得等优点,适合应用在工业余热回收需要大面积电池板的场合.冷却水用来冷却电池板,绝热层用来防止热量散失,在其上、下两个表面涂有高反射率的金属箔.辐射器与电池的视角系数为0.95.

1.2 蒙特卡洛法计算

蒙特卡洛法是一种统计学方法,通过跟踪每个能束的轨迹,从辐射器表面开始直到该光束被吸收,模拟热辐射能的传递,其计算流程示于图4.

计算模型的几何结构见图1,辐射器表面发射性能见图2,滤波器的选择性能见图3,辐射器与电池的视角系数为0.95.把总辐射能量Q分成能量相等的N束,取N=50 000,每束能量为:

式中:ελ为光谱发射率;eλb为光谱辐射力.

图4 蒙特卡洛法的计算流程图Fig.4 Flow chart of calculation by Monte Carlo method

指派给每个能束的波长,必须保证由蒙特卡洛过程产生的发射能量的谱分布与实际发射能量的谱分布相同,即指定N个能束的波长的随机数等于波长的累积分布函数:

式中:σ为波尔兹曼常数.

对波长 λ进行离散 Δλ=0.05μm,将λ对Rλ的表格存入存储器,对选定的Rλ值,利用内插法可得到λ值.

指定波长为λ的能束从辐射器发出到达滤波器后产生的随机数为Rf,若Rf＜ρ(λ)则能束被反射回辐射器,否则被吸收或穿过.穿过的光束到达Si电池后产生的随机数为Rc,B.Bitnar等[4]得到了Si电池效率 μ(λ)与波长的关系曲线:若Rc＜μ(λ),则能束转化为电能,对该能束的跟踪结束,重新对下一个能束跟踪.对全部N个能束完成跟踪后,输出结果得到净辐射能束个数L和产电能束个数S,便可得到系统的净辐射能J和电能输出功率PTPV,进而计算出TPV系统的效率ηTPV.

1.3 模型试验

本试验的目的是测试SiC灰体辐射器和稀土选择性辐射器等不同辐射器TPV系统的工作性能及有、无滤波器对系统性能的影响,并验证数值分析得出的结果.图5为模型的试验装置示意图.

图5 模型的试验装置示意图Fig.5 Schematic of experimental setup for a TPV waste heat power generation system

在试验中,TPV系统采用平板式结构,辐射器、滤波器和电池板呈平行布置,辐射器距滤波器10 mm,电池板紧贴滤波器.

辐射器以SiC为基体,厚20 mm,表面上涂1 mm厚的稀土材料Yb2O3层,利用S型热电偶测量辐射器表面温度,其最高工作温度为1 800 K.利用电加热使辐射器获得高温.

选用厚度为5 mm的TCO滤波器,选用的Si电池在太阳光入射强度AM1.5时效率为16%,面积为0.2 m×0.2 m,通过调节冷却水流量,使Si电池保持在50℃的温度下工作,可在Si电池的输出端测量其输出功率.在试验过程中,通过调功器调节电加热功率,改变辐射器表面温度,并可得到电池输出功率随辐射器温度的变化关系.

2 结果与分析

2.1 稀土涂层的光谱选择性分析

本文分别对SiC辐射器和稀土辐射器TPV系统进行了试验研究.图6为SiC辐射器和稀土辐射器TPV输出功率密度的理论值与试验值的比较.从图6可知:在表面温度T=1 650 K时,试验值比计算值偏小,误差为16%;在表面温度T=1 450 K时,误差则高达20%,产生误差的原因是:①试验中辐射器表面温度分布具有一定的不均匀性;②装置存在漏热,因而使得投射到电池板的辐射热流减少.

从图6还可知:稀土辐射器比SiC辐射器的TPV系统输出功率密度减小10%左右.在SiC灰体表面涂上稀土层后,功率密度下降的主要原因是稀土材料在λ＜1.2μm波段的发射率略低于SiC.在表面温度T=1 600 K时,SiC辐射器的TPV电功率密度为1.6 k W/m2,在涂上稀土层后,则SiC辐射器的TPV电功率密度减小为1.4 kW/m2.

图7为在不同工作温度下SiC和稀土辐射器的TPV热电转换效率.利用MCM对SiC基体辐射器与稀土辐射器的热电转换效率进行了计算,由计算结果可知:在SiC基体上涂稀土层后,热电转换效率提高了2～3倍.如在表面温度T=1 600 K时,SiC辐射器TPV热电转换效率只有6.8%,而涂上稀土层后热电转换效率可达到16.6%,提高近2.5倍.

图6 SiC辐射器和稀土辐射器TPV输出功率密度理论值与试验值的比较Fig.6 Comparison of output power density between calculated and experimental data for TPV systems respectively with SiC/rare-earth emitter

与SiC辐射器相比,稀土辐射器极大地提高了热电转换效率,尽管输出功率略有减小,但稀土辐射器TPV系统的综合性能较好.

图7 在不同工作温度下SiC和稀土辐射器的TPV热电转换效率Fig.7 Efficiency of TPV systems respectively with SiC/rare-earth emitter at different working temperatures

2.2 滤波器的性能分析

本文对装有TCO滤波器的TPV系统和未装滤波器的TPV系统分别进行了试验研究.图8为有、无TCO滤波器TPV系统的功率密度理论值与试验值的比较.从图8可知:由于漏热等因素的影响,与理论值相比,试验值同样偏小.由于滤波器对短波辐射有吸收作用,如在λ=1μm时吸收率高达0.2,滤波器吸收短波辐射的因素导致TPV系统的输出功率下降20%～40%;在表面温度T=1 600 K时,无滤波器TPV系统的功率密度可达2.1 k W/m2,可见,由于滤波器吸收短波辐射导致功率损失高达30%.

图8 有无TCO滤波器TPV系统的功率密度理论值与试验值的比较Fig.8 Comparison between calculated and experimental data for output power density of TPV system with or without filter

图9 滤波器对TPV系统效率的影响Fig.9 Influence of filter on efficiency of TPV system

图9 为滤波器对TPV系统效率的影响.从图9可知:与无滤波器的TPV系统相比,装有TCO滤波器的TPV系统的效率提高了3%～10%,装有理想滤波器的TPV系统(当λ＜1.2μm时,穿透率τ=1,当 λ＞1.2μm时,反射率 ρ=1)的效率可达到20%～25%.

可见,虽然TCO滤波器提高了TPV系统的热电转换效率,但由于其吸收短波导致输出功率大幅下降,因此目前的TCO滤波器还需进一步优化.在某些不需考虑余热回收效率的场合下,对余热型TPV系统,可以考虑不安装TCO滤波器,这样不但可以降低投资成本,而且可以提高输出功率.

2.3 TPV系统的经济性分析

与太阳能光伏发电相似,余热型TPV的能量来自高温废气,故不需要增加额外燃料成本,而且二者的主要元件都是Si电池.太阳能光伏发电受到日照时间、昼夜更替及阴雨天气的影响.以杭州地区为例,年发电量仅为190 k W·h/m2,以系统寿命20年计算,发电成本高达1.8元/(k W·h).钢铁冶炼等耗能大户,其生产过程中有大量1 000～1 800 K的废气,以玻璃熔窑为例,其废气温度高达1 650 K,若将TPV辐射器加热到1 600 K,余热TPV能长时间稳定工作,按每年工作7 000 h、系统寿命10年计算,装有TCO滤波器组件的TPV系统的热电转换效率为16%,发电成本为0.22元/(k W·h),若不考虑余热利用效率,省去滤波器组件,发电成本仅为0.12元/(k W·h),具有良好的经济性.表1为余热TPV系统的经济性分析.

表1 余热TPV系统的经济性分析Tab.1 Economical analysis of TPV waste heat power generation system

3 结束语

由稀土辐射器、TCO滤波器及Si电池组成的TPV系统用于工业高温废气余热回收具有可行性.针对TPV系统的不同形式进行了理论分析,并进行了试验验证,理论值与试验结果吻合.SiC基体涂上稀土氧化物后,成为选择性辐射器,可提高系统热电转换效率,同时对输出功率影响不大.虽然TCO滤波器可大幅提高系统效率,但由于其吸收短波辐射导致输出功率下降20%～40%,因此亟待研发性能更加优良的滤波器,以改善TPV系统性能.在不考虑余热效率情况下,应用无滤波器组件的TPV系统的发电成本较低.

[1] TOBLER W,DURISH W.Plasma-spray coated rare-earth oxides on molybdenum disilicide——high temperature stable emitters for thermophotovoltaics[J].Applied Energy,2008,85(5):371-383.

[2] JOVANOVIC N,CELANOVIC I,KASSAKIAN J.Two-dimensional tungsten photonic crystals as thermophotovoltaic selective emitters[C]//Thermophoto- voltaic Generation of Electricity 7th Conference.Madrid,Spain:[s.n.],2007:47-55.

[3] LICCIULLI A,DISO D,TORSELLO G,et al.The challenge of high-performance selective emitters for thermophotovoltaic applications[J].Semiconductor Science and Technology,2003,18(5):S174-S183.

[4] BITNAR B,DURISCH W,MAYOR J C,etal.Characterisation of rare earth selective emitters for thermophotovoltaic applications[J].Solar Energy Materials&Solar Cells,2002,73(3):221-234.

[5] MAO L,YE H.New development of one-dimensional Si/SiO2photonic crystals filter for thermophotovoltaic applications[J].Renewable Energy,2010,35(1):249-256.

[6] FRANCIS O,IVAN C,NATALIJA J,et al.Optical characteristics of one-dimensional Si/SiO2photonic crystals[J].Journal of Applied Physics,2002,92(4):1816-1820.

[7] 卯磊,叶宏.采用TCOs滤波器的硅电池热光伏系统的性能研究[J].太阳能学报,2009,30(1):81-88.MAO Lei,YE Hong.Investigation on performance of TPV based on silicon converter with transparent conducting oxides filter[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2009,30(1):81-88.

[8] MAO L,HONG H.Thermal modeling for thermophotovoltaic systems adopting the radiation network method[J].Solar Energy Materials&Solar Cells,2009,93(10):1705-1713.

[9] BAUER T,FORBES I,PENLINGTON R,et al.The potential of thermophotovoltaic heat recovery for the glass industry[C]//Thermophotovoltaic Generation of Electricity 5th Conference.New York,America:[s.n.],2002:101-110.

[10] 张邓杰,王江峰,王家全.水泥窑余热发电技术的分析及优化[J].动力工程,2009,29(9):885-890.ZHANG Dengjie,WANG Jiangfeng,WANG Jia quan,et al.Analysis and optimization on waste heat recovery power generation technology in cement kilns[J].Journal of Pow er Engineering,2009,29(9):885-890.