基於以超材料為輻射器的近場熱光伏系統機理研究

《基於以超材料為輻射器的近場熱光伏系統機理研究》是依託蘇州大學，由吳璽擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於以超材料為輻射器的近場熱光伏系統機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：吳璽
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

近年來，近場熱光伏系統已成為微納動力系統領域研究的前沿和熱點，而超材料特殊的電磁特性更是為提高近場熱光伏系統的性能提供了可能。本項目將以漲落耗散定理為基礎，維納混沌擴展方法為數值計算方法，建立適用於超材料複雜結構的近場輻射理論模型，分析超材料近場光譜特性與其內部結構參數、溫度間的關係。在此基礎上，研究近場效應下電池內部電荷輸運方式的異常以及光子循環對少子壽命的作用機制；最終採用實際二極體模型計算近場熱光伏系統的I-V特性曲線，建立系統輸出性能與超材料內部結構參數間的聯繫，找到提高熱光伏系統輸出功率密度與系統效率的技術途徑。通過本申請項目的實施，不僅可以拓展人們對於近場TPV系統機理更深層次的認識，而且也將為超材料在光譜調節技術方面的套用提供理論基礎。

結題摘要

本課題藉助超材料在光譜調節方面的特殊性，首先通過調節超材料的種類、表面結構尺寸、組分等幾何物理結構，重點考察了其作為熱光伏輻射器的可行性，即輻射光譜是否能與低能帶隙光伏電池相匹配。研究表明近零超材料因對熱源入射角度要求局限較大，不適合作為熱光伏系統的輻射器進行使用。而由金屬線和諧振環陣列構成的磁性超材料雖可實驗製造，但對光譜的調節性能也並未如預期構想的那樣出眾。受超材料結構限制，超材料電漿頻率、填充率和散射率對光譜效率的影響不大，而受電池種類影響較大，與InSb電池最為匹配，光譜效率普遍在85%以上。而一種以碳化矽包裹鎢納米線的新型超材料顯示了良好的光譜調節性能，通過改變輻射器厚度和填充率可較大幅度調整其光譜效率。隨後課題組又全面研究了輻射器、電池、冷卻器三者對近場熱光伏系統輸出性能的影響。研究表明，冷卻系統對實際近場熱光伏系統的影響非常大。提高輻射器溫度固然可以提高系統輸出功率，但巨大的散熱負荷要求找到一個切實可行的微尺度散熱技術。近場熱光伏系統雖然理論輸出電功率較高，但冷卻系統的功耗嚴重拖累了系統效率，使其均低於10%。這說明現有文獻報導中關於近場熱光伏系統的評估明顯偏于樂觀，以近場熱光伏系統為核心的微型動力系統的工業套用任重道遠。本項目資助發表SCIE論文5篇，會議論文1篇，授權實用新型專利2項（發明專利在審），培養研究生3名，其中1名已畢業，尚有3篇SCIE文章在審待發表。項目投入經費25萬元，支出15.598萬元，剩餘經費9.402萬元。剩餘經費計畫用於本項目後續支出。