МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ ФОТОТЕРМОЕЛЕКТРИЧНОГО ПЕРЕТВОРЮВАЧА
Ключові слова:
фотоелектричний перетворювач, термоелектричний генератор, інтегрований фототермоелектричний перетворювач, імітаційна модель, генерована потужність, ефективність, ступінь концентраціїАнотація
Продуктивність фотоелектричних перетворювачів обмежена температурним фактором, який викликає падіння генерованої потужності та ефективності при підвищенні робочої температури. Для вирішення проблеми нагрівання запропоновано ряд підходів, включаючи інтегрування з термоелектричним генератором. В таких системах теплова енергія утилізується термоелектричним модулем для отримання додаткової електричної потужності, при цьому температура фотоелектричного перетворювача знижується, що підвищує його енергетичні показники. Різноманітність використовуваних матеріалів перетворювачів, конструкцій та умов експлуатації вимагає дослідження режимів роботи інтегрованих фототермоелектричних систем в кожному конкретному застосуванні.
У цій роботі розглядається фототермоелектричний перетворювач на основі механічно стикованих монокристалічного кремнієвого фотоелектричного перетворювача та низькотемпературного термоелектричного модуля з Bi2Te3, доступних на ринку енергетичного обладнання. Досліджується вплив умов експлуатації запропонованого інтегрованого фототермоелектричного перетворювача на його температурні режими роботи та енергетичні показники, для чого створено імітаційну модель перетворювача в програмному середовищі Matlab/Simulink.
Виходячи з критичної температури роботи фотоелектричного перетворювача, шляхом моделювання визначено зовнішні умови експлуатації інтегрованого перетворювача, зокрема доцільний діапазон значень ступеня концентрації потоку сонячного випромінювання, для якого проведено оцінку внеску фотоелектричного та термоелектричного перетворювачів в генеровану потужність гібрида на їх основі, а також визначено ефективність перетворювачів. Показано, що енергетичний виграш від інтегрування фотоелектричного та термоелектричного перетворювачів спостерігається при ступенях концентрації сонячного випромінювання, вищих за 16, і дозволяє збільшити потужність фототермоелектричного перетворювача в 1,6 разів у порівнянні з суто фотоелектричним, що працює в аналогічних умовах освітлення. На основі аналізу отриманих даних запропоновано шляхи підвищення ефективності інтегрованого фототермоелектричного перетоврювача.
Посилання
Lorenzi B. Practical development of efficient thermoelectric – photovoltaic hybrid systems based on wide-gap solar cells / B. Lorenzi, P. Mariani, A. Reale, A. Di Carlo, G. Chen, D. Narducci // Applied Energy. – 2021. – № 300. – 117343-10 р. doi: 10.1016/j.apenergy.2021.117343
Dupré O. Thermal Behavior of Photovoltaic Devices / O. Dupré. – Springer International Publishing AG. – 2017. – 103 р. doi:10.1007/978-3-319-49457-9
Li G. A review of solar photovoltaic-thermoelectric hybrid system for electricity generation / Li G., S. Shittu, T.M.O. Diallo, M. Yu, X. Zhao, J. Ji // Energy. – 2018. – №158. – Р. 41-58. doi:10.1016/j.energy.2018.06.
Zulakmal M.Y. Solar photovoltaic/thermal-thermoelectric generator performance review / M.Y. Zulakmal, A. Fudholi, N.S. Rukman, S. Mat, H.Y. Chan, K. Sopian // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. – 2019. – 012120-11 р. doi:10.1088/1755-1315/268/1/012120
Vorobiev Yu. Thermal-photovoltaic solar hybrid system for efficient solar energy conversion / Yu. Vorobiev, J. Gonza´lez-Herna´ndez, P. Vorobiev, L. Bulat // Solar Energy. – 2006. - № 80. – Р. 170–176. doi:10.1016/j.solener.2005.04.022
Kraemer D. Photovoltaic-thermoelectric hybrid systems: A general optimization methodology / D. Kraemer, L. Hu, A. Muto, X. Chen, G. Chen, M. Chiesa // Applied Physics Letters. – 2008. – Vol. 92, Issue 24. – 243503-3 р. doi:10.1063/1.2947591
Beeri O. Hybrid photovoltaic-thermoelectric system for concentrated solar energy conversion: Experimental realization and modeling O. Beeri, O. Rotem, E. Hazan, E.A. Katz, A. Braun, Y. Gelbstein // Journal of Applied Physics. – 2015. - № 118. – 115104-8 р. doi:10.1063/1.4931428
Zhang J. Enhanced performance of photovoltaic–thermoelectric coupling devices with thermal interface materials / J. Zhang, H. Zhai, Z. Wu, Y. Wang, H. Xie, M. Zhang // Energy Reports. – 2020. - № 6. – Р. 116–122. doi:10.1016/j.egyr.2019.12.001
Lorenzi B. Theoretical efficiency of hybrid solar thermoelectric-photovoltaic generators / B. Lorenzi, G. Chen // Journal of Applied Physics. – 2018. - № 124. – 024501-11 р. doi:10.1063/1.5022569
Xu X. Performance Analysis of a Combination System of Concentrating Photovoltaic / Thermal Collector and Thermoelectric Generators / X. Xu, S. Zhou, M.M. Meyers, B.G. Sammakia, B.T. Murray // Journal of Electronic Packaging. – 2014. – Vol. 136, Issue 4. – 041004-7 р. doi:10.1115/1.4028060
Lamba R. Solar driven concentrated photovoltaic-thermoelectric hybrid system: Numerical analysis and optimization / R. Lamba, S.C. Kaushik // Energy Conversion and Management. – 2018. – № 170. – Р. 34–49. doi:10.1016/j.enconman.2018.05.048
Yin E. Optimal design method for concentrating photovoltaic-thermoelectric hybrid system / E. Yin, Q. Li, Y.Xuan // Applied Energy. – 2018. - № 226. – Р. 320–329. doi:10.1016/j.apenergy.2018.05.127
Verma V. Complementary performance enhancement of PV energy system through thermoelectric generation / V. Verma, A. Kane, B. Singh // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – № 58. – Р. 1017–1026. doi:10.1016/j.rser.2015.12.212
Duffie J.A. Solar Engineering of Thermal Processes / J.A. Duffie, W.A. Beckman. – John Wiley & Sons, Inc., 2013. – 910 p.
Андреев В.М. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения / В.М. Андреев, В.А. Грилихес, В.Д. Румянцев. – Л.: Наука, 1989. – 310 с.
Колтун М.М. Солнечные элементы / М.М. Колтун. – М.: Наука, 1987. - 192 с.
