Корейские ученые создали черепичный солнечный модуль для термоэлектрических генераторов
Аккумулятор Challenger G12-100H
Исследователи из Корейского института энергетических исследований разработали черепичную фотоэлектрическую панель, предназначенную для эффективной интеграции с термоэлектрическими генераторами (ТЭГ) для сбора отработанного тепла с помощью эффекта Зеебека. Последовательно соединенная ленточная конструкция обеспечивает работу при высоком напряжении и низком токе, что снижает потери на сопротивление ТЭГ и позволяет создавать масштабируемые, устойчивые к нагрузкам фотоэлектрические системы с ТЭГ, отличающиеся повышенной эффективностью и надежностью.
Модуль состоит из соединенных последовательно узких полоскообразных солнечных элементов
Исследователи из Корейского института энергетических исследований (KIER) и Национального университета Чхунбук (CBNU) создали черепичную фотоэлектрическую панель, которую можно использовать в сочетании с термоэлектрическими генераторами (ТЭГ) для эффективного использования отработанного тепла.
Термоэлектрические генераторы могут преобразовывать тепло в электричество за счет «эффекта Зеебека», который возникает, когда разница температур между двумя разными полупроводниками приводит к возникновению разницы напряжений между двумя веществами. Эти устройства широко используются в промышленности для преобразования избыточного тепла в электричество. Однако из-за высокой стоимости и ограниченной производительности они пока не получили широкого распространения.
Технология черепичных солнечных элементов заменяет традиционные ленточные соединения последовательным соединением полос солнечных элементов, что позволяет отказаться от паяных лент. Такая конструкция увеличивает активную площадь, доступную для поглощения света, а также снижает тепловые и механические нагрузки внутри модуля. В результате повышается эффективность и долгосрочная надежность по сравнению со стандартными подходами к соединению.
Для сборки модулей исследователи использовали солнечные элементы PERC, поставляемые южнокорейской компанией Shinsung E&G, в качестве исходного материала. Сначала элементы разрезали на узкие полоски с помощью инфракрасного лазера с длиной волны 1064 нм, а затем механически распиливали. Были изготовлены черепичные модули из трех, пяти или семи полосок с общей активной площадью 100 см², а конфигурация из 14 полосок имела увеличенную площадь — 170 см². Размеры соответствующих полос составляли 100 × 38,83 мм, 100 × 21,70 мм, 100 × 16,07 мм и 85 × 16,07 мм для трех-, пяти-, семи- и четырнадцатиполосных модулей соответственно.
Электрическое соединение между соседними полосами было выполнено путем последовательной сборки с использованием токопроводящего клея CA 3556HF. Затем конструкции подверглись горячему прессованию и отверждению при температуре 180 °C в течение 1 минуты для обеспечения надежного соединения. К обоим концам каждого черепичного модуля были припаяны ленты с выводами для обеспечения внешних электрических контактов. Наконец, модули были покрыты передним слоем из стекла, этиленвинилацетатным (ЭВА) герметиком и задней панелью из полиэтилентерефталата (ПЭТ) для повышения механической прочности и устойчивости к воздействию окружающей среды.
Ученые объяснили, что такая архитектура модуля выгодна для интеграции тонкопленочных транзисторов, поскольку последовательное соединение пластин увеличивает рабочее напряжение при одновременном снижении выходного тока, что, в свою очередь, минимизирует зависящие от силы тока резистивные потери и джоулев нагрев тонкопленочных транзисторов. Такое улучшенное электрическое согласование снижает влияние относительно высокого внутреннего сопротивления тонкопленочных транзисторов, повышает стабильность коэффициента заполнения и в конечном итоге обеспечивает более эффективное и устойчивое к нагрузкам извлечение энергии в гибридных фотоэлектрических системах с тонкопленочными транзисторами в реальных условиях эксплуатации.
Коммерческие термоэлектрические (ТЭ) элементы были предоставлены китайской компанией Xinrong. Массив ТЭГ без подложки площадью 100 см² был изготовлен из 308 элементов с зазорами, заполненными полимером, для обеспечения механической стабильности и оптимизации теплопередачи. Массивы были собраны из структурированных медных (Cu) пленок на полиимидных подложках с использованием трафаретной печати припоем, пайки оплавлением и последующего удаления подложки для обнажения электродов для электрического соединения.
Разработанные для тестирования гибридные фотоэлектрические системы с термоэлектрическим генератором состояли из двухполюсной (2T) схемы, в которой фотоэлектрические элементы и термоэлектрический генератор соединены последовательно с помощью одной внешней контактной пары, и четырехполюсной (4T) схемы, в которой оба компонента работают независимо друг от друга, что позволяет исключить потери на последовательное сопротивление термоэлектрического генератора. В основном использовалась двухполюсной схема, а четырехполюсную применяли только для анализа потерь и сравнения.
Была разработана специальная экспериментальная платформа с прозрачным сетчатым нагревателем из меди сверху и нижним охладителем для создания контролируемого температурного градиента при одновременном воздействии на устройство стандартного солнечного излучения. Эта установка позволила провести точную вольт-амперную характеристику фотоэлектрических, термоэлектрических и комбинированных фотоэлектрических и термоэлектрических устройств при совместной тепловой и оптической нагрузке, а также провести дополнительные измерения с помощью специальной численной модели.
Электрические характеристики ТЭ-элементов были изучены с помощью эффекта Холла и измерения сопротивления в зависимости от времени при контролируемом смещении по току для оценки транспортных свойств и стабильности. Фотоэлектрический компонент был смоделирован с помощью двухдиодной схемы в сочетании с набором уравнений для термоэлектрического генератора, которые решались с помощью преобразований на основе W-функции Ламберта. Подбор модели к экспериментальным данным I–V позволил определить ключевые параметры, в том числе эффективное сопротивление ТЭГ, а также количественно оценить потери мощности при двухтактном режиме работы.
Измерения показали, что минимизация фотоэлектрического тока при одновременном увеличении напряжения значительно снижает влияние сопротивления термоэлектрического генератора на производительность устройства. При этом черепичные фотоэлектрические модули оказались особенно эффективными в достижении этого режима работы с низким током и высоким напряжением. Термический анализ также показал, что ток, вырабатываемый фотоэлектрическими элементами, вызывает как быстрое охлаждение/нагрев за счет эффекта Пельтье, так и более медленный джоулев нагрев термоэлектрического генератора, что со временем увеличивает его эффективное сопротивление.
Кроме того, линейная корреляция между градиентами силы тока и температуры подтвердила взаимосвязь между электрическим переносом и термоэлектрическим теплообменом в гибридной системе. Согласно проверенной численной модели, оптимальные конструкции с низким током и высоким напряжением могут снизить потери энергии практически до нуля. Это предположение было экспериментально подтверждено на устройстве площадью 170 см², которое в контролируемых условиях обеспечило сверхнизкие потери и высокую выходную мощность.
«Используя 14-полосный черепично-модульный фотоэлектрический элемент, который распределяет ток, повышая напряжение на нескольких полосах, мы создали устойчивый к нагрузкам черепично-модульный фотоэлектрический элемент для фотоэлектрических систем полевого масштаба, — заключили исследователи. — По масштабу и производительности наш фотоэлектрический элемент значительно превосходит самые крупные (68 см2) и наиболее производительные (1,15 Вт) устройства, описанные в научной литературе». В отличие от тандемных солнечных элементов, которые требуют сложной монолитной интеграции и сложного спектрального разделения, наш PV-TEG включает в себя только простое соединение коммерчески доступных компонентов PV и TEG, при этом не требуется изготовление на начальном этапе ”.
Новая концепция солнечного модуля была описана в исследовании «Нагрузоустойчивый черепичный фотоэлектрический модуль для термоэлектрической связи в полевых условиях», опубликованном в научно-популярном журнале.