由于其灵活的燃料选择选项，不可移动的部件以及高效发电的潜力，热光电（TPV）系统具有多种可能的应用。例如，这些系统可以帮助提供便携式能量，推进太空旅行和动力汽车。但是，工程师必须首先提高TPV系统的效率，同时降低系统成本和设备温度。为了实现这些目标，工程师可以使用仿真来分析和优化他们的TPV设计。

提高TPV系统的效率

在TPV电池能量生产过程中，燃料在强烈辐射热量的发射装置内燃烧。光伏（PV）电池捕获此辐射并将其转换为电能，效率为1-20％。所需的效率取决于电池的预期应用。例如，当TPV用于在热发生器内共同发电时，效率不是主要因素。另一方面，当TPV用作车辆的电源时，效率是至关重要的。

左图：描绘TPV发电过程的简化示意图。右：来自原型TPV系统的图像。右图由瑞士Paul Sherrer研究所D. Wilhelm博士提供。

为了提高TPV系统的效率，工程师需要最大限度地提高辐射传热，但这需要抓住。系统中的辐射越多，辐射转换为电能的越少。这些损耗 - 以及传导的热传递 - 提高了PV电池的温度。如果温度升高太多，它可能超过PV电池的工作温度范围，导致其停止工作。

提高TPV系统工作温度的一个选择是使用高效半导体材料，可以承受高达1000°C的温度。由于这些材料往往价格昂贵，工程师可以通过将较小面积的PV电池与将辐射聚焦到电池上的镜子相结合来降低成本。当然，光束可以聚焦多少是有限的，因为如果辐射强度太高，则细胞会过热。

设计TPV设备的工程师需要找到最佳的系统几何形状和操作条件，以最大限度地提高性能，最大限度地降低材料成本，并确保设备温度保持在工作范围内。传热模拟有助于实现这些设计目标。

用传热模型评估TPV系统的设计

此示例使用传热模块和表面到表面辐射接口来确定操作条件（例如，火焰温度）如何影响正常TPV系统的效率以及系统组件的温度。目标是最大化表面到表面的辐射热通量，同时最小化传导热通量。在该模型中，还评估了几何变化的影响。

模型几何结构包括发射器，镜子，绝缘体和在其背面由水冷却的PV电池。有关设置此模型的详细信息 - 包括如何添加传导，表面到表面辐射和对流冷却 - 请参阅TPV单元模型文档。

https://cdn.comsol.com/wordpress/2018/01/Thermophotovoltaic-system-model-geometry.png
TPV系统模型几何。

为了最小化模拟的计算成本，我们使用扇区对称和反射将计算域减少到原始几何的十六分之一。在对表面到表面辐射进行建模时，我们展开此视图以考虑完整几何体中所有曲面的存在。

用仿真分析TPV系统的效率和温度

首先，让我们检查一下电池温度范围内光伏电池的电流效率。在这样做时，我们看到效率随着温度的升高而降低。当电池的温度超过1600K时，效率为0.因此，PV电池设计的最大工作温度为1600K。

https://cdn.comsol.com/wordpress/2018/01/voltaic-efficiency-temperature-simulation-plot.png
绘制PV电池的电流效率与温度的关系。

在接下来的图中，我们看到发射器的温度如何影响PV电池的温度和电输出功率。电池温度曲线（左下图）表明发射器温度必须低于~1800 K，以保持PV电池低于其最大工作温度1600 K.

牢记这一点，让我们来看看电力输出结果（右图）。根据结果，我们得出结论，当发射器温度为~1600 K时，实现最大电功率。

绘制PV电池温度（左）和电输出功率（右）与工作温度。

继续，让我们检查PV电池中的温度分布以获得最佳操作条件（左下图），并将其与超过此工作温度的温度进行比较（右下图）。这两个图表突出了设备的温度分布如何因操作条件而变化。

当发射器温度为1600 K（左）和2000 K（右）时，整个TPV系统中的静态温度分布。

仔细观察1600 K的最佳发射器温度曲线，我们看到PV电池被加热到略高于1200 K的可持续温度。重要的是要注意绝缘体的外部部分达到800 K的温度，表明大量的热量传递给周围的空气。另外，辐射通量在PV电池周长和绝缘护套周围显着变化。

为了确定这种变化的原因，我们在1600 K的温度下生成单个对称扇区的辐照通量图。该图表明该变化是由阴影引起的并且与镜像位置有关。使用此图，我们可以优化光伏设计的单元尺寸和镜子位置。

https://cdn.comsol.com/wordpress/2018/01/irradiation-flux-graph.png
TPV电池，绝缘内表面，镜子和发射器的辐照通量。

来源：https://www.comsol.com/blogs/optimizing-thermophotovoltaic-designs-with-heat-transfer-simulation/