Energy：用于回收高温炉渣余热的近场热光伏系统设计

论文信息：

Xin Wang,Minwoo Choi,Hyunmin Yang,Minsung Kim,Bong Jae LeeDesign of the near-field thermophotovoltaic system for recovering waste heat from high-temperature slag, Energy 339 139105(2025).

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.139105

研究背景

在碳密集型工业进程中，高温环节是碳排放的重要来源，废热回收对提升能源利用效率和实现低碳目标至关重要。钢铁工业作为现代基础工业，其高炉冶炼过程中产生的大量高温熔融炉渣蕴含可观的热能。当前针对此类中温区（约1200 K至400 K）的废热回收仍面临技术挑战，传统热力学循环受限于卡诺效率且系统复杂。近场热光伏技术通过利用亚微米尺度下的倏逝波耦合与光子隧穿效应，可显著增强辐射传热通量，实现高效率的固态热电转换。本研究聚焦于动态流动的粒化炉渣这一特殊热源，突破传统静态热源模型的局限，旨在开发一种适用于非均匀温度场的高效能废热回收系统，为工业余热资源化提供新途径。

研究内容

本文聚焦于开发并系统研究一种专用于回收高温粒化炉渣废热的近场热光伏系统。研究工作的核心在于解决传统废热回收技术在中温区间效率受限的难题，并特别针对流动热源所带来的动态与非均匀热边界条件这一独特挑战，构建了一套完整的从理论建模、性能优化到工程可行性评估的研究体系。

图1. 炉渣处理过程中炉渣余热回收示意图。

研究首先构建了一种创新的重力驱动填充床式NF-TPV系统构型。该系统采用同心圆管结构，高温粒化炉渣在环形通道内以设定的流速持续流动，作为系统的动态高温热源。NF-TPV模块被集成在内外管壁上，其核心是在发射器与光伏电池之间维持一个亚波长尺度的真空间隙。当炉渣流经发射器表面时，通过对流换热将热能传递给发射器。受热的发射器随后通过近场热辐射，将能量高效地传递给仅相隔纳米级真空间隙的光伏电池。光伏电池将吸收的光子能量转换为电能，其工作过程中产生的废热则由流经其背面的冷却水通道强制排出，以确保电池处于高效工作温度区间。整个能量转换过程涉及对流、近场辐射和光电转换等多种物理机制的紧密耦合。

图2.(a)为高温粒化炉渣设计的NF-TPV余热回收系统示意图，(b)为能量流和热边界条件示意图。

为了精确刻画该系统在动态运行中的真实行为，研究建立了详尽的轴向离散化热-电耦合模型。研究摒弃了传统分析中常采用的均匀温度假设，将系统沿轴向流动方向离散为多个微元段。在每个微元段内，同步求解四个关键组分——流动的粒化炉渣、发射器、光伏电池以及流动的冷却水——的能量平衡方程。模型中，从炉渣到发射器的对流换热、发射器与光伏电池之间的近场辐射换热（基于涨落电动力学理论并结合散射矩阵法计算）、光伏电池内部基于细致平衡原理及考虑非辐射复合损失的发电过程，以及从光伏电池到冷却水的对流换热，所有这些过程被耦合在一起进行迭代求解。该模型能够再现系统沿轴向呈现出的显著温度梯度与非均匀热流分布，例如炉渣温度从入口的1200 K非线性下降至出口的约664 K，以及近场辐射热流随之急剧衰减的现象，从而为准确评估系统性能奠定了坚实基础。

图3. NF-TPV余热回收系统沿 z方向的热性能和电性能示意图:(a)粒化炉渣和发射器的温度分布；(b)光伏电池和冷却水的温度分布。插图为光伏电池温度分布的放大图。(c)发射器与光伏电池之间以及光伏电池与冷却水之间的热流。(d)NF-TPV模块的电性能。

在系统性能优化方面，研究进行了多维度的深入探索。核心突破之一在于提出了针对光伏电池带隙的轴向自适应优化策略。研究选用In₁₋ₓGaₓAs三元化合物半导体作为光伏电池材料，通过调节镓组分实现对电池带隙的精确调控。针对系统沿轴向发射器温度逐渐降低、其热辐射光谱随之发生“红移”的特性，在靠近高温入口的区段采用较大的带隙以匹配高能光子，而在温度较低的下游区段则逐步减小带隙以捕获更多的低能光子。这种光谱匹配优化显著降低了光伏电池中的热化损失和非辐射复合损失。与采用固定带隙InAs电池的参考系统相比，带隙优化系统实现了净电效率从18.2%到23.8%的提升，增幅达30.9%，充分证明了动态光谱管理在非均匀热场中的关键作用。

图4. 基于InAs的参考系统与优化后的In1-xGax基于As的系统之间的比较:(a) 粒状炉渣和发射极沿 z 方向的温度分布，(b) 光伏电池和冷却水沿 z 方向的温度分布，以及(c) NF-TPV模块沿 z 方向的电性能。(d) 在 z=0.2m 时光伏电池中的能量损失。

研究还通过对比分析，定量揭示了近场热辐射效应的巨大优势。在完全相同的系统参数下，将100 nm真空间隙的近场配置与10 μm间隙的远场配置进行对比。结果表明，近场效应极大地增强了发射器与光伏电池之间的辐射传热，其在系统入口处的热流密度可达远场情况的8倍之多。这使得近场系统在相同的空间内能够从炉渣中提取更多的热能，废热回收效率和净功率密度均获得数倍提升，尤其凸显了其在紧凑型系统设计中的巨大潜力。

图5. 不同管长系统的近场和远场热光伏配置之间的比较:(a) 沿 z 方向从发射器到光伏电池的粒化炉渣温度和辐射热通量，以及(b) 近场热光伏废热回收系统的净功率密度和废热回收效率。

此外，研究深入探讨了关键运行参数，即炉渣流速和冷却水流速，对系统整体性能的影响及其内在的权衡关系。冷却水流速的提升虽能强化对光伏电池的冷却、提升其转换效率，但也会导致泵功消耗增加。研究发现存在一个最佳流速点，使得净功率输出最大。炉渣流速则直接影响热源的“停留时间”和系统内的温度水平。较高的炉渣流速虽然因换热时间缩短而降低了总体的废热回收效率，但却维持了较高的平均发射器温度，有利于提升光伏电池的转换效率和降低寄生损失，从而导致净电效率升高。研究明确揭示了废热回收效率与净电效率之间存在此消彼长的权衡关系，并引入复合系统效率作为综合评价指标，最终确定了实现系统全局最优的炉渣操作窗口。

图6. 水流量(vwater)对近场热光伏系统的影响:(a) 光伏电池沿z方向的温度分布，以及(b) 光伏电池的功率输出和系统泵的功耗。炉渣流量vslag=0.01m/s。

图7.炉渣流量(vslag)对NF-TPV废热回收系统的影响:(a)粒化炉渣沿 z 方向的温度分布，(b)包括光伏电池内部损耗和泵功耗在内的能量损失，以及(c)系统的净电效率、废热回收效率和总系统效率。水流速率vwater=1.2m/s。

在工程可行性分析层面，研究审慎地评估了若干潜在技术挑战并提出了应对策略。针对发射器在高温、流动炉渣环境下的氧化与磨损风险，提出了采用Al₂O₃-SiC-C耐火材料作为支撑和保护层的解决方案，其优异的抗热震、抗侵蚀性能可保障发射器长周期运行的稳定性。敏感性分析表明，即使面向炉渣侧的热传递系数因长期运行而发生一定程度的衰减，对系统净电效率的影响也较为有限，证明了设计的鲁棒性。对于冷却水侧可能出现的结垢问题，研究通过参数分析指出，中等程度的结垢所导致的传热系数下降对系统效率影响轻微，并建议通过水质管理、定期清洗或使用闭式循环冷却介质等成熟工业手段进行控制。关于纳米级真空间隙的工程实现，研究指出100 nm的间隙尺度在当前微纳加工技术下是可达成的，并通过模块化设计理念，将系统分解为多个可独立制造和维护的NF-TPV子单元，为大规模工业应用提供了可行的技术路径。

结论与展望

综上所述，本研究证实了近场热光伏技术应用于动态流动的高温粒化炉渣废热回收的可行性与显著优势。通过构建轴向非均匀热-电耦合模型，揭示了系统内温度场、热流与电输出的空间分布特性。采用带隙可调的In₁₋ₓGaₓAs光伏电池实现了与变温发射光谱的动态匹配，净电效率较固定带隙系统提升30.9%。研究进一步表明，近场热辐射效应与多层选择性发射器结构是提升能量提取与转换效率的关键。在优化流速下，系统可实现80.4%的废热回收效率与20.4%的净电效率，展现出优异的综合性能。针对工程应用中面临的发射器氧化、冷却水结垢及真空间隙维持等挑战，研究通过材料选型与敏感性分析论证了其技术可控性。未来工作将聚焦于III-V族半导体材料的成本控制、大型模块化阵列的集成工艺开发，以及在实际工业环境下的长期运行验证，推动该技术向更广泛的工业废热流回收场景拓展。