太阳能热辐射-光伏能量转换外文翻译资料

 2023-03-16 11:03

太阳能热辐射-光伏能量转换

作者:EricJ.Tervo,a,1WilliamA.Callahan,a,bEricS.Toberer,a,bMylesA.Steiner,andAndrewJ.Fergusona

国籍:美国

出处: arXiv:2007.11574

摘要:我们提出了一个太阳能热能转换系统,由太阳能吸收器、热热电池或负照明光电二极管和光伏电池组成。由于它是一个热机,该系统也可以与热存储器配对,以提供可靠的发电。来自太阳能吸收器的热量驱动热热电池中的辐射重组电流,其发射的光被光伏电池吸收以提供额外的光电流。基于详细平衡的原理,我们计算了完全集中的阳光的极限太阳转换效率为85%,一个具有吸收器的等面积和单结电池的太阳的极限太阳转换效率为45%。理想和非理想的太阳能热辐射光电系统在低带隙和实际吸收器温度下的性能优于太阳能热光电转换器。它们的性能增强是由于对非辐射产生/重组的高耐受性和最小化辐射热损失的能力。我们表明,与低光学浓度下的太阳能热光电装置相比,一个具有所有主要损耗的现实装置可以提高太阳能转换效率高达7.9%(绝对值)。我们的结果表明,这些转换器可以作为低成本的单轴跟踪系统的高效热机。

关键词:太阳能、热能储存、热辐射、热光电

为了实现基于可再生发电的电网,包括太阳能在内的间歇性能源必须与存储空间相结合。热能存储是一种非常具吸引力的解决方案,因为它的简单性、可扩展性和低成本[1-5],特别是与电化学电池存储[6]相比。然而,热存储排除了使用太阳能到光电的直接转换(PVs),除非使用极高的存储温度是[7]。相反,阳光被吸收为热量,并用于立即或更晚(与储热器)驱动热机。现代聚光太阳能发电厂通过使用大型涡轮机械的热机械循环来实现这一目标,从而导致了较高的资本成本[8,9]。因此,集中式太阳能发电厂一般必须非常大。这有助于激发对替代的固态热机的研究,后者也可以提供简单性、可扩展性和成本较低的研究[10-12]。一种受到广泛关注的固态热机是热光电(TPV)转换器[13-15]。TPV系统由一个取代太阳的热红外光子的热发射器和一个将这些光子转换为电[16-18]的光伏电池组成。当发射器被阳光直接或间接(通过蓄热器)加热时,这是一个太阳TPV系统,如图所示。1A.对于完全集中在黑色吸收器[19]上的阳光,太阳能TPVs具有非常高的最大理论太阳转换效率为85%。这激发了许多对太阳TPV的理论和实验性[27-31]研究,但实验性的太阳能转换效率仅达到8.4%[14]。在实际应用中,较高的太阳能TPV效率很难实现,因为它们支持相对较高的带隙(gt;0.6eV)和发射器温度(gt;1500K)[11,19,21,32],这也会导致较大的热损失。尽管存在挑战,但TPV系统仍有许多有益的特性,例如能够修改光子光谱,并将未使用的光子回收回热发射器。例如,通过使用纳米光子选择性发射器[29,30,33,34]或使用后视镜[13,35,36]选择性吸收细胞,可以大大降低亚带隙寄生吸收。

图1(A)太阳能热光电、太阳能热光电和太阳能热光伏能量转换器的示意图。(B)热辐射电池和光伏电池的频带图。(C)两个装置的电流-电压图。太阳能热辐射光伏转换器同时从两个电池产生电能。

一种可以在较低的带隙和较低的热侧温度下有效工作的相关技术是热辐射(TR)电池或负照明光电二极管[37,38]。TR电池与PV电池具有相同的p-n结构,但它们没有被外部光子源照亮,而是直接加热,并允许热辐射到更冷的温度环境中,如图所示。1A.由此产生的带隙以上热光子的净发射可以被认为是一种“负照明”,导致辐射重组导致少数载流子的非平衡耗尽。这对应于照明下准费米能级和光伏电池的分裂与器件电压的分裂,如图所示。1B.通过使载流子向结扩散,可以实现连续的电流,并为这些载流子提供足够的热量来克服结电压,这也如图所示。1B.另一方面,光伏电池主要依赖于漂移(由于内置电场引起的电荷运动)来分离电子-空穴对,并实现连续电流。结果,TR电池在电流-电压图的第二象限产生功率,而PV电池在第四象限产生功率,如图所示。1C.尽管TR细胞是一个相对较新的概念,但它们已经被实验证明[39-41],并被证明具有巨大潜力的发射能量收割机[42-49]。与太阳能TPVs一样,TR转换器可以通过太阳能吸收器或热器用太阳光加热TR电池来进行太阳能转换存储器[50]。然而,太阳能TR系统支持非常低的带隙(lt;0.3eV)材料,使它们对非辐射损失[38,50]更加敏感。为了利用TPV和TR系统的优点,很自然地考虑将加热的TR电池发射到冷却的PV电池并从两个装置[51]获得功率。在本文中,我们提出了这样一个太阳能转换系统:一个太阳能TR-光伏转换器,如图1所示。我们开发了一个详细的系统平衡模型,并利用该模型推导其在最大浓度下85%。然后,我们考虑了一个理想的单太阳区域匹配的吸收器、TR电池和光伏电池的更实用的配置,我们表明,它的效率可以达到45%,超过了低到中度带隙和吸收器温度的太阳能TR或太阳能TPV转换器。最后,我们研究了一种在光学浓度下具有组合损耗机制的更真实的转换器,并证明了与低太阳浓度下的太阳变压器相比,它可以实现高达7.9%的效率提高。

理论上

让我们考虑一个具有能量通量的太阳能TR-PV系统。图2一个光谱太阳辐射通量qsol(E)煤成本入射在吸收器上,它可能是集中的光或不集中的光。为了保证在检查性能趋势时的简单性和清晰性,我们模拟了太阳能辐射线如:正常发生的突发事件灯光来自a黑体的在温度T=Ts=6000K它给出了与使用AM1.5G或浓缩AM1.5D光谱相似的效率结果[52].在这个框架,的光谱的太阳能电池组辐射线磁通量是:给定的由[19,53]

其中E是光子能量,eta;o是我们视为统一的光学集中效率,Co是光聚光比fc=Omega;c/pi;是一个几何因子,它解释了太阳占据的有限立体角,其中Omega;c=6.8times;10-5sr[19,52,53],和qbb(E)是光谱黑体发射功率定义为

其中一些光将根据吸收器的光谱反射率 进行反射rho;a(E),其余的部分在假设没有光被传输时被吸收。一些被吸收的能量可能会通过发射热辐射、对流或传导而损失。光谱发射损耗由给出εa(E)qbb(E,Ta),其中为εa(E)是吸收器的光谱发射率。对于一个不透明的表面,εa(E)等于光谱吸收率alpha;a(E)=1minus;rho;a(E)根据基尔霍夫的定律。Ta这里是吸收器的温度和TR的温度。我们根据hL(Ta-T0)对对流和传导损失进行分组,其中hL是损失计算系数以及T0=300K是环境温度和PV温度。所有未反射或损失的能量都被转移到TR单元中。实际上,这个转移可以是已实现的数据由热性的传导性具有直接的联系人介于两者之间的关系的吸收器和TR电池或通过中间热交换器和一种热的流体,正如在大多数集中太阳能发电厂[8]所做的那样。使用后一种方法,热存储也可以直接集成到系统中。

图2太阳能热辐射-光伏系统的能量通量图和控制方程。光伏电池的温度为T0通过热耦合到周围的热器,热热电池和吸收器处于温度Ta由能量平衡决定。细胞间的光谱辐射热通量,qrad(E)由上图所示的一系列辐射热阻确定,并根据等式计算(7).

TR和PV细胞可以很容易地用详细的PV分析[53]中常见的平衡形式[38,45,47]进行建模。对于TR单元,单个带隙以上光子的发射对应于单个载流子,该载流子可以完成由TR单元和外部负载组成的电路,如图1B.光伏细胞的损失是复合损失,它使过剩少数载流子的数量达到平衡值(图1B)。然而,在少数载流子耗尽的TR细胞中,损失是指增加少数载流子的数量达到其平衡值(图1B)。这些发电损失包括辐射、俄歇、肖克利-里德霍尔和类似于光伏电池[54]的表面过程,它们可以阻碍传输和减少负照明电流。因此,TR电池中的电流密度可以通过

其中,e是电子电荷,Eg,TR是TR单元的带隙,qrad(E)是从TR细胞到PV细胞的净光谱辐射通量,而GTR是非辐射产生率。由于qrad(E)是一个净量,因此在此电流表达式中包括了辐射产生损失。同样地,光伏电池中的电流密度为

其中Eg,PV是PV电池的带隙RPV为非辐射复合率。GTR和RPV的值是根据肖克利和奎瑟建立的框架来确定的[53].对于TR电池和PV电池,定义了一个系数fc它表示p-n二极管中产生/复合的辐射分数,使得fc=1对应于零非辐射损失,fc=0.1对应于10%辐射和90%非辐射产生/复合等。由于辐射产生/复合率嵌入到qrad(E)项中,用于计算环境温度fc下的非辐射损失率,因为这将在TR和PV电池中提供一致的非辐射损失,而且TR电池中的辐射产生损失是由于在T0温度下来自PV电池的热辐射产生的细胞带隙、非辐射损耗或发射率的任何温度依赖性都被忽略了。

从TR电池到PV电池的净光谱辐射热通量,qrad(E)单位为平方秒(3)和(4)不仅取决于器件的温度和光学特性,而且还取决于它们由于发光效应而产生的电压。这个可以是包括在内由修改内容的黑体的放射的功率为[55,56]

其中,mu;=qVforEge;Eg和mu;=0forE<Eg由于TR和PV电池都在发射辐射,并可能将其中一些辐射反射回另一个设备,因此qrad(E)最容易从辐射阻力网络中确定,如图顶部所示。2.由等式提供的TR和PV电池的黑体发射能力(5)是网络中的两个边界节点,它们之间的三个电阻是TR表面电阻(占TR电池的光学特性)、空间电阻(占TR和PV电池之间的视图系数)和PV表面电阻(说明PV电池的光学特性)[57]

其中εTR(E)和εPV(E)是TR和PV细胞的光谱发射率,ART和APV是它们的表面积,FTR-PV是来自TR细胞的PV细胞的视图因子。我们假设这些细胞具有相等的面积,并且与它们的横向尺寸相比间隔非常紧密,因此FTR-Pasymp;1和区域项可以被移除以获得辐射通量。然后,从TR细胞到PV细胞的净光谱辐射通量计算为

前几段充分描述了这个太阳能TR-光伏系统中的能量流。一次的光学特性(εaTRPV,Eg,TR,Eg,PV),选择损耗系数(hL),电压(VTR,VPV)和非辐射损耗(GTR,RPV),可解决。在吸收器和TR单元上的能量平衡一旦知道了Ta,它就可用于计算其他性能指标,如输出功率和损耗。太阳能TR-PV效率可以计算为

其中,Aa是太阳能吸收器的面积,使用负符号,因为两种电池的JV产物都是负的。我们注意到,虽然到目前为止,讨论都集中在每单位面积的能量流上,但Aa,ATR,和APV不需要相等。实际上,具有Aalt;ART可能有优点,因为吸收器的面积和光的损失可以集中到较小的吸收器,而且TR和PV电池的输出功率随其面积[19,20]增大。如果TR和PV电池的面积不相等,则不能从等式中移除这些区域(6)和从TR到PV电池的辐射应被描述为一个总功率,而不是一个通量。

效率限制

我们现在把注意力转向太阳能热光伏系统的效率限制。太阳能转换效率可分为吸收器效率eta;abs和TR-PV效率eta;TRPV,与eta;=eta;abseta;TRPV。合作在以下条件下,仅TR变流器或光伏转换器的热电效率限制证明等于卡诺极限[19,39]:(1)电池在窄带极限下工作(对PV电池或TR电池的发射仅发生在带隙能量处),使得超带隙寄生光子的亚带隙发射/吸收和热损失接近零;(2)电池在辐射极限下工作,非辐射产生/重组率接近零;(3)电池电压接近开路电压,从每个光子中提取的工作最大。正在将这些条件应用于Eqs。(3)和(4)向我们表明,qrad(Eg)必须接近零,并将其应用于等式(7)为具有带隙对准的区域匹配的TRPV设备产生qrad(Eg,Ta,Voc,TR)=q

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Solar Thermoradiative-Photovoltaic Energy Conversion

Eric J. Tervo,a,1 William A. Callahan,a,b Eric S. Toberer,a,b Myles A. Steiner,a and Andrew J. Fergusona aNational Renewable Energy Laboratory, Golden, CO 80401

bDepartment of Physics, Colorado School of Mines, Golden, CO 80401

1eric.tervo@nrel.gov

We propose a solar thermal energy conversion system consisting of a solar absorber, a thermoradiative cell or negative illumination photodiode, and a photovoltaic cell. Because it is a heat engine, this system can also be paired with thermal storage to provide reliable electricity generation. Heat from the solar absorber drives radiative recombination current in the thermoradiative cell, and its emitted light is absorbed by the photovoltaic cell to provide an additional photocurrent. Based on the principle of detailed balance, we calculate a limiting solar conversion efficiency of 85% for fully concentrated sunlight and 45% for one sun with an absorber and single-junction cells of equal areas. Ideal and nonideal solar thermoradiative-photovoltaic systems outperform solar thermophotovoltaic converters for low bandgaps and practical absorber temperatures. Their performance enhancement results from a high tolerance to nonradiative generation/recombination and an ability to minimize radiative heat losses. We show that a realistic device with all major losses could achieve increases in solar conversion efficiency by up to 7.9% (absolute) compared to a solar thermophotovoltaic device under low optical concentration. Our results indicate that these converters could serve as efficient heat engines for low cost single axis tracking systems.

Keywords: solar energy, thermal storage, thermoradiative, thermophotovoltaic

To achieve an electricity grid based on renewable generation, intermittent sources including solar energy must be paired with storage. Thermal energy storage is a very attractive solution due to its simplicity, scalability, and low cost [1-5], especially compared to electrochemical battery storage [6]. However, thermal storage precludes the use of direct solar-to- electricity conversion with photovoltaics (PVs) unless extremely high storage temperatures are used [7]. Instead, sunlight is absorbed as heat and used to immediately or later (with thermal storage) drive a heat engine. Modern concentrating solar power plants accomplish this with thermomechanical cycles that use large turbomachinery, resulting in high capital costs [8, 9]. Accordingly, concentrating solar power plants generally must be very large for cost-competitive electricity generation. This has helped to motivate research into alternative, solid-state heat engines that could also offer simplicity, scalability, and low cost [10-12].

One type of solid-state heat engine that has received significant attention is the thermophotovoltaic (TPV) converter [13-15]. A TPV system consists of a hot emitter of thermal infrared photons which replaces the sun and a PV cell that converts those photons to electricity [16-18]. When the emitter is heated directly or indirectly (via thermal storage) by sunlight, this is a solar TPV system as illustrated in Fig. 1A. Solar TPVs have a very high maximum theoretical solar conversion efficiency of 85% for fully concentrated sunlight on a black absorber [19]. This has motivated a number of theoretical [20-26] and experimental [14, 27-31] studies of solar TPVs, but experimental solar conversion efficiencies have only reached 8.4% [14]. High solar TPV efficiencies are difficult to achieve in practice because they favor relatively high bandgaps (gt; 0.6 eV) and emitter temperatures (gt; 1500 K) [11, 19, 21, 32], which also leads to large thermal losses.

Despite their challenges, TPV systems have a number of beneficial characteristics, such as the ability to modify the photon spectrum and recycle unused photons back to the thermal emitter. For example, sub-bandgap parasitic absorption can be drastically reduced by using nanophotonic selective emitters [29, 30, 33, 34] or selectively absorbing cells with a rear mirror [13, 35, 36].

T hermophotovoltaic

A

T hermoradiative

T hermoradiative-Photovoltaic

Solar Radiation

Solar Absorber Thermal Radiation

Load

Cool Photovoltaic Cell

Solar Radiation

Thermal Radiation

Solar Absorber

Hot Thermoradiative Cell

Load Electricity

Solar Radiation

Thermal Radiation

Solar Absorber

Hot Thermoradiative Cell

Load Electricity

Cool Photovoltaic Cell

Load

Electricity

Electricity

Thermoradiative Cell Photovoltaic Cell

Ec

light Ec

solar heat

-

Ef,h

E

-

Ef,e

Ef,e

f,h

Ev

Ev

C

J

Thermoradiative

V

Thermophotovoltaic

B

Fig. 1. (A) Schematic of a solar thermophotovoltaic, a solar thermoradiative, and a solar thermoradiative-photovoltaic energy converter. (B) Band diagrams of the thermoradiative and photovoltaic cells. (C) Current-voltage diagram of the two devices. A solar thermoradiative- photovoltaic converter produces electricity from both cells simultaneously.

A related technology that could operate efficiently with lower bandgaps and lower hot-side temperatures is the thermoradiative (TR) cell or negative illumination photodiode [37, 38]. TR cells have the same p-n architecture as PV cells, but instead of being illuminated by an external photon source they are directly heated and

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