放射性同位素热光伏系统中多层绝缘材料的热性能分析

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Thermal performance analysis of the multi-layer insulation in radioisotope thermophotovoltaic systems

　　

摘要

对于放射性同位素热光伏（RTPV）系统而言，提高系统热源的温度至关重要。目前，多层绝缘材料（MLI）被广泛用作RTPV系统中的热绝缘材料。本研究提出了将其应用于RTPV系统的方法，但不考虑光伏电池，重点关注其热绝缘效果。提出未被MLI吸收的输入功率的比例作为评估热性能的关键参数。首先，设计了一个带有MLI的RTPV系统模型，并将其与实验运行条件下的模拟结果进行了比较。在240.9 W的输入加热功率下，预测的热源温度达到了1099.5°C，而实验中测得的温度也为1099°C。然后，计算了热源和MLI的温度分布。实验得到的温度趋势与模拟预测结果吻合良好，表明MLI表面的温度分布是不均匀的。此外，详细讨论了由热源功率、MLI层数和热源数量决定的RTPV系统的热性能。结果表明，热源内部发生了显著的温度升高，这表明所提出的新结构配置具有优势和有效性。随着MLI反射层数量n从0增加到3，热源的温度从1114.3°C升高到1141.2°C。本研究为使用MLI作为热绝缘材料的RTPV系统的扩展应用以及在不同条件下的热性能分析提供了重要见解。

引言

放射性同位素热光伏（RTPV）系统是一种创新系统，能够将通过钚-238燃料衰变产生的热量转化为电能[1]。这种转换是通过光伏技术实现的，目前报道的光伏电池的最高输出效率已超过40%[2]。与硅基太阳能光伏电池不同，III-V族化合物电池（如InGaAs电池）具有更窄的带隙，这降低了RTPV系统中发射体的工作温度要求[3]。为了实现热光伏输出能量的高效转换，需要有效控制系统中的辐射热流的光谱分布[4]。这是因为能量低于光伏电池带隙的长波长光子无法产生光电流[5]，而能量过高的短波长部分在激发电子-空穴对后仍然会剩余热能[6]。因此，需要有效控制光谱，以使辐射与光伏电池的吸收特性相匹配[7]。这两种效应都会导致能量转换效率降低，并产生热量，从而降低光伏电池的性能。因此，在整个RTPV系统中，整体效率取决于三个因素：光伏电池的质量、热绝缘效果以及是否使用了光谱控制技术[4]。

在过去的10到15年里，已经研究了几种方法来提高热光伏技术的热能吸收效率。先前的研究通常集中在选择性发射体和光谱控制装置上[8][9]。例如，Wang等人[10]和Sakakibara等人[11]利用光子晶体的光子限制特性来调节热源的红外辐射。在我们之前的研究中，测量的钨发射体在1.80 μm以下的波长处的发射率为0.61以上，在1.80 μm以上的波长处低于0.07[12]。此外，还对其它材料（如0.72 eV的GaSb和0.59 eV的InGaAs电池）在1200°C温度下的性能进行了实验测量，InGaAs电池的最大效率分别为23.10%和28.91%[13]。尽管在光伏电池和光谱控制技术方面取得了进展，但一个关键方面却没有得到足够的关注，那就是RTPV系统内的整体热利用和热绝缘。热量泄漏仍然是一个重大挑战，直接限制了实现更高热源温度的能力，从而限制了系统的整体效率[14]。这突显了分析热绝缘组件的必要性。

为了避免RTPV系统中因热量损失造成的过度影响，通常会在系统内部安装热绝缘组件，以增加光伏电池吸收的能量比例，确保系统高效且稳定地转换能量。多层绝缘材料（MLI）已被广泛用于有效提高RTPV系统热源的温度。在Xiawa Wang开发的RTPV系统原型中，除了发射体外，所有表面都使用铜箔和氧化锆粉制成的MLI进行了绝缘处理。该系统在真空室中运行，真空度范围为10^-5 Torr。对于在真空中950°C下工作的Inconel加热器，通过MLI的导热热损失约占总热损失的11.5%，而非有效表面的辐射损失占77%[10]。Robert D. Koudelka等人设计了一个基于MEMS的多层绝缘微制造技术的放射性同位素微电源系统，但研究中没有提供MLI的导热热损失占比估计[15]。Schock等人设计了一个基于通用热源的RTPV系统，MLI由60层0.008 mm厚的钼箔组成，层与层之间由ZrO2间隔颗粒分隔。分析显示，只有2.2%的热量通过MLI损失，超过94%的热量到达了转换器[16]。David S. Wolford等人比较了使用单个光学腔体和两个光学腔体的系统，其余表面由20层多层绝缘材料组成，箔层之间的间隙为1 mm。结果显示，双腔体系统的总效率更高，工作温度更低，但MLI内的能量损失细节未详细说明[17]。

基于上述研究，RTPV系统在提高热性能方面显示出巨大的潜力，特别是当使用MLI时。对特定几何配置的详细研究、层数及其对热能吸收的影响，或对MLI内部热量损失方向和温度分布的全面分析往往不足。此外，增加热源的数量对于提高未被MLI吸收的输入功率比例至关重要。本工作提出了一种新的MLI结构，用于RTPV系统，以减少整体热量损失并改善系统热性能。此外，RTPV内的MLI与冷却板相连，用于减少热源的热量损失并防止热短路。特别是，详细分析了MLI结构对内部能量分布和温度曲线的影响，同时减少了对输出功率的关注。

第2节描述了当前实验RTPV系统的配置。第3节描述了建立的理论模型和内部热传递过程。第4节列出了这些结果的分析，包括当前实验RTPV系统的温度和热功率分布、MLI结构的影响以及RTPV系统中热源数量的影响。最后，第5节提出了结论。

章节片段

实验系统

图1展示了当前RTPV系统的示意图，图中突出了主要组件和能量流。RTPV系统由热源、发射体、滤光片、光伏电池阵列和两种多层绝缘材料组成。图1简要显示了使用碳化硅棒而不是钚核源进行电加热的热源结构。发射体表面到每个冷却板的距离固定为5.0 cm

仿真计算方法

整个RTPV系统模型是使用COMSOL软件设计的，采用表面到表面辐射热传递模块，并通过光线发射方法对整个设备进行仿真。此外，滤光片的两个端几何表面分别设置为半透明表面和完全透明表面。其在0.8–1.8 μm范围内的平均透射率约为0.92，而在3.7 μm之后的透射率为0.05，其余部分的透射率为0.12。

如图6所示

温度分布仿真与验证

控制和计算热源的表面温度非常重要，因为它显著影响辐射光谱性能。图10展示了热功率为250 W的RTPV系统模型的发射体表面的计算温度结果。发射体表面的温度差异是由于中心核心区域集中产生热量造成的。中心的表面温度为904.8°C（前表面），906.0°C（右侧表面）

结论

本研究介绍了MLI在RTPV电源系统中的应用和热性能分析。为了实现更高的热源温度和稳定高温运行，制造了一种具有14层钼抛光反射屏和8层气凝胶框架的MLI，用于RTPV系统。然后，使用FEM建立了完整的RTPV系统模型，以验证实验模型的准确性。主要结论总结如下：

独立构建的实验

CRediT作者贡献声明

Rongyu Shao：撰写——原始草稿。Zhiyang Wang：数据整理。Chengzhi Han：项目管理。Sheng Su：正式分析。Aixiang Yang：资金获取、正式分析。Dingjun Zhu：资金获取、正式分析。Jianxiong Shao：项目管理。Ximeng Chen：软件、资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家核电集团凌创研究项目（CNNC-LCKY-2024-076）、中央高校基本科研业务费（资助编号：lzujbky-2023-stlt01）以及国家自然科学基金（资助编号：U20B2008）的支持。

Rongyu Shao|Zhiyang Wang|Chengzhi Han|Sheng Su|Aixiang Yang|Dingjun Zhu|Jianxiong Shao|Ximeng Chen