Современное состояние исследований в области гибридных термоэлектрических систем для преобразования солнечной энергии

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 621.382.8                                   

Солнечная энергия является одним из самых многообещающих возобновляемых источников. Традиционно её преобразование в электричество осуществляется двумя путями: через фотоэлектрический эффект и через солнечно-тепловые концентраторы. Однако каждая из этих технологий имеет фундаментальные ограничения. Фотоэлектрические панели теряют эффективность с ростом температуры (отрицательный температурный коэффициент), и значительная часть солнечного спектра (в основном, инфракрасная область) рассеивается в виде тепла. Солнечно-тепловые системы, в свою очередь, сталкиваются с проблемами эффективного преобразования тепла высокого потенциала в работу, для чего часто требуются сложные устройства типа двигателей Стирлинга или паровые турбины. Термоэлектрические генераторы, основанные на эффекте Зеебека, предлагают элегантное решение для прямого преобразования теплового потока в электричество. Их преимущества включают бесшумность работы, отсутствие движущихся частей, высокую надежность и способность работать в широком диапазоне температур. Интеграция термоэлектрических генераторов в солнечные энергетические системы позволяет создавать гибридные установки (фото-термоэлектрические генераторы и комплексы, объединяющие солнечные концентраторы и термоэлектрические генераторы), которые могут одновременно или последовательно преобразовывать различные части солнечного спектра, повышая общую эффективность и удельную мощность на единицу площади. Фотоэлектрические технологии достигли высокого уровня зрелости и широкого практического применения; однако их эффективность по-прежнему фундаментально ограничена тепловыми потерями [1–3].

Значительная часть падающего солнечного излучения, поглощаемого PV-модулями, преобразуется не в электрическую энергию, а в тепло, что приводит к повышению температуры солнечных элементов и, как следствие, к снижению их электрической эффективности. Для кристаллических кремниевых солнечных элементов снижение КПД составляет, как правило, 0,4–0,5 % на каждый градус Цельсия повышения температуры [4].

Это фундаментальное ограничение стимулировало интенсивные исследования гибридных систем преобразования энергии, способных утилизировать часть тепловых потерь [5, 6].

Гибридные фотоэлектрическо-термоэлектрические системы являются одним из таких подходов [7–9].

В этих системах термоэлектрические генераторы интегрируются с фотоэлектрическими модулями для преобразования температурного градиента в дополнительную электрическую энергию за счёт эффекта Зеебека. В идеале фото-термоэлектрические гибриды должны снижать рабочую температуру фотоэлектрического модуля и одновременно обеспечивать дополнительную генерацию электроэнергии [10].

Несмотря на концептуальную привлекательность, фото-термоэлектрические системы сталкиваются с рядом серьёзных научных и инженерных проблем. Температурная разность, доступная на термоэлектрических модулях при неконцентрированном солнечном излучении, как правило, мала, а эффективность термоэлектрических материалов остаётся низкой [11, 12].

В результате реальный выигрыш от интеграции термоэлектрического генератора остаётся предметом активных дискуссий [13-17].

Цель данного обзора – представить современное состояние исследований в области термоэлектрического преобразования солнечной энергии.

Концепция фото-термоэлектрических гибридных устройств направлена на синергетическое использование солнечного спектра: фотоны с энергией выше ширины запрещенной зоны фотоэлектрического материала генерируют электрон-дырочные пары, в то время как оставшиеся низкоэнергетические фотоны и тепло, образующееся в фотоэлектрическом модуле, утилизируются термоэлектрическим генератором [18-22].

Исследования фото-термоэлектрических гибридных устройств перешли от концептуального доказательства к оптимизации, моделированию и решению практических инженерных задач. Основная цель — утилизировать отводимое тепло от солнечного элемента (которое снижает его КПД, особенно при высокой температуре и концентрированном излучении) с помощью термоэлектрического генератора для выработки дополнительной электроэнергии. Ключевые направления исследований:

Тепловое сопряжение: оптимизация теплового контакта между фотоэлектронным модулем и термоэлектрическим генератором, минимизация термических сопротивлений.

Согласование параметров: электрическое и тепловое согласование двух разнородных систем (фотоэлектрического модуля и термоэлектрического генератора) для максимизации общей выходной мощности [23].

Материалы и архитектура: использование спектрально-селективных покрытий, нанофлюидов для охлаждения, разработка новых термоэлектрических материалов (например, теллуриды) и архитектур модулей (сегментированные, многослойные термоэлектрические генераторы) [24].

Моделирование и анализ: детальное математическое и численное моделирование для прогнозирования работы системы в различных условиях [25, 26].

Гибридная система не является простым суммированием двух устройств. Это термоэлектрически связанная каскадная система.

• а)    Тепловая и механическая интеграция (Последовательная архитектура). Стандартная конфигурация: Солнечный элемент → Теплопроводящий слой (термопаста, припой) → Горячая сторона термоэлектрического генератора → Холодная сторона термоэлектрического генератора → Радиатор (теплоотвод) → Окружающая среда.

Назначение термоэлектрического генератора: Он выступает в роли активного теплового моста. Вместо того чтобы просто рассеивать тепло от фотоэлектрического модуля в окружающую среду (пассивный радиатор), термоэлектрический генератор преобразует часть этого теплового потока в дополнительную электроэнергию, тем самым повышая общую эффективность использования солнечного спектра.

• б)    Принцип каскадного преобразования энергии. Верхняя ступень (фотоэлектрический модуль): Преобразует высокоэнергетическую часть солнечного спектра (видимый свет, ближний УФ) в электричество. Попутно генерирует тепло как побочный продукт. Нижняя ступень (термоэлектрический генератор): Использует отводимое тепло от фотоэлектрического модуля для создания градиента температуры. Преобразует низкоэнергетическую часть спектра (инфракрасное излучение, которое либо напрямую проходит через фотоэлектрический модуль, либо переизлучается им в виде тепла) в дополнительное электричество. Таким образом, система реализует принцип совместной генерации электричества из одного источника (солнца), минимизируя потери на тепловыделение. Работы последних лет в этом направлении сфокусированы на оптимизации теплового контакта между фотоэлектрическим модулем и термоэлектрический генератором [27].

Исследования показывают, что использование теплопроводящих паст и адгезивов с низким термическим сопротивлением критически важно. Кроме того, активно изучаются системы пассивного и активного охлаждения холодной стороны термоэлектрического генератора (например, с помощью тепловых насосов или микроканальных радиаторов) для максимизации ΔT [28].

Моделирование и экспериментальные данные свидетельствуют, что такие гибриды могут увеличить общую эффективность преобразования на 5-15% относительно одиночного фотоэлектрического модуля, в зависимости от материалов и условий освещения. Солнечнотепловой термоэлектрический генератор — это устройство, преобразующее солнечную энергию в электричество через двухстадийный процесс: сначала солнечное излучение преобразуется в тепловую энергию (концентрируется и поглощается), а затем это тепло напрямую преобразуется в электричество с помощью эффекта Зеебека в термоэлектрическом модуле. Это принципиально отличается от фото-термоэлектрических гибридов, где первичное преобразование — фотоэлектрическое. Ключевая идея в построении таких типов генераторов – это то, что солнечно-тепловой термоэлектрический генератор использует солнечное излучение исключительно как источник тепла. Система не разделяет спектр, а полностью поглощает его, нагревая «горячую сторону» термоэлектрического генератора до высоких температур. Базовая архитектура солнечно-тепловых термоэлектрических генераторов: оптический концентратор (параболическое зеркало, линза Френеля, составной параболический концентратор). Солнечный поглотитель (приемник): высокотемпературное черное тело или селективное покрытие, механически и термически соединенное с горячей стороной термоэлектрического генератора. Термоэлектрический модуль: преобразует градиент температур между нагретым поглотителем и охлаждаемой стороной в электричество. Система охлаждения: радиатор, тепловые трубки, жидкостное охлаждение для поддержания низкой температуры холодной стороны термоэлектрического генератора. Теплоизоляция:

минимизация паразитных тепловых потерь от поглотителя и горячей стороны термоэлектрического генератора в окружающую среду. При анализе принципов работы солнечно-тепловых термоэлектрических генераторов работу генератора можно разбить на несколько основных этапов:

Этап 1. Преобразование солнечной радиации в концентрированное тепло (принцип солнечно-теплового сбора).

Этап 2. Преобразование тепла в электричество (принцип термоэлектрического генератора).

Этап 3. Отвод тепла (принцип эффективного теплоотвода).

Солнечно-тепловые термоэлектрические генераторы обладают рядом преимуществ по сравнению с фото-термоэлектрическими гибридными устройствами. Преимущества солнечнотепловых термоэлектрических генераторов перед другими технологиями. Простота и надежность, из-за отсутствия движущихся частей (по сравнению с двигателями Стирлинга в солнечно-тепловых установках). Масштабируемость — мощность легко масштабируется добавлением модулей. Работа при рассеянном свете, что позволяет некоторым архитектурам работать без точного слежения за движением солнца. Долговечность: при правильном выборе материалов срок службы может превышать 20 лет.

Использование полного спектра, что приводит к тому, что эффективность системы не падает из-за ИК-излучения, как у чисто фотоэлектрических устройств. Однако при всех достоинствах, эти системы имеют ряд недостатков и ограничений:

Низкий общий КПД из-за последовательного умножения КПД (оптический × тепловой × термоэлектрический) практический КПД систем редко превышает 5-8%, что ниже, чем у современных фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии (20-25%).

Высокая стоимость на ватт вследствие использования дорогих термоэлектрических материалов, оптических элементов и систем точного слежения.

Требовательность к теплоотводу, так как для высокой эффективности необходима сложная и энергозатратная система охлаждения. Температурная деградация из-за наличия постоянных термических циклов (день/ночь, облака), которые приводят к механическим напряжениям и усталости материалов. Добротность ZT = ^- Т является ключевой метрикой эффективности материала, где S – коэффициент Зеебека, σ – электропроводность, κ – теплопроводность, T – абсолютная температура. Современные исследования направлены на:

Снижение теплопроводности на основе использования наноструктурирования для увеличения рассеяния фононов на границах зерен без значительного снижения электропроводности. Например, создание нанокомпозитов [29].

Повышение термо-ЭДС: исследуются новые парадигмы, такие как использование скирмионов (магнитных вихрей) и сегнетоэлектрических материалов для создания аномально высокого коэффициента Зеебека [29].

Материалы для разных температурных диапазонов: Для фото-термоэлектрических гибридов (низкотемпературный режим, <200°C) оптимальны Bi₂Te₃ и его производные. Для концентрирующих солнечно-тепловых термоэлектрических систем (средне- и высокотемпературный режим) перспективны материалы на основе PbTe, SnSe, GeTe и SiGe.

Управление теплом — это, возможно, самая критическая задача для повышения эффективности гибридных систем. Для горячей стороны гибридных систем необходима разработка спектрально-селективных покрытий и нанопористых структур для эффективного улавливания и удержания тепла. Исследования показывают, что без эффективного отвода тепла ΔT-разность температур между горячей и холодными сторонами — быстро падает.

Современные работы предлагают использовать следующие методы поддержания низких температур на холодной стороне. Высокоэффективные радиаторы с увеличенной площадью поверхности, материалы с фазовым переходом для буферизации тепловой нагрузки. Микроканальные теплообменники с жидкостным охлаждением, которые интегрируются непосредственно в модуль термоэлектрического генератора [30]. Это позволяет поддерживать высокий градиент, но требует дополнительных энергозатрат [31, 32].

Заключение

Исследования в области термоэлектрического преобразования солнечной энергии демонстрируют значительный прогресс, движимый междисциплинарным подходом, объединяющим материаловедение, тепловую инженерию и фотонику. Краткосрочные перспективы связаны с дальнейшей оптимизацией гибридных фото-термоэлектрических систем для коммерциализации, особенно там, где важны надежность и компактность (например, космические аппараты, удаленные датчики). В долгосрочной перспективе основные прорывы ожидаются от открытия новых материалов, например, поиск термоэлектриков с с добротностью ZT>3 при широком диапазоне температур, возможно, с использованием машинного обучения и высокопроизводительного скрининга. Развитие фототермальных термоэлектрических генераторов, что связано с созданием полностью интегрированных, дешевых и масштабируемых устройств для прямого преобразования света в электричество без сложной инфраструктуры. Многофункциональности, в первую очередь, за счет интеграции гибридных систем в систему обогрева и электроснабжения, где они будут не только генерировать электричество, но и выполнять функции теплового управления зданием. Несмотря на проблемы, связанные с стоимостью высокоэффективных термоэлектрических материалов и сложностью теплового управления, непрерывные фундаментальные и прикладные исследования уверенно движут эту технологию к более высокой эффективности и практической реализуемости, укрепляя её роль в будущем ландшафте возобновляемой энергетики.