一种热光伏发电系统光谱测量方法技术方案

本发明专利技术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，本发明专利技术方法在辐射光斜射、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。

【技术实现步骤摘要】
一种热光伏发电系统光谱测量方法
本专利技术属于空间电源
，具体涉及一种热光伏发电系统光谱测量方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种，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；Qin(λ)为波长为λ的入射光的输入能量密度；Qout(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qs(λ)获得标定所需要的输入能量密度Qin(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Qout(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ISC为热光伏电池或对比光伏电池的短路电流；VOC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Pout和Qout的实测值；利用公式(1)及Qout的实测值，获得各参考光伏电池在各自响应谱段的Qin，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Qin；通过式步骤一的标定结果得到热光伏电池的计算输出Qout的理论值，将该理论值与热光伏电池的Qout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Qout实测值，根据公式(1)，得到实际照射到参考电池的光谱Qin，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。本专利技术具有如下有益效果：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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：/n

【技术特征摘要】
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；Qin(λ)为波长为λ的入射光的输入能量密度；Qout(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qs(λ)获得标定所需要的输入能量密度Qin(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Qout(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ISC为热光伏电池或对比光伏电池的短路电流；VOC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...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱家稳，张文佳，刘治钢，张晓峰，朱安文，田岱，苏生，马彬，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京;11