用于收集极高密度热能的近场热光伏热交换器

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Near-field thermophotovoltaic heat exchanger for harvesting extremely high-density thermal energy

高效近场热光伏热交换器设计及其性能优化，通过多鳍片热沉结构实现功率密度提升，在1600 K热源下单平方厘米面积输出228.5 W电能，系统效率达36.8%。相较于传统平面结构，该方法扩展了有效发电面积100倍以上，同时降低电阻损耗。

　　热电光伏（Thermophotovoltaic, TPV）系统是一种固态热机，能够将来自各种热源的能量，如太阳能辐射、燃烧气体和工业余热等，转化为电能。这种系统因其独特的能量转换机制，在高效能量利用和可持续发展方面展现出巨大潜力。近年来，TPV技术的发展受到了广泛关注，尤其是在提升能量转换效率和减小系统体积方面。本文介绍了一种新型的近场热电光伏热交换器（Near-Field Thermophotovoltaic Heat Exchanger, NFTPV-HX），它通过优化系统结构和热交换方式，实现了在不增加系统占地面积的前提下，显著提升电能输出，同时降低了电阻损耗。

TPV系统的核心原理是利用红外热辐射，将高温热源（通常在1000至2500 K之间）的热能转化为电能。与传统的光伏系统相比，TPV系统不需要移动部件或工作流体，因此具有维护成本低、寿命长等优势。同时，TPV系统能够在较小的体积内高效地处理高密度热能，使其在航天、工业和能源回收等应用场景中表现出色。然而，随着对更高电能输出的需求，TPV系统在设计上面临新的挑战。特别是，现有的系统几何结构在扩展电能生成区域时，往往会导致系统占地面积增加，同时增加电阻损耗，尤其是在近场热电光伏系统（Near-Field Thermophotovoltaic, NFTPV）中。

为了解决这一问题，本文提出了一种新的NFTPV系统几何结构，即NFTPV-HX。这种结构借鉴了近期开发的纳米光热交换器（Nanophotonic Heat Exchanger）的设计理念，将热源设计为类似散热器的结构，带有多个散热鳍片，而热电光伏单元则被放置在这些鳍片之间，并通过纳米级间隙（nanogap）进行热辐射传输。这种紧凑的结构设计不仅能够扩展电能生成区域，还能够在不增加系统占地面积的情况下，显著提升电能输出密度（Effective Power Density, EPD）。实验结果表明，该NFTPV-HX能够在1 cm2的占地面积下，从1600 K的热源中产生228.5 W的电能，其效率达到36.8%，这比传统NFTPV系统高了一个数量级。

此外，本文还对远场热电光伏热交换器（Far-Field Thermophotovoltaic Heat Exchanger, FFTPV-HX）进行了分析，其在不使用纳米级间隙的情况下，也实现了比传统NFTPV系统高三倍的电能输出。这表明，无论是近场还是远场热电光伏系统，通过优化热交换结构，都可以有效提升电能输出密度，同时减少系统体积和电阻损耗。这种策略不仅适用于TPV系统，还可以扩展到其他固态能量转换技术，如热光子、热辐射和热电发动机等。

NFTPV-HX的结构设计在理论上具有显著优势。通过将热源设计为类似散热器的结构，可以实现高效的热传导和辐射转换。每个散热鳍片具有核心-壳层结构，其中核心部分采用高热导率的金属材料，以确保在热传导方向上温度分布均匀。在本研究中，铜（Cu）被选为热源核心材料，用于热源温度低于1350 K的情况，而钨（W）则被选为高温热源的核心材料，用于热源温度高于1350 K的情况。这种材料选择能够有效平衡热传导和热辐射的需求，同时减少系统的整体质量和体积。

在实验分析中，本文采用了有限元方法（Finite Element Method, FEM）和系统优化方案，对NFTPV-HX的性能进行了评估。研究重点包括系统高度、热源核心宽度、热源壳层结构以及硅层厚度等因素对整体性能的影响。通过优化这些参数，研究人员能够确定最佳的系统设计，以实现最高的电能输出密度和效率。实验结果表明，NFTPV-HX在不同热源温度下的表现稳定，其电能输出密度和效率均达到较高水平，且能够适应多种应用场景。

此外，本文还对NFTPV-HX的可行性制造工艺进行了探讨。研究团队提出了一种基于纳米光子结构的制造方法，能够有效实现热源和热电光伏单元之间的纳米级间隙。这种制造工艺不仅能够提高系统的性能，还能够降低生产成本，使其在实际应用中更具可行性。同时，研究人员还对远场热电光伏热交换器（FFTPV-HX）进行了分析，发现其在不使用纳米级间隙的情况下，也能够实现较高的电能输出密度，这表明，无论是近场还是远场热电光伏系统，通过优化热交换结构，都可以有效提升电能输出。

从系统性能的角度来看，NFTPV-HX在热能转换效率和电能输出密度方面均表现出色。其热能转换效率达到了36.8%，这比传统NFTPV系统高出了一个数量级。同时，其电能输出密度也达到了140.3 kW/kg，显著超过了其他竞争系统。这种高能量转换效率和高输出密度的特性，使得NFTPV-HX在能源回收和高效能量转换领域具有广阔的应用前景。此外，该系统还具有良好的可扩展性，通过增加热电光伏单元的数量，可以进一步提升电能输出，而不增加系统的体积和质量。

在实际应用中，NFTPV-HX的优势尤为明显。首先，它能够在不增加系统占地面积的前提下，实现电能生成区域的扩展，从而显著提升电能输出密度。其次，其结构设计能够有效减少电阻损耗，提高系统的整体效率。第三，该系统具有良好的可扩展性，适用于不同规模的应用需求。这些优势使得NFTPV-HX成为一种极具潜力的固态能量转换技术，特别是在高密度热能利用和紧凑型能源系统方面。

此外，NFTPV-HX的结构设计还考虑了系统的热管理问题。通过将热源设计为类似散热器的结构，研究人员能够有效控制热源的温度分布，确保热电光伏单元在最佳工作温度下运行。这种设计不仅提高了系统的热转换效率，还减少了热源与热电光伏单元之间的热损失。同时，热源壳层结构的设计也能够有效减少热辐射损失，提高系统的整体性能。

在实验验证方面，本文通过系统优化和性能评估，证明了NFTPV-HX在不同热源温度下的表现稳定。实验结果表明，该系统能够在1600 K的热源温度下产生228.5 W的电能，其效率达到36.8%，这比传统NFTPV系统高出了一个数量级。同时，该系统在不增加系统占地面积的情况下，实现了电能生成区域的扩展，从而显著提升了电能输出密度。这些实验结果为NFTPV-HX的实际应用提供了重要的理论支持和实践依据。

在技术发展方面，NFTPV-HX的提出标志着TPV技术的一次重要突破。通过借鉴纳米光子热交换器的设计理念，研究人员成功开发了一种新型的热电光伏系统，能够在不增加系统体积和质量的前提下，实现更高的电能输出密度和效率。这种技术进步不仅提升了TPV系统的性能，还为其他固态能量转换技术的发展提供了新的思路和方法。

总之，本文提出了一种新型的近场热电光伏热交换器（NFTPV-HX），通过优化系统结构和热交换方式，实现了在不增加系统占地面积的前提下，显著提升电能输出密度和效率。这种策略不仅适用于TPV系统，还可以扩展到其他固态能量转换技术，如热光子、热辐射和热电发动机等。NFTPV-HX的提出为高密度热能利用和紧凑型能源系统的发展提供了新的解决方案，具有重要的理论和应用价值。