[发明专利]一种热光伏电源系统寿命分析方法

说明书

本发明公开的一种热光伏电源系统寿命分析方法，基于材料蒸镀基本原理以及原理样机的空间几何关系，可以评估出系统寿命期内热光伏同位素电源辐射发射器材料的蒸镀速率以及在滤波器表面的沉积速率；通过计算光谱对不同材料的透过率数据，建立了一种光波能量衰减的评估方法，能够根据电源系统的寿命要求以及工作条件，评估高温材料蒸镀对电源效率的影响；实现对系统寿命及稳定性的评估能力，进而指导热光伏热电转换系统的改进方向。

技术领域

本发明属于热电转换电源技术领域，具体涉及一种热光伏电源系统寿命分析方法。

背景技术

热光伏热电转换系统普遍包括：能量源、辐射器、滤波器、光伏电池等部件。热光伏热电转换系统是通过广义的能量源加热辐射发射器(能量来源包括太阳能、化学能、核能、电加热能等)，通过光谱调控等手段实现高能量转换效率。其工作过程为：通过能量源加热辐射器，使其达到极高的工作温度，根据黑体辐射原理使其向外辐射具有特定波长的光波；滤波器对特定波长的光波进行过滤，使得光伏电池可吸收波段到达光伏电池，不可利用波段能量回收至能量源或辐射器，实现能量循环利用，提高能量转换效率；光伏电池实现光波能量到电能的转化。

热光伏热电转换技术的原理概念早在20世纪60年代便被提出。但受限于技术、工艺水平的限制，始终未获重视。直到20世纪90年代，随着远红外波段敏感的光伏电池器件(基于III-V族半导体)被发明，热光伏热电转换技术的优越性才凸显，并获得广泛关注。得益于其极高的能量转换效率以及较好的系统运行稳定性，热光伏热电转换系统在航天技术、军事领域、民用领域均有极大的潜在的应用价值。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。

热光伏热电转换系统具有效率高、稳定性好的特点，在航天技术领域、军事应用领域具有广阔应用前景。但是，目前热光伏热电转换技术还处于实验室阶段，主要工作重点在热电转换效率的提高。面对航天技术领域、军事技术领域对热电转换系统长时间工作寿命评估及系统稳定性评估方面仍缺乏相关研究，距离实际应用仍有差距。因此急需热光伏热电转换系统的分析方法指导相关研究工作的开展。根据设计原理，热光伏系统中滤波器必须正对高温辐射器。尽管辐射器采用耐高温的材料，但是考虑到辐射发射器长时间处于800℃以上的工作温度，且处于真空环境(一般情况下真空度小于10^-2Pa)，辐射器材料会存在表面蒸发的现象，并最终沉积在温度较低的滤波器表面。沉积的材料层会吸收部分光波，从而影响光谱的整体通过效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种热光伏电源系统寿命分析方法，可以实现在系统设计阶段对系统寿命的准确预估。

一种热光伏同位素电源系统寿命分析方法，包括如下步骤：

步骤1、基于热光伏同位素电源空间几何构型，将辐射器的表面材料蒸发速率表示如下：

其中，d为材料蒸发速率；α_s为材料粘滞系数；ρ_E为材料密度；F为视场因子；m_E为材料原子质量；k_B为波尔兹曼常数；T_E为蒸发温度；p_v(T)为材料在温度T下的饱和蒸汽压；