CN111510067B - 一种热光伏发电系统光谱测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了热光伏发电系统光谱测量方法，热光伏电池布置在同位素热源和辐射发射器的周围，通过吸收同位素热源和辐射发射器发射的红外光波进行光电转化，如果在热光伏电池的表面设计光谱测量装置，将会降低热光伏电池的光谱利用效率，本发明方法在辐射光斜射、弱光强以及热光伏电池布片利用不到的区域布置多种光谱的光伏电池，能够使得热光伏电池有效利用辐射光谱的光强最强区域，并且不影响辐射光谱的吸收。

Description

一种热光伏发电系统光谱测量方法

技术领域

本发明属于空间电源技术领域，具体涉及一种热光伏发电系统光谱测量方法。

背景技术

空间同位素电源技术是指以放射性同位素的衰变热为能量来源，通过热电转换的发电装置生成可供飞行器任务使用的电能的电源技术。主要用于解决以深空探测为主的、不适于采用太能能源的飞行器能源问题，高效、稳定的同位素电源发电技术是深空探测发展的核心技术之一。同位素电源中采用的热电转换的发电装置，有多种形式。其中温差发电在国内外多个深空探测器中有应用，是一种静态的、具有较高可靠性和长寿命的技术，但发电效率较低，根据《深空探测用同位素电源的研究进展》(电源技术，2015,39(7),1576-1579)的报道，目前空间应用的最高水平为6.7％的热电转换效率；斯特林发电是目前研究的另一个同位素电源技术，具有较高的发电效率，可以达到20％以上的发电效率，但由于发电装置中有活塞或轴承等活动部件，在可靠性和寿命方面难以满足深空探测的需求。

热光伏发电是常见的温差发电和斯特林发电之外的另一种热电转换技术，是将同位素热源产生热量，通过红外辐射的形式，经过红外光伏电池的光电效应转化为电能，从而实现热发电的技术。热光伏发电是一种静态热电转化技术，其热电转换的理论效率可以达到20％以上，结构上没有活动部件，能够保证较高的可靠性和长寿命，是未来空间同位素电源技术重要发展方向之一。目前，美国、俄罗斯、德国、日本等多国研究机构和大学均在积极开展热光伏系统的研究工作。

上世纪90年代，随着高效率红外光电换能元件产生，国际上有关热光伏技术的研究开始迅速发展。1994年，国外研究人员完成了一种同位素供能的热光伏热电转换系统设计概念，该方案采用1470K下通用同位素热源模块(GPHS)，热电转换效率为15.1％。2007年，美国国家能源部(DOE)支持相关项目，研发出效率为15.8％的原理样机。2008年，NASA下属的格林研究中心(GRC)通过相关优化措施，进一步提高了原理样机转换效率，实现能量转换效率20％-25％。2010年，由美国EDTEK公司制作的基于太阳能和燃料燃烧混合能源的方式，实现系统效率22.3％，优化后的理论值可达25％。2015年，美国海军实验室研究形成瓦级热光伏热电转换系统，实现了2-3W的电功率输出。

由于同位素核源的特殊性，一旦完成设计和研制，同位素热源的实际状态和健康情况就难以通过直接测量方式获得。同位素热源的正常工作温度可能在600-1500℃之间，故障状态的工作温度会在正常工作状态上有所降低，而现有的测量装置都会破坏系统的热设计、辐射发射器和透光器的表面状态，从而影响整个系统的工作。为了能够评估和测量同位素热源的辐射光谱，进而评价整个同位素热光伏发电系统的健康状态，需要一种不影响系统的热设计、辐射发射器和透光器的表面状态的光谱测量方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种，可以通过简便的方法分析计算出热源的温度，以及热光伏发电系统的工作状态。

一种热光伏发电系统光谱测量方法，包括如下步骤：

步骤一：对热光伏电池进行光谱标定：获取热光伏电池在不同波长下的量子转换效率曲线，曲线的函数表达如式(1)所示：

式中，η(λ)为波长为λ的入射光的量子转换效率；Q_in(λ)为波长为λ的入射光的输入能量密度；Q_out(λ)为波长为λ的入射光的电池输出能量；

对于热光伏发电系统工作温度为Ts的热源，根据黑体辐射，单位面积波长为λ光波能量密度如公式(2)：

式中，h为普朗克常数；k为波尔兹曼常数；c为光速；

已知热光伏电池面积S和热光伏电池几何中心距离热源辐射面中心的距离d，根据式(3),由q_s(λ)获得标定所需要的输入能量密度Q_in(λ):

其中，κ(λ)为光谱透过系数；

步骤二：选择至少一块参考光伏电池，并且参考光伏电池的光谱吸收范围与热光伏电池的吸收曲线有重合；所有参考光伏电池的吸收光谱范围覆盖热光伏电池的响应光谱；

然后使用步骤一相同的方法对参考光伏电池进行标定；

步骤三：将参考光伏电池在电池背板上进行布片；其中，所有参考光伏电池和其中一块热光伏电池与热源在电池背板上投影的距离相等，并且接收热源辐射强度也相等。

步骤四：根据式(1)-(3)，对热光伏电池和选择的参考光伏电池分别建立输出模型：

以热源温度Ts和距离dd作为输入变量，利用热光伏电池和选择的参考光伏电池测试获取不同电池的η(λ)，对上式电池的输出性能进行计算，计算Q_out(λ)；

步骤五、实际测量的电池输出，是电池响应对全光谱段的波长辐射能量积分，如下式：

式中I_SC为热光伏电池或对比光伏电池的短路电流；V_OC为热光伏电池或对比光伏电池的开路电压；FF为光伏电池填充因子；

根据实际测量的各电池的短路电流Isc和开路电压Voc，代入式(7)中计算得到各电池P_out和Q_out的实测值；

利用公式(1)及Q_out的实测值，获得各参考光伏电池在各自响应谱段的Q_in，并将不同的参考光伏电池的响应谱段进行拼接，得到的热源输出能量Q_in；

通过式步骤一的标定结果得到热光伏电池的计算输出Q_out的理论值，将该理论值与热光伏电池的Q_out实测值进行比较判断热光伏电池故障或异常；

根据参考光伏电池的Q_out实测值，根据公式(1)，得到实际照射到参考电池的光谱Q_in，并通过式(6)计算光谱温度Ts，将该计算温度Ts与设计温度比较，判断热源故障或异常。

较佳的，所述电池背板的四个角或者边缘位置作为参考光伏电池的布片位置。

较佳的，选择的参考光伏电池吸收峰值在热光伏电池的吸收峰值的±200nm范围内。

较佳的，选择参考光伏电池时，选择最大转换效率分别在λ＝2.0μm和λ＝2.4μm的至少2种电池片，并使用1100℃的热源的辐射光谱对参考光伏电池进行标定。

较佳的，对热光伏电池的布片过程为：

1)、对热光伏电池的串并联进行设计；

2)、根据初步计算的串并联数量，进行热光伏电池的布片设计，同一串的电池尽可能布置在相邻的位置上；

3)根据步骤2)的布片设计，计算热光伏系统的实际预计输出；若输出不能满足输出需求，则返回1)，对串并联进行调整，或者对布片进行位置调整；若输出能够满足输出需求，则执行下一步；

4)根据布片的使用区域和可进行布片的有效面积，计算可用于参考光伏电池布片设计的面积和区域，完成各个参考光伏电池的电池片尺寸设计和定位。

本发明具有如下有益效果：

温度是考量辐射光谱的直接方法，但是为了使同位素热源的热量能够更好地传递到辐射发射器上，并通过辐射发射器以红外光波的形式发射出来，同位素热源与辐射发射器之间需要保持紧密接，因此在同位素热源上布置测温传感器，会破坏热源与辐射发射器的紧密接触；在辐射发射器上布置测温传感器，会破坏辐射发射器的辐射表面，从而改变热辐射的设计状态。因此在同位素热源或辐射发射器设置温度测量点，都会破坏热光伏发电系统的设计状态。本方法不用在热光伏发电系统中直接设置温度测量点，不会破坏热光伏发电系统的光谱发射和光路设计。

热光伏电池布置在同位素热源和辐射发射器的周围，通过吸收同位素热源和辐射发射器发射的红外光波进行光电转化。如果在热光伏电池的表面设计光谱测量装置，将会降低热光伏电池的光谱利用效率。本方法在辐射光斜射、弱光强以及热光伏电池布片利用不到的区域布置多种光谱的光伏电池，能够使得热光伏电池有效利用辐射光谱的光强最强区域，并且不影响辐射光谱的吸收。

附图说明

图1为同位素热光伏发电系统的原理框图；

图2为热光伏发电系统光谱测量系统示意图；

图3为热光伏发电系统光谱测量方法；

图4为热光伏电池的光谱标定曲线示例；

图5为混合布片设计流程。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提出了一种采用了不同吸收光谱的光伏电池与热光伏电池混排，用于测量电池输出特性以计算获得和标定热光伏电池接收光谱的方法。本方法的意义主要在于以下三个方面：一、在设计初期，缺乏各部组件实验数据支撑的情况下，该方法可以为热光源辐射温度、热光伏电池吸收光谱等参数的标定提供参考；二、可适用于不同的灰体辐射器材料、不同工况温度、不同能量来源、不同空间构型的热光伏热电转换系统的效率对比分析，具有一定的普适性。三，可适用于热光伏热电转换系统工作寿命对系统参数以及效率的影响分析。

一种热光伏发电系统光谱测量方法，包含在同位素热光伏发电系统之中，如图1和图2所示，其原理为通过不同光伏电池和热光伏电池在同一光谱和光强下的输出特性差异，根据光伏电池的吸收参数的设计和标定，对比计算出热光伏电池接收表面的光谱数据和辐射器表面温度。其特征如图3所示，包括以下步骤：

步骤一：对热光伏电池进行光谱标定，典型的热光伏电池的标定结果如图4所示。标定获取的是电池在不同波长下的量子转换效率曲线，曲线的函数表达如式(1)所示。

式中，η(λ)为波长为λ的入射光的量子转换效率，与电池的特性相关，不同的电池具有不同的量子转换效率曲线；Q_in(λ)为标定中波长为λ的入射光的输入能量密度，单位为W；Q_out(λ)为标定中波长为λ的入射光的电池输出能量，单位为W。

在标定过电池的量子转换效率曲线之后，就获取了电池对不同波长入射光的转换特性。接下来就是确定热源辐射发射的输出光谱性能，与量子转换效率曲线相结合，得到热光伏电池的对热源的响应情况。

热光源辐射光谱是灰体辐射，对于系统工作温度为Ts的热源，其灰体辐射公式(2)：

式中，q_s(λ)为单位面积波长为λ光波能量密度，单位为J/m²；κ(λ)为实际设计中辐射器的灰体特性、透光器的透光和反射特性综合表现出来的光谱透过系数，可以通过设计计算得到，一旦设计定型，则为常数。λ为光波长，单位为m；h为普朗克常数，单位为，J/K；k为波尔兹曼常数，单位为J s；c为光速，单位为m/s；Ts为热源的设计温度，单位为K。

当根据热光伏系统结构设计，设定好特定的光伏电池面积和光伏电池到热源距离后，就可以根据式(3),由q_s(λ)获得标定所需要的Q_in(λ):

其中，S为热光伏电池的尺寸面积，单位为平方米；d为热光伏电池尺寸中心距离热源辐射面中心的位置距离，单位为m。

步骤二：选择合适的参考光伏电池，参考光伏电池的吸收范围应当与热光伏电池的吸收曲线有重合，一般选择的光伏电池吸收峰值应当在热光伏电池的吸收峰值的±200nm范围内，可以具有更好的参考比对效果。然后使用步骤一相同的方法对参考光伏电池进行标定。

对于已经选定的发电系统布设的热光伏电池，会将转换效率最高的谱段与热辐射光源的峰值谱段相匹配。例如对于设计温度为1100℃的热源，其表面的能量发射密度在λ＝2.2μm时达到极值，因此也会选用转换效率η在λ＝2.2μm附近达到最大值的热光伏电池。因此在选择参考光伏电池时，会选择最大转换效率η在λ＝2.0-2.4μm的热光伏电池，为了达到最佳对比效果，建议选择最大转换效率分别在λ＝2.0μm和λ＝2.4μm的至少2种电池片，并使用1100℃的热源的辐射光谱对参考光伏电池进行标定。参考光伏电池的吸收光谱应当与热光伏电池的响应光谱有重叠，在理想的情况下，多个参考光伏电池的吸收光谱组合起来应当覆盖热光伏电池的响应光谱。

步骤三：热光伏电池和参考光伏电池的混合布片设计。将参考光伏电池混合在热光伏电池中进行布片，参考光伏电池的布片可以考虑以热源投影为基准对称布置，使得所有参考光伏电池具有相似的光照环境，在参考光伏电池的布片位置处也可以布置一至多片热光伏电池，用于增强对比测量的精度和置信度。混合布片的设计参考如图2所示。

具体的混合布片设计流程如图5所示，主要分为以下几步：

1)根据系统输出需求，结合在步骤一中标定的热光伏电池的输出参数，对热光伏电池的串并联进行设计，其中串联数量Ns由式(4)计算得到：

式中，NS为热光伏电池的串联数量，为计算结果向上或向下取整；V_req为输出电压需求，单位为V；V_m为热光伏电池标定的最大功率输出点的电压，单位为V。

并联数量Np由式(5)计算得到：

式中，NP为热光伏电池的并联数量，为计算结果向上或向下取整；

W_req为输出功率需求，单位为W；为输出电压需求，单位为V；I_sc为热光伏电池标定的最大功率输出点的电压，单位为A。

2)根据初步计算的串并联数量，进行热光伏电池的布片设计，同一串的电池尽可能布置在相邻的位置上。在布片设计的过程中可以将光强最弱的四个角或者边缘位置留给对比光伏电池。

3)结合辐射发射器的辐射系数、透光器的反射透过特性，以及热光伏电池不同位置距离的光强密度，计算热光伏系统的实际预计输出。若输出不能满足输出需求，则返回1)，对NS和NP进行取整调整，或者对布片进行位置调整，再次进行布片设计和计算；若输出能够满足输出需求，则在此基础上完善热光伏电池的详细设计。

4)根据布片的使用区域和可进行布片的有效面积，计算可用于对比光伏电池布片设计的面积和区域，完成各个对比光伏电池的电池片尺寸设计和定位。

以上为混合布片设计的详细流程。

步骤四：针对热光伏电池和选择的参考光伏电池建立输出模型。根据式1-3可得：

根据步骤一测试获取的η(λ)，设计计算得到的κ(λ)，式(6)中与同位素热光伏发电系统相关的可变参数为Ts和d。以辐射器温度Ts和电池在电池背板上的位置d作为输入变量，利用热光伏电池和选择的参考光伏电池测试获取不同电池的η(λ)，对上式电池的输出性能进行计算，计算结果为Q_out(λ)计算。

步骤五：

实际测量的电池输出，是电池响应对全光谱段的波长辐射能量积分，如下式：

式中I_SC为热光伏电池或对比光伏电池的短路电流，可实际测量，单位为A；V_OC为热光伏电池或对比光伏电池的开路电压，可实际测量，单位为V；FF为光伏电池填充因子，对于一般在0.7-0.8之间。

根据实际测量的各电池的短路电流Isc和开路电压Voc，代入模型式(7)中计算得到各电池P_out和Q_out，此处的Q_out为Q_out(λ)测试。由于不同的参考电池使用的光谱范围不同，通过步骤一和步骤二中对热光伏电池和参考光伏电池的光谱标定情况，针对各参考光伏电池的光谱响应范围，获得各电池在各自响应谱段的Q_in，不同的参考光伏电池的响应谱段进行拼接，能够覆盖热光伏电池的全部谱段，并能够在较大范围内反应辐射器的输出情况。

上述测量拼接得到的辐射器输出能量Q_in，并通过式步骤一的标定结果得到热光伏电池的计算输出Q_out，与热光伏电池实际测量的Q_out进行比较，若热光伏电池的计算输出Q_out＞热光伏电池实际测量的Q_out，且差距较大(10％以上)时，可以判断热光伏电池故障或异常，导致热光伏电池输出减少。

也可以通过参考电池的实际测量Q_out通过步骤二中的标定情况，得到实际照射到参考电池的光谱Q_in，并通过式(6)计算光谱温度Ts，若光谱计算温度Ts与设计的Ts有较大差距(10％以上)，则说明辐射器、热源故障或异常，导致输出温度变化。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种热光伏发电系统光谱测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：对热光伏电池进行光谱标定：获取热光伏电池在不同波长下的量子转换效率曲线，曲线的函数表达如式(1)所示：

式中，η(λ)为波长为λ的入射光的量子转换效率；Q_in(λ)为波长为λ的入射光的输入能量密度；Q_out(λ)为波长为λ的入射光的电池输出能量；

对于热光伏发电系统工作温度为Ts的热源，根据黑体辐射，单位面积波长为λ光波能量密度如公式(2)：

式中，h为普朗克常数；k为波尔兹曼常数；c为光速；

已知热光伏电池面积S和热光伏电池几何中心距离热源辐射面中心的距离d，根据式(3),由q_s(λ)获得标定所需要的输入能量密度Q_in(λ):

其中，κ(λ)为光谱透过系数；

步骤二：选择至少一块参考光伏电池，并且参考光伏电池的光谱吸收范围与热光伏电池的吸收曲线有重合；所有参考光伏电池的吸收光谱范围覆盖热光伏电池的响应光谱；

然后使用步骤一相同的方法对参考光伏电池进行标定；

步骤三：将参考光伏电池在电池背板上进行布片；其中，所有参考光伏电池和其中一块热光伏电池与热源在电池背板上投影的距离相等，并且接收热源辐射强度也相等；

步骤四：根据式(1)-(3)，对热光伏电池和选择的参考光伏电池分别建立输出模型：

以热源温度Ts和距离d作为输入变量，利用热光伏电池和选择的参考光伏电池测试获取不同电池的η(λ)，对上式电池的输出性能进行计算，计算Q_out(λ)；

步骤五、实际测量的电池输出，是电池响应对全光谱段的波长辐射能量积分，如下式：

式中I_SC为热光伏电池或对比光伏电池的短路电流；V_OC为热光伏电池或对比光伏电池的开路电压；FF为光伏电池填充因子；

根据实际测量的各电池的短路电流Isc和开路电压Voc，代入式(7)中计算得到各电池P_out和Q_out的实测值；

利用公式(1)及Q_out的实测值，获得各参考光伏电池在各自响应谱段的Q_in，并将不同的参考光伏电池的响应谱段进行拼接，得到的热源输出能量Q_in；

通过式步骤一的标定结果得到热光伏电池的计算输出Q_out的理论值，将该理论值与热光伏电池的Q_out实测值进行比较判断热光伏电池故障或异常；

根据参考光伏电池的Q_out实测值，根据公式(1)，得到实际照射到参考电池的光谱Q_in，并通过式(6)计算光谱温度Ts，将该计算温度Ts与设计温度比较，判断热源故障或异常。

2.如权利要求1所述的一种热光伏发电系统光谱测量方法，其特征在于，所述电池背板的四个角或者边缘位置作为参考光伏电池的布片位置。

3.如权利要求1所述的一种热光伏发电系统光谱测量方法，其特征在于，选择的参考光伏电池吸收峰值在热光伏电池的吸收峰值的±200nm范围内。

4.如权利要求1所述的一种热光伏发电系统光谱测量方法，其特征在于，选择参考光伏电池时，选择最大转换效率分别在λ＝2.0μm和λ＝2.4μm的至少2种电池片，并使用1100℃的热源的辐射光谱对参考光伏电池进行标定。

5.如权利要求1所述的一种热光伏发电系统光谱测量方法，其特征在于，对热光伏电池的布片过程为：

1)、对热光伏电池的串并联进行设计；

2)、根据初步计算的串并联数量，进行热光伏电池的布片设计，同一串的电池尽可能布置在相邻的位置上；

3)根据步骤2)的布片设计，计算热光伏系统的实际预计输出；若输出不能满足输出需求，则返回1)，对串并联进行调整，或者对布片进行位置调整；若输出能够满足输出需求，则执行下一步；

4)根据布片的使用区域和可进行布片的有效面积，计算可用于参考光伏电池布片设计的面积和区域，完成各个参考光伏电池的电池片尺寸设计和定位。

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