Ученые утверждают, что фотоэлектрические системы в сочетании с термоэлектрическим охлаждением могут достичь срока окупаемости в 6 лет.

Команда исследователей из Центрального технологического университета в Южной Африке разработала солнечный модуль, включающий систему охлаждения на основе термоэлектрического охладителя (TEC).

ТЭО могут преобразовывать тепло в электричество посредством «эффекта Зеебека», который возникает, когда разница температур между двумя разными полупроводниками создает напряжение между двумя веществами. Эти устройства обычно используются в промышленности для преобразования избыточного тепла в электричество. Однако из-за высокой стоимости и ограниченной мощности их пока не удалось использовать в больших масштабах.

«Предлагаемая в этом исследовании система PV-TEC состоит из фотоэлектрической панели с устройством TEC, прикрепленным к задней части, радиатора, прикрепленного к противоположной стороне термоэлектрического устройства, и механизма переключения», — объясняют ученые. «TEC питается от фотоэлектрической панели, которую он должен охлаждать».

Группа провела численное моделирование, чтобы оценить производительность системы. Также была установлена ​​функция оптимизации для максимизации производительности: она пытается поддерживать целевую температуру в пределах от 23°C до 27°C, когда температура элемента превышает 25°C. Фотоэлектрическая панель, использованная в моделировании, имела выходную мощность 100 Вт, КПД 17,8 процента. и размером 20200 см3. ТЭП имел максимальный ток 6,1 А, максимальное напряжение 17,2 В и размер 6,08 см3. Радиатор имел тепловое сопротивление 2,6 Кл/Вт и размер 39,2 см3.

«Для изучаемого сценария были использованы метеорологические данные из Блумфонтейна, Фри-Стейт, Южная Африка», — сказали исследователи. «Конкретный набор данных включает в себя горизонтальное диффузное, нормальное диффузное и горизонтальное глобальное излучение, а также значения температуры окружающей среды, описывающие типичный зимний день 17 июля 2021 года и летний день 17 января 2021 года».

Работа системы была проанализирована как в летний, так и в зимний день, и ее производительность сравнилась с производительностью эталонной фотоэлектрической панели без ТЭП и радиатора. В моделируемых зимних условиях температура элемента никогда не превышала 25 °C, поэтому ТЕС не был активен. <р>  Таким образом, пиковая температура 22,9 °C, постоянная выходная мощность 86,9 Вт и общая выходная энергия 363,47 Втч были измерены как в PV-TEC, так и в эталонном случае.

Однако летом использовался TEC, который позволил панели достичь пиковой выходной мощности 104,1 Вт по сравнению с 94,4 Вт в эталонном случае. Пиковая температура в эталонном случае составила 36,1 C, а PV-TEC не превысила 25 C. Энергетическая эффективность была достигнута в 603,60 Втч в случае TEC по сравнению с 547,65 Втч в эталонном случае. «Результаты предложенной нами модели показывают значительное улучшение выходной мощности, особенно на 9,27 процента летом», — отмечают ученые.

Основываясь на этих результатах, исследователи провели экономический анализ с предполагаемым сроком службы PV и PV-TEC в 20 лет, ежегодным ростом цен на электроэнергию на 10 процентов и процентной ставкой 6 процентов. Хотя первоначальная цена одного солнечного модуля мощностью 100 Вт предполагалась равной 1235 южноафриканских рандов (66,9 долларов США), общая стоимость корпуса PV-TEC составила 1562,77 южноафриканских рандов.

«Точка безубыточности достигается относительно рано в течение срока эксплуатации проекта. Если быть точным, это происходит в 6,5 лет», — заключили ученые. «Экономический анализ также показал экономию средств в размере 2 905,61 южноафриканского ранда, что соответствует экономии 10,56 процента за весь срок реализации проекта, составляющий 20 лет».