太阳能热电—光电复合发电技术及其关键材料的基础研究

太阳能热电－光电复合发电技术是由中日双方科技人员提出并在国际上率先发展起来的太阳能全光谱直接高效利用的新技术。在我国NSFC和日本JST的重大国际合作研究项目的支持下，中日双方合作研制出了具有双方知识产权的国际上第一台太阳能热电－光电复合发电的实验系统并实证成功。.本项目根据太阳能高效热电-光电复合发电技术发展的重大需求，针对目前实验系统存在的主要问题，提出对影响系统效率和可靠性的三个关键科学问题进行系统深入地研究。项目的预期目标是：围绕三个关键科学问题的研究取得突破性进展，为高性能宽温域热电材料和高效热电-光电复合发电技术的发展提供科学支撑；应用项目的成果改进现有的实验系统，建立一套5-10KW规模的具有高效率和高可靠性的热电-光电复合发电分布式电站系统，为高效复合发电技术的发展提供重要的示范。

利用热电材料和光电材料分别对约占太阳能42%的红外光进行热电转换和约占太阳能58%的紫外-可见光进行光电转换，建立太阳能从紫外-可见光到红外光的全光谱分频利用和复合发电新模式，是国际上高度重视的太阳能全光谱高效发电的新方向。本项目以突破热电子系统效率问题、可靠性问题和复合系统优化设计问题为目标，在Bi2Te3/CoSb3宽温域热电材料的设计与制造、Bi2Te3/CoSb3宽温域热电器件的设计与制造和5kW太阳能热电-光电复合发电系统的优化设计与集成制造三个方面进行了系统研究。取得了以下主要研究成果：.（1）建立了熔体急冷结合放电等离子体烧结快速制备CoSb3基热电材料的高效方法；建立了基于载流子浓度匹配原则的界面电阻优化方法和基于热流密度相等原则的Bi2Te3/CoSb3宽温域热电材料各段长度的计算方法，发展了两步放电等离子体烧结法制造Bi2Te3/CoSb3宽温域热电材料的放量制造技术，设计并制造出n型和p型CoSb3/Bi2Te3宽温域热电材料。.（2）发展了陶瓷框架结合电极热喷涂的Bi2Te3/CoSb3宽温域热电器件的集成制造技术，制造出了陶瓷支撑框的Bi2Te3/CoSb3宽温域多段器件、Bi2Te3/CoSb3宽温域级联器件和低热损失Bi2Te3/CoSb3宽温域多段器件。建立了基于热电耦合和变物性的热电器件转换效率三维预测模型，理论预测Bi2Te3/CoSb3级联器件效率可达17.4%；发现具有支撑框的热电器件内部热损失主要源于支撑框热传导损失，空气填充热电器件内部热损伤主要源于冷热板间的空气自然对流和热辐射。.（3）建立了太阳能热电-光电复合发电系统的转换效率模型，发现其系统效率决定于热电子系统和光电子系统的转换效率和热损失，系统优化设计的顺序依次为分光截止波长、散热器性能、聚光比；开展了超高倍聚光下光电子系统冷却散热性能的国际合作研究，发现射流结构歧管热沉具有更好的冷却散热效果；发展了从单元、组件到系统的集成技术，建成了国际上第一台5kW太阳能热电—光电复合发电分布式电站，系统效率达到21.8%，发电功率4.5kW，热电子系统贡献675W，热电贡献率由2~3%提高到15%。