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一种基于多孔介质燃烧的辐射可控热光电系统综合实验特性
Philippe Gentillon1，Siddharth Singh2，Suhas Lakshman2
Zhaolun Zhang2，Appu Paduthol1，N.J. Ekins-Daukes1
Qing N. Chan1，Robert A. Taylor1,2
- 新南威尔士大学光伏与可再生能源工程学院，澳大利亚新南威尔士州2052新南威尔士大学
- 新南威尔士大学机械与制造工程学院，澳大利亚新南威尔士州2052新南威尔士大学
摘 要
高温的燃烧系统适合与热光电系统配合使用，在实际上，减少热损失以及降低燃烧源的辐射与光伏（PV）电池的光谱响应之间的光谱失配是相当困难的。为了将这两种同样以能量为中心的不同研究领域整合在一起，本文探索了在一种基于新型多孔介质燃烧的热光电（PMC-TPV）反应器上使用低成本的Er2O3涂层来实现连续的热电联产的方法。
文中分析了包括非涂层多孔泡沫，涂层多孔泡沫和涂层石英容器在内的三种不同材料结构，同样，本研究提供了多孔介质燃烧热光电系统的所有关键组件的首次深入分析和性能描述，包括24个锑化镓（GaSb）光伏电池阵列的详细特性，该阵列连接到一个散热器，用于收集高温（gt;1200℃）的钇稳定氧化锆/氧化铝复合材料（YZA）泡沫陶瓷的热辐射。因为泡沫陶瓷对电池的辐射率曲线不理想，所以测试了氧化铒涂层控制光谱发射的能力。
结果表明，通过在钇稳定氧化锆/氧化铝复合材料泡沫陶瓷外表面覆盖Er2O3涂层（例如浸渍涂层后固化/煅烧这样简单两步）可以提高性能，在1300KW/m2的燃烧速率下达到25.4%的最大带内辐射分数（即比无涂层结构约增加了10%），提供了1285℃的高温。此外还可以达到1W的最大输出功率。对于第三种结构，即在石英管（而非钇稳定氧化锆/氧化铝复合材料泡沫陶瓷）上使用Er2O3涂层使得反应器最高中心温度增加至1443°C；然而由于较低的带内排放也导致了电气性能的下降。这些发现表明，在工业辐射源上涂上氧化铒涂层可以使热电联产过程增加约30%的电力输出。最后，由于光伏填充因子低于预期，电致发光器测出电池损坏，这些发现也揭示了在多孔介质燃烧热光电系统中持续监测光伏参数的重要性。
关键词：热光电系统；多孔介质燃烧；能量直接转换
Abstract
The high temperatures of combustion systems make them suitable for coupling with thermophotovoltaic systems.In practice, it is quite challenging to reduce heat losses and the spectral mismatch between the emission of the combustion source and the spectral response of photovoltaic （PV） cells. In an effort to pull these disparate energy-focussed research fields together, this paper explores the use of a low-cost erbia （Er2O3） coating on a novel porous media combustion-based thermophotovoltaic （PMC-TPV） reactor for continuous combined heat and power generation. In this work, three different configurations were analysed, including a non-coated porous foam, a coated porous foam, and a coated quartz container. As such, this study provides the first in-depth analysis and characterisation of all salient components of a PMC-TPV system. It includes a detailed characterization of a 24-cell gallium antimonide （GaSb） array, which was attached to a heat sink and used to harvest the radiant emission from a hot （gt; 1200 °C）, yttria-stabilised zirconia/alumina composite （YZA） ceramic foam.Since the ceramic foam does not have an ideal emissivity curve for these cells, the ability of the erbia coating to control the spectral emission was measured. The results show that by applying the erbia coating to the outer surface of the YZA foam （e.g. using a simple 2-step process of dip coating followed by curing/calcination）, it is possible to increase performance, achieving a maximum in-band emission fraction of 25.4% at a firing rate of 1300 KW/m2 （i.e. around 10% of increase than that for non-coated configuration）, which provides a temperature of 1285 °C. Additionally, a maximum power output of 1W was achieved by using erbia coating on YZA foam. For the third configuration, the use of the erbia coating on the quartz tube （instead of the YZA foam） leads to an increase in the maximum core temperature of the reactor up to 1443 °C; however, this also leads to a decrease in electrical performance due to a lower in-band fraction. These findings show that applying an erbia coating on an industrial radiant emitter could enable a combined heat and power processes to gain around 30% increase of electrical output. Finally, since the PV fill factor was lower than expected, and electroluminescence measurements indicated cell damage, these findings also reveal the importance of continuously monitoring PV parameters in PMC-TPV systems.
Keywords: Thermophotovoltaic systems; Porous media combustion; Direct energy conversion
1 引言
近几十年来，人们对低排放能源的需求越来越大，这激发了对可再生能源技术（如光电）和化石燃料高效利用的大量研究。在这几十年里，光伏研究在太阳能的效率、可靠性和成本方面取得了巨大的进步[1]。光伏研究还促进了许多可接收地面辐射的电池类型（如GaSb，Ge和InAsSbP/InAs）的发展，它们都比硅电池具有更低的带隙能量[2,3]。化石燃料燃烧研究继续稳步获得效率增益和减少有害排放的机制。作为一个前景广阔的项目，多孔介质燃烧（PMC）技术已经被开发出来以减少氮氧化物的排放及使具有广泛的燃料类型和当量比（相对于自由火焰燃烧器）的致密燃烧器能够实现高效和稳定的燃烧[4]。在这项技术中，燃烧反应发生在多孔基体内，多孔基体通过传导将热量传递到燃烧器的其余部分，实现了固体中的平滑温度梯度以及入口处混合气体的预热。因此，多孔介质燃烧技术利用其自然再生传热机制[5]达到更高的燃烧温度，并在较低的当量比（相比自由火焰）下增加热辐射输出[6]。在这方面，Xu等人[7]对该技术进行了建模，发现在极其稳定的超稀薄燃烧条件下，再生效率高达40%。所以，正如Mujeebu等人[4]所描述的那样，这种技术在各种应用中都很有吸引力，例如热电联产，以及本论文将探讨的热光电应用，其中热源的辐射输出效率是一个关键特征。
热光电（TPV）系统利用光伏电池从地面热能源（例如通过间接的太阳能吸收/发射器、碳氢化合物燃烧器或废热排放源）获取辐射。由于大多数热辐射发生在波长相对较长的广谱上，因此通常需要某种形式的光谱控制来最大限度地利用这类辐射源的有用辐射，即“带内辐射”。这种光谱控制可以通过使用选择性辐射器和/或选择性过滤器/反射器来实现。这样，位于光伏电池带隙能量之上的辐射能量部分，即“带内”部分，被用来产生电能。类似地，光伏电池带隙以下的能量，即“带外”部分，通过控制辐射或反射来减少，从而产生二次热再生机制，可用于提高热源的温度，进而提高整个系统的效率。这是因为，在极限情况下，到达电池的辐射光谱与电池的光谱响应曲线完全重合。由于底层黑体辐射会随着温度的升高而向短波长方向移动，所以要尽可能地提高辐射体的温度。此外，具有带隙能的光伏电池具有较长的波长——例如锑化镓（GaSb）（1.72mu;m），锗（Ge）（1.85mu;m）和锑化铟砷化镓（InGaAsSb）（2.34mu;m）——通常选择与热光电系统中的地面热发射器的相对低温匹配[2]。Daneshvar等人[8]和Ferrari等人为燃烧驱动热光电（CTPV）系统的提供了全面综述，这类系统的一个突出优点在于其能够使现有的燃烧产生的额外能量。此外，还可以设计出便携、静音和稳固（因为没有移动部件）的设备，Fraas等人[9]曾报道一款静音、便携、独立的发电机，其系统效率为3.4%。Fraas等人也研究了热光电系统在家庭加热炉[10]和钢铁行业[11]中的应用。虽然热光电系统在理论上是非极为有效的，但实际上热损失控制是非常困难的[12]（例如，燃烧系统尾气中的大量热损失）。出于这个原因，这类系统适用于在初步过程中考虑对流损失的热电联产（CHP）应用。
基于多孔介质燃烧的热光电系统（PMC-TPV）的概念是由Mohamad[13]在2005年首次提出的，此后发表了大量PMC-TPV的研究报告。Chou等人[14]用数值方法证明了在微圆柱燃烧室中使用多孔介质可以提高其辐射性能。Gentillon等人[15]对PMC-TPV能量转换进行了系统的参数化研究，为指导设计提供了依据。他们发现合适的多孔介质孔隙率应该在50%到70%之间，这个范围内性能最佳。Li等人[16]研究了氢气驱动的平面微型PMC-TPV燃烧器的壁面温度，发现在当量比为0.8且入口混合物的速度在2~3m/s之间时，最大辐射效率与壁面温度之间有直接联系。然而，Bani等人[17]研究了类似的燃烧器结构，发现入口混合物速度超过3m/s时燃烧速率降低。他们还发现，平均壁温随着多孔基质导热系数的增加而降低，而且光伏电池效率对电池温度非常敏感。Peng等人[18]在他们的微型PMC-TPV模型中发现，将壁厚从圆柱形钢壁增加到0.6mm后，温度分布和传热情况得到改善。Zuo等人[19]提出了一个非均匀系数来评估为TPV系统设计的双通道微燃烧室的温度分布，这表明采用化学计量的H2/空气混合物的逆流双通道比同流双通道微燃烧室的温度分布更均匀，这也验证了左等人[20]之后的研究。他们发现在三种不同的双层四通道燃烧器测试（即四条同流道、两组对称逆流频道、纯逆流通道）中，纯逆流式双层，四通道结构的H2/空气燃烧器温度剖面最为均匀。Kang和Veeraragavan[21]发现，在石英壁燃烧室中使用碳化硅（SiC）泡沫可以在不同的石英和硅（Si）圆壁式结构中提供最佳辐射性能。Li和Hong[22]研究了以穿孔铂和金属氧化物沉积石英管为辐射体的催化甲烷-空气/氢气-空气燃料微型TPV装置的性能，发现金属氧化物沉积的石英由于吸收了大部分的燃烧辐射，所以降低了外部辐照度。Li和Hong系统的最大辐射和整体系统性能分别为6.32%
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