Фотоэлектрические и термоэлектрические генераторы могут повысить эффективность передачи энергии

Аккумулятор FIAMM 12FGL120

Исследователи из Китая и Объединенных Арабских Эмиратов протестировали фотоэлектрический термоэлектрический генератор на приемном конце системы беспроводной лазерной передачи энергии. В различных условиях атмосферной турбулентности они обнаружили, что устройство способно справляться с тепловым стрессом и повышать эффективность фотоэлектрического приемника.

Экспериментальная установка

Группа исследователей из Китая и Объединенных Арабских Эмиратов предложила использовать фотоэлектрический термоэлектрический генератор (ФТЭГ) в приемной подсистеме системы лазерной беспроводной передачи энергии (ЛБПЭ). Они протестировали модуль в условиях низкой, средней и высокой атмосферной турбулентности и обнаружили, что он снижает тепловую нагрузку и повышает эффективность фотоэлектрического приемника.

Технология LWPT, также известная как передача энергии с помощью луча, позволяет передавать энергию на большие расстояния с помощью лазера и фотоэлектрического (PV) компонента в принимающей подсистеме. Для использования в таких приёмниках оцениваются как одноэлементные, так и многоэлементные ячейки.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) преобразуют тепло в электричество за счёт эффекта Зеебека, который возникает, когда разница температур между двумя разнородными полупроводниками приводит к возникновению разницы напряжений. ТЭГ широко используются в промышленности для рекуперации отработанного тепла и преобразования его в электричество. Однако их высокая стоимость и ограниченная эффективность до сих пор препятствуют их более широкому распространению.

В системах PV-TEG фотоэлектрическая панель вырабатывает энергию в течение дня, а термоэлектрический генератор использует разницу температур вокруг элемента для выработки электроэнергии ночью.

«В предыдущих исследованиях многие учёные в основном фокусировались на производительности фотоэлектрических приёмников TEG при равномерном освещении. В этом исследовании впервые изучалось влияние гауссова лазера, проходящего через атмосферную турбулентность, на производительность фотоэлектрического приёмника TEG, а также оценивалось повышение его энергоэффективности по сравнению с традиционным фотоэлектрическим приёмником в различных условиях окружающей среды», — рассказал журналу PV Мэн Сяньлун, первый автор исследования.

По данным компании Xianlong, при использовании гауссова светового луча общей мощностью 6 Вт общая производительность системы PV-TEG улучшилась на 25,81 % по сравнению с приёмником, работающим только на фотоэлектрических элементах.

Исследователи отметили, что в приложениях LWPT существует “критическая” потребность в эффективном управлении использованием тепла и энергии, особенно при длительном высокоинтенсивном лазерном воздействии.

Чтобы оценить тепловые, электрические и оптические характеристики системы PV-TEG при различной мощности лазера и интенсивности атмосферной турбулентности, команда разработала мультифизическую имитационную модель, в которой проанализировано влияние интенсивности лазерного излучения на выходные характеристики системы и ее способность поглощать остаточную лазерную энергию, не преобразованную фотоэлементом в электричество. Трассировка лучей использовалась для расчета поверхностной интенсивности, и результаты были подтверждены экспериментально.

Гибридное устройство объединило солнечный элемент из одного арсенида галлия (GaAs) для преобразования энергии с коммерчески доступным модулем TEG.
По словам Сяньлуна, наиболее сложным аспектом было определение коэффициента Зеебека и доказательство осуществимости системы.

Команда рассчитала характеристики термоэлектрического преобразования модуля ТЭГ с учётом нескольких коэффициентов. «Сравнив полученные результаты с измерениями на наших экспериментальных образцах, мы пришли к выводу, что коэффициент Зеебека является фиксированной константой», — объяснил Сяньлун.

Чтобы продемонстрировать способность приёмника PV-TEG оптимизировать рабочую температуру элементов из арсенида галлия, исследователи сравнили температуру устройства, работающего только на фотоэлектрических элементах, и приёмника PV-TEG при различных константах структуры атмосферной турбулентности. Результаты показали, что приёмник PV-TEG значительно снижает рабочую температуру фотоэлектрических элементов — до 31,94 К — по сравнению с обычными приёмниками, работающими только на фотоэлектрических элементах.

«Результаты ясно показывают, что приёмник PV-TEG поддерживает более низкую рабочую температуру фотоэлектрических элементов на основе арсенида галлия по сравнению с системой, состоящей только из фотоэлементов, в условиях низкой и умеренной турбулентности», — заявили исследователи. В частности, при умеренной атмосферной турбулентности система PV-TEG продемонстрировала заметное увеличение выходной мощности — до 66,06 %.

Они также отметили, что при сильной турбулентности распределение энергии становится неравномерным, но приёмник PV-TEG сохраняет «превосходные» характеристики благодаря возможности двойного восстановления энергии.

Система была представлена в статье «Повышение эффективности беспроводной передачи энергии с помощью лазера с использованием нового гибридного фотоэлектрического приемника TEG: двойное управление теплом и рекуперация энергии», опубликованной в Scientific Reports.

В исследовательскую группу вошли учёные из Северо-Западного политехнического университета в Китае, а также из Университета Амити и Университета науки и технологий Халифа в Объединённых Арабских Эмиратах.

Планируется ещё одно испытание, посвящённое влиянию атмосферной турбулентности на лазер, с использованием нескольких солнечных элементов в фотоприёмнике. Сяньлун отметил, что «чрезвычайно высокая интенсивность света на приёмном конце» требует новых подходов к контролю нагрева и управлению системой фотоэлементов. Группа также изучает общий контроль нагрева и управление фотоэлементами в концентрирующих фотоэлектрических системах с высокой плотностью энергии.