Аккумулятор FIAMM 12FGH65

Исследователи из Бразилии разработали и смоделировали концепцию гибридной приливной и фотоэлектрической плавучей фермы для устьевых каналов, проанализировав эффекты турбулентности, расстояние между турбинами и компромиссы, связанные с использованием гибридных источников энергии. Результаты показывают, что интеграция фотоэлектрических систем с гидрокинетическими турбинами повышает общую выработку энергии за счет компенсации потерь, связанных с турбулентностью, и оптимизации конфигурации модульных ферм.

Исследователи из Бразилии разработали концепцию гибридной приливной и фотоэлектрической генерации для модульного использования возобновляемых источников энергии в устьях рек.

В ходе моделирования команда исследователей изучала восстановление продольного потока, его влияние на эффективность установки, а также компромиссные решения между расстоянием между турбинами, установленной мощностью и выработкой энергии. Поток — это турбулентный поток воды, возникающий после вращения турбины и снижающий эффективность последующих турбин.

«Несмотря на то, что в данной работе в качестве примера рассматривается канал Бокейран, предложенная методология не привязана к конкретному месту и может быть применена к другим устьевым каналам со схожими характеристиками, такими как геометрические ограничения, большой диапазон приливов и отливов, сильные течения и благоприятные условия для использования солнечной энергии, — заявили исследователи. — Таким образом, эта методология может стать полезной основой для предварительной оценки целесообразности строительства модульных гидрокинетических и гибридных энергетических ферм в устьевых зонах».

По данным исследователей, приливный режим в проливе Бокейран является полусуточным, с периодом около 12,4 часа. В этом регионе амплитуда приливов превышает 6 м, а скорость течения часто достигает 2,5 м/с, в результате чего максимальная плотность мощности составляет 7,63 кВт/м², а годовая плотность энергии — 17,96 МВт·ч/м². Около 82,5 % годовой скорости течения находятся в рабочем диапазоне турбины 0,5–2,0 м/с. Что касается фотоэлектрической составляющей, то на эту территорию попадает много солнечного света — около 5–5,5 кВт⋅ч/м² в день, или примерно 1900 кВт⋅ч/м² в год.

В качестве генератора приливных течений использовалась гидрокинетическая турбина Yarama — шестилопастная турбина с горизонтальной осью вращения и диффузором, предназначенная для использования в устьях рек и на реках с низкой скоростью течения. Ее номинальная гидравлическая мощность составляет 5 кВт, эффективная электрическая мощность — 4 кВт, скорость срабатывания — 0,5 м/с, а скорость отключения — 2,4 м/с. Диаметр рабочего колеса турбины составляет 1,21 м, внешний диаметр — 1,64 м, а длина диффузора — 1 м.

Прежде чем внедрить фотоэлектрическую систему, исследователи с помощью численного моделирования оценили влияние турбин на окружающую среду. Они выяснили, что при боковом расстоянии в 3D (где D — диаметр турбины) потери производительности практически отсутствуют. А вот продольное расстояние сильно влияет на производительность: при расстоянии между турбинами в 40D в направлении потока коэффициент мощности турбины, расположенной ниже по потоку, снижается с 0,88 до 0,64 из-за влияния турбин на окружающую среду. Увеличение расстояния между лопастями до 50D и 60D повысило коэффициент подъемной силы до 0,76 и 0,80 соответственно. Это свидетельствует о том, что большее расстояние между лопастями позволяет лучше восстанавливать реактивную тягу и повышает выходную мощность.

Однако из-за расстояния между турбинами количество установок, которые можно разместить на доступной площади, сокращается, что приводит к компромиссу между выработкой энергии и установленной мощностью. Поэтому ученые решили установить солнечные панели на каждой турбине на плавучей платформе типа катамарана. Каждая гибридная установка имеет длину 4,5 м и ширину 2 м, понтоны диаметром 0,45 м и вертикальную стойку длиной 1,5 м, соединяющую плавучую конструкцию с погруженной в воду турбиной. Фотоэлектрическая система состоит из четырех панелей, установленных над платформой, общей мощностью 2,48 кВт и КПД 23%.

Исследователи смоделировали гибридную систему в виде плавучей фермы, установленной на экспериментальной площадке размером 0,5 км × 3 км в проливе Бокейран. Каждая ферма состояла из 1–17 колонн, каждая из которых включала 138 гибридных приливных и фотоэлектрических установок, расположенных вдоль канала. Для каждой конфигурации фермы команда также протестировала продольное расстояние между колоннами в 40, 50 и 60 дециметров.

Моделирование показало, что ферма с продольным расстоянием между рядами 40D и тремя рядами колонн будет вырабатывать 5,186 ГВт·ч энергии в год при приведенной стоимости энергии (LCOE) 0,36 доллара за кВт·ч. Если увеличить количество столбцов до четырех, годовая выработка увеличится до 6,401 ГВт·ч при удельной стоимости электроэнергии 0,37 доллара за кВт·ч, а при пяти столбцах — до 7,468 ГВт·ч в год при удельной стоимости электроэнергии 0,38 доллара за кВт·ч.

При конфигурации 50D шесть колонн будут вырабатывать 10,043 ГВт·ч в год при удельной стоимости электроэнергии 0,33 доллара за кВт·ч, восемь колонн — 12,466 ГВт·ч в год при цене 0,33 доллара за кВт·ч, а 11 колонн — 15,605 ГВт·ч в год при цене 0,35 доллара за кВт·ч. При конфигурации 60D девять колонн будут вырабатывать 15,002 ГВт·ч в год при цене 0,30 доллара за кВт·ч, 12 колонн — 18,680 ГВт·ч в год при цене 0,31 доллара за кВт·ч, а максимальная конфигурация из 17 колонн — 23,956 ГВт·ч в год при цене 0,32 доллара за кВт·ч.

Результаты также показали, что, хотя эффект кавитации приводит к снижению выработки энергии гидрокинетическими турбинами, расположенными ниже по течению, интеграция фотоэлектрических систем помогает частично компенсировать эти потери. Таким образом, гибридная конфигурация повышает общую производительность объекта, увеличивая общий выход энергии и позволяя более эффективно использовать доступные природные ресурсы.

«В целом исследование подтверждает, что гибридные гидрокинетические и фотоэлектрические системы представляют собой технически осуществимое и экономически перспективное решение для модульного использования возобновляемых источников энергии в устьях рек, — заключили ученые. — Предложенная методология обеспечивает надежную систему поддержки принятия решений на ранних этапах оценки проектов, позволяя реалистично сравнивать различные варианты расположения, расстояния между элементами и уровни интеграции».

Система была представлена в статье «Проектирование и технико-экономическая оценка гибридной гидрокинетической фотоэлектрической установки с диффузором в устьевом канале», опубликованной в журнале Energy Conversion and Management. В исследовании приняли участие ученые из бразильских Федерального университета Мараньяна, Федерального университета Итажубы, Федерального института Мараньяна и Университета Кампинаса.

Аккумулятор FIAMM 12FGHL28

Исследовательская группа из Италии разработала систему теплового насоса с приводом от парокомпрессионного термоэлектрического генератора для производства горячей воды для бытовых нужд, которая сочетает в себе аккумулирование скрытой теплоты парокомпрессионного генератора с аккумулированием явной теплоты для лучшего баланса спроса и предложения. Моделирование показало, что гибридное аккумулирование в сочетании с температурной маршрутизацией значительно повышает эффективность системы, увеличивая коэффициент полезного действия теплового насоса и расширяя возможности использования возобновляемых источников энергии.

Исследователи из Политехнического университета Бари и Падуанского университета в Италии разработали систему бытовых тепловых насосов с фотоэлектрическим и тепловым (ФЭТ) приводом для производства горячей воды для бытовых нужд (ГВС) на основе гибридной концепции хранения тепловой энергии, в которой накопитель скрытой тепловой энергии с неподвижным слоем (PB-LHTES) дополняет буферный накопитель явной тепловой энергии (STES).

Такая конфигурация системы призвана повысить гибкость за счет сочетания быстродействующего аккумулирования скрытой теплоты с буферной способностью аккумулирования явной теплоты, что позволяет сглаживать несоответствия между теплоснабжением и теплопотреблением. Аккумулирование скрытой теплоты в плотном слое используется для повышения удельной энергоемкости, снижения требований к объему накопителя при сохранении высокой тепловой эффективности.

“Цель этой системы - улавливать излишки фотоэлектрического тепла и перенаправлять его на пик спроса, ограничивая при этом использование вспомогательной электроэнергии”, - сказал автор-корреспондент Аминхоссейн Джаханбин. “Более конкретно, исследование позволяет количественно оценить, как маршрутизация на основе температуры на интерфейсе аккумулирующего теплового насоса влияет на полезное качество тепла, работу теплового насоса и сезонные характеристики. В дополнение к этому анализу мы разработали эффективную с точки зрения вычислительных ресурсов модель PB-LHTES для динамического моделирования с минутным разрешением и проверили ее на соответствие экспериментальным данным, что позволило интегрировать ее в анализ систем горячего водоснабжения на уровне зданий.

Система использует фотоэлектрические коллекторы для выработки как электрической, так и тепловой энергии. Электроэнергия компенсирует вспомогательное потребление, а тепло используется для прямого применения, зарядки аккумуляторов или работы теплового насоса в зависимости от настроек системы. Тепловой насос выступает в качестве резервного источника тепла, обеспечивая горячее водоснабжение, когда солнечной энергии и накопленной энергии недостаточно.

Кроме того, в системе используется расположенный ниже по потоку резервуар STES, обеспечивающий мгновенное удовлетворение потребности в горячей воде, а смесительный узел поддерживает стабильную температуру подачи в соответствии с заданными пользователем параметрами. Модель PB-LHTES основана на концепции теплового неравновесия с использованием метода концентрической дисперсии, учитывающего осевой теплообмен и динамику фазовых переходов. Основные уравнения описывают совместный теплообмен между теплоносителем и заключенным в него материалом с фазовым переходом (МФП). Реалистичные профили потребности в горячей воде генерируются с помощью стохастической модели на основе гауссова распределения, учитывающей особенности использования помещений, сезонную изменчивость и типичные пики потребления в течение дня.

С помощью MATLAB и TRNSYS ученые разработали систему совместного моделирования для оценки эффективности гибридной системы. Ежегодное моделирование проводилось с шагом в 1 минуту с использованием реалистичных данных о погоде и подробных описаний компонентов, включая фотоэлектрические коллекторы, стратифицированные накопительные баки, трубопроводные сети и тепловые насосы с регулируемой скоростью вращения. В рамках иерархической стратегии управления приоритет отдавался прямому использованию солнечного тепла, затем зарядке и разрядке накопителей и, наконец, при необходимости, включению теплового насоса. Для предотвращения коротких циклов и повышения стабильности работы была реализована логика управления на основе гистерезиса.

В ходе моделирования ученые рассматривали пятиэтажное жилое здание в Бари, для которого характерна высокая инсоляция и умеренная потребность в отоплении. Были проанализированы четыре конфигурации. В первом случае после геотермального поля устанавливается система PB-LHTES для накопления избыточной тепловой энергии и поддержки нагрева воды для бытовых нужд, что снижает зависимость от теплового насоса. Во втором и третьем случаях тепловой насос «воздух-вода» заменяется на тепловой насос «вода-вода», а система PB-LHTES устанавливается на стороне нагрузки для улучшения условий работы теплового насоса. Четвертая конфигурация является эталонной и представляет собой базовую систему теплового насоса с промежуточным теплоносителем для производства горячей воды для бытовых нужд.

Анализ показал, что во всех четырех конфигурациях добавление PB-LHTES и переход на тепловые насосы типа «вода-вода» повышают производительность системы за счет более эффективного использования энергии и снижения энергопотребления тепловых насосов. Наилучшие результаты показал третий вариант благодаря условной тепловой разводке, при которой приоритет отдается прямому использованию накопителей и оптимизируются условия работы тепловых насосов.

Также было установлено, что коэффициент полезного действия (КПД) теплового насоса последовательно увеличивается в зависимости от конфигурации: с 2,5 в базовом варианте до 2,9–3,1 в варианте 1 и до 4,3 в варианте 3, что свидетельствует о снижении температурного напора и улучшении интеграции системы.

Коэффициент использования возобновляемых источников энергии также значительно повысился, особенно в сценариях с использованием фотоэлектрических систем с пассивным охлаждением, — с примерно 14–37 % в базовой конфигурации до 75–80 % в летний период в сценарии 1 и до 40–60 % в течение всего года в сценариях 2 и 3, что свидетельствует о более высоком уровне самопотребления фотоэлектрических систем и более сбалансированной сезонной производительности.

«В целом результаты показывают, что в системах горячего водоснабжения с рекуперацией тепловой энергии основной прирост производительности достигается не за счет интеграции накопителей, а за счет синергетического сочетания гибридных накопителей с аккумулированием тепловой энергии и стратегий маршрутизации с учетом температуры, — говорит Джаханбин. — Такое сочетание позволяет сохранить качество рекуперированной тепловой энергии, повысить стабильность подачи горячей воды и снизить зависимость от работы теплового насоса в течение года».

Предложенная система была описана в статье «Стратегии распределения скрытого и явного тепла в гибридных системах с аккумулированием в плотном слое для бытовых систем горячего водоснабжения с тепловыми насосами, работающими на солнечной и тепловой энергии», которая недавно была опубликована в журнале Applied Thermal Engineering.

Аккумулятор FIAMM 12FGL42

Американские исследователи разработали метаслабосольватирующий электролит, который оптимизирует структуру сольватации ионов натрия, обеспечивая более быстрый транспорт ионов, снижая вероятность побочных реакций и повышая межфазную стабильность в высоковольтных натрий-ионных батареях. Эта разработка значительно продлевает срок службы батарей и превосходит обычные и локализованные высококонцентрированные электролиты, обеспечивая более равномерное и стабильное взаимодействие между электродом и электролитом.

Блок натрий-ионных аккумуляторов

Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory, PNNL) Министерства энергетики США разработали мета-слабосольватирующий электролит, который, как сообщается, может обеспечить стабильную работу высоковольтных натрий-ионных (Na-ion) аккумуляторов.

«Новый электролит представляет собой новую стратегию регулирования структуры сольватации натрия, которая может способствовать благоприятным реакциям и подавлять нежелательные, — рассказал ESS News Ан Л.Фан. — Это приводит к снижению необратимых потерь и деградации материалов в реальных условиях».

Большинство традиционных электролитов для аккумуляторов обладают высокой способностью к сольватации ионов металлов, что способствует их перемещению в жидкости. Однако это также приводит к образованию очень стабильной «ионо-сольватной оболочки», которую трудно разрушить на поверхности электрода. Когда это происходит, молекулы электролита часто вовлекаются в нежелательные побочные реакции, образуя нестабильные слои, расходуя электролит и со временем приводя к ухудшению характеристик аккумулятора.

Предлагаемый тип электролита, напротив, разработан таким образом, чтобы ионы натрия были менее прочно связаны с молекулами растворителя и находились в более контролируемой промежуточной структуре сольватации. Это меняет поведение ионов на границе раздела электродов и предотвращает образование слишком стабильных ионно-сольвентных оболочек, которые обычно приводят к вредным побочным реакциям и ухудшению работы аккумулятора.

Для создания элемента питания ученые использовали соли гексафторфосфата натрия (NAPF₆) и бис (фторсульфонил) имидида натрия (NaFSI) аккумуляторного качества, а также растворители высокой чистоты, такие как этиленкарбонат (EC), диэтилкарбонат (DEC), триэтилфосфат (TEP), трис (2,2,2-трифторэтил) фосфат (TFP) и 1,1,2,2-тетрафторэтил 2,2,3,3-тетрафторпропиловый эфир (TTE). .

Катоды из оксида никеля, марганца и железа (NFM424) были соединены с анодами из твердого углерода (HC). Оба электрода были изготовлены методом литья суспензии на алюминиевую (Al) фольгу с использованием таких связующих веществ, как поливинилиденфторид (ПВДФ), карбоксиметилцеллюлоза натрия (КМЦ) и бутадиен-стирольный каучук (БСК), а также токопроводящего углерода (Super P carbon, C45). Перед сборкой электроды высушили в вакууме.

Полноценные элементы питания, состоящие из катодов NFM424 и анодов HC, были собраны в перчаточном боксе, заполненном аргоном, с использованием стандартных компонентов для монетных элементов и протестированы. Все электрохимические испытания проводились при температуре 30 °C с использованием циклических зарядных устройств. Испытания на ток утечки позволили оценить стабильность межфазной границы по сравнению с эталонными алюминиевыми (Al) и NFM424 электродами. Структуру сольватации электролита исследовали с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Кроме того, ученые провели анализ электродов после 50 циклов, в том числе с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (ЭДРС), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (СПЭМ) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС).

Испытания показали, что предложенная конструкция аккумуляторного элемента обеспечивает повышенную подвижность натрия, превосходя по этому показателю традиционные аналоги, которые быстрее выходили из строя и становились нестабильными. Кроме того, испытания на ток утечки подтвердили, что аккумуляторный элемент с мета-слабосольватирующим электролитом обеспечивает наилучшую межфазную стабильность при высоком напряжении, что соответствует снижению реакционной способности свободного растворителя и улучшению формирования межфазной границы «катод — электролит» (CEI).

Также было установлено, что после 500 циклов аккумулятор сохраняет 80 % своей емкости, в то время как у эталонных устройств этот показатель составляет 100–300 циклов. Электрохимическая импедансная спектроскопия показала, что такое улучшение связано с более низким сопротивлением переноса заряда, обусловленным более быстрой десольвацией натрия и более эффективным межфазным переносом.

«Эти особенности эффективно повышают электрохимическую стабильность элемента и замедляют деградацию активных материалов при длительном циклировании», — подчеркнул Фан.

Новая конструкция аккумуляторного элемента была представлена в статье «Метаслабосольватирующий электролит для высоковольтных натрий-ионных аккумуляторов», опубликованной в журнале Nano Energy.

Аккумулятор FIAMM FG 20721

Новое исследование, проведенное в Китае, показало, что ультрафиолетовая деградация солнечных элементов TOPCon обусловлена физическими механизмами на уровне интерфейса, связанными с динамикой водорода, образованием дефектов и накоплением заряда. На эти процессы сильно влияет структура пассивирующего слоя из нитрида кремния и оксида алюминия, которая определяет долгосрочную стабильность устройства.

Исследователи из Университета Янчжоу, Чанчжоуского университета и китайского производителя модулей JinkoSolar изучили пути деградации под воздействием ультрафиолетового излучения (UVID) в солнечных элементах с пассивированным эмиттером и тыльной частью (PERC) и с туннельным оксидным пассивированным контактом (TOPCon). Они пришли к выводу, что это явление в первую очередь зависит от конструкции пассивирующего слоя на лицевой стороне.

UVID особенно важен для технологии TOPCon, поскольку ее высокоэффективные пассивирующие структуры состоят из ультратонких диэлектрических и межфазных слоев, которые более чувствительны к образованию дефектов и накоплению заряда под воздействием ультрафиолета, что может напрямую повлиять на долгосрочную работоспособность и надежность в полевых условиях.

«Ультрафиолетовое излучение приводит к разрыву связи кремний-водород (Si–H) и образованию дефектов на границе раздела, в то время как оптимизированная структура пассивации из нитрида кремния (SiNx) и оксида алюминия (AlOx) в солнечных элементах TOPCon обеспечивает стабильную пассивацию полевого эффекта и эффективно подавляет рекомбинационные потери, — рассказал Цзяньнин Дин, один из авторов исследования. — Наша работа также показала, что рациональная разработка пассивирующих слоев, в том числе оптимизация толщины AlOx и оптическое согласование SiNx, имеет решающее значение для повышения долговременной устойчивости солнечных элементов TOPCon к ультрафиолетовому излучению».

Исследовательская группа пояснила, что роль межфазной химии и динамики водорода в устройствах TOPCon до сих пор не изучена. В частности, до конца не ясны реакция кремниевых слоев AlOx и SiNx на УФ-облучение и их влияние на пассивацию водорода и образование дефектов на границе раздела.

Анализ был сосредоточен на плотности интерфейсных дефектов (Dit) и плотности фиксированных отрицательных зарядов (Qf). Dit — это плотность электрически активных дефектных состояний на границе раздела кремний-пассивирующий слой, а Qf — концентрация неподвижных отрицательных зарядов в пассивирующих слоях.

Для тестирования и определения характеристик образцов ученые использовали метрологическую систему Sinton WCT-120. Анализ дефектов и материалов проводился с помощью методов фотолюминесценции (ФЛ), электролюминесценции (ЭЛ), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (ИСПФ), ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (УФЭС), ультрафиолетовой и видимой спектроскопии, а также измерений емкости и напряжения для определения плотности дефектов на границе раздела (Dit) и плотности фиксированного заряда (Qf).

Микроструктура была изучена с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (СПЭМ) с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (ЭДРС). Испытания на устойчивость к ультрафиолетовому излучению проводились в соответствии со стандартами IEC 61215 с ускоренным воздействием в 60 и 120 кВт·ч/м² при температуре 60 °C.

Группа исследователей проанализировала пленки AlOx толщиной 3, 5 и 6 нм при воздействии ультрафиолетового излучения и обнаружила, что более толстые слои AlOx обеспечивают лучшую стабильность и замедляют снижение рабочих характеристик за счет более сильной пассивации полевым эффектом. Было отмечено, что с увеличением толщины AlOx коэффициент качества Qf становится более отрицательным, а показатель Dit зависит от толщины, что указывает на баланс между химической пассивацией и пассивацией полевым эффектом.

Кроме того, ученые обнаружили, что ультрафиолетовое облучение приводит к разрыву связи Si–H и миграции водорода, что влияет на дефекты и зарядовые состояния границы раздела, в то время как более толстые слои AlOx эффективнее стабилизируют отрицательно заряженные центры, связанные с кислородом.

Что касается SiNx, были изучены два показателя преломления, которые показали, что SiNx с низким показателем преломления обладает лучшей устойчивостью к ультрафиолетовому излучению за счет меньшего поглощения УФ-излучения и снижения вероятности разрыва связей на границе раздела. По словам ученых, под воздействием УФ-излучения структура SiNx становится более богатой азотом и кислородом, что увеличивает плотность дефектов на границе раздела и меняет водородные связи.

«Благодаря конструкции с пассивированными контактами и более надежной пассивации полевых эффектов, обеспечиваемой структурой SiNx/AlOx, солнечные элементы TOPCon демонстрируют значительно более высокую устойчивость к разрушению под воздействием ультрафиолета по сравнению с элементами PERC, — говорит Дин. — После оптимизации устройства TOPCon демонстрируют снижение эффективности всего на 0,74 % после воздействия ультрафиолета в течение 120 кВт·ч/м², в то время как у элементов PERC этот показатель значительно выше — 3,34 %».

«Полученные данные свидетельствуют о том, что устойчивость к разрушению под воздействием ультрафиолетового излучения в первую очередь определяется качеством пассивации межфазного слоя, что подчеркивает важнейшую роль подходов к разработке межфазных слоев при создании кремниевых солнечных элементов нового поколения с повышенной устойчивостью к ультрафиолетовому излучению», — заключил он.

Результаты исследования представлены в работе «Изучение путей деградации под воздействием ультрафиолета в солнечных элементах N-TOPCon: пассивация интерфейса и динамика водорода», опубликованной в журнале «Материалы для солнечной энергетики и солнечные элементы».

Аккумулятор FIAMM 12FGH23

Международная исследовательская группа разработала и протестировала гибридную энергетическую систему, сочетающую фотоэлектрические и тепловые коллекторы, скважинный накопитель тепловой энергии и тепловой насос с двумя источниками энергии для низкоуглеродного отопления животноводческих помещений. Полномасштабный прототип, продемонстрированный на свиноферме в Италии, показал высокую эффективность, стабильную работу в любое время года и снизил зависимость от ископаемого топлива, обеспечив частичное самообеспечение электроэнергией и теплом.

Международная исследовательская группа предложила объединить фотоэлектрические и тепловые коллекторы (ФЭТК), скважинные накопители тепловой энергии (СНТЭ) и тепловой насос с двумя источниками (ТНДИ) в единую гибридную энергетическую систему для отопления животноводческих помещений. Эта концепция объединяет три взаимодополняющие технологии для повышения общей эффективности и снижения зависимости от традиционных источников отопления на ископаемом топливе.

«Интегрированная система позволяет отапливать животноводческие помещения, практически сводя к нулю потребление электроэнергии, — рассказал ведущий автор исследования Франческо Тинти. — PVT вырабатывает не только электрическую, но и тепловую энергию, которую можно накапливать в системе аккумулирования тепловой энергии в грунте; система аккумулирования тепловой энергии в грунте позволяет извлекать тепловую энергию из недр; а система дожигания отходящих газов использует подземную энергию, а при необходимости — и энергию из воздуха, чтобы не истощать систему аккумулирования тепловой энергии в грунте».

«Наш анализ показал, что электрическая энергия, потребляемая DSHP, почти полностью покрывается за счет электроэнергии, вырабатываемой парогазовой установкой, — продолжил он. — Однако капитальные затраты на систему остаются значительными по сравнению с традиционными системами, работающими на ископаемом топливе, или воздушными тепловыми насосами. С другой стороны, они сопоставимы со стандартными геотермальными тепловыми насосами, поскольку дополнительные затраты на парогазовую установку и солнечную батарею позволяют сократить необходимую длину скважины». Кроме того, ключевым преимуществом системы PVT–BTES–DSHP является значительное снижение потребления первичной энергии.

Прототип системы был протестирован на свиноферме Golinelli в Мирандоле, в северной итальянской провинции Модена, где в нескольких свинарниках содержатся 500 свиноматок и 2500 поросят-отъемышей. Раньше свинарник отапливался котлом на сжиженном нефтяном газе мощностью 34 кВт и инфракрасными лампами в каждом помещении.

Система PVT–BTES–DSHP объединяет в себе тепловой насос с двумя источниками тепла мощностью 35 кВт, способный использовать в качестве источника тепла воздух или грунт, подземную скважину для аккумулирования тепловой энергии (BTES) с восемью скважинами глубиной 30 м, фотоэлектрическую тепловую систему (PVT) на крыше из 24 коллекторов, обеспечивающую как тепловую, так и электрическую энергию, а также централизованную солнечную станцию управления, которая регулирует потоки энергии между компонентами.

Компоненты системы: тепловой насос с двумя источниками (а), установка для аккумулирования тепловой энергии в скважине во дворе (б), термофотоэлектрическая система на крыше (с), центральная солнечная станция (d).

Массив PVT гидравлически связан с системой BTES, а система управления на основе правил обеспечивает эффективную работу, активируя циркуляцию только при достаточном уровне солнечного излучения или при наличии температурных градиентов, способствующих теплопередаче, что позволяет избежать ненужных потерь энергии. Система DSHP централизованно управляется с помощью ПЛК, поддерживая постоянную температуру подачи на уровне 50–55 °C. Для оптимизации производительности используется усовершенствованная система модуляции компрессора и управления двумя испарителями, при этом приоритет отдается более эффективному наземному источнику, если позволяют условия.

Переключение между наземными и воздушными источниками питания зависит от пороговых значений температуры гликоля, что обеспечивает эффективность, защиту от замерзания и надежную работу в зимний период, а дополнительные системы управляют размораживанием в условиях экстремально низких температур. Все компоненты системы находятся под постоянным контролем облачной платформы, которая позволяет отслеживать температуру, давление и показатели производительности в режиме реального времени.

При проектировании системы учитывались подробные данные о потребностях в отоплении за каждый месяц и расчетные данные о нагрузке при использовании солнечной энергии. При этом сезонные потребности в энергии уравновешивались возможностями долгосрочного хранения в грунте и нормативными ограничениями на температуру подземных вод. В целом интегрированная система призвана снизить зависимость от ископаемого топлива, повысить эффективность сезонного хранения энергии и максимально использовать возобновляемые источники энергии для обогрева животноводческих помещений.

В течение первого года мониторинга система демонстрировала стабильное тепловое поведение как в контурах системы отопления, вентиляции и кондиционирования, так и в контурах подачи тепла в здания. Минимальная температура на выходе из системы отопления, вентиляции и кондиционирования даже зимой оставалась выше рабочих пределов, что подтверждает, что использование солнечного тепла эффективно предотвращает переохлаждение грунта и тепловое истощение накопительного резервуара.

К весне максимальная температура в системе отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха постепенно повышалась, что свидетельствует о сезонном восстановлении теплового баланса за счет снижения потребности в отоплении и периодического восполнения энергии от солнечных батарей. Что касается здания, то температура подаваемого воздуха стабильно соответствовала требованиям к отоплению в питомнике, не опускаясь ниже критического уровня, а максимальные значения соответствовали периодам пиковой потребности в отоплении. Стабильная температура способствовала поддержанию комфортных условий в помещении, предотвращая температурные колебания и обеспечивая благополучие животных.

DSHP работала в основном с ноября по апрель, при этом за этот период степень обледенения составила всего 3,6 %, что подтверждает высокую эффективность системы в зимний период. За год система обеспечила здание 147 133 МДж тепловой энергии, потребляя при этом 38 917 МДж электроэнергии, в результате чего общий сезонный коэффициент полезного действия (SPF) составил 3,78.

Система также получила 109 425 МДж энергии из окружающей среды, из которых 38,6 % было получено при работе только с грунтом, 6,0 % — при работе только с воздухом и 55,4 % — при гибридном режиме работы. Это подтверждает, что воздушный источник в основном обеспечивает пиковые нагрузки, в то время как основным источником энергии остается грунт. В зимние месяцы преобладал гибридный режим работы, а весной — работа только с грунтом, что свидетельствует об адаптивном переключении источников в зависимости от условий.

Анализ также показал, что средний коэффициент полезного действия (КПД) системы составляет около 4,07, а в благоприятные периоды он превышает 4. Кроме того, сочетание технологий PVT, BTES и DSHP значительно снижает требования к длине скважин, при этом производительность системы сопоставима с производительностью традиционных систем, но при этом значительно снижаются требования к геотермальной инфраструктуре.

«Двухконтурный БТЭС сокращает необходимую длину скважинного теплообменника (СТ) примерно на треть, поскольку в данном месте и при данных гидрогеологических условиях естественная температура грунта низкая, а БТЭС позволяет повысить ее примерно на 5 °C, — подчеркнул Тинти. — Однако не все гидрогеологические условия позволяют накапливать солнечное тепло, которое может рассеиваться при естественном движении грунтовых вод».

«Предложенная конфигурация особенно подходит для фермерских хозяйств с достаточным количеством свободной земли и благоприятными условиями для использования геотермальной энергии на небольшой глубине. Это практичный способ сократить выбросы парниковых газов и повысить энергетическую устойчивость», — заключил он.

Система была представлена в исследовании «Накопление тепловой энергии в скважине с помощью солнечной энергии в сочетании с тепловым насосом для животноводческих помещений: результаты полномасштабной установки», опубликованном в журнале Geothermics. В исследовательскую группу вошли ученые из Болонского университета в Италии, греческая компания Psyctotherm G, специализирующаяся на системах отопления и охлаждения, и шведская инжиниринговая компания MG Sustainable Engineering AB.

Аккумулятор FIAMM 12 FLB 400 P

Исследователи из Бразилии обнаружили, что переоборудование коммерческих фотоэлектрических панелей в системы с фотоэлектрическими тепловыми панелями может повысить общую эффективность до 46–50 %, но дополнительное тепловое сопротивление ограничивает отвод тепла и немного снижает электрические характеристики. Эксперименты показали, что эффективность зависит от качества интерфейса и конструкции системы, а также от возможности отвода тепла.

Фотоэлектрический модуль, оснащенный термосифонами

Исследователи из Федерального университета Параны (UFPR) в Бразилии оценили потенциал переоборудования коммерческих фотоэлектрических модулей в фотоэлектрические тепловые панели (ФТП), выявив практические ограничения, которые в настоящее время снижают техническую и экономическую целесообразность такого подхода.

Ученые объяснили, что предыдущие исследования были сосредоточены на коллекторах PV/T, разработанных по индивидуальному заказу и с оптимизированной интеграцией, а не на стандартных коммерческих фотоэлектрических модулях. Лишь в нескольких исследованиях рассматривалась возможность модернизации существующих панелей. Согласно литературным данным, эффективность работы зависит не только от оптимизации компонентов, но и от преодоления присущих коммерческим модулям тепловых ограничений.

«Наша работа представляет собой экспериментальную оценку модернизации систем пассивного охлаждения с фазовым переходом, ориентированную на проектирование. Мы определили ключевые конструктивные и эксплуатационные параметры, влияющие на производительность системы, и установили минимальные требования к мощности отвода тепла для эффективного терморегулирования в реальных условиях эксплуатации», — подчеркнули ученые, отметив, что их анализ был сосредоточен на модулях пассивного охлаждения с использованием тепловых трубок и термосифонов, которые отличаются высокой эффективностью, пассивным режимом работы и способностью передавать тепло за счет фазовых переходов при минимальных температурных градиентах.

В термосифонах, в частности, циркуляция между секциями испарителя и конденсатора происходит за счет силы тяжести, что обеспечивает эффективный отвод тепла без использования капиллярных структур. Их эффективность зависит от таких факторов, как коэффициент заполнения, угол наклона, рабочая жидкость и геометрия системы.

Экспериментальная установка состояла из стандартной поликристаллической фотоэлектрической панели мощностью 60 Вт с четырьмя термосифонами, установленными сзади, в реальных условиях на открытом воздухе. Термосифоны, изготовленные из меди и заполненные дистиллированной водой, имели отдельные секции испарителя, адиабатической камеры и конденсатора для обеспечения пассивной теплопередачи.

Панель PVT на основе термосифона

Для обеспечения теплового контакта между панелью и термосифонами использовались алюминиевые пластины-амортизаторы, а секции конденсатора были встроены в коллектор с водяным охлаждением, выполняющий роль теплоотвода. Для управления потоком воды и рекуперации тепла использовалась система с замкнутым контуром, включающая в себя тепловой резервуар, насос, расширительный бак и расходомер. По словам исследователей, такая система обеспечивала непрерывную рециркуляцию и хранение нагретой воды для дальнейшего использования.

Система PVT была установлена рядом с эталонной фотоэлектрической панелью для прямого сравнения характеристик в идентичных условиях окружающей среды. Обе панели были установлены под углом 25° и ориентированы на север для максимального использования солнечного света. Температура измерялась с помощью термопар, установленных на поверхности панели и в водяном контуре, а интенсивность солнечного излучения фиксировалась пиранометром. Для измерения электрических характеристик, включая напряжение, силу тока и выходную мощность, был разработан прибор для снятия вольт-амперных характеристик на базе Arduino.

Экспериментальная установка

Обе системы были экспериментально протестированы в реальных условиях на открытом воздухе при различных скоростях потока воды и погодных условиях. Испытания проводились в солнечные и пасмурные дни при скорости потока 6,5 л/мин и в солнечный день при скорости 1,5 л/мин с контролируемой температурой поступающей воды для обеспечения стабильности результатов.

Результаты показали, что из-за дополнительного термического сопротивления и снижения естественной конвекции в задней части модуля PVT его температура была выше, чем у контрольной панели, что привело к незначительному снижению электрического КПД. Это свидетельствует о тепловом дисбалансе, связанном с модернизацией конструкции. Однако система PVT показала значительно более высокий общий энергетический КПД — около 45,75 % в солнечную погоду — благодаря эффективному рекуперации тепла. Система также обладает высокой тепловой инерцией, что сглаживает температурные колебания и обеспечивает непрерывную теплопередачу даже при снижении солнечного излучения.

В пасмурные дни эта тепловая инерция еще больше повышала производительность, увеличивая общий КПД до более чем 50 % за счет замедленного высвобождения накопленной энергии. Однако скорость отвода тепла достигла своего максимума, что указывает на верхний предел, определяемый тепловым сопротивлением и пропускной способностью термосифона. При этом важнейшим параметром оказалась скорость потока. При расходе 6,5 л/мин эффективное охлаждение обеспечивало лучшие электрические и тепловые характеристики, в то время как при расходе 1,5 л/мин снижение конвекции приводило к перегреву, значительно снижая электрический КПД до 10,93 % и общий КПД до 19,02 %.

Дальнейшие исследования подтвердили, что увеличение скорости потока само по себе не может полностью устранить ограничения, поскольку отвод тепла в конечном итоге зависит от качества интерфейса и конструкции системы.

В целом результаты показывают, что эффективность модернизации системы PVT зависит от баланса между мощностью отвода тепла и присущим ей термическим сопротивлением. Кроме того, они указывают на существование максимального порога отвода тепла и необходимость оптимизации таких параметров, как скорость потока и конфигурация термосифона.

«Нынешняя конфигурация с четырьмя термосифонами не обеспечивает тепловой паритет со стандартным фотоэлектрическим модулем, — подчеркнули ученые. — Требуется увеличить мощность извлечения тепла примерно на 60 %, что можно сделать, увеличив количество термосифонов (до шести или семи) или увеличив эффективную площадь теплового контакта. Несмотря на эти ограничения, система продемонстрировала стабильную работу и эффективное восстановление тепла при различных условиях окружающей среды, что подтверждает ее пригодность для использования низкопотенциальной тепловой энергии».

В перспективе ученые планируют сосредоточить усилия на повышении эффективности отвода тепла за счет оптимизации конструкции термосифона, пространственной конфигурации и качества теплового интерфейса, а также на поиске альтернативных рабочих жидкостей и геометрических форм, адаптированных к ограничениям, связанным с модернизацией. Кроме того, они хотят изучить долгосрочную эффективность, системную интеграцию в реальных условиях, например в фотоэлектрических системах, интегрированных в здания, а также провести комплексную экономическую оценку для определения рентабельности и масштабируемости.

Результаты исследования были представлены в статье «Экспериментальная оценка предельных значений тепловых характеристик при модернизации коммерческой фотоэлектрической панели с использованием термосифона», опубликованной в Energy Conversion and Management.

Аккумулятор FIAMM FG 20201

Немецкая исследовательская группа разработала неразрушающий метод количественной оценки проникновения воды в фотоэлектрические модули с помощью спектроскопии поглощения в ближней инфракрасной области (NIRA), откалиброванной с помощью титрования по методу Карла-Фишера (KFT). Этот метод позволяет точно измерить абсолютное содержание влаги в герметичных модулях без их демонтажа, что упрощает проверку, анализ неисправностей и прогнозирование срока службы.

Немецкая исследовательская группа разработала новый неразрушающий метод количественной оценки попадания воды в солнечные модули на месте установки. Метод основан на использовании спектроскопии поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне (NIRA), откалиброванной по абсолютному содержанию воды, измеренному с помощью титрования по методу Карла-Фишера (KFT). Это позволяет инспекторам определять уровень влажности внутри модулей, не вскрывая их.

«Эта методика неинвазивна, не требует внесения изменений в спецификацию, например установки дополнительных датчиков, и может применяться к модулям, установленным в полевых условиях, при условии предварительной калибровки, — рассказал автор исследования Антон Мордвинкин. — В отличие от традиционных подходов, она не опирается на такие допущения, как закон Генри, или на приблизительные оценки изменяющихся барьерных свойств или неопределённостей, связанных с внутренним микроклиматом модуля».

По словам Мордвинкина, этот подход закладывает основу для более точного моделирования проникновения влаги и повышает надежность прогнозирования срока службы модулей. «Он дает производителям полезную информацию для оптимизации конструкции и сертификации продуктов, устойчивых к механизмам деградации, вызванным воздействием влаги, в том числе к деградации, вызванной воздействием влаги (mid-induced degradation, MID) и деградации, вызванной воздействием электрического поля (potential-induced degradation, PID), особенно в сложных условиях, например в плавающих фотоэлектрических системах и в тропическом климате, а также при использовании новых технологий, таких как тандемные элементы», — добавил он.

Он также отметил, что этот метод позволяет улучшить контроль за солнечными электростанциями, выявляя модули с недостатками изоляции и поддерживая целенаправленные меры по их устранению. «Эти достижения напрямую способствуют повышению ликвидности активов и создают прочную техническую основу для будущих процессов гарантийного обслуживания и восстановления», — сказал он.

Картографирование и эволюция проникновения воды

Новый метод предполагает воздействие на полимерные материалы, которые обычно используются в фотоэлектрических модулях, различными уровнями влажности в ходе испытаний на влагостойкость. Затем каждый образец исследуют с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области (NIRA), которая позволяет обнаружить воду по ее сильному поглощению инфракрасного излучения. Однако, поскольку NIRA дает лишь относительный результат, те же образцы впоследствии анализируют с помощью титрования по методу Карла-Фишера (KFT) — метода, при котором материал нагревают и точно определяют количество выделившейся воды. Сопоставив сигнал NIRA с абсолютным содержанием воды, определенным с помощью метода КФК, исследователи построили калибровочные кривые для каждого материала.

Среди протестированных материалов — герметики, такие как этиленвинилацетат (ЭВА), полиолефиновый эластомер (ПОЭ), термопластичный полиолефин (ТПО) и термопластичный полиуретан (ТПУ), а также подложки из полиэтилентерефталата (ПЭТ), полипропилена (ПП), полиалюминий-полиамида (ПАП), поливинилиденфторида (ПВДФ) и ПЭТ с фторированным покрытием.

Рабочий процесс нового метода

После калибровки портативное устройство для спектроскопии NIRA можно использовать непосредственно на установленных модулях. Чтобы продемонстрировать эту возможность, исследовательская группа протестировала мини-модули с подложками из ПЭТ и полипропилена в условиях повышенной влажности и температуры, полимерные образцы, подвергшиеся ускоренному старению под воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения и влаги, модули, установленные на крышах, с потрескавшейся подложкой и следами от улиток, а также извлеченные из эксплуатации модули с потрескавшейся и неповрежденной подложкой из арамидного волокна, чтобы сравнить реальное воздействие влаги и степень деградации.

Тесты показали, что модули на основе полиэтилентерефталата впитывают больше воды, чем модули на основе полипропилена. В ходе полевых исследований было установлено, что в модулях с поврежденным задним листом и ячейками содержание воды было на 50 % выше, а модули с поврежденным задним листом из арамидного волокна впитывали воду в десять раз быстрее, чем неповрежденные модули.

«В ходе исследования было установлено, что улучшенные барьерные свойства полипропилена обусловлены в первую очередь его меньшей растворимостью в воде, в то время как коэффициенты диффузии у обоих материалов сопоставимы, — говорит Мордвинкин. — Это дает более подробное механистическое объяснение ранее наблюдавшимся различиям и согласуется с тенденциями, описанными в литературе».

«Еще одно особенно важное наблюдение — неоднородное распределение влаги в модулях с сильно поврежденным тыльным покрытием после более чем семи лет эксплуатации на открытом воздухе, — добавил он. — Локальное скопление влаги значительно усиливалось в местах с микротрещинами в ячейках, которые коррелируют с визуально заметными следами от улиток. Это указывает на взаимосвязь между механическим повреждением и локальным проникновением влаги».

Новый метод был представлен в статье «Неразрушающий количественный анализ проникновения воды в фотоэлектрические модули с помощью спектроскопического и химического анализа для повышения качества и контроля на месте эксплуатации», опубликованной в журнале Progress in Photovoltaics: Research and Applications. В исследовании приняли участие ученые из немецкого Центра кремниевой фотовольтаики Фраунгофера (CSP), Института микроструктур и систем Фраунгофера (IMWS) и Исследовательского центра Юлиха.

Аккумулятор FIAMM 12FGH50

Катарские исследователи обнаружили, что в условиях пустыни двунаправленные горизонтальные одноосевые фотоэлектрические системы с отслеживанием положения солнца 2P вырабатывают на 13,5% больше электроэнергии, чем системы с фиксированным наклоном, согласно результатам долгосрочных полевых испытаний в Катаре. Исследование также показало, что эффективность систем зависит от сезона и технологии, а преимущества систем с отслеживанием положения солнца варьируются в зависимости от интенсивности солнечного излучения и погодных условий.

Экспериментальная установка

Исследователи из Университета Хамада бин Халифы (HBKU) в Катаре сравнили эффективность двусторонних горизонтальных фотоэлектрических систем с двумя портретами (2P) и горизонтальными одноосевыми трекерами (HSAT) с системами с фиксированным наклоном в условиях пустыни на Ближнем Востоке и обнаружили, что двусторонние панели могут вырабатывать на 13,5% больше электроэнергии, чем их аналоги.

«В этом исследовании оценивалось влияние технологии производства модулей, коэффициента покрытия поверхности (КП), конфигурации солнечных батарей и условий окружающей среды на выработку энергии, — рассказал автор исследования Маулид М. Кивамбе. — Благодаря семи рядам трекеров, изменяемому шагу, 34 солнечным батареям, 13 коммерческим вариантам фотоэлектрических модулей, а также различным вариантам размещения относительно опорной трубы и солнечных батарей с фиксированным углом наклона, этот испытательный стенд является одним из крупнейших в мире исследовательских центров в области высокопроизводительных солнечных технологий».

20-месячные полевые испытания проводились в Катарском научно-исследовательском институте окружающей среды и энергетики (Qatar Environment and Energy Research Institute, QEERI) при Университете Хамады, где с 2020 года эксплуатируется горизонтальная одноосевая система слежения за солнцем. На этой площадке очень высокая солнечная инсоляция, а климат классифицируется как пустынный по системе классификации климатов Кёппена — Гейгера — фотоэлектрической. Установка включает в себя семь рядов трекеров SOLTEC-SF7 с разной степенью покрытия поверхности и несколько конфигураций фотоэлектрических модулей, использующих 13 различных технологий. В нем используется астрономическое одноосевое слежение с асимметричным возвратом для уменьшения затенения и оптимизации выработки энергии.

Температура тыльной стороны модуля измерялась с помощью встроенных датчиков, а различные компоненты освещенности, такие как освещенность в плоскости массива (POA), глобальная горизонтальная освещенность (GHI), диффузная горизонтальная освещенность (DHI) и освещенность тыльной стороны, измерялись с помощью калиброванных пиранометров и эталонных ячеек. В качестве эталона использовалась система с фиксированным наклоном, установленная под углом 22° к югу, с такой же конфигурацией струн и расстоянием между рядами, как и у системы слежения. Обе системы работали на естественной гравийной поверхности, характерной для пустынь.

Испытания показали, что система с трекером обеспечивает среднегодовую прибавку в 15,5 % по облучению в плоскости массива и 13,5 % по удельной энергоотдаче по сравнению с конфигурацией с фиксированным наклоном. Максимальная производительность достигается в начале июля 2024 года, когда суточная прибавка в энергоотдаче составляет около 36 %.

Однако тестирование также показало, что преимущества трекеров сильно зависят от сезона и проявляются в основном с февраля по сентябрь при высоком уровне прямого солнечного излучения. С октября по январь система с фиксированным углом наклона превосходит систему с трекером на 7,2 % из-за более низкого положения солнца и снижения эффективности трекера.

Анализ энергопотребления подтвердил, что система с трекером лучше улавливает утреннее и вечернее излучение летом, а система с фиксированным наклоном — в середине дня зимой. В пасмурную погоду разница в эффективности снижается, поскольку преобладает рассеянное излучение, которое обе системы улавливают одинаково.

В целом анализ показал, что системы с трекером обеспечивают более высокую годовую производительность, но их эффективность сильно зависит от положения Солнца и погодных условий, а также от состава солнечного излучения.

«Среди рассмотренных технологий модули на основе кремниевых гетеропереходов (HJT) показали самую высокую общую выработку энергии, особенно в условиях высокой освещенности и повышенной температуры окружающей среды, как и ожидалось, благодаря превосходным температурным коэффициентам и высокому коэффициенту двусторонней проводимости, — пояснили ученые. — Модули на основе фотоэлектрических элементов с p-n-переходом и высокоэффективные двусторонние модули на основе фотоэлектрических элементов с p-n-переходом также продемонстрировали высокую производительность, что указывает на то, что высокая двусторонняя проводимость может частично компенсировать менее благоприятные температурные коэффициенты».

Они также обнаружили, что расположение струн относительно торсионной трубы оказывает минимальное влияние на выработку энергии, что говорит о высокой степени гибкости компоновки систем с трекерами в условиях пустыни.

Аккумуляторы FIAMM FG/FGH

Индийские ученые разработали тонкопленочный солнечный элемент CIS без использования кадмия, в котором оксид индия выступает в качестве слоя для переноса электронов. При моделировании с помощью SCAPS-1D его эффективность составила 29,79 %. Анализ чувствительности показал, что низкая плотность дефектов, оптимальная толщина поглотителя и эффективная система отвода тепла имеют решающее значение для минимизации потерь на рекомбинацию и создания высокопроизводительных масштабируемых устройств.

Исследователи из Индийского университета Нирма и колледжа Самастипура в Самастипуре разработали не содержащий кадмия тонкопленочный солнечный элемент с поглотителем из селенида индия меди (CIS) и слоем переноса электронов из оксида индия (In₂o₃) (ETL).

Они отметили, что, хотя тонкие пленки CIS являются перспективными поглотителями солнечного излучения благодаря прямой запрещенной зоне шириной около 1,5 эВ и высокому коэффициенту поглощения, эффективность устройств часто ограничивается рекомбинацией с участием ловушек и неэффективным межфазным захватом носителей заряда.

«Исторически сложилось так, что такие материалы, как сульфид кадмия (CdS), диоксид титана (TiO₂), оксид цинка (ZnO) и оксид олова (SnO₂), широко использовались в качестве электронопроводящих слоёв в тонкоплёночных солнечных элементах, — рассказал автор исследования Шибу Г. Пиллаи. — Однако их использование сопряжено со значительными трудностями при масштабировании». CdS вызывает серьезные опасения с точки зрения экологии и токсичности, в то время как альтернативы без кадмия также имеют свои недостатки: TiO₂ подвержен фотокаталитической деградации под воздействием ультрафиолета и обладает низкой подвижностью электронов, ZnO химически нестабилен, а SnO₂ часто требует высокотемпературной обработки, которая может привести к образованию межфазных ловушек.

«Мы выбрали In₂O₃, потому что он обладает уникальным сочетанием свойств, — добавил соавтор Кейур Сангани. — Он обеспечивает высокую подвижность электронов, низкое удельное сопротивление, превосходную оптическую прозрачность в видимом диапазоне и высокую химическую стабильность. Эти свойства позволяют эффективно извлекать электроны из поглотителя CuInS₂, снижая при этом межфазную рекомбинацию. Кроме того, In₂O₃ не подвержен фотокаталитической деградации и позволяет проводить обработку при более низких температурах, что делает его подходящим для гибких подложек и снижает энергопотребление».

Предлагаемая структура устройства состоит из переднего контакта из алюминия (Al), подложки из оксида олова, легированного фтором (FTO), эмиттера из In₂O₃, поглотителя из CuInS₂, дырочного транспортного слоя из аморфного кремния (a-Si:H) и заднего контакта из никеля.

Чтобы оценить практическую осуществимость и надежность устройства, исследователи провели комплексный анализ параметрической чувствительности. Систематически варьируя толщину поглотителя, концентрацию легирующих примесей и плотность дефектов, они оценили устойчивость устройства к неидеальным условиям и определили оптимальную толщину поглотителя — около 1 мкм. Они также обнаружили, что увеличение концентрации легирующих примесей повышает напряжение холостого хода и коэффициент заполнения, в то время как избыточная плотность дефектов способствует рекомбинации по механизму Шокли — Рида — Холла и снижает производительность. Таким образом, поддержание низкой плотности объемных и поверхностных дефектов имеет решающее значение для сохранения фотонапряжения и минимизации потерь на рекомбинацию.

Моделирование с учетом зависимости от температуры показало, что тепловые эффекты существенно влияют на эффективность, что подчеркивает необходимость эффективного управления температурным режимом для предотвращения сокращения срока службы носителей заряда при повышенных температурах. Кроме того, с увеличением толщины поглотителя снижается значение Voc из-за увеличения объемной рекомбинации и плотности тока насыщения, в то время как FF остается относительно стабильным, что указывает на ограниченные резистивные потери.

При моделировании методом SCAPS-1D оптимизированное устройство достигло пиковой эффективности преобразования энергии в 29,79 %. Однако это значение рассчитано исходя из идеализированных предположений о дефектах и представляет собой теоретический верхний предел. Поэтому для оценки применимости в реальных условиях и стабильности устройства был проведен детальный анализ чувствительности.

«В целом, сочетание поглотителей CIS с эмиттерами In₂O₃ представляет собой очевидный, экономически эффективный и полностью экологичный способ создания высокоэффективных гибких тонкопленочных фотоэлектрических элементов», — заключил соавтор исследования Ритеш Кумар Чорасия.

Аккумуляторная батарея Challenger EVG12-110

Исследовательская группа под руководством Университета Нового Южного Уэльса предложила две стратегии автономного использования фотоэлектрических систем с электролизерами для поддержания стабильности при резких колебаниях солнечной энергии без использования аккумуляторных батарей.

Схема управления LPRT II

Исследовательская группа под руководством Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Сиднее, Австралия, предложила две новые конфигурации автономных фотоэлектрических систем с электролизерами (PVEC) для маломощных транспортных средств (LPRT).

LPRT — это функция управления электрооборудованием, которая позволяет ему оставаться подключенным и продолжать работать с пониженной мощностью во время кратковременных сбоев в работе сети, таких как провалы напряжения, отклонения частоты или частичная потеря мощности. При использовании в электролизерах с фотоэлектрическими элементами эта функция может поддерживать стабильность системы при снижении выработки солнечной энергии, подстраивая энергопотребление электролизера под сниженную подачу электроэнергии.

«Новизна этого исследования заключается в систематическом сравнении одноступенчатых и двухступенчатых преобразователей для автономных фотоэлектрических систем с электролизерами, — рассказал автор исследования Кайвэнь Сунь. — Кроме того, мы предложили и экспериментально подтвердили две стратегии LPRT, такие как снижение опорного тока и переключение режимов управления, которые предотвращают обрыв цепи постоянного тока при резком снижении солнечной энергии без использования аккумуляторных батарей».

Исследование началось со сравнительного анализа одно- и двухступенчатых архитектур силовых интерфейсов. Поскольку фотоэлектрические модули и электролизеры работают в существенно различающихся диапазонах напряжения и силы тока, для согласования этих двух систем требовался силовой интерфейс (преобразователь постоянного тока в постоянный). В одноступенчатой конфигурации один преобразователь напрямую соединял фотоэлектрическую батарею с электролизером, что обеспечивало простоту, но ограничивало гибкость управления. В двухступенчатой архитектуре, напротив, использовался промежуточный канал постоянного тока с двумя преобразователями, что позволяло более независимо управлять фотоэлектрической батареей и электролизером и повышало гибкость и стабильность системы при изменении интенсивности солнечного света.

Двухступенчатая система работала в двух режимах. В режиме 1 фотоэлектрическая батарея работала в режиме отслеживания точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking, MPPT), а звено постоянного тока регулировалось, что позволяло электролизеру подстраиваться под доступную солнечную энергию. В режиме 2 звено постоянного тока регулировалось, а ток электролизера поддерживался постоянным, что обеспечивало точный контроль производства водорода. Однако в этом режиме внезапное снижение солнечной энергии может привести к несоответствию между выработкой и потреблением, что потенциально может вызвать нестабильность напряжения в звене постоянного тока. Технология Low-power ride-through (LPRT) решает эту проблему, либо снижая силу тока в электролизере до уровня доступной мощности фотоэлектрических элементов, либо возвращаясь к первому режиму, тем самым обеспечивая стабильную работу.

Предложенный подход был протестирован с помощью моделирования и экспериментальной проверки. В ходе моделирования была разработана подробная модель системы мощностью 5 кВт, включающая фотоэлектрическую батарею, электролизер и силовые электронные преобразователи. Система была протестирована в динамических условиях эксплуатации, в том числе при резком снижении интенсивности солнечного излучения. Экспериментальная проверка была проведена с использованием лабораторного прототипа мощностью 200 Вт на основе преобразователя на нитриде галлия (GaN), что подтвердило результаты моделирования в реальных условиях эксплуатации.

“Наиболее неожиданные результаты включают двухступенчатый преобразователь, поддерживающий выработку водорода на уровне 0,58–1,01 Нм3 / ч при КПД системы электролизера на уровне 96,75- 97,12% при снижении освещенности на 50%, стратегию переключения режимов управления, стабилизирующую систему менее чем за 0,5 секунды, и нелогичный вывод о том, что КПД электролизера увеличивается по мере снижения входной мощности (например, с 81,42% при 5 кВт до 97,18% при 2,04 кВт)”, - сказал сан.

В заключение исследователи отметили, что их результаты ясно показывают: если для небольших систем достаточно одноступенчатого преобразователя, то для масштабирования фотоэлектрических систем с электролизерами (PVEC) до промышленного уровня необходима двухступенчатая архитектура. В таких крупных системах значительные расхождения в напряжении делают ступенчатое преобразование энергии и усовершенствованные функции управления критически важными для надежной и эффективной работы.

«Мы сосредоточимся на совместной разработке и оптимальном управлении энергопотреблением гибридных систем хранения энергии, интегрированных в промежуточный канал постоянного тока, а также на усовершенствованных алгоритмах управления, которые позволят полностью автоматизировать производство экологически чистого водорода по требованию. Кроме того, мы будем изучать изолированные топологии преобразователей, такие как DAB и TAB, для повышения отказоустойчивости и масштабируемости систем мощностью в сотни киловатт», — сказал Сан, обозначив перспективное направление работы команды.