随着世界化石能源的紧缺及环境污染的加重,基于绿色、可再生太阳能的光伏发电技术吸引了众多学者的关注和研究。然而光伏电池也只能将一部分的太阳能转换为电能,剩余的太阳能被转换成了热,造成了光伏电池温度的升高以及发电效率的降低,大量的太阳能因此而浪费。对此,研究学者们提出了光伏-热电耦合利用系统,借助热电器件将剩余的热能转换成电能,从而实现太阳能的全光谱利用。但是,由于光伏电池与热电器件不同的发电原理,二者对系统温度的需求也完全不同。对于光伏电池而言,系统温度越低,其光电转换效率越高;但是对于热电器件,由于其冷端温度受限制于环境温度和冷却条件,所以系统温度越高越有利于提升热电器件的热电转换效率。因此,调控光伏电池与热电器件的工作温度对实现光伏-热电耦合系统效率的最大化显得尤为重要。此夕外,由于界面接触热阻的存在极大的阻碍了系统内部的能量传递,影响着光伏电池和热电器件的温度以及效率。所以还需对界面接触传热特性进行分析,寻找减少界面接触热阻的方法。本论文将围绕着光伏-热电耦合系统的全光谱太阳能高效利用,开展光伏-热电耦合系统的界面接触传热和温度调控特性研究,具体内容主要包括以下几个方面:1.光伏-热电耦合系统的温度特性研究建立了光伏-热电耦合系统理论模型,从光伏电池的温度特性和热电器件的温度特性入手,研究光伏-热电耦合系统的温度特性,探究系统工作温度与系统效率之间的关系,分析影响光伏-热电耦合系统工作温度以及发电效率的主要因素。引出在光伏-热电耦合系统中,对系统整体的工作温度以及对系统组件界面温差调控的重要性。2.界面接触传热特性的多尺度表征及分析基于微观的格子Boltzmann方法和宏观的FD方法建立了界面接触热阻的多尺度计算方法。解决了微观接触界面处的能量传递、边界处理以及不同尺度方法耦合的问题。通过与实验测量数据以及经验公式的比对,发现界面接触热阻多尺度计算方法的计算平均误差小于8%,要优于传统经验公式。分析研究了表面粗糙度、表面平面度、材料硬度、接触压力、材料热导率、微纳尺度效应等因素对界面接触传热的影响。结果表明:在低接触压力下,表面形貌参数对界面接触热阻影响较大,表面粗糙度越小,越有利于减小界面接触热阻。但是分析表面形貌对界面接触热阻影响的时候,不能单单分析粗糙度对界面接触热阻的影响,还应同时考虑表面的平面度和两个粗糙表面之间的匹配。当接触压力较大时,压力和材料硬度对界面接触热阻的影响增大。此外材料热导率越高,界面接触热阻越小。当接触点尺寸接近或低于热载流子的平均自由程时,能强化微观接触点处的能量传递。3.粗糙表面形貌的表征方法及应用研究基于机械车削和立铣加工的粗糙表面实验测量数据,研究了规则机械加工粗糙表面中表面表征参数与粗糙度之间的联系,建立了车削和立铣加工表面形貌的快速构建方法。通过与实验测试结果对比,模拟生成的表面形貌高度数据与实测表面高度数据误差小于9%。借助界面接触热阻的多尺度计算方法,以及界面接触热阻的实验测量结果,对比分析了不同粗糙表面生成方法对界面接触热阻预测准确性的影响。分析研究了车削和立铣加工的粗糙表面中表面表征参数对界面接触传热的影响。结果表明:粗糙表面轮廓周期波长越短,越有利于界面接触传热,车削表面平面角越大,越不利于界面接触传热。4.界面接触传热特性的强化方法研究制备了便携并具有高导热性能的新型石墨烯压敏热界面材料。实验研究了石墨烯表面改性方法和掺杂份额对复合材料的热导率、材料硬度等性能参数的影响。并通过接触热阻测量装置,测试了在使用石墨烯压敏热界面材料后界面接触热阻的数值。结果表明:石墨烯掺杂份额越高时,复合材料的热导率越大,但是材料硬度也越大。当石墨烯质量份额为10 wt%时,经过表面改性的石墨烯压敏热界面材料热导率增加到了 5.6 W/mK,提高了 18.2倍,但是复合材料的邵氏硬度也提高了 2.8倍。综合复合材料的热导率和硬度,当石墨烯掺杂份额为6 wt%,接触压强为1 MPa时,界面接触热阻降至最低为31 mm2K/W;此外较高的温度和压力可以进一步提升石墨烯压敏热界面材料界面传热的性能,5 MPa接触压强,60℃界面温度条件下,使用石墨烯压敏界面材料的界面接触热阻最小为11mm2K/W。5.相变材料调控光伏-热电耦合系统工作温度的理论与实验研究通过在光伏-热电耦合系统中引入相变材料,提出了 一种新型光伏-相变-热电耦合系统,实现了对光伏电池和热电器件的温度匹配,以及对耦合系统工作温度的调控。建立了该系统的数值计算模型,基于光伏电池与热电器件的温度匹配关系,挑选了合适的相变材料,优化了系统各部件的结构参数,分析了聚光比、热聚集因子、相变材料容量、冷却液流速、界面接触热阻等因素对耦合系统的影响。最后根据理论模拟的优化结果,搭建了光伏-相变-热电耦合实验系统。测试研究了耦合系统在不同聚光比、冷却条件下的性能,并将其与纯光伏系统进行了对比。结果显示光伏-相变-热电耦合系统的性能要优于纯光伏系统,其中风冷光伏-相变-热电耦合系统的效率比风冷纯光伏系统的效率高出2.95%。实验分析了界面接触热阻对耦合系统的影响,发现界面接触热阻越大,耦合系统效率越低。