Китайские ученые разработали систему PV-TEG с автономным питанием для обнаружения горячих точек и терморегулирования

Исследователи из Китая разработали систему PV-TEG с автономным питанием, которая сочетает в себе обнаружение горячих точек, пассивное охлаждение и беспроводной мониторинг. Испытания на открытом воздухе показали, что погрешность определения местоположения горячей точки составляет 9,93 мм, температура снижается до 7,7 °C, а за 10 часов было выполнено около 45 беспроводных передач данных.

Модель системы

Исследовательская группа под руководством ученых из китайского Юго-Восточного университета разработала систему фотоэлектрических и термоэлектрических генераторов с автономным питанием (PV-TEG), которая объединяет в себе функции обнаружения горячих точек, локального терморегулирования и беспроводного мониторинга.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) преобразуют тепло в электричество за счет эффекта Зеебека, который возникает, когда разница температур между двумя разнородными полупроводниками создает напряжение. ТЭГ широко используются в промышленности для рекуперации отработанного тепла и преобразования его в электричество. Однако высокая стоимость и ограниченная эффективность пока не позволяют широко использовать такие системы.

В системах фотоэлектрических преобразователей и термоэлектрических генераторов фотоэлектрические панели вырабатывают электроэнергию в течение дня, а термоэлектрические генераторы используют разницу температур для производства дополнительной электроэнергии.

«Ключевая инновация нашего исследования заключается в том, что мы вышли за рамки традиционной роли термоэлектрических генераторов в качестве устройств для сбора отработанного тепла, — рассказал автор исследования Цзинмин Цай. — Мы продемонстрировали, что электрические сигналы, генерируемые этими устройствами, также могут указывать на места возникновения тепловых аномалий в фотоэлектрическом модуле».

Цай рассказал, что, объединив четыре термоэлектрических генератора в компактную систему, исследователи разработали устройство, которое сочетает в себе локализацию горячих точек, пассивное управление температурным режимом, сбор энергии и беспроводной мониторинг. «По сути, мы превращаем отработанное тепло солнечных панелей в источник энергии и диагностической информации», — сказал он.

Сначала исследователи разработали трехмерную мультифизическую модель фотоэлектрической панели размером 500 мм × 500 мм, оснащенной четырьмя термоэлектрическими генераторами, установленными сзади, и алюминиевым радиатором. Модель учитывала теплопередачу и термоэлектрическое преобразование при базовых условиях: освещенности 1000 Вт/м2 и температуре окружающей среды 25 °C.

Команда разместила источник тепла размером 20 мм × 20 мм в девяти точках и сопоставила нормализованные изменения напряжения термоэлектрического генератора с координатами горячих точек. Затем они оценили точность локализации в трех дополнительных точках, сравнили эффективность охлаждения с эффективностью обычного фотоэлектрического модуля и оценили чувствительность к условиям окружающей среды и термическому контактному сопротивлению.

«Мультифизическое моделирование прояснило взаимосвязь между положением горячих точек, термоэлектрическим напряжением и локальным охлаждением», — заявили исследователи. «В разных местах расположения горячих точек возникали разные четырехканальные паттерны напряжения, что позволило количественно сопоставить нормализованные показатели напряжения с двумерными координатами. Моделируемое локальное снижение температуры составило от 8,15 К до 12,40 К».

Затем исследователи провели испытания на открытом воздухе в Тайчжоу, на востоке Китая, установив систему фотоэлектрических преобразователей и термоэлектрических генераторов на крыше телекоммуникационного объекта. Они следили за температурой ТЭГ, напряжением суперконденсатора и событиями беспроводной передачи данных примерно с 8:00 до 18:00. Электроника мониторинга активировалась, когда напряжение на конденсаторе достигало 4,0 В, и отключалась при напряжении 2,8 В, чтобы обеспечить возможность подзарядки.

Команда использовала инфракрасную съемку, чтобы сравнить локальные и средние региональные температуры с показателями эталонного фотоэлектрического региона. Чтобы определить локализацию горячих точек, исследователи наклеили черную ленту в трех местах, чтобы создать контролируемые тепловые возмущения, измерили реакцию напряжения на четырех термоэлектрических генераторах и восстановили координаты аномалий. Они трижды проверили каждое место, используя инфракрасную съемку, чтобы подтвердить расположение и температуру каждой аномалии.

«Больше всего нас удивило то, насколько точно небольшая группа из четырех термоэлектрических генераторов смогла определить местоположение тепловой аномалии, — сказал Цай. — В нашем эксперименте на открытом воздухе мы добились погрешности локализации примерно в 9,93 мм». При этом интегрированная система снизила локальную температуру поверхности фотоэлектрических панелей на 7,7 °C в точке измерения, а в среднем по всему контролируемому региону — на 5,4 °C».

По словам Цая, еще одним обнадеживающим результатом стало то, что система могла работать без внешнего источника питания для электроники мониторинга, выполнив около 45 беспроводных передач данных за 10 часов полевых испытаний в дневное время. «Эти результаты свидетельствуют о том, что даже относительно небольшое количество отработанного тепла фотоэлектрических панелей может быть полезно, если его преобразовать в датчики, а не просто в дополнительную электроэнергию», — сказал он.

По словам Цая, теперь команда планирует изучить, как система работает в условиях электрических перегрузок фотоэлектрических панелей и более сложных внешних условий эксплуатации. «В долгосрочной перспективе мы хотим создать солнечные панели, способные самостоятельно контролировать свой тепловой режим, выявлять потенциальные неисправности на ранней стадии и снижать потребность в энергоемкой инфраструктуре мониторинга», — заключил он.

Исследователи описали систему в статье «Система фотоэлектрических преобразователей с автономным питанием для комплексного мониторинга перегрузок и локального управления температурным режимом на основе реакции термоэлектрического напряжения», которая была недавно опубликована в журнале Applied Thermal Engineering. В исследовании приняли участие ученые из Юго-Восточного университета Китая и Сиднейского технологического университета Австралии.

Challenger EVG12-75 https://invertory.ru/product/akb-challenger-evg12-75/