聚光型太阳能热发电系统非均匀辐射能流特性及解决方法的研究进展

分别对槽式、线性菲涅尔式、塔式、碟式4种聚光型太阳能热发电技术中的聚光集热系统内非均匀辐射能流分布特性及由此带来的问题和挑战进行了总结,重点回顾了针对非均匀辐射能流特性带来的问题所提出的解决方法的研究进展,包括作者团队近年来在该方面的相关研究.分析看出,吸热器内的太阳能辐射能流分布表现出强烈的非均匀性,不均匀的辐射能流分布必然造成吸热表面/吸热体内不均匀的温度分布,即出现过高的局部温度、过大的温度梯度.局部温度过高容易造成局部热斑烧毁、吸热涂层性能减退、传热流体变性劣化;温度梯度过大导致出现热应力热变形,容易造成吸热器关键部件的结构失稳破坏.接着指出,非均匀的能流分布之所以给聚光集热系统带来诸多挑战,其根源在于吸热器内均匀的吸热能力与吸热表面/吸热体内非均匀的能流分布之间不能相互匹配,进而导致吸热表面/吸热体出现不均匀的温度分布.据此,作者将现有的解决方法总结分类为两种途径:(1)优化吸热器的"吸热"能力,使之与非均匀分布的太阳能流相匹配;(2)均化"聚光"系统内吸热表面/吸热体内的太阳能流分布,使之吸热器内均匀的吸热能力相匹配.最后,本文提出了解决聚光集热系统内非均匀能流特性问题的思路:需要从"聚光"与"吸热"不匹配的矛盾入手,以"光热匹配"为原则对聚光集热系统进行优化,提高"聚光"过程与"吸热"过程的协同性.     

基于品位耦合的光煤互补发电系统集成理论分析

光煤互补发电系统是一种将聚光太阳能与化石燃料化学能相结合的互补发电系统.已有光煤互补发电系统研究多为针对具体互补形式或具体光煤互补电站的案例研究,目前尚缺乏统一性的理论.本研究摆脱具体互补形式的限制,基于品位耦合思想,对光煤互补发电系统整体建模并进行统一性理论分析,提出了更为合理的光煤互补发电系统统一评价标准——节煤系数,并获得了适用于各类互补形式的统一理论表达式.该表达式指出了不同光煤互补发电系统间的联系与区别,揭示了节煤系数的"叠加效应".通过对表达式的详尽分析,明确了太阳能投入份额和太阳能集热品位同工质品位的匹配程度为节煤系数的主要影响因素.研究结果对于光煤互补电站设计以及各类燃煤电站的光煤互补改造均具有重要的理论指导意义.     

与建筑一体化太阳能双效集热器系统在夏季工作时对建筑负荷的影响

特别针对已提出的与建筑一体化太阳能双效集热器系统以自然循环方式工作的集热水模式, 建立了与建筑耦合计算的系统理论模型并进行了实验验证. 实验验证结果验证了该理论模型的正确性. 另外, 为了讨论该新型系统在夏季工作时对室内热环境的影响情况, 还特别针对一个依据一般实际建筑的结构和围护结构材料特点而设计的虚拟房间, 采用验证的理论模型, 模拟计算了该房间带新型集热模块和不带新型集热模块的冷负荷情况. 模拟结果得到, 在夏季工作时, 房间带新型集热模块时的全天冷负荷量比不带时要降低约1.02%. 尽管这个降低量不大, 但这个结果表明, 与建筑一体化太阳能双效集热器系统在夏季工作时不仅可以有效利用太阳能制热水, 而且不会遇到传统被动采暖系统在夏季要遇到的夏季过热问题, 更特别的是还能一定程度上改善室内热环境.     

聚光和非聚光光伏-热电耦合系统的优化

基于能量平衡建立了光伏-热电(PV-TE)耦合发电系统的一维稳态导热模型,研究了在不同的光伏电池效率温度系数和热电优值系数条件下PV-TE耦合发电系统的性能.(1)对于非聚光PV-TE耦合系统,分析了热聚焦因子、热电引脚长度和TE模块的负载电阻与内阻之比对系统发电效率的影响.结果表明:在TE模块的优值系数Z=4×10~(-3)K~(-1),电池效率温度系数β_(ref)=0.001 K~(-1)的情况下,系统总效率相对较好.此时总效率随着热聚焦因子、热电引脚长度、TE模块的负载电阻与内阻之比的增加,均是先增大后减小.因此,可选择最佳的热聚焦因子、热电引脚长度、负载电阻的值,使系统总效率达到最大值.(2)对于聚光PV-TE耦合系统,研究了热电引脚对数和热扩散因子对系统性能的影响.结果表明在Z=2.545×10~(-3)K~(-1),β_(ref)=0.001 K~(-1);Z=4×10~(-3)K~(-1),β_(ref)=0.001 K~(-1);Z=4×10~(-3)K~(-1),β_(ref)=0.0015 K~(-1)情况下,总效率随着热扩散因子的增加而减小.当热扩散因子从0.32上升到5.12时,对于其他β_(ref)和Z的情况,总效率会显著增加.当热扩散因子继续增大时,由热扩散因子增加引起的效率变化非常平缓,原因在于热扩散因子足够大时,热传递非常快,PV电池和TE热侧的温度随热扩散因子变化很小.基于研究结果,可以发现当聚光系统的热扩散因子在3.0左右时,耦合系统具有相对高的效率.     

GIS多维统一计算的几何代数方法

几何代数的多维统一与坐标无关特性为构建GIS多维统一计算模型奠定基础.利用基本几何对象的几何代数内、外积表达,基于多重向量构建几何-拓扑结构统一的多维地理场景对象自适应表达模型.基于几何代数基本算子构建面向几何、拓扑以及GIS分析的多维运算算子,形成表达结构与运算结构统一,且可支撑多维复杂场景分析的统一计算框架.三维社区实例验证表明,基于几何代数的多维统一计算模型可有效支撑多维复杂地理场景表达与分析,并可借鉴和继承现有GIS算法和地理模型,从而推进GIS多维统一表达、分析与建模的发展.     

十字排列椭圆孔声子晶体板的双通道滤波

采用有限元方法对二维十字排列椭圆孔周期结构的带隙及传输特性进行了研究,发现此类结构具有较宽的带隙范围.基于该研究,构造了由3种不同尺寸代表性单元组成的双通道波导结构,并通过有限元建模计算,分析了该结构的双通道滤波性能.根据理论计算模型设计制作了亚克力材料的双通道声子晶体薄板,并进行传输特性测试,实验数据验证了仿真结果的准确性.研究结果表明,通过调节3种代表性单元的尺寸,改变声子晶体的带隙分布,可以实现不同频率弹性波在双通道结构中的定向传输.     

表征孔隙及颗粒体积与尺度分布的两类岩土体分形模型

以Sierpinski垫片和Menger海绵模型为基础, 提出了由孔隙体积分形模型、颗粒体积分形模型及孔径或粒径分布分形模型组成的两大类岩土体分形模型, 指出了模型间的内在联系. 通过比较与分析, 发现该两类岩土体分形模型能将国内外岩土体分形模型统一起来, 从而形成了两类统一的模型. Katz对砂岩的实验结果表明砂岩的分形特性可采用第一类分形模型表示, 以软黏土微观孔隙数据为基础, 证明了软黏土满足第二类分形模型.     

塔式太阳能熔盐腔体吸热器一体化光热耦合模拟研究

首先采用蒙特卡罗光线追迹与杰勃哈特方法结合的混合光学模拟方法对塔式聚光集热系统中太阳辐射传播的全过程进行了完整描述,准确获得了全镜场条件下吸热表面非均匀的能流分布.在此基础上对熔盐腔体吸热器进行了一体化光热耦合模拟,重点分析了非均匀能流分布条件下熔盐流动布置方式对吸热性能的影响,同时考察了不同时刻条件下的吸热性能,结果表明:腔体吸热器吸热表面的能流分布表现出强烈的非均匀性,在这种非均匀的能流分布条件下,熔盐的流动布置方式会对吸热器性能产生显著的影响.当熔盐从能量密度高的区域流入,温度迅速升高,整个吸热面处于较高的温度水平,热损失较大,且会在熔盐出口处会出现熔盐加热吸热管的"吸热恶化"现象;当熔盐从能量密度低的区域流入,温度缓慢升高,整个吸热面处于相对较低的温度水平,热损失较小,能够获得更多的高温熔盐.另外,反射损失随时间变化显著,热损失随时间变化不显著.     

光学薄膜微细结构制造方法新进展

带有表面微细结构的光学薄膜可有效提高出光效率或光线利用率,有望大规模应用于柔性显示器和薄膜太阳能电池等光学器件.这类三维功能结构尺度在微米或亚微米范畴,其形状精度、结构缺陷、残余应力等几何特性和物理性能综合影响光学薄膜质量.紫外光固化(UV curing)和热压印(hot embossing)成形是光学薄膜微细结构制造的主要方法.本文综述了两种制造方法的主要进展,包括成形工艺、模具制造和成形装备等,这些研究成果的获得对光学薄膜的设计与制造具有重要意义.目前,尚需进一步阐明制造过程中材料流动规律和缺陷形成机理,形成控形控性新方法,指导光学薄膜微细结构的高效、高精度制造.     

3-氯-2,7,7-三甲基双环[4,1,1]辛-2-烯的酸性重排

目前国内外设计带电粒子光学系统的数值计算方法,一般采用解非线性方程组或者无约束求极值方法。这一方法存在着固有的困难:有时目标函数值过大;有时目标函数值虽不大,可是组成该目标函数中的某一光学特性超过许可范围。本文介绍采用受约最优化方法,即用罚函数法和递减保差法来     

太阳驱动地球环境变化研究进展

太阳是地球表层系统最重要的能量来源,地球表层环境变化记录中含有太阳辐射变化或太阳活动的印记,实际观测的太阳辐射变化却被认为不足以引起地球气候系统的剧烈变化,不同学者发展了多种物理模型来解释太阳驱动地球环境变化的机制。本文从地质记录入手,综述了太阳影响不同时间尺度气候变化的地质[CD*2]生物记录,评述了几种放大机制,发现这些物理模型在解释某种气候现象时具有很好的适用性,但在其他方面也往往存在一定缺陷。我们认为：太阳变化是驱动地球环境变化的最根本因素;地球环境变化可能直接响应太阳变化。要么太阳活动引起的辐射量变化在气候系统中的作用被低估,要么还有未被发现的新机制,未来的研究应该针对这两个问题展开。     

第24太阳周将是一个低太阳周？

提出了一个简单实用的对太阳黑子数平滑月均值做比较的方法, 考虑了国际黑子数的实际计数精度和已有实测数据时间序列特征, 利用实测数据与本文推导出的比较黑子数大小的公式, 估算出2009年1月至2009年4月太阳黑子数平滑月均值的范围, 判断出第24周可能起始于2008年12月. 然后用我们发展的相似周方法与相似位相概念做出了分别适用于预报第24周上升相的时间长度和极大黑子数值的统计公式, 预测出第24周将在2013年9月至2014年5月期间出现平滑月均黑子数为60~80的最高峰, 该值远低于第23周的120.8的高峰.     

空间微小碎片撞击对太阳电池表面损伤的评估方法

利用等离子体驱动微小碎片加速器, 开展空间微小碎片撞击对太阳电池表面损伤的地面模拟实验, 得到了微小碎片撞击对太阳电池表面损伤的平均表面损伤系数和撞击损伤方程, 并分别提出了利用平均表面损伤系数和撞击损伤方程评估空间微小碎片撞击对太阳电池表面损伤的评估方法. 结合master2005空间碎片分布模式计算得到的空间微小碎片分布规律, 采用这两种评估方法分别对800 km轨道高度航天器太阳电池遭受微小碎片撞击引起的表面损伤率进行了评估. 计算结果表明这两种方法能够相互验证, 并且发现空间微小碎片撞击对太阳电池的表面损伤主要由5~500 μm碎片撞击引起.     

2009年7月22日日全食的日冕结构

日冕是太阳的外层大气,其高温等离子体外流而形成太阳风,又发射很强的紫外和X射线辐射,日冕活动严重地影响日地空间环境.日冕结构与太阳活动有密切联系.2009年7月22日发生21世纪最壮观的日全食,是观测研究日冕的良机,但由于全食带地区大多阴雨而受挫,幸好在个别天气好的地方可拍摄到高质量的日冕数码像.本文选取其中部分像,进行数字图像处理,结合SOHO卫星LASCOC2所观测的当天的外冕图像进行分析,揭示日冕的一些结构,得到日冕两极和赤道的亮度径向平滑分布.2009年是第24个太阳活动周期的开始年,虽然太阳活动水平仍较低,但比去年的极小期活跃得多,日冕结构有较明显的变化,不仅显示赤道区比两极区延展,即使东西赤道区和南北极区也有较大差别.赤道东侧的冕流,尤其赤道北的大冕流很显著,南极区比北极区的冕羽由更多的极射线组成.日冕赤道区和极区的亮度径向分布接近于去年的太阳活动极小,但赤道东西方向的亮度分布差别较去年小,南极与北极方向的差别也较小.这些日冕特征也显示在日冕等亮度图上.     

日全食——日冕的观测研究

日全食是观测日冕的最佳机会。壮观的日冕显示复杂的形态结构和活动现象。日冕发射很强的紫外线和X射线,高温物质不断外流而形成“太阳风”,还常发生强烈的“日冕物质抛射事件”。日冕活动严重地影响空间环境和太空天气,因此日冕的观测研究成为对航天和地球有意义的热门领域。     

含有p-GaN 纳米阵列的InGaN/GaN 双异质结太阳能电池的制作

提出了一种提高p-GaN/i-InGaN/n-GaN 双异质结太阳能电池外量子效率的方法,即将p-GaN 刻蚀成纳米阵列结构. 我们使用Ni 退火形成微结构掩模, 通过感应耦合等离子体(ICP)将p-GaN 刻蚀纳米阵列结构. 同时, 提出了两步刻蚀n-GaN 台面的制作工艺, 以此在形成p-GaN 纳米阵列结构时获得光滑的n-GaN 层表面, 以此改善后续金属电极的沉积. 经测试, 含有p-GaN纳米阵列结构的电池峰值外量子效率可达55%, 比常规p-GaN 膜层基InGaN/GaN 太阳能电池的外量子效率提高了10%.     

TiO2薄膜的优化及其对染料敏化太阳能电池性能的影响

介绍了染料敏化太阳能电池的制备过程, 深入探讨了二氧化钛薄膜厚度、四氯化钛处理电极及添加大粒子散射层对电池效率的影响. 研究结果表明, 在一定范围内增加TiO₂电极的厚度可以显著提高电池效率, 但当电极过厚时, 薄膜中的缺陷态增加, 降低了电子的传输效率, 导致光电流下降, 电池效率降低; 四氯化钛处理电极增强了基底导电面与薄膜界面以及二氧化钛粒子间的电接触, 加快电子传输使光电流增强; 引入散射层, 提高了电池在长波段的光捕获效率, 从而提高了电池的效率.     

金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用

金属纳米结构的表面等离子体光学在光催化、纳米集成光子学、光学传感、生物标记、医学成像、太阳能电池, 以及表面增强拉曼光谱等领域有广泛的应用前景, 这些功能和金属纳米结构与光相互作用时产生的表面等离子体共振密切相关. 本文简单回顾国际上该领域过去十来年的一些重要研究进展和当前发展的前沿动态, 重点介绍我们课题组近年来在金属纳米颗粒和纳米结构的表面等离子体光学理论和实验研究上取得的一些成果. 同时还介绍了我们课题组目前在表面等离子体光学研究方面的若干新思路, 包括表面等离子体共振放大、紫外波段光学天线、纳米天线光学双稳态、表面等离子体辅助的量子相互作用等. 通过这些经验和教训的介绍与讨论, 期望能够达到抛砖引玉的目的, 与国内同行来共同探讨表面等离子体光学结构是如何在纳米尺度上实现对光的各种性质的调控和利用的, 并向等离子体光学的未知领域开拓进取.     

再论隋代前后的太阳视运动理论

张子信的太阳视运动理论（约５６０年）至迟在５７６年已被刘孝孙的武平历用于日食推算。但因北齐灭亡（５７７年），这个学说的进一步发展受到挫折．此后刘焯与张胄玄分别继承了刘孝孙的未竟之业．通过对张胄玄大业历（６０８年）、刘焯皇极历（６００年）与一行太衍历（７２７年）日躔表的分析，可以清楚地看出隋代前后太阳视运动理论逐步完善的发展脉络．刘焯创立的二次内插算法是建立在太阳视行速对称且分段成等差数列变化这两个前提之下，它的出现应属自然。本文认为，张子信之后的太阳视运动理论，是申国古代天文学家独立创建并发展起来的。     

日全食时的日冕光学观测

日冕是太阳的外层大气, 不仅其高速外流的高温等离子体形成太阳风, 而且还常发生强烈的日冕物质抛射(CME), 发射很强的紫外和X射线, 日冕活动严重地影响日地空间环境和太空天气以及地球, 观测研究日冕的结构和活动有重要的科学意义和应用价值. 日冕的光学亮度只有日轮光球的百万分之几, 日全食是观测日冕的最有利时机. 本文综合评述日冕的各种形态特征和结构性质、活动规律及其观测研究进展, 有助于在2009年及以后的日全食时更好地拟定观测方案, 以便获得有成效的科学观测资料, 促进有关课题的深入研究.