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基于熵分析的近场热光伏系统性能评估

DOI：10.1063/1.5135729 期刊：Journal of Applied Physics 出版年份：2020 更新时间：2025-09-23 15:19:57
摘要： 近场辐射热传递可显著提升热光伏（TPV）系统的输出功率。因此，探究如何提高近场TPV系统的能量转换效率至关重要。本研究基于有效介质理论中的涨落-耗散定理，从热力学公式出发评估了近场TPV系统的性能。研究发现：采用InAs或GaSb电池的近场TPV系统分别能实现更高的热通量或效率极限；而由纳米线/纳米孔阵列构成的双曲超材料（HMM）发射极TPV系统，相比块体参考体系具有更高的热通量和效率极限。这归因于HMM能支持双曲模式，且其辐射特性对能量转换效率展现出有利的熵含量。本工作提供了一种无需考虑系统运作机制即可确定效率极限并建立近场TPV系统效率目标的方法，研究成果将助力HMM发射极与TPV电池材料的设计应用，从而提升近场TPV系统的效率。
作者： Bowen Li，Qiang Cheng，Jinlin Song，Kun Zhou，Lu Lu，Zixue Luo
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研究概述 实验方案

研究目的

基于熵分析评估近场热光伏（TPV）系统的性能，重点通过探究不同电池材料与双曲超材料（HMM）发射体的影响来提高能量转换效率。

研究成果

研究表明，采用砷化铟（InAs）或锑化镓（GaSb）电池的近场热光伏系统可分别实现更高的热通量或效率极限。由纳米线或纳米孔阵列构成的超材料发射器通过支持双曲模式并呈现有利的熵含量，能进一步提升性能。配备纳米线超材料发射器的热光伏系统效率极限接近卡诺效率极限，为未来改进提供了目标方向。

研究不足

该研究为理论性研究，未涉及实验验证。所计算的效率极限为理想值，当前热光伏系统可能无法实现。

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