CC BY
1
1НЖЕНЕРН1 НАУКИ
УДК 621.383.51:621.362 https://doLorg/10.35546/kntu2078-4481.2022ЛЛ
О.В. АНДРОНОВА
Херсонський нацюнальний техшчний унiверситет
ORCID: 0000-0001-9597-8068 В.В. КУРАК
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
ORCID: 0000-0002-4303-5671 С.С. ГРИГОРЕНКО
Херсонський нацiональний технiчний ушверситет
МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ ФОТОТЕРМОЕЛЕКТРИЧНОГО
ПЕРЕТВОРЮВАЧА
Продукmuвнiсmь фотоелектричних nеретворювачiв обмежена температурним фактором, який викликае падiння генеровано! потужностi та ефективностi при пiдвищеннi робочо! температури. Для вирiшення проблеми нагрiвання запропоновано ряд пiдходiв, включаючи ттегрування з термоелектричним генератором. В таких системах теплова енергiя утилгзуеться термоелектричним модулем для отримання додатково! електрично! потужностi, при цьому температура фотоелектричного перетворювача знижуеться, що пiдвищуе його енергетичш показники. Ргзноматтнкть використовуваних матерiалiв перетворювачiв, конструкцш та умов експлуатацИ вимагае до^дження режимiв роботи iнтегрованих фототермоелектричних систем в кожному конкретному застосувант.
У цт роботi розглядаеться фототермоелектричний перетворювач на основi механiчно стикованих монокристалiчного кремнiевого фотоелектричного перетворювача та низькотемпературного термоелектричного модуля з Bi2Teз, доступних на ринку енергетичного обладнання. До^джуеться вплив умов експлуатацИ запропонованого iнтегрованого фототермоелектричного перетворювача на його температурт режими роботи та енергетичнi показники, для чого створено iмiтацiйну модель перетворювача в програмному середовищi МаАаЬ/БтиНпк
Виходячи з критично! температури роботи фотоелектричного перетворювача, шляхом моделювання визначено зовнiшнi умови експлуатацИ iнтегрованого перетворювача, зокрема доцшьний дiапазон значень ступеня концентрацИ потоку сонячного випромтювання, для якого проведено о^нку внеску фотоелектричного та термоелектричного перетворювачiв в генеровану потужтсть гiбрида на !х основi, а також визначено ефективтсть перетворювачiв. Показано, що енергетичний виграш вiд iнтегрування фотоелектричного та термоелектричного перетворювачiв спостерiгаеться при ступенях концентрацИ сонячного випромтювання, вищих за 16, i дозволяе збшьшити потужнкть фототермоелектричного перетворювача в 1,6 разiв у порiвняннi з суто фотоелектричним, що працюе в аналогiчних умовах освiтлення. На основi анализу отриманих даних запропоновано шляхи тдвищення ефективностi ттегрованого фототермоелектричного перетоврювача.
Ключовi слова: фотоелектричний перетворювач, термоелектричний генератор, iнтегрований фототермоелектричний перетворювач, iмiтацiйна модель, генерована потужнкть, ефективнкть, стутнь концентрацИ.
Е.В. АНДРОНОВА
Херсонский национальный технический университет
ORCID: 0000-0001-9597-8068 В.В. КУРАК
Херсонский национальный технический университет
ORCID: 0000-0002-4303-5671 С.С. ГРИГОРЕНКО
Херсонский национальный технический университет
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ФОТОТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Производительность фотоэлектрических преобразователей ограничена температурным фактором, вызывающим снижение генерируемой мощности и эффективности при повышении рабочей температуры. Для решения проблемы нагрева предложен ряд подходов, включая интегрирование с
термоэлектрическим генератором. В таких системах тепловая энергия утилизируется термоэлектрическим модулем для получения дополнительной электрической мощности, при этом температура фотоэлектрического преобразователя снижается, что повышает его энергетические показатели. Разнообразие используемых материалов преобразователей, конструкций и условий эксплуатации требует исследования режимов работы интегрированных фототермоэлектрических систем в каждом конкретном применении.
В данной работе рассматривается фототермоэлектрический преобразователь на основе механически стыкованного монокристаллического кремниевого фотоэлектрического преобразователя и низкотемпературного термоэлектрического модуля из Bi2Te3, доступных на рынке энергетического оборудования. Исследуется влияние условий эксплуатации предложенного интегрированного фототермоэлектрического преобразователя на его температурные режимы работы и энергетические показатели, для чего создана имитационная модель преобразователя в программной среде Matlab/Simulink.
Исходя из критической температуры работы фотоэлектрического преобразователя, путем моделирования определены внешние условия эксплуатации интегрированного преобразователя, в частности целесообразный диапазон значений степени концентрации потока солнечного излучения, для которого проведена оценка вклада фотоэлектрического и термоэлектрического преобразователей в генерируемую мощность гибрида на их основе, а также определена эффективность преобразователей. Показано, что энергетический выигрыш от интегрирования фотоэлектрического и термоэлектрического преобразователей наблюдается при степенях концентрации солнечного излучения свыше 16 и позволяет увеличить мощность фототермоэлектрического преобразователя в 1,6 раз по сравнению с фотоэлектрическим, работающим в аналогичных условиях освещения. На основе анализа полученных данных предложены пути повышения эффективности интегрированного фототермоэлектрического преобразователя.
Ключевые слова: фотоэлектрический преобразователь, термоэлектрический генератор, итегрированный фототермоэлектрический преобразователь, имитационная модель, генерируемая мощность, эффективность, степень концентрации.
O.V. ANDRONOVA
Kherson National Technical University
ORCID: 0000-0001-9597-8068 V.V. KURAK
Kherson National Technical University
ORCID: 0000-0002-4303-5671 S.S. GRIGORENKO
Kherson National Technical University
SIMULATION OF A PHOTOTHERMOELECTRIC CONVERTER OPERATION
The performance of photoelectric converters is limited by the temperature factor that causes a decrease of generated power and efficiency when the operating temperature rises. A number of approaches have been proposed to solve the heating problem, including integration with a thermoelectric generator. In such systems, thermal energy is utilized by a thermoelectric module to obtain additional electrical power, while the photovoltaic converter temperature decreases, leading to improve electrical generation. The variety of converter materials, designs, and operating conditions require investigation of the integrated photothermoelectric systems operating modes in each specific application.
In this paper, we consider a photothermoelectric converter based on mechanically connected single-crystal silicon photoelectric converter and Bi2Te3 low-temperature thermoelectric module that are widely presented on the power equipment market. A simulation model of such converter has been created in the Matlab/Simulink software environment to study the influence of operating conditions on energy performance and temperature operating conditions of integrated photothermoelectric converter.
Based on photovoltaic converter critical operating temperature the integrated converter external operating conditions, in particular, the expedient range of solar radiation flux concentration ratio, were determined by modeling. The photovoltaic and thermoelectric contribution to the whole power of the hybrid photothermoelectric converter was estimated, and the corresponding converters efficiencies were determined. It is shown, that the energy gain from the photoelectric and thermoelectric converters integration is observed at solar radiation concentration ratio above 16 and allows increasing the power of a photothermoelectric converter by 1.6 times compared to only photoelectric convertor operating in similar irradiance conditions. Based on the analysis of obtained data, the ways to increase the integrated photothermoelectric converter efficiency are proposed.
Keywords: photoelectric converter, thermoelectric generator, integrated photothermoelectric converter, simulation model, generated power, efficiency, concentration ratio.
Постановка проблеми
Зниження ефективносп сонячних елеменпв i3 пiдвищенням !х температури - вшома проблема фотоелектричних систем. Температурна зaлежнiсть вироблено! потужностi та ефективносп перетворення спричинюе знaчнi втрати енергп протягом термiну служби сонячних панелей, а названия фотоелектричних панелей у довгостроковому перiодi призводить до збшьшення темпiв деградацп сонячних елеменпв.
Бiльшa частина сонячно! енергп перетворюеться у сонячному елементi на тепло внаслшок термaлiзaцil збуджених електронiв високо! енергп та поглинання низькоенергетичних фотошв, що пiдвищуе температуру фотоелектричного перетворювача (ФЕП), i до 90% втрат в сонячних елементах вiдноситься до теплових [1, 2].Тому iснуе значний штерес до охолодження фотоелементiв за допомогою низки методiв, таких як водяне або повiтряне охолодження (пбридш сонячнi колектори) або використання термоелектричних охолоджувaчiв (модулiв Пельтье).
Одним з вaрiaнтiв вирiшення проблеми нaгрiву е застосування гiбридних фототермоелектричних (ФТЕ) систем, що складаються з ФЕП та термоелектричного генератора (ТЕГ) [3-6]. В таких системах теплова енерпя утилiзуеться ТЕГ для отримання додатково1 електрично1 потужностi, при цьому температура ФЕП знижуеться, що пiдвищуе його енергетичш показники у порiвняннi з ФЕП, окремо працюючим в aнaлогiчних умовах опромшення [7, 8].
Аналiз останшх дослiджень i публiкацiй
На сьогодш розглядаються двi концепцп: ФТЕ перетворювaчi з оптично пов'язаними пристроями або системи з роздшенням спектру, коли на ФЕП спрямовуеться тiльки фотоактивна частина спектру сонячного випромiнювaння, а шфрачервона - на ТЕГ; штегроваш ФТЕ або системи термiчно пов'язаних перетворювaчiв, коли ТЕГ приведенi у тепловий контакт з тильною поверхнею сонячних елеменпв. У ФТЕ перетворювачах з роздшенням спектру ТЕГ не знаходиться в тепловому контакп iз сонячним елементом, вш утилiзуе тшьки iнфрaчервону частину сонячного спектру, не маючи можливостi перетворити на електричну енергiю тепловi втрати фотоелектрично1 частини. В той же час, бшьшють теплових втрат припадае на ультрафюлетову та видиму частини сонячного спектру, що поглинаються саме ФЕП [2], а утилiзaцiя цього тепла за допомогою ТЕГ в ФТЕ з роздшенням спектру не передбачаеться !х конструкщею. Тому з точки зору тдвищення ефективносп перетворення сонячного випромiнювaння концепцiя iнтегровaних ФТЕ перетворювaчiв, в яких сонячний елемент знаходиться в тепловому контакп з ТЕГ, на сьогодш викликае бшьший iнтерес [1, 3, 4].
Теоретичш та експериментальш дослiдження пaрaметрiв iнтегровaних ФТЕ перетворювaчiв показали збiльшення продуктивностi на 20^107,9%, а ефективностi максимум на 3,5% для умов неконцентрованого сонячного випромiнювaння [1, 3]; зростання ефективностi перетворення на 2^5% для умов слабкоконцентрованого випромiнювaння [1, 9], а при кратносп концентрацп близько 300 -зростання ефективносп на 3,5^10%, а продуктивносл на 18,5% [7, 10, 11] у порiвняннi з окремо працюючим ФЕП.
Подальше покращення отриманих показник1в прогнозуеться за умови пiдбору оптимальних режимiв роботи ФТЕ перетворювача, що забезпечуються при певних ступенях концентрацп сонячного випромiнювaння та оптимальних опорах навантаження ФЕП та ТЕГ; покращення якосп нaпiвпровiдникових мaтерiaлiв перетворювaчiв; використання наноструктур для тдвищення поглинально1 здaтностi поверхш ФЕП, ошгашзаци спектру фоточутливостi; ошгашзацл геометричних пaрaметрiв ТЕГ, таких як довжина та площа поперечного перерiзу гiлки, коефiцiент заповнення; пiдбору системи охолодження ТЕГ; зниження термоконтактного опору мiж ТЕГ та ФЕП; використання мжроканального теплового насосу тощо. Ошгашзащя ФТЕ перетворювaчiв проводиться методами аналогичного, чисельного, та iмiтaцiйного моделювання [11-13]. Останнш метод дозволяе не тшьки визначати параметри, а й вштворювати процеси функцiонувaння дослiджувaних систем при заданих умовах експлуатацп.
Формулювання мети дослвдження
Метою роботи е дослщження роботи iнтегровaного фототермоелектричного перетворювача шляхом iмiтaцiйного моделювання в Matlab/Simulink.
Викладення основного матерiалу дослiдження
Конструкцiя штегрованого ФТЕ перетворювача складаеться з мехашчно стикованих ФЕП 2 та ТЕГ 3 (рис. 1). Пропонуеться використовувати ФЕП з верхшм покриттям 1, виконаним зi скла, оск1льки це тдвищуе продуктивнiсть ФТЕ перетворювaчiв [1]. Для збшьшення рiзницi температур мiж гарячою i холодною сторонами ТЕГ i для пiдтримки температури сонячних елеменпв нижче критично1 робочо1 температури до модуля ТЕГ приеднуеться теплообмшник 4 з примусовим охолодженням 5. Для зменшення термоконтактного опору контакт холодно! та гарячо! сторони ТЕГ з теплообмшником та
ФЕП вщбуваеться через шари термопасти 6.
Mill lililí 1111
Рис. 1. Конструкщя штегрованого ФТЕ перетворювача: 1 - загартоване скло; 2 - ФЕП; 3 - ТЕГ; 4 - теплообмшник; 5 - вентилятор; 6 - термопаста
В якосТ перетворювачiв обрано KpeMHÍeBÍ монокристалiчнi ФЕП, електричнi параметри яких визначались на ochobí даних 3Í специфжацп фотоелектричного модуля LG 330N1C NeON2 А5 335W CELLO 12BB, та низькотемпературний ТЕГ на основi Bi2Te3 марки MTG 2,6-0,8-263T1S. Прийнято, що площа ФЕП дорiвнюe площi ТЕГ та становить 5*5 см2.
Енергетичш параметри ФТЕ перетворювача визначено на основi параметрiв ФЕП та ТЕГ, що електрично розв'язанi на рiзнi навантаження. Електрична потужнiсть та ефектившсть ФТЕ перетворювача:
^ФТЕ = ^ФЕП + ^ТЕГ,
(1)
^ФТЕ — '
-РфТЕ
де РФЕП, РТЕГ - потужностi ФЕП та ТЕГ у склащ ФТЕ перетворювача вiдповiдно, Вт;
РН - потужнiсть потоку сонячного випромiнювання, що надходить на поверхню ФЕП:
^н — (2)
де /t - густина потоку сонячного випромiнювання, Вт/м2; X - стутнь концентрацп випромiнювання; S - площа поверхш перетворювача, м2. Ефективнiсть ФЕП у склащ ФТЕ перетворювача:
7ФЕП — ñ , (3)
ГН
де - напруга та струм фотоелектричного перетворювача у точщ максимально! потужносп, В;
/трр - струм ФЕП у точщ максимально! потужносп, А.
Сонячне випромiнювання, що надходить на поверхню ФТЕ перетворювача, перетворюеться у ФЕП на електрику та тепло:
^Н — ^ФЕП + Q, (4)
де Q - тепловий потж, що видiляеться ФЕП, який частково втрачаеться в оточуюче середовище з поверхнi ФЕП шляхом конвекцп та випромiнюванням, а частково передаеться шляхом теплопровщносп до гарячо! сторони ТЕГ.
Теплова потужшсть, що надходить на гарячу сторону ТЕГ, включае в себе джоулевi тепловидiлення ФЕП i ТЕГ, а також поглинену частину спектра сонячного випромiнювання @рад, що не використовуеться для вироблення електроенергп ФЕП, за вирахуванням теплових втрат i3 поверхнi ФЕП у оточуюче середовище @пов втр:
ТЕГ — ^тррГФЕП + ^ТЕГГТЕГ + Фрад — Фпов втр, (5)
де ГФЕП, гтЕГ - внутршш опори ФЕП та ТЕГ вiдповiдно, Ом.
Частина переданого тепла перетворюеться ТЕГ на електрику. Ефектившсть термоелектрично! частини ФТЕ перетворювача:
_ ^ТЕГ^ТЕГ . .
^ТЕГ — , (6)
VH ТЕГ
де £/ТЕГ, /ТЕГ - напруга та струм, що генеруе ТЕГ у режимi максимально! потужностi.
Прирiст ефективносп, який називаеться iндексом енергетично! доцшьносп (Energetic Convenience Index, EnCI), внаслщок термоелектрично! гiбридизацi!:
£ПС7 = ^фте - ^ФЕП охол, (7)
де ^ФЕП охол - ефективнiсть ФЕП, що працюе в аналогiчних умовах опромiнення та мае систему охолодження.
Теплова схема штегрованого ФТЕ перетворювача представлена на рис. 2. Враховано розiгрiв ФЕП сонячним випромiнюванням за вирахуванням оптичних втрат на вiдбиття сонячно! радiацi! вiд поверхонь скляного покриття та ФЕП:
Срад = ^ (1 - РскХ1 - РфепХ (8)
де Рск - коефiцiент вщбиття скляного покриття;
РФЕП - коефщент вiдбиття вiд поверхнi ФЕП.
Частина тепла ФЕП @пов втр втрачаеться через скляне покриття в оточуюче середовище шляхом конвекцп та випромiнювання. Термiчний опiр скляного покриття Д5 враховуе теплопередачу теплопровiднiстю крiзь шар скла, а термiчнi опори Д6 та Д7 - втрати тепла прозорим покриттям з температурою Тск шляхом конвекцп та випромiнюванням в оточуюче середовище:
де
де
Фконв «к
конв конв
Фвипп = ^О^С^ск — 70с),
(9)
Гос - температура оточуючого середовища, К;
е - стутнь чорноти скла вщносно власного довгохвильового випромiнювання;
- стала Стефана-Больцмана, Вт/(м2-К4); аконв - коефiцieнт конвективно! тепловiддачi з поверхнi скляного покриття [14], Вт/(м2-К):
= 5,7 + 3,8v,
(10)
V - швидк1сть виру, м/с.
Сонячна pa.niaiTia
1
R6
Ri R2 R3 Rî X Rs pAAЛг-V-Wv\V-WvW-WvV^-vVvV-» m
Toc Tto Tc Th ТфЕП TCK1—vVVV-1 Toc
Rv
Рис. 2. Теплова схема ФТЕ перетворювача
1нша частина тепла выводиться вiд ФЕП до гарячо! сторони ТЕГ. Контактний термiчний onip Д4 враховуе наявнiсть шару термопасти мiж ФЕП та ТЕГ, а отр Д2 - мiж ТЕГ та теплообмшником. Термiчний опiр самого ТЕГ враховано блоком Д3. Ввдведення тепла вiд холодно! сторони ТЕГ забезпечуе ребристий мiдний радiатор з примусовою системою охолодження. Його термiчний опiр розраховано за допомогою програми Kryotherm.
Описанi тепловi та електричш процеси покладено в основу iмiтацiйноï моделi ФТЕ перетворювача, яку розроблено в програмному середовищi Matlab/Simulink (рис. 3).
ФЕП та ТЕГ в моделi мають окремi електричш навантаження, показання амперметрiв та вольтметрiв використовуються для обчислення генерованоï перетворювачами потужносп (блоки Р) i визначення на ïï основi ефективностi перетворення енергiï (блоки KKD). В стандартному блощ сонячного елемента передбачено врахування нагрiву тiльки за рахунок джоулева тепла, тому для опису процеав теплообмiну з оточуючим середовищем до теплового порту цього блоку тдключено теплову мережу, що враховуе скляне покриття на поверхш ФЕП (блоки теплопроввдносп та термiчноï маси), конвективний та ращацшний теплообмiн, а також названия ФЕП ввд надходження сонячно!' ращаци. Приеднання гарячих спаïв ТЕГ (порт В) до тильно].' сторони ФЕП здшснюеться через блок теплопровщносп, що описуе термоконтактний опiр i враховуе наявшсть шару термопасти. До холодних спа!,^ ТЕГ (порт А) тдключено теплову мережу, в якш задано термiчний опiр по холоднш сторонi ТЕГ, що становить 0,159 К/Вт i складаеться з опорiв ребристого радiатора з примусовим охолодженням та шару термопасти. В моделi iнтегрованого перетворювача дана система охолодження задана блоками теплопровщносп та термiчноï маси. Зовнiшнi умови експлуатацiï ФТЕ перетворювача задаються блоками надходження отняч^!-' радiацiï та температури оточуючого середовища.
1нтегроваш перетворювачi показують кращi характеристики в умовах концентрованого сонячного випромiнювання, оск1льки збiльшення ступеня концентрацiï призводить до зростання максимальноï вих^но!-' потужносп гiбридноï ФТЕ системи [10-12]. З шшого боку, температурний дiапазон роботи кремшевих ФЕП обмежений верхньою границею 120 °С, пiсля чого спостертаеться
а
зниження генеровано! потужносп (рис. 4), що узгоджуеться з лiтературними даними [15, 16]. Встановлено, що температура ФЕП при робот у складi ФТЕ перетворювача перевищуе 120 °С при досягненнi ступеня концентрацп сонячного випромiнювання 50 крат, отже моделювання роботи ФТЕ перетворювача проводилося при ступенях концентрацп вiд 1 до 50 крат. Потужшсть та ефектившсть перетворювачiв визначались для режимiв максимально! потужносп, яш задавались узгодженими навантаженнями окремо для ФЕП та ТЕГ. Для визначення iндексу енергетично! доцшьносп також проводилося моделювання роботи окремого ФЕП iз системою охолодження при аналопчних умовах освiтленостi.
Рис. 3. Модель ФТЕ перетворювача
Рис. 4. Залежшсть генерованоТ потужностi ФЕП ввд температури
Моделювання роботи ФТЕ перетворювача показало, що при збшьшенш ступеня концентрацп сонячного випромiнювання вiд 1 до 10 крат спостерпаеться с^мке зростання генеровано! потужностi ФЕП як у склащ ФТЕ перетворювача, так i працюючого окремо (рис. 5). Перевищення потужностi окремо працюючого ФЕП над потужшстю ФЕП у склащ ФТЕ перетворювача пояснюеться кращим тепловщводом через вiдсутнiсть теплового опору ТЕГ м1ж ФЕП та системою охолодження, i як наслiдок, бiльш низькими температурами експлуатацi! в однакових умовах опромшення (рис. 6).
и
Он
/ у---- /
—- **
--ТЕГ
----ФЕП (ФТЕ)
■ФТЕ
- ФЕПохол
10
20
30
40
50
X
Рис. 5. Залежшсть максимальноТ потужност перетворювачiв ввд ступеня концентрацп сонячного
випромшювання
---ФЕП (ФТЕ)
-----ФЕПохол
О 10 20 30 40 50 X
Рис. 6. Температура ФЕП в умовах слабкоконцентрованого сонячного випромшювання
При Х=1^10 вклад ТЕГ у генеровану потужшсть ФТЕ перетворювача е незначним i зростае вiд 0,12 % до 3,79 %, що обумовлено низькими значениями рiзницi температур мiж гарячою та холодною сторонами ТЕГ, яка не перевищуе 10 °C (рис. 7).
120 п
и
о
н"
20 -I-----
0 10 20 30 40 50 X
Рис. 7. Залежшсть температур холодно'1 та гарячо'1 сторш модуля ТЕГ ввд ступеня концентрацп
Починаючи вiд Х=10 темпи зростання генеровано! потужиостi ФЕП спадають: при робот ФЕП у складi ФТЕ перетворювача максимальна генеращя спостерiгаеться при Х=16, а для окремо працюючого ФЕП - при Х = 25. Подальший спад генерацiï ФЕП можна пояснити збiльшениям втрат на омiчному опорi ФЕП 3i зростанням генерованого струму (джоулевими втратами). Натомють ТЕГ, температурнi умови роботи якого покращуються i3 збiльшениям ступеня концентрацп (рис. 7), починаючи ввд Х=10 демонструе все бiльший внесок в генеровану потужшсть, який при Х=46 дорiвнюе 50%, а при Х=50 становить 55%. Це призводить до збшьшения потужиостi ФТЕ перетворювача у 1,6 разiв у порiвияннi з окремо працюючим ФЕП.
Зростання ступеня концентрацп випромiнювання призводить до зменшення ефективностi ФЕП та ФТЕ перетворювача та збшьшення ефективносп ТЕГ (рис. 8). Енергетичний виграш вiд iнтегрування ТЕГ з ФЕП спостертаеться при Х>16, про що свщчать позитивнi значения iндексу енергетично! доцiльностi (рис. 9). Найбiльше значения EnCI в дослiджуваному дiапазонi ступешв концентрацiï становить 1,15% i спостертаеться при Х=50 крат.
--ТЕГ
----ФЕП (ФТЕ)
-ФТЕ
------ФЕПохол
0 10 20 30 40 50 X
Рис. 8. Вплив ступеня концентрацп випромшювання на ефектившсть перетворювачiв
1,2
0,9
ш
и °'6
0,3
-0,3
Г 2 0 3 0 4 0 5
X
Рис. 9. 1ндекс енергетичноТ доцiльностi ФТЕ перетворювача
Отже, при збiльшеннi кратносп концентрацii сонячного випромiнювання вiд 1 до 50 потужшсть ФТЕ перетворювача зростае у 7,8 разiв i становить 3,7 Вт, а ефектившсть падае у 6,4 рази до 2,9%.
Аналiз отриманих результатiв показуе, що для пiдвищення ефективностi ФТЕ перетворювача слщ збiльшувати рiзницю температур мiж гарячою та холодною сторонами ТЕГ, що за умови незмшних параметрiв системи охолодження е можливим при зростаннi кратностi концентрацii сонячного випромiнювання. Втiм, збiльшення iнтенсивностi свгглового потоку, що спрямовуеться на поверхню ФТЕ перетворювача, призводить до зростання фотоструму та температури ФЕП, i як наслiдок, до збiльшення втрат корисноi електричноi потужностi i падшня ефективностi фотоелектричноi генерацii. Отже, для тдвищення ефективностi ФТЕ перетворювачiв доцшьним е застосування ФЕП з меншим в порiвняннi зi звичайними сершними кремнiевими елементами внутрiшнiм послiдовним опором, що дозволить мiнiмiзувати джоулевi втрати при високих iнтенсивностях сонячного опромшення, та виготовлених з напiвпровiдникiв, яш забезпечать бiльшу термостабiльнiсть параметрiв, тобто, менший температурний коефiцiент максимально!' потужносп. Прикладом таких ФЕП можуть бути спецiалiзованi концентраторнi сонячнi елементи на основi твердих розчинiв сполук А3В5, зокрема, арсенiду галiю, допустима температура роботи яких сягае 200 °С.
Висновки
1. В програмному середовищi Matlab/Simulink розроблено iмiтацiйну модель штегрованого ФТЕ перетворювача для дослiдження його електричних й теплових параметрiв та режимiв роботи. Створена модель дозволяе шляхом змши вх1дних даних у вщповщних блоках варiювати тип ФЕП та ТЕГ, значения термоконтактного опору, параметри системи охолодження ТЕГ, надходження сонячно! радiацii, тощо.
2. Проведено моделювання роботи iнтегрованого ФТЕ перетворювача, що складаеться з ФЕП на основi монокристалiчного кремнiю та низькотемпературного ТЕГ з Bi2Te3, у визначеному дiапазонi ступенiв концентрацп сонячного випромшювання вiд 1 до 50 крат, який обмежуеться температурою ФЕП. Встановлено, що при кратностях концентрацп потоку сонячного випромiнювання до 10 основний внесок у збшьшення генеровано1' потужносп iнтегрованого перетворювача дае ФЕП, а внесок ТЕГ не перевищуе 3,79%, що пояснюеться низькими значеннями рiзницi температур мiж холодними та гарячими спаями (до 10 °С). При подальшому збiльшеннi ступенiв концентрацii випромiнювання спостерiгаеться стрiмке зростання потужностi ФТЕ перетворювача зумовлене вкладом ТЕГ, який при Х=50 становить 55%.
3. Показано, що при збшьшенш кратносп концентрацп вщ 1 до 50 потужшсть ФТЕ перетворювача зростае у 7,8 разiв. Визначено, що енергетичний виграш вiд iнтегрування ТЕГ з ФЕП спостерпаеться при Х>16, а найбшьше значення ЕпС1 в дослщжуваному дiапазонi ступенiв концентрацп становить 1,15%.
4. Для тдвищення ефективносп ФТЕ перетворювача за умови незмшних параметрiв системи охолодження запропоновано збiльшувати кратшсть концентрацii сонячного випромiнювання, застосовуючи при цьому ФЕП зi зменшеним внутршшм послiдовним опором та вищою, ашж у кремнiевих, температурною стабiльнiстю параметрiв.
Список використаноТ лiтератури
1. 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
2. Dupre O. Thermal Behavior of Photovoltaic Devices / O. Dupre. - Springer International Publishing AG. - 2017. - 103 р. doi: 10.1007/978-3-319-49457-9
3. 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.
4. 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
5. 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
6. 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
7. 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
8. 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. 116122. doi:10.1016/j.egyr.2019.12.001
9. 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
10. 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
11. 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
12. 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
13. 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
14. Duffie J.A. Solar Engineering of Thermal Processes / J.A. Duffie, W.A. Beckman. - John Wiley & Sons, Inc., 2013. - 910 p.
15. Андреев В.М. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения / В.М. Андреев, В.А. Грилихес, В.Д. Румянцев. - Л.: Наука, 1989. - 310 с.
16. Колтун М.М. Солнечные элементы / М.М. Колтун. - М.: Наука, 1987. - 192 с.
References
1. Lorenzi B., Mariani P., Reale A., Di Carlo A., Chen G., Narducci D. Practical development of efficient thermoelectric - photovoltaic hybrid systems based on wide-gap solar cells. Applied Energy, 2021, no. 300, 117343-10 р. doi: 10.1016/j.apenergy.2021.117343
2. Dupre O. Thermal Behavior of Photovoltaic Devices. Springer International Publ., 2017. 103 р. doi: 10.1007/978-3-319-49457-9
3. Li G., Shittu S., Diallo T.M.O., Yu M., Zhao X., Ji J. A review of solar photovoltaic-thermoelectric hybrid system for electricity generation. Energy, 2018, no. 158, pp. 41-58. doi:10.1016/j.energy.2018.06.
4. Zulakmal M.Y., Fudholi A., Rukman N.S., Mat S., Chan H.Y., Sopian K. Solar photovoltaic/thermal-thermoelectric generator performance review. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2019, 012120-11 р. doi: 10.1088/1755-1315/268/1/012120
5. Vorobiev Yu., Gonza lez-Herna ndez J., Vorobiev P., Bulat L. Thermal-photovoltaic solar hybrid system for efficient solar energy conversion. Solar Energy, 2006, no. 80, pp. 170-176. doi: 10.1016/j. solener.2005.04.022
6. Kraemer D., Hu L., Muto A., Chen X., Chen G., Chiesa M. Photovoltaic-thermoelectric hybrid systems: A general optimization methodology. Applied Physics Letters, 2008, Vol. 92, Issue 24, 243503-3 р. doi: 10.1063/1.2947591
7. Beeri O., Rotem O., Hazan E., Katz E.A., Braun A., Gelbstein Y. Hybrid photovoltaic-thermoelectric system for concentrated solar energy conversion: Experimental realization and modeling. Journal of Applied Physics, 2015, no. 118, 115104-8 р. doi:10.1063/1.4931428
8. Zhang J., Zhai H., Wu Z., Wang Y., Xie H., Zhang M. Enhanced performance of photovoltaic-thermoelectric coupling devices with thermal interface materials. Energy Reports, 2020, no. 6, pp. 116-122. doi:10.1016/j.egyr.2019.12.001
9. Lorenzi B., Chen G. Theoretical efficiency of hybrid solar thermoelectric-photovoltaic generators. Journal of Applied Physics, 2018, no. 124, 024501-11 р. doi:10.1063/1.5022569
10. Xu X., Zhou S., Meyers M.M., Sammakia B.G., Murray B.T. Performance Analysis of a Combination System of Concentrating Photovoltaic / Thermal Collector and Thermoelectric Generators. Journal of Electronic Packaging, 2014, Vol. 136, Issue 4, 041004-7 p. doi:10.1115/1.4028060
11. Lamba R., Kaushik S.C. Solar driven concentrated photovoltaic-thermoelectric hybrid system: Numerical analysis and optimization. Energy Conversion and Management, 2018, no. 170, pp. 34-49. doi: 10.1016/j.enconman.2018.05.048
12. Yin E., Li Q., Xuan Y. Optimal design method for concentrating photovoltaic-thermoelectric hybrid system. Applied Energy, 2018, no. 226, pp. 320-329. doi:10.1016/j.apenergy.2018.05.127
13. Verma V., Kane A., Singh B. Complementary performance enhancement of PV energy system through thermoelectric generation. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, no. 58, pp. 1017-1026. doi: 10.1016/j.rser.2015.12.212
14. Duffie J.A., Beckman W.A. Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons, Inc., 2013. 910 p.
15. Andreev V.M., Grilikhes V.A., Rumyantsev V.D. Fotoelektricheskoye preobrazovaniye kontsentrirovannogo solnechnogo izlucheniya. Leningrad: Nauka Publ., 1989. 310 p.
16. Koltun M.M. Solnechnyye elementy. Moscow: Nauka Publ., 1987. 192 p.
