Репортаж от Wedoany，Исследователи Корейского института энергетических исследований (Korea Institute of Energy Research, KIER) разработали фотоэлектрический модуль черепичного типа, который можно комбинировать с термоэлектрическим генератором (TEG), предназначенный для эффективного восстановления отработанного тепла в системе PV-TEG. Архитектура модуля использует уникальную конструкцию последовательных полос, что позволяет повысить рабочее напряжение при одновременном снижении выходного тока, уменьшая тем самым связанные с током резистивные потери и джоулево тепло в TEG, улучшая стабильность коэффициента заполнения и в конечном итоге повышая эффективность извлечения мощности гибридной системы.
TEG использует эффект Зеебека (Seebeck effect), при котором разность температур между двумя различными полупроводниками создает разность напряжений, преобразуя тепловую энергию в электрическую. Такие устройства часто встречаются в промышленности, где они преобразуют отработанное тепло в электроэнергию, однако их высокая стоимость и ограниченная производительность сдерживают более широкое применение. Технология черепичных элементов заменяет традиционное соединение паяльной лентой прямым последовательным соединением полос солнечных элементов, что не только увеличивает эффективную площадь поглощения света, но и снижает термические и механические напряжения внутри модуля, обеспечивая тем самым превосходство в эффективности и долгосрочной надежности по сравнению со стандартными методами соединения.
В процессе изготовления модуля команда KIER использовала PERC-солнечные элементы, предоставленные южнокорейской компанией Shinsung Engineering, в качестве исходного материала. Элементы сначала нарезались на узкие полосы с помощью инфракрасного лазера с длиной волны 1064 нм, а затем механически разделялись. В итоге были изготовлены черепичные модули, состоящие из трех, пяти или семи полос элементов, с эффективной площадью 100 квадратных сантиметров; модуль с четырнадцатью полосами имел площадь, увеличенную до 170 квадратных сантиметров. Размеры полос элементов варьировались в зависимости от конфигурации: для модулей с тремя, пятью, семью и четырнадцатью полосами размеры составляли 100×38,83 мм, 100×21,70 мм, 100×16,07 мм и 85×16,07 мм соответственно. Соседние полосы элементов соединялись последовательно с использованием токопроводящего клея CA 3556HF, после чего подвергались горячему прессованию при 180°C в течение 1 минуты для обеспечения надежного скрепления. На концах модуля припаивались фотоэлектрические паяльные ленты для внешних электрических контактов, и наконец, модуль герметизировался с использованием переднего стеклянного слоя, инкапсулянта из этиленвинилацетата (EVA) и задней панели из полиэтилентерефталата (PET).
Коммерческие термоэлектрические (TE) элементы для тестирования были предоставлены китайской компанией Xinrong. Исследователи изготовили массив TEG площадью 100 квадратных сантиметров из 308 элементов без подложки, заполнив промежутки полимером для обеспечения механической стабильности и теплопередачи. Массив был изготовлен путем трафаретной печати припоя на полиимидной подложке, оплавления и удаления подложки для обнажения электродов. Гибридная система PV-TEG тестировалась в двух конфигурациях: в двухвыводной (2T) установке PV и TEG были соединены последовательно напрямую, имея только одну пару внешних контактов; в четырехвыводной (4T) установке оба компонента работали независимо для анализа и сравнения потерь на последовательном сопротивлении.
Специализированная экспериментальная платформа использовала верхний прозрачный медный сетчатый нагреватель и нижний охладитель для создания контролируемого градиента температуры при одновременной передаче стандартного солнечного излучения, что позволяло проводить точную характеризацию вольт-амперных характеристик (I-V) PV, TEG и комбинированного устройства. Измерения эффекта Холла и временного сопротивления использовались для оценки транспортных свойств и стабильности TE-элементов. Моделирование PV-модуля проводилось с использованием двухдиодной формулы в сочетании с уравнениями термоэлектрического генератора, решаемыми с помощью преобразования на основе W-функции Ламберта. Путем подгонки модели к экспериментальным данным исследователи извлекли ключевые параметры, такие как эффективное сопротивление TEG, и количественно оценили потери мощности при работе в режиме 2T.
Результаты измерений показали, что минимизация тока PV и повышение напряжения могут значительно снизить влияние сопротивления TEG на производительность, и черепичные PV-модули особенно эффективны в этом отношении. Термический анализ показал, что ток, генерируемый PV, вызывает эффект Пельтье (охлаждение или нагрев) и джоулево тепло в TEG, увеличивая его эффективное сопротивление с течением времени. В то же время линейная корреляция между током и градиентом температуры подтвердила связь между электрическим переносом и термоэлектрическим теплообменом. Проверенная численная модель предсказала, что конструкция с низким током и высоким напряжением может снизить потери мощности почти до нуля. Этот прогноз был экспериментально подтвержден на крупномасштабном устройстве площадью 170 квадратных сантиметров, которое продемонстрировало сверхнизкие потери и высокую выходную мощность в контролируемых условиях.
Исследователи резюмировали, что использование 14-полосного черепичного модуля для разделения тока и повышения напряжения на нескольких полосах элементов позволило создать нагрузочно-устойчивый черепичный PV-модуль. Масштаб и производительность этой системы PV-TEG представляют собой значительный прогресс по сравнению с крупнейшим (68 квадратных сантиметров) и лучшим по производительности (1,15 Вт) устройством, описанным в литературе на сегодняшний день. Исследователи отметили, что в отличие от тандемных солнечных элементов, требующих сложной монолитной интеграции и точного спектрального разделения, их PV-TEG включает только прямое соединение коммерчески доступных PV- и TEG-компонентов без необходимости какого-либо предварительного производственного процесса. Исследовательская статья «Нагрузочно-устойчивый черепичный фотоэлектрический модуль для полевого термоэлектрического сопряжения» (Load-resilient shingled photovoltaic module for field-scale thermoelectric coupling) была опубликована в журнале «Scientific Reports».
Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com
