环境条件对晶硅电池温场分布及输出特性的影响

基于有限差分法分析了电池与环境之间热交换过程不同时,环境温度对电池内部温场分布及输出参数的影响.研究表明:在真空环境下,电池温度将恒定在300 K,电池与真空环境间主要的换热方式为热辐射;在理想散热条件下,电池温度与环境温度基本相同,电池与环境间热交换方式为热传导,电池的V_(oc),FF和η随温度增加线性减小;在静止空气层包围的条件下,电池温度与环境温度之间存在较大差异,电池前后表面出现温差,电池与环境之间的热交换方式为热传导,电池的V_(oc),FF和η值随温度增加呈非线性减小的趋势.     

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.     

双块式无砟轨道温度场试验研究和数值分析

为较准确掌握无砟轨道温度场的分布规律,建立无砟轨道温度与环境温度的对应关系,为温度应力的计算和无砟轨道设计提供基础参数,本文测试了双块式无砟轨道不同部件、不同位置的温度和环境温度变化情况,建立有限元模型对无砟轨道温度场进行了数值模拟和对比.实测数据及数值模拟的结果均表明:道床板温度随外界气温呈以日为周期的周期性变化,秋季平均每天的升温时间约为8 h,降温约16 h;由于热交换条件的差异,距轨道表面越远,轨道温度受环境气温的影响越小,道床板角部的温度变化幅度大于中部,支撑层与基床表层的温度变化幅度很小;道床板内存在较大的温度梯度,随着距表面距离的增大,温度梯度逐渐减小,至支撑层时温度梯度可忽略不计;采用有限元模拟的方法获取无砟轨道温度随气温变化规律是可行的.     

低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的结晶度及其影响因素分析

借助非等温结晶动力学理论模型,较为系统地研究了低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的温度和结晶度分布.研究结果表明,微液滴在经历相变温区时,呈现出表面区域结晶度最高,中间次之,中心区域最低的变化规律;且浓度越高,温度和结晶度分布越不均匀,如50%甘油微滴表面区域与中心区域温差为8K,但前者的结晶度大约是后者的41倍,而对于微水滴,两个区域的温差为1.10K,结晶度则相差6倍;微液滴体积对低浓度溶液的最终结晶度没有影响,只是延长了其冻结相变持续时间,如2和8μL20%甘油的相变时间分别约为14.48和19.82s;而对于高浓度溶液,没有明显的冻结相变温区,但呈现出体积越大,结晶度越高的变化规律,如2和8μL50%甘油的结晶度分别约为0.29×10~(-6)和0.80×10~(-6);随着低温保护剂浓度的增大,其相变温度会明显降低(水为273K,20%甘油为250K,50%甘油为225K,Vs55为158K),其最终结晶度也会显著降低,如20%和50%甘油溶液的最终结晶度分别为1和5.61×10~(-7),而Vs55仅有5.70×10~(-16).     

Si基^63Ni辐射伏特效应同位素电池的优化设计与分析

目前国内外研究的各类微能源中,β辐射伏特效应同位素电池因能量密度高、寿命长、输出性能稳定等优点在许多领域具有广泛的应用前景.本文从辐射伏特效应的基本原理出发,通过蒙特卡罗程序MCNP模拟计算β粒子在半导体材料中的输运过程,得出了辐生电流、开路电压等性能参数的计算公式,探讨了少子扩散长度、掺杂浓度、结深等对性能的影响,并提出了采用硅基63Ni源的同位素电池的最佳设计参数：63Ni源质量厚度为1mg/cm2,单晶硅半导体P区掺杂浓度为1×1019cm？3,N区掺杂浓度为3.16×1016cm？3,结面积为1cm2,结深为0.3？m,总厚度不超过160？m.得到的短路电流、开路电压、最大输出功率及转化率分别为：573.3nA,0.253V,99.85nW,4.94%.为低功率场所,如微型机电系统、心脏起搏器等所需的微能源提供参数依据.     

氧化物熔体自由表面变形的实验研究

利用高温熔体实时观察装置观察和研究了Bi₁₂SiO₂₀熔体中热毛细对流从稳态向振荡态的转变过程. 稳态热毛细对流的模式由一个对流主干和两个分支组成. 当振荡态对流引发后, 对流主干的长度会随着温度的增加而增长. 对流主干和分支是熔体表面变形的表现形式. 在铂金环的两端施加了3种温度梯度: 120, 60和10K, 铂金环上温度分布的变化直接导致了熔体热毛细对流方向的变化, 从而引发了表面变形形式的改变. 通过熔体温度分布的分析发现: 表明表面变形总是形成于熔体内的低温区. 表面变形的形成是熔体产生表面回流的主要原因. 主干的振荡频率随着温度梯度的增加而增大.     

自由落体条件下快速偏晶凝固

在落管自由落体条件下实现了Fe-48.8 % Sn 偏晶、Fe-40 % Sn 亚偏晶和Fe-58 % Sn 过偏晶合金的快速凝固. 对于直径范围在100 ~ 1000 μm 的Fe-48.8%Sn, Fe-40% Sn 和Fe-58% Sn 合金液滴, 最大过冷度分别为270, 282 和288 K. 液滴直径较小时, Fe-48.8% Sn 偏晶合金的微观结构呈现出均匀弥散分布的组织,当液滴中分散相直径为6 μm, 过冷度为30 K 时, Marangoni 迁移速率比Stokes运动速率快37 倍. 对于Fe-40% Sn 亚偏晶, 当液滴直径从1000 减小为100 μm时,其生长形态从柱状α-Fe 枝晶分布在富Sn 相基底上转变为α-Fe 颗粒分布在富Sn相基底上, α-Fe 枝晶的生长速度从0.45 增大到4.65 m/s. 对于Fe-58.8% Sn 过偏晶合金, 初生相α-Fe 枝晶的晶粒尺寸随过冷度的增加显著减小.     

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．     

焦炭颗粒群氧燃烧速率特性

富氧燃烧技术是一种有效的低碳排放洁净燃烧技术且已受到国内外广泛关注.但其二氧化碳和水分固有的物化本质引发的燃烧和火焰传播等诸多特性有待深入研究.本文仅针对二氧化碳气化对富氧焦炭燃烧速率影响机制进行研究,探讨二氧化碳气化吸热反应、氧气氧化放热反应和富氧交叉竞争反应中二氧化碳气化对焦炭燃烧速率贡献作用和层流火焰传播特性.基于自行搭建的高温富氧燃烧实验平台,研究中高温燃烧环境(1273 K,1773 K)二氧化碳气化对焦炭富氧燃烧速率贡献率和火焰传播特性影响,并与空气燃烧基准工况对比,即27%O_2/CO_2/Ar,27%O_2/Ar,73%CO_2/Ar和21%O_2/N_2/Ar.结果表明:中温燃烧且煤灰非熔融态时气化和氧化反应对焦炭氧燃烧最大燃烧速率贡献率近似相同,分别为47.1%和52.9%.高温富氧燃烧且煤灰熔融态时两者贡献比相差较大,分别为34.8%和65.2%,高温富氧燃烧的焦炭最大燃烧速率高于中温燃烧1.72倍;中温富氧燃烧时颗粒群最大燃烧温度几近相同且略高环境温度27 K,火焰从煤焦外缘传播至焦炭核心.高温富氧燃烧时熔融态颗粒群表面温度略低于环境温度60 K,高于空气燃烧55 K,存在化学发光无火焰锋面.     

定向凝固速率跃迁下平界面处液相溶质浓度变化及界面失稳

单相合金定向凝固时，固液界面处液相溶质浓度会受抽拉速率的跃迁变化而发生较大的改变．理论分析和数值计算结果表明：当抽拉速率从V0跃迁变化到V时，定向凝固系统并不能立即达到抽拉速率V,而是经过一个非稳态凝固过程才能达到矿跃迁加速中，界面处液相溶质浓度呈现小大小的不对称分布，且刚开始时，界面处液相的溶质浓度随抽拉速率跃迁比V/V0，原始抽拉速率V0和温度梯度GL增加而增大，相应的溶质扩散长度随V/V0和GL增加而减小．对于跃迁减速过程，变化情形刚好相反．另外在跃迁加速中，即使合金跃迁变化的抽拉速率仍处于平界面临界失稳速率范围之内，如果固液界面处液相溶质浓度过大，也会使合金凝固的平界面发生失稳现象．上述分析结果在Al-2％Cu合金的数值计算中得到了验证．     

致密砂岩气层水锁机理及控制因素研究

致密砂岩气已成为非常规天然气勘探开发的重点领域,但由于自身的特性,在钻完井、生产、增产等作业过程中极易造成水锁损害,目前致密砂岩水锁评价方法主要关注水相侵入前后岩心尺度的渗透率变化,未从微观尺度上刻画其水相侵入过程.在深入认识水锁机理的基础上,利用克深J井区巴什基奇克组致密低渗天然岩心,基于毛管自吸实验和水相返排实验,采用核磁共振成像和T2谱技术对水相侵入过程进行了可视化、定量化研究,探讨了水锁过程的微观机理及控制因素.获得了以下认识:(1)离心法建立的初始含水饱和度主要占据相对较小的小孔喉;而T2100 ms这部分孔喉,代表岩心中相对大的孔喉,自吸水速度快,易于饱和,当含水饱和度Sw=45%~60%时,这部分孔喉吸水就基本达到饱和;(2)核磁共振成像表明,致密岩心(渗透率≤0.02 m D)水相侵入过程中自吸速率较慢,水相饱和度在岩心中呈均匀增加;低渗岩心(渗透率0.1 m D)水相侵入呈段塞式均匀推进,且自吸速率相对较快;裂缝-基质双重介质岩心水相优先沿裂缝推进,然后基质沿缝面自吸,微裂缝自吸速率最快.(3)物性、微裂缝、初始含水饱和度、侵入流体矿化度、黏土矿物类型及含量和生产压差是影响水相侵入及水相滞留的重要因素.深入认识了致密砂岩水锁机理,完善了水锁效应的控制因素研究,对有效勘探开发致密低渗气藏具有指导意义.     

半埋式超长地下混凝土结构的温度应力分析

以株洲市某住宅小区为例,研究半埋式超长地下混凝土结构的温度场边界条件,运用有限元软件ABAQUS模拟其在使用期间降温和升温两种不利工况下的结构温度场和温度应力,并与全埋式地下结构温度应力进行比较。结果表明,两种结构的墙角、板墙连接处等均存在温度应力集中现象;对半埋式超长地下混凝土结构,应力变化最大的是完全暴露在空气中的剪力墙,其最大拉应力比覆土条件下大13.4%;处于半埋条件下剪力墙中部的极大应力差出现在墙体的顶、底部两端,在覆土与裸露交界处发生正负转折,均呈直线分布且变化值相同。此外,结构拐角角度对温度应力分布规律也有很大影响。     

碘化氢分解反应过程熵产率最小化

热化学硫碘循环是一种有潜力的制氢方式,而碘化氢分解反应是制氢过程的关键步骤,碘化氢的分解转化率决定了制氢效率的高低.为进一步从热力学第二定律的角度对碘化氢分解过程进行分析优化,本文建立了碘化氢分解一维活塞流管式反应器模型,并基于有限时间热力学理论,以系统中熵产率最小为优化目标进行研究.考虑传热、流动和化学反应过程的总熵产率,在给定的混合气体进口温度和混合气体进口压力及氢气产率约束条件下进行优化分析,分别考虑管长度固定和自由的两种情况,利用最优控制理论求解管外的热源温度最优分布.结果表明优化后的反应器中管外热源温度和混合气体温度差值存在相对恒定的子区间,并且管外热源的温度变化范围相对热源线性变化的参考反应器更广.与参考反应器相比,管长固定时(L=3 m)最优反应器的总熵产率降低了51.3%,管长自由变化时总熵产率存在二次最优,此时最优反应器长度L_(opt)=4.91 m,总熵产率相比参考反应器降低了57.6%.总熵产率的降低主要是由降低传热过程不可逆性实现的,适当延长管长可进一步降低反应过程中总熵产率.同时结合工业生产实际对如何实现热源温度最优分布进行了探讨.本文的研究结果对碘化氢分解反应器的尺寸参数和工艺条件设计可提供理论指导.     

嵌有离子选择性膜的微通道内增强电渗流及除盐效应分析

离子选择性纳米多孔膜材料在分子分离、海水淡化、生物分子富集、电池等诸多科学工程领域都有着非常重要的应用.本文通过数值仿真分析嵌有阳离子选择性膜的带电微通道内增强电渗流以及系统的除盐效应.结果表明,当浓度为1 mmol L~(-1)的KCl溶液在40 V cm~(-1)的外电场驱动下流过长60μm、宽10μm的微通道时,如果在通道中心离子选择膜性上加25 mV的跨膜电压,除盐效率约为29%;而当跨膜电压为250 mV时,除盐效率则高达89%.流体运动方面,在低跨膜电压下,通道内流体运动由传统电渗流主导,压力流主要用于平衡通道上游与下游电渗流速度的差别.然而在高跨膜电压下,膜表面附近生成很强的非线性涡流,进而形成泵效应;通道内流体运动则是压力流为主导,通道上下游均呈现带滑移边界的压力流特征.对照等参数的无膜通道,嵌膜系统在跨膜电压为400 mV时可以实现15倍以上的流速.本文所揭示物理机制可为新型微泵以及海水淡化装置的设计及优化提供重要的指导.     

集成于薄板的压电型随机振动能量收集器件优化设计

将压电薄膜粘贴于方形薄板表面即构成实用的振动能量收集器件,本文研究此类器件在受到宽带随机点激励作用时以平均输出功率最大为目标的优化设计问题,具体包括压电片布置位置和尺寸要求、最优负载电阻等.首先,导出机电耦合系统关于位移和输出电压的随机偏微分-积分方程组,通过模态分析技术消去空间项得到关于主坐标和电压的无限维随机常微分方程组.进而,由线性随机振动理论建立平均输出功率的解析表达,优化问题据此展开.研究表明:宽带激励作用时,压电片最优中心位置处于激励点及与之相应的3个对称点;在最优布置条件下,平均输出功率随压电片尺寸增加近于单调增加,而增速渐缓,据此可定义最优尺寸;在最优布置条件下,平均输出功率随外接电阻的变化有极值出现,可由此断定最优负载电阻.上述研究揭示了对称最优布置位置的存在性及输出功率对布置位置的敏感性,对平板型随机振动能量收集器件的优化设计有一定的指导意义.     

森林凋落物堆积层导热性影响因素探究

森林凋落物堆积层的导热性对林地生态和森林防火有重要影响。为确定其作用程度,设计了交叉热线法实验装置测定了体系温度、湿度、凋落层结构对凋落物导热性能的影响:在温度为0℃~50℃、湿度为0%~100%的静风条件下,凋落物层的导热性能随着温度、湿度的增加而变大,随着空隙率的增大而显著减小,变化呈现线性关系;其表观导热系数在0.048~0.087 W/(m·K)范围内,并且各因素互相关联,其中空隙率的影响最大;进一步分析发现,凋落物层导热性能对体系的热量平衡过程以及自燃发火具有显著影响,可为凋落物的继续研究和森林防火管理提供新思路。     

致密砂岩气水相对渗透率模型

致密砂岩富含微米级孔隙,其气、水两相流动复杂,如何建立可靠的相对渗透率模型是目前亟待解决的问题.基于流体单管流动方程耦合二阶滑移模型,结合分形理论,建立了致密砂岩储层气、水相对渗透率模型,该模型考虑了气体滑脱效应、孔喉结构参数、含水饱和度分布,模型的可靠性通过多个已发表的气水相对渗透率实验数据验证.结果表明:1)建立的模型可用以描述致密砂岩储层微米尺度孔隙中的流体流动行为; 2)压力和含水饱和度增加都会减小滑脱效应对气相相对渗透率的提高作用,当压力小于1 MPa时,气相相对渗透率对压力极为敏感;温度对气相相对渗透的影响有限,可忽略; 3)孔径分布分形维数和孔隙迂曲度分形维数增加,有利于气相相对渗透率的提高,但会降低水相相对渗透率,且孔径分布分形维数的影响更大.     

ZnO纳米阵列基钙钛矿太阳能电池的光电性能分析

近年来钙钛矿材料CH3NH3Pb X3(X=Cl,I,Br)因其在可见光范围的吸光系数大、成本低廉、能量转换效率高等优势而得到快速发展.本文采用低温化学水浴沉积制备出有序的Zn O纳米阵列,进一步在Zn O纳米阵列上旋涂不同体系的Ti O2,制备出Zn O/Ti O2复合阵列结构作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层,通过改变Ti O2掺入体系探究电极的微结构变化和电池光电性能.研究表明,Zn O纳米阵列经过Ti O2浆料处理的复合体系组装的电池具有最优的光电性能,进一步考察Ti O2浆料浓度对电池性能的影响表明,当Ti O2浓度为0.1 mol/L时得到最佳性能,其组装电池的开路电压(Voc)达到0.93 V,短路电流(Jsc)为15.30 m A cm-2,填充因子(FF)为43%,效率(η)为6.07%.效率的提升主要是因为钙钛矿能深入Zn O阵列的间隙,同时在阵列的上部形成了均匀致密的覆盖层,有效提高了电池的光俘获,同时抑制了载流子的复合.在Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构优化浆料浓度的基础上,进一步对纳米阵列采用Ti Cl4溶液进行处理,电池的光电性能得到大幅提升:Voc=0.99 V,Jsc=19.09 m A cm-2,FF=58%,效率η达到11%.性能提升的原因主要是Ti Cl4溶液对复合纳米阵列的处理,引入了小Ti O2纳米颗粒到Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构中,有效地填补了阵列中的间隙,后续旋涂钙钛矿材料,阵列上部的钙钛矿覆盖层和间隙中的钙钛矿纳米晶,其光照后产生的载流子都可以与电子传输层有很好的接触,从而快速地经由Zn O阵列传导至导电衬底,此外小纳米颗粒的引入,也增大了电极的表面积,提高了对钙钛矿物质的吸附,增大了光俘获,因而电池的整体性能都得到提高.     

局部热载荷诱导热障涂层界面分层断裂问题

以激光辐照对热障涂层面层进行局部加热, 模拟超燃冲压发动机燃烧室热障涂层服役的高热流、高温度梯度载荷环境, 研究热障涂层的可能破坏模式. 首先给出了YAG 激光局部加热试验方法、过程和界面破坏的典型形貌; 然后, 基于理论分析与有限元模型化研究, 计算了表面局部受热时热障涂层体系的温度场、变形场和应力场, 分析了热障涂层破坏的力学机制. 研究结果表明, 在这种局部迅速加热的载荷条件下, 热障涂层将由于陶瓷层-粘接层的界面分层断裂而失效. 参数化模型研究发现热障涂层体系的关键结构参量、性能匹配对界面分层断裂驱动力具有显著影响且存在优化区间.     

基于薄膜拍打型摩擦纳米发电机的风能收集研究

大量无线传感器网络节点的能量供给是目前限制物联网技术发展的一个瓶颈.作为新型能量收集技术,摩擦纳米发电机在环境能量收集方面有着显著优势,为解决无线传感节点供电问题提供了技术思路.本文基于摩擦纳米发电机和风致振动原理,提出并系统研究了一种薄膜拍打型摩擦纳米发电机(FF-TENG),实现了风能高效收集.本文采用仿真软件分析了薄膜拍打过程中的电场分布,利用流场显示方法展示了薄膜的运动状态.同时,研究了薄膜材料、风速、薄膜长度、薄膜串联对FF-TENG输出性能的影响规律.研究发现:随着风速提高,薄膜拍打频率增加,摩擦纳米发电机输出的短路电流增大,而输出电压和转移电荷量在风速超过4.7 m/s之后保持稳定.随着薄膜长度的增加,其拍打频率降低较快,单位长度上的发电性能呈现先增后减的规律.在双薄膜FF-TENG实验中,上游薄膜的扰动导致下游薄膜的拍打幅度更大,这使得两个短薄膜的输出电压比单个长薄膜提升了45%.通过演示实验,本文设计的薄膜拍打型摩擦纳米发电机成功地驱动了温度传感器,并点亮了至少300盏LED灯,表明其在无线传感器供电领域有着广阔的应用前景.