应用于热光伏电池的一维Si／SiO2光子晶体滤光器研究

光谱控制方法被广泛应用于热光伏系统以提高系统的热电转换效率．针对锑化镓（GaSb）电池热光伏系统的光谱控制要求，选用Si和SiO2设计了8层一维光子晶体滤光器结构；重点结合滤光器与高温辐射源辐射光谱功率分布和GaSb电池量子效率的匹配，对设计结构加以改进优化得到最佳匹配滤光器结构；采用光学镀膜技术加工了滤光器结构，并测试其光谱特性，根据测试结果计算滤光器的光谱控制效率、系统转化效率和能量密度．最后，测试了滤光器的抗高温性能．     

高温条件下的固-固界面接触热阻测试方法与系统

高温条件下的固-固界面接触热阻是航空航天、能源、热核反应等领域中热控制和热防护系统设计的关键参数之一.针对高温条件下界面接触热阻测量系统设计与研制中存在的高温界面温差的高精度测量、热流量和压力的精确加载与计量、高温测试本体的绝热防护等技术问题,本文提出了一种上下对称布置稳态双向加载热流的高温条件下界面接触热阻测试方法,分析阐明了影响高温条件下接触热阻测量数据准确性的主要因素,建立了高温接触界面温差的红外热像测试与分析方法,攻克了钨热流计和接触界面处压力的精确加载与计量技术,设计了功率、温度全闭环精确控制的盘式钨丝高温加热器和高温测试本体的真空多层隔热结构,研制了高温条件下界面接触热阻的测试系统,实验测试了高温合金、C/C材料等材料对之间的接触热阻.结果表明,本文建立的高温条件下界面接触热阻测试方法和系统,实现了界面温度达1200℃的高温条件下接触热阻的高精度测量,测试误差小于10%.     

太阳能热光伏系统性能分析研究

建立了太阳能热光伏系统（STPV）能量吸收及热辐射发电过程的数理模型，数值模拟了不同聚光器聚光比时辐射器的温度分布，研究了聚光比及辐射器温度对电池伏安输出特性及系统效率的影响．随着聚光比的增大，辐射器表面温度显著增高，电池的输出功率及系统效率也成直线增长；分析了影响系统效率的关键参数如滤波器、电池温度和辐射器上下端部材料表面反射率对系统性能与输出电功率的影响．计算结果证明了STPV系统的可行性，形成了高效STPV系统的优化设计方法．     

热光伏技术在飞行器再入过程中的应用

提出了利用热光伏技术将飞行器再入过程中产生的巨大气动热转化为电能的思路,给出了再入TPV 系统的初步构想, 并就气动热导入方式及光谱过滤器和选择性辐射表面对改善系统性能的作用进行了分析. 结果表明以SiC 作为导热构件较烧蚀材料能够更好地向系统传递气动热量, 提高电能输出, 但同时加重了系统冷却负荷; 采用光谱过滤器和选择性发射表面会使系统电能输出有所下降, 但可显著降低系统冷却负荷.     

非线性电池阵列的最大功率匹配

电池功率可表述为自变量与伏安函数(因变量)的乘积.通过建立电池阵列功率函数,把阵列在最大功率下的"同工作点匹配"拓展为"线匹配".根据电池阵列失配损失的数学描述,给出了阵列的自变量和因变量匹配准则,证明了"线匹配"确实存在.在因变量匹配准则下用级数来研究不同电池,可得到级数表述中的各系数之比值恒为常数,给出类函数匹配方法.再以Lambert W函数为媒介,在类函数匹配方法和实际的电池电流方程之间建立起对应关系,给出电池参数匹配方法,可实践指导电池阵列的"线匹配".最后给出了光伏阵列的匹配案例.     

表面凹坑阵列陷光结构的光学衍射特征研究

表面凹坑阵列结构具有良好的陷光特性,能有效地降低电池表面的光能反射和延长光在电池吸收层中的光程,因此在光伏领域,特别是在硅薄膜太阳能电池中具有良好的应用前景.本文采用理论分析与实验验证相结合的方法,对凹坑阵列陷光结构的光学衍射特征进行研究,并讨论了凹坑阵列结构的衍射效应对硅薄膜太阳能电池吸收特性的影响.研究结果发现,凹坑阵列陷光结构的深宽比越大,其衍射效率越好,越有利于光的均匀散射,越有利于电池对入射光的吸收和电池效率的提升.另外,凹坑阵列结构的衍射特性还与入射波的波长有关,入射波长越长,其衍射效果越好.本研究对于高效表面陷光阵列的设计以及高效衍射效率光栅的制备具有重要的参考价值.     

太阳能光伏技术发展的新概念

本文从全球能源需求持续上涨及传统光伏电池成本居高不下的背景出发,综述了光伏电池发展中的新概念.其中,具有代表性的光伏电池的薄层化、柔性化及叠层化等趋势,使得光伏电池能够更加充分地吸收太阳光,表现出更高的能量转换效率,同时具备更加低廉的成本及更为广泛的应用领域.     

光伏电池微结构表面吸收率的温度依变性

光伏电池长时间处于太阳光照射下,自身温度随之升高,会造成电池材料的光学参数和热膨胀系数的变化,从而影响光伏电池微结构表面的吸收特性.本文从电磁场理论出发,借助时域有限差分方法(FDTD),通过对半球、圆柱、小球这三种典型光伏电池表面微结构的研究,分析温度对光伏电池表面吸收特性的影响,同时研究材料属性、结构周期对光伏电池表面吸收特性的影响.     

层叠式锂离子电池展向温度分布的分析解及基于分析解的热设计优化

大型锂离子动力电池的热相关问题是限制其在电动汽车上大规模应用的主要问题之一.单体电池的热模型是进行电池热设计、改善电池热特性的重要工具.根据热模型的求解方法,可分为数值解和分析解两类.在现有文献的研究中,数值解占据了主要地位.但是,分析解因具有计算量小、可实现设计变量的全局优化等优点,在电池热设计和电池组热管理系统中可发挥重要作用.例如,在电池热设计中,分析解可全面考察多个设计参数连续变化下对电池热特性的影响,以进行多设计参数下的全局优化.本文首先对一款大型层叠式锂离子电池进行了数值热模拟和实验验证,数值热模拟的结果与多枚热电偶的实验测量结果吻合良好;然后,基于数值热模拟的结果提取了层叠式电池温度分布和产热率分布的主要特点,进而假设温度呈展向平面分布、产热率均匀分布;针对简化后的电池热问题,利用双重积分变换方法提出了分析解;最后,使用分析解开展了电池的热设计优化工作,讨论了不同电芯尺寸和极耳布置方案下的电池热特性.     

染料敏化电池-温差热电混合发电系统的性能研究

建立染料敏化电池一温差热电混合发电系统的理论模型，利用非平衡态热力学理论导出该混合发电系统输出功率和效率的一般表达式，分析系统的一般性能特性，确定混合发电系统在最大输出功率和效率时的优化条件，讨论了一些主要性能参数对混合发电系统性能特性的影响．结果表明使用半导体温差热电器可有效地利用染料敏化电池所产生的低品位的废热，从而提高混合发电系统整体的输出功率和效率．本文所得结果可为实际混合发电器的设计和优化运行提供理论依据．     

光子增强热离子发射太阳能电池混合功率系统参数的优化设计

考虑实际系统中存在的多种传热损失,本文建立一类不可逆光子增强热离子发射太阳能电池与温差热电发电器组合而成的混发电系统模型.基于太阳能电池与温差热电发电器之间的能量平衡方程,导出该混合系统输出功率和效率的表达式.通过数值计算,详细分析了光增热离子太阳能电池的面积、阴极半导体材料的禁带宽度、电子亲和势以及温差热电发电器的无量纲电流对混合系统优化性能的影响,确定混合发电系统运行于最大效率下光子增强热离子太阳能电池阴极材料的禁带宽度,电子亲和势,电池面积和温差热电发电器的无量纲电流的优化值.结果表明,采用混合发电系统,太阳能转换效率与工作于相同条件下的单一光增热离子太阳能电池的效率相比可提高约10%,而光增热离子太阳能电池阴极半导体材料禁带宽度在最大效率下的优化值则比单一光增热离子太阳能电池的小.本文所得结果可为实际光子增强热离子太阳能电池混合发电系统的设计和优化运行提供理论依据.     

离子交换膜厚度对钒电池性能的影响

电解液穿过离子交换膜的传质现象会导致全钒液流电池性能和寿命降低.作为重要设计参数,膜厚度是影响膜内离子传输的主要因素.本文使用结合了Donnan效应的钒电池一维传质模型,通过数值模拟方法考察离子交换膜厚度对膜内传质控制作用的影响,并得到电池性能的变化规律.结果显示:电池库伦效率随膜厚度变化呈三个阶段.膜厚度较小时,库伦效率恶化严重;膜厚度适中时,库伦效率随膜厚度增加而明显提升;膜厚度较大时,库伦效率随膜厚度增加趋缓.研究发现,随电池运行膜两侧溶液电势差逐渐达到稳定状态,这一过程受初始膜两侧氢离子浓度差和膜厚度控制.此外,膜厚度越小,膜内钒离子流量越大,其作用机制转为扩散主导;随充放电进行,迁移作用受膜两侧浓差平衡电势差影响.     

空间智能桁架的传感器作动器位置优化和分散化自适应模糊振动控制

提出了作动器和传感器配置优化和分散化自适应控制方法以解决桁架系统的振动控制问题.建立了主动杆的机电耦合方程,提出了不依赖于控制方法的优化准则,采用遗传算法得到了作动器和传感器在大型空间智能桁架系统中的最优位置.而且设计了一种分散化自适应模糊振动控制器来控制大型空间智能桁架系统.推导了大型空间智能桁架系统考虑剩余模态影响的动力学方程,利用滑模控制方法改进了自适应模糊控制方案,并以T字型桁架结构为例进行了验证性实验.实验结果表明,遗传算法对于作动器和传感器的配置优化是可靠的、有效的,自适应模糊控制器能有效地抑制大型空间智能桁架系统的振动,且没有控制溢出和观测溢出问题.     

嫦娥三号巡视器视觉定位方法

月面巡视器的定位是巡视器开展月面科学考察工作的基础,是一项关键技术.本文提出了一种基于计算机视觉的定位方法,将SIFT(scale-invariant feature transform)匹配、相关系数匹配、最小二乘匹配和光束法平差等多项技术融合,实现了相邻站间月面巡视器的导航定位.在实验室构建立体视觉导航系统对本文的方法进行可行性和精度测试,结果表明视觉定位相对精度将优于4%,并成功应用于玉兔号巡视器定位.     

带有选择性涂层的中高温太阳能光热利用系统的热力学分析

针对具有不同表面光谱吸收性质的太阳能热接收器进行热力学分析，探讨太阳能在中高温光热利用中的能量利用效率与热接收器表面性质及工作温度的关系．分析了单纯聚光与采用聚光分频两种不同技术条件下，热接收器最佳工作温度、有效能效率与入射能流密度之间的关系．根据对黑体表面和选择性吸收表面的分析，得出理想热接收器表面吸收涂层的最佳截止波长，给出了有选择性吸收涂层的热接收器最佳工作温度的计算方法，并对一种实际中高温太阳光谱选择性吸收涂层的最佳工作温度进行了计算．     

晶体硅太阳电池SiNx/Al 背反射性能研究

随着硅片的不断减薄, 晶体硅太阳电池背反射性能变得越来越重要. 本文首先采用PC1D 软件进行理论模拟, 研究背反射率对电池的电学和光学性能影响. 模拟表明, 电池的短路电流、开路电压和内、外量子效率均随着背反射率增大而变大. 当电池背反射率从60%增加到100%时, 电池短路电流提高了 0.128 A, 最大输出功率提高了 0.066 W, 开路电压提高0.007 V; 1100 nm 波长下, 内量子效率提高39.9%, 外量子效率提高17.4%, 电池效率提高了0.4%. 然后, 通过丝网印刷技术制备了SiN_x/Al 背反射器, 实验结果表明, 在长波波段SiN_x/Al 背反射器具有良好的背反射性能, 在1100 nm以上的长波波段含有SiN_x/Al 背反射器结构的电池比普通Al 背场电池对同波长光的背反射率高出15%, 因而具有更高的电池效率.     

探月三期月地高速再入返回器降落伞减速系统设计与实现

针对探月三期返回器回收的初始条件、约束条件以及返回器的相关特点,提出了一种开伞载荷非均衡的两级降落伞减速系统方案,解决了探月三期返回器降落伞开伞载荷、舱伞系统的稳定性、重量要求以及弹盖拉伞可靠性等多因素的约束,实现了各方面较好的匹配性和降落伞系统的轻量化设计.同时针对轻质、不规则气动外形伞舱盖的特点,对弹盖拉伞的开伞方式进行了设计,确保了弹盖拉伞工作的可靠性.介绍了降落伞系统的主要可靠性分析验证情况.经过地面试验、仿真试验、空投试验和飞行试验的验证,表明探月三期返回器降落伞系统工作性能稳定、可靠,能够确保返回器的安全着陆.     

定向凝固多晶硅中细晶产生的原因分析

铸锭多晶硅是目前最主要的光伏材料，其结晶组织的形貌对太阳能电池的转换效率有着显著的影响．粗大均一的晶粒有利于得到高质量的硅片，从而提高电池转化效率．而在多晶硅锭的中心区域经常发现晶粒尺寸小于1mm2的细晶，其电学性能较差，影响该部分硅片的质量．本文设计了两种不同结构的热场，利用计算机仿真技术和实验测量，结合组分过冷理论，对细晶形成机理和影响因素进行了探讨．研究表明，提高结晶界面前沿熔体的温度梯度与结晶速度的比值G／V、增强界面前沿熔体的对流强度，并维持较为平坦的结晶界面，有利于避免细晶的产生．     

不同真空度下多层隔热组件传热性能的实验研究

针对月地高速再入返回飞行器在轨面临长期中真空环境的特殊挑战,热控设计需要评估不同真空度下多层隔热组件的传热性能差异.采用一维绝热型边界测试方法,对5单元、10单元、15单元与20单元多层隔热组件,在0.001~10000 Pa开展了传热性能的实验研究.根据测试数据,计算了不同真空度下的当量导热系数,在整器热分析模型中优选当量导热系数来计算整器温度水平,并利用正样热平衡试验和在轨温度遥测值验证了该方法的正确性.本文的测试结果不仅可为返回器提供基础数据,还可成为多层隔热组件不同真空条件下航天器热设计、热分析的重要依据.     

热致变色LSMO 光栅结构表面的热辐射特性研究

本文旨在研究具有一维光栅结构表面的热致变色材料La_0.825Sr_0.175MnO₃(LSMO) 的热辐射光谱特性及其随结构和温度变化的规律. 首先利用K-K 关系得到LSMO 在不同温度下的介电常数, 然后利用时域有限差分方法分析计算对应不同参数的结构表面光谱发射率. 研究发现, 由于光栅结构激发的微腔谐振效应, LSMO结构表面的光谱发射率呈现出选择性增强的特征. 光谱发射率随结构参数的变化情况表明, 通过合理选择光栅的结构参数可以得到想要的辐射增强特性. 平均发射率随温度的变化表明, 相比于光滑表面的LSMO 而言, 具有光栅结构表面的LSMO 的表面发射率有了比较明显的增强, 另外热致变色特性有了明显的改善.