Моделирование характеристик фототермоэлектрической батареи

Солнечное излучение является экологически чистым и доступным источником энергии с высокой энергоотдачей. Использование фототермоэлектрической батареи позволяет увеличить эффективность преобразования солнечного и теплового излучений в электрическую энергию как в ясные, так и в пасмурные дни. В данной работе предложена оригинальная структура батареи с фото- и термоэлектрическими преобразователями. Трехмерная модель фототермоэлектрической батареи реализована в программном обеспечении COMSOL Multiphysics с использованием модуля «Теплопередача». Моделирование проводилось для географических координат г. Минска с учетом суточного и сезонного изменений температуры окружающей среды и плотности мощности концентрированного солнечного излучения спектра AM1.5, максимальное значение которой варьировалось от 1 до 500 кВт/м². Рассчитаны зависимости максимальных значений температуры фототермоэлектрической батареи, термоэлектрических преобразователей, а также профили распределения градиента температуры в термоэлектрических преобразователях. Получены зависимости максимальных значений градиента температуры внутри термоэлектрических преобразователей от плотности мощности солнечного излучения. Построены графики зависимостей градиентов температуры внутри термоэлектрического преобразователя фототермоэлектрической батареи при воздействии концентрированного солнечного излучения от времени суток в середине июля и января. Показано, что за счет термостабилизации тыльной стороны внешних электродов предложенного устройства удалось достичь увеличения выходного напряжения до максимальных значений 635 мВ в январе и 780 мВ в июле.

1. Licht A., Pfiester N., DeMeo D., Chivers J., Vandervelde Th. E. (2019) A Review of Advances in Thermophotovoltaics for Power Generation and Waste Heat Harvesting. MRS Advances, 4 (41–42), 2271–2282. https://doi.org/10.1557/adv.2019.342.

2. Angenendt G., Zurmühlen S., Rücker F., Axelsen H., Sauer D. U. (2019) Optimization and Operation of Integrated Homes with Photovoltaic Battery Energy Storage Systems and Power-to-Heat Coupling. Energy Conversion and Management: X, 1, 100054-1–100054-17. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2019.100005.

3. Omair Z., Scranton Gr., Pazos-Outon L. M., Xiao T. P., Steiner M. A., Ganapati V., Peterson P. F., Holzrichter J., Atwater H., Yablonovitch E. (2019) Ultraefficient Thermophotovoltaic Power Conversion by Band-Edge Spectral Filtering. Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America, 116 (31), 15356–15361. https://doi.org/10.1073/ pnas.1903001116.

4. Vega-Garita V., Ramirez-Elizondo L., Bauer P. (2017) Physical Integration of a Photovoltaic-Battery System: a Thermal Analysis. Applied Energy, 208, 446–455. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.10.007.

5. Saxena P., Gorji N. E. (2019) COMSOL Simulation of Heat Distribution in Perovskite Solar Cells: Coupled Optical-Electrical-Thermal 3D Analysis. IEEE Journal of Photovoltaics, 9 (6), 1693–1698. https://doi.org/10.1109/jphotov.2019.2940886.

6. Mamadalieva L. (2020) New Design of the Selective Photothermogenerator with a Fixed Slit. Physics and Mathematics, 9, 1–7. https://www.ukrlogos.in.ua/10.11232-2663-4139.09.14.html (in Russian).

7. Cotfas P. A., Cotfas D. T. (2020) Comprehensive Review of Methods and Instruments for Photovoltaic-Thermoelectric Generator Hybrid System Characterization. Energies, 13 (22), 6045-1–6045-32. https://doi.org/10.3390/en13226045.

8. Esman A. K., Kuleshov V. K., Zykov G. L., Zalesski V. B. (2016) Photovoltaic Thermoelectric Battery: Patent No 19928 Republic of Belarus (in Russian).

9. Thermo-Photo-Voltaic Cell. COMSOL, Inc. USA. Available at: https://www.comsol.com/model/ thermo-photo-voltaic-cell-494 (Accessed 3 February 2021).

10. Analyze Thermal Effects with the Heat Transfer Module. COMSOL, Inc. USA. Available at: https://www.comsol.com/heat-transfer-module (Accessed 3 February 2021).

11. Esman A. K., Kuleshov V. K., Potachits V. A., Zykov G. L. (2018) Simulation of Tandem Thin-Film Solar Cell on the Basis of CuInSe2. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of the CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 61 (5), 385–395. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-5-385-395.

12. Esman A. K., Zykov G. L., Potachits V. A., Kuleshov V. K. (2020) Simulation of Thin-Film Solar Cells with a CuInSe2 Chalcopyrite Structure. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of the CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (1), 5–13. https://doi.org/10. 21122/1029-7448-2020-63-1-5-13.

13. Sathya P., Swarna Priya R. M. (2019) Numerical Modeling and Simulation of Thermophotovoltaic Cell using COMSOL. 2019 Innovations in Power and Advanced Computing Technologies (i-PACT). Vellore, 1–5. https://doi.org/10.1109/i-pact44901.2019.8960167.

14. Colangelo G., de Risi A., Laforgia D. (2003) New Approaches to the Design of the Combustion System for Thermophotovoltaic Applications. Semiconductor Science and Technology, 18 (5), S262–S269. https://doi.org/10.1088/0268-1242/18/5/318.

15. Mahamudul H., Rahman Md. M., Metselaar H. S. C., Mekhilef S., Shezan S. A., Sohel R., Karim S. B. A., Badiuzaman W. N. I. (2016) Temperature Regulation of Photovoltaic Module Using Phase Change Material: a Numerical Analysis and Experimental Investigation. International Journal of Photoenergy, 5917028-1–5917028-8. https://doi.org/10.1155/2016/5917028.