科研人员近年来提出了石墨烯热电子能量转换器件(graphene thermionic energy converter,GTEC)的模型,对其物理机理与参数优化展开了研究,为高品位热能开发提供了新途径.然而,空间电荷积累和近场热辐射效应对GTEC能量转换性能的影响却...科研人员近年来提出了石墨烯热电子能量转换器件(graphene thermionic energy converter,GTEC)的模型,对其物理机理与参数优化展开了研究,为高品位热能开发提供了新途径.然而,空间电荷积累和近场热辐射效应对GTEC能量转换性能的影响却鲜有报道.本文结合热电子发射、朗缪尔空间电荷、非平衡态热力学和涨落电动力学等理论,考虑热电子输运、近场热辐射输运、牛顿换热的相互作用对GETC的影响,进而构建完善的物理模型.首先,分析极板温度恒定时的电流密度、阴极板附加势垒、功率密度、转换效率、热流对电压和真空间隙的依赖特性,结果表明真空间隙对功率密度的影响显著,而对效率的影响较小,可在不同的电压处获得最高功率密度和效率.其次,分析了极板温度受能量平衡约束条件下,功率密度与效率随电压的变化情况,研究发现:相比于恒温模型,牛顿换热对功率密度的影响显著,而对效率的影响较小;在最优功率密度时的阳极板温度高于环境温度,而最优效率时的阳极板温度趋于环境温度;折衷考虑功率密度和效率,确定了电压、真空间隙和阳极板温度的优化区间.本文所获结果可为实际器件的研制提供理论支撑.展开更多
本文建立固体氧化物燃料电池(SOFC)-双结热光伏电池(TTPVs)的耦合模型,结合电化学、传热学、细致平衡理论,研究能量品位的匹配和梯级调控策略.首先,考虑多种不可逆因素对能量匹配及转换性能的影响,基于子系统的伏安特性和能量传递方程,...本文建立固体氧化物燃料电池(SOFC)-双结热光伏电池(TTPVs)的耦合模型,结合电化学、传热学、细致平衡理论,研究能量品位的匹配和梯级调控策略.首先,考虑多种不可逆因素对能量匹配及转换性能的影响,基于子系统的伏安特性和能量传递方程,导出耦合系统的能量匹配方程、功率密度和转换效率.其次,给定SOFC的电流密度值1.60 A cm^(-2)和温度873 K,在两个光伏子电池带隙连续变化情况下优化电压和匹配面积比,以获取局域最优功率密度和效率,进而揭示半导体的带隙对优化性能和运行条件的影响规律.结果表明,优化带隙可以获得局域最高功率密度0.920 W cm^(-2)和效率44.9%.最后,探究SOFC电流密度的变化对耦合系统性能的影响规律,通过电学、结构和光学参数的协同优化,获得耦合系统的全域最高功率密度,提供关键性能参数的优化设计判据,并与SOFC单系统的全域最高功率密度相比,功率输出密度提高了42.7%.本文所获结果优于SOFC单系统和已发表成果的结果,在钢铁、化工等行业的高品位热能回收方面具有一定应用潜力.展开更多
文摘科研人员近年来提出了石墨烯热电子能量转换器件(graphene thermionic energy converter,GTEC)的模型,对其物理机理与参数优化展开了研究,为高品位热能开发提供了新途径.然而,空间电荷积累和近场热辐射效应对GTEC能量转换性能的影响却鲜有报道.本文结合热电子发射、朗缪尔空间电荷、非平衡态热力学和涨落电动力学等理论,考虑热电子输运、近场热辐射输运、牛顿换热的相互作用对GETC的影响,进而构建完善的物理模型.首先,分析极板温度恒定时的电流密度、阴极板附加势垒、功率密度、转换效率、热流对电压和真空间隙的依赖特性,结果表明真空间隙对功率密度的影响显著,而对效率的影响较小,可在不同的电压处获得最高功率密度和效率.其次,分析了极板温度受能量平衡约束条件下,功率密度与效率随电压的变化情况,研究发现:相比于恒温模型,牛顿换热对功率密度的影响显著,而对效率的影响较小;在最优功率密度时的阳极板温度高于环境温度,而最优效率时的阳极板温度趋于环境温度;折衷考虑功率密度和效率,确定了电压、真空间隙和阳极板温度的优化区间.本文所获结果可为实际器件的研制提供理论支撑.
文摘本文建立固体氧化物燃料电池(SOFC)-双结热光伏电池(TTPVs)的耦合模型,结合电化学、传热学、细致平衡理论,研究能量品位的匹配和梯级调控策略.首先,考虑多种不可逆因素对能量匹配及转换性能的影响,基于子系统的伏安特性和能量传递方程,导出耦合系统的能量匹配方程、功率密度和转换效率.其次,给定SOFC的电流密度值1.60 A cm^(-2)和温度873 K,在两个光伏子电池带隙连续变化情况下优化电压和匹配面积比,以获取局域最优功率密度和效率,进而揭示半导体的带隙对优化性能和运行条件的影响规律.结果表明,优化带隙可以获得局域最高功率密度0.920 W cm^(-2)和效率44.9%.最后,探究SOFC电流密度的变化对耦合系统性能的影响规律,通过电学、结构和光学参数的协同优化,获得耦合系统的全域最高功率密度,提供关键性能参数的优化设计判据,并与SOFC单系统的全域最高功率密度相比,功率输出密度提高了42.7%.本文所获结果优于SOFC单系统和已发表成果的结果,在钢铁、化工等行业的高品位热能回收方面具有一定应用潜力.
