混合级联热光伏-电化学系统用于发电与制冷的潜力分析（A Potential Analysis of a Hybrid Cascaded Thermophotovoltaic-Electrochemical (TPV-EEC) System for Power Generation and Cooling）

《Renewable Energy》：Potential analysis of a hybrid cascaded thermophotovoltaic-electrochemical system for power generation and cooling

　　

摘要：为提高热能利用率并减小辐射能转换过程中与废热相关的损失，研究人员提出了一种将双结热光伏电池（dual-junction thermophotovoltaic cell, DJ-TPVC）与电化学能量转换器（electrochemical energy converter, EEC）集成的混合系统。研究人员建立了综合数值模型，将高能热辐射转化为电能，同时通过电化学过程回收废热实现制冷，从而提升整体能源利用率。通过与已知独立子系统结果对比验证了模型有效性。数值分析表明，在各自最优带隙组合的最佳条件下，该混合系统可实现1.417 W cm?2的功率密度和52%的能量效率，较独立热光伏电池性能提升13.3%。参数研究表明，发射器温度、电荷比、反射系数、温度系数及内阻对系统性能有关键影响。研究结果量化揭示了热光伏与电化学转换过程协同集成的机理，凸显了先进混合热电转换系统的巨大潜力。

论文解读：混合级联热光伏-电化学系统用于发电与制冷的潜力分析

一、研究背景与意义

在现代能源系统中，工业过程、聚光太阳能装置及高温热源产生的大量热能最终以废热形式耗散，导致系统整体效率显著降低。热光伏（Thermophotovoltaic, TPV）技术可直接将热辐射转换为电能，具有固态运行、可扩展性强及兼容高温热源等优势；近年双结热光伏电池（Dual-Junction Thermophotovoltaic Cell, DJ-TPVC）在优化光谱条件下较单结器件可获得更高转换效率。然而即便是最先进的TPV系统仍受限于本征光谱损失、非辐射复合及低于带隙光子吸收，造成器件内部显著发热。另一方面，电化学能量转换器（Electrochemical Energy Converter, EEC，以热再生电化学循环 Thermally Regenerative Electrochemical Cycle, TREC 为代表）可利用温差驱动氧化还原反应实现电输出或制冷，具材料灵活、条件可调、热流与电荷传输解耦等优点，但单独使用时往往受限于较低功率密度及对温度梯度和内阻的严格要求。现有光伏—TREC耦合受可逆反应需低电流密度、电解质传质阻力大等限制；TPV—热电发电机（Thermoelectric Generator, TEG）耦合则受TEG本低效及两子系统最佳工作温区不匹配影响。鉴于TPV与EEC优势互补且局限不同，有必要探索新型混合架构以更有效地衔接辐射能转换与电化学能利用，提升级联热能综合利用率。该研究由Yongzhen Xu, Yuewu Huang, Lu Yan完成，发表于《Renewable Energy》。

二、主要关键技术方法

研究人员构建了双结热光伏电池（DJ-TPVC）与电化学能量转换器（EEC）耦合的混合系统综合数值模型，涵盖辐射传输、PN结电流—电压特性及电化学Seebeck效应（热电化学Seebeck系数 α_EEC）与冷却负载计算。假设只考虑辐射复合（Radiative Recombination）而忽略Shockley-Read-Hall (SRH) 复合与Auger复合，以探讨理想性能极限。模型分别采用已有文献中独立TPV子系统与电化学子系统数据进行校核验证（Model Validation）。通过参数扫描分析发射器温度 T_E、上下子电池带隙组合（E_g1, E_g2）、EEC电荷比（Charge Ratio, γ）、反射系数（Reflective Coefficient, R_back）、温度系数（Temperature Coefficient, β）及EEC内阻（Internal Resistance, r_in）对系统功率密度与能量效率的影响，并对混合系统与独立DJ-TPVC系统进行性能对比。

三、研究结果

System descriptions

混合系统由DJ-TPVC模块与EEC模块级联构成：高温热源发射的热辐射首先入射至DJ-TPVC，其顶电池与底电池分别吸收高于各自带隙的高能光子并转换为电能，未被吸收或低于带隙的低能辐射及TPV吸收后产生的残余低热被传导至EEC，EEC利用此温差驱动电化学反应实现制冷（或额外电输出），形成级联利用。

Model validation

因尚无DJ-TPVC—EEC耦合混合系统的实验报道，研究人员采用已发表独立TPV子系统与EEC子系统参考数据分别对模型中DJ-TPVC和EEC部分进行校核，模拟结果与文献吻合良好，证明集成模型可靠可行。

Generic performance evaluation

在仅考虑辐射复合的理想条件下，研究发现当DJ-TPVC上下子电池取各自最优带隙组合且该带隙组合同时匹配EEC最佳工作点时，混合系统（DT-EEC）可达最大功率密度1.417 W cm^?2及能量效率52%；相比未优化的独立双结TPV（DT）及未优化混合系统，优化后混合系统较独立DT系统性能提升13.3%，证明级联EEC回收废热可有效提高整体效率。

Effect of the temperature of the thermal emitter

随辐射发射器温度 T_E升高，混合系统与独立DT单元的功率密度均总体上升；但在不同 T_E下最优带隙组合 E_g1发生偏移，且引入EEC可在相同 T_E下额外提升总功率密度与效率，说明发射器温度是决定级联系统性能的关键参数，并与带隙选配存在强耦合关系。

参数研究还表明：增大EEC电荷比γ及背反射系数 R_back（提高低于带隙光子二次利用）有利于系统性能；EEC温度系数β与内阻 r_in显著制约电化学制冷效果与输出，需在设计中予以控制。

四、讨论与结论翻译

研究人员指出，所提出的DJ-TPVC—EEC混合架构可有效克服单纯TPV子系统的废热累积问题及单纯EEC的低功率密度瓶颈，通过辐射—电—电化学多物理场耦合实现高品位热辐射发电与低品位余热制冷的级联利用。数值框架揭示发射器温度、带隙组合、电荷比、反射系数、温度系数和内阻为影响性能的关键设计参数，为先进混合热电转换系统的优化提供了定量依据。

结论部分原文译为：

本研究提出一种集成双结热光伏电池（DJ-TPVC）与电化学能量转换器（EEC）的新型混合系统，旨在提升整体能源利用率并解决废热回收难题。研究人员构建了综合数值框架，推导了关键性能表达式，并对集成系统数学模型进行了系统验证。数值结果表明，功率密度与能量效率的最优运行点出现在不同的带隙组合与操作条件下；优化后的混合系统在各自最优带隙配置下获得1.417 W cm^?2功率密度与52%能量效率，相较独立热光伏电池性能提高13.3%。参数分析阐明了发射器温度、带隙配置、电荷比、反射率、温度系数及内阻在调控系统性能中的关键作用。这些发现为热光伏与电化学转换过程的协同集成提供了定量见解，强调了先进混合热电转换系统的重要潜力。