Parametric optimization of a coupled system integrating solid oxide fuel cell and graphene thermionic energy converter

Performance optimization of a solar-driven single-stage heterostructure-based thermionic generator

“…电极材料受热时，部分能量较高的"热电子"会逃逸出材料表面，此过程称为热离子发 射 [1] 。电子转移往往伴随能量的转移，基于热电子发射设计成的能量转换装置为热离子能量 转换装置 [2] 。热离子装置具有较高的理论转换效率，根据净电子流向的不同，可以分为热离 子发电装置 [3][4][5][6] 和热离子制冷装置 [7][8][9][10] 。而太阳能驱动热离子发电装置是未来发展趋势之一 [11] 。 不可逆性可以引起装置性能的显著降低， 实际热离子发电装置在工作过程中存在多种不 可逆性，如极板与环境之间的传热不可逆性、装置内部的传热不可逆性(极板间的辐射或导 热)等。有限时间热力学 是研究各种不可逆性对装置性能影响的有力工具。Wu [39] 考虑 太阳和高温电极、环境和低温电极之间的有限速率传热(辐射传热) ，研究装置的最大输出 功率特性。Wang 等 [40] 研究了考虑多种传热不可逆性的热离子发电机模型，给出了装置关键 技术参数的优化判据。Liao 等 [41] 建立了不可逆真空热离子太阳电池装置模型，讨论了装置 的最大效率特性。Wang 等 [42] 分析了光子增强型热离子装置的最优性能，研究表明采用纳米 间距能够显著增大装置的效率。Chen 等 [43] 对真空热离子发电机的性能进行了优化设计，讨 论了不同优化目标下的性能特性。程笑宇 [44] 研究了电极温度、电极间距和功函数对最优性 能的影响，讨论了功函数和电极温度的最优值。Qiu 等 [45] 研究了基于 van der Waals 异质结 (vdWH)的不可逆热离子发电机模型。研究了装置的最优性能与输出电压、Schottky 势垒 和热阻等参数之间的关系，得到了相应的性能优化区域。杨智敏 [46] 建立了基于 ABA 型和 ABC 型多层石墨烯发射极的不可逆真空热离子发电机模型，讨论了发射极和集电极的功函 数、石墨烯层数和聚光度对聚光热离子发电装置最优性能的影响。杨智敏等 [47] 考虑燃料电 池中电化学反应、等效内阻、热漏以及真空热离子装置中的有限速率传热等不可逆因素的影响， 建立了由燃料电池和真空热离子装置组成的联合发电装置模型， 分析了各种参数对装置最优 性能的影响。廖天军和林比宏 [48] 在光子增强型热离子太阳能电池的基础上，进一步考虑半 导体禁带宽度对温度的依赖关系， 建立了更加完善的不可逆光子增强型热离子太阳能电池模 型，研究了装置的最优性能。廖天军等 [49] 进一步建立了太阳能驱动的热电子-热辐射联合发 电机模型。Liao 等 [50] 建立了基于 Schottky 异质结的热光伏-热离子联合装置模型，考虑了空 基金项目：国家自然科学基金资助项目(批准号: 51779262)，湖北省自然科学基金(批准号: 2017CFB498) 通讯作者：*陈林根，lingenchen@hotmail.com; #丁泽民，zeminding@hotmail.com 间电荷效应和辐射复合对装置性能的影响。Liao 等 [51,52] 进一步建立了余热驱动的石墨烯基 热离子-热光伏联合发电装置 [51] 和固态氧化物燃料电池-石墨烯基热离子联合发电装置 [52] 。Li 等 [53] 建立了不可逆热离子-热光伏联合发电机模型。 本文在文献 [45,46]…”

A hybrid system integrating solid oxide fuel cell and thermo-radiative-photovoltaic cells for energy cascade utilization

“…On the other hand, the previous works demonstrated that the hybrid systems can be constructed by integrating the large-scale power machinery and thermodynamics cycles such as gas turbine [6,7], Stirling heat engine [8], Brayton cycle [9], organic Rankine cycle [10], Braysson cycle [11] into the SOFC. Similarly, the hybrid systems can be established by coupling the SOFC with the small-scale energy conversion devices such as thermoelectric generator (TEG) [12], thermoelectric generator-cooler (TEGC) [13], vacuum thermionic energy converter (VTEC)-TEG [14], VTECs [15][16][17][18], and thermophotovoltaic (TPV) cells [19,20]. In the above-mentioned hybrid systems, the area matching between the subsystems was analyzed to predict the peak power density.…”