أخبار ar.wedoany.com، طوّر باحثون في معهد كوريا لأبحاث الطاقة (KIER) وحدة كهروضوئية من النوع المتراص (Shingled) قابلة للدمج مع مولد كهربائي حراري (TEG)، بهدف تحقيق استرداد فعال للطاقة الحرارية المهدرة في نظام هجين (PV-TEG). يعمل هذا التصميم المعماري، من خلال تصميم فريد من نوعه للتوصيل المتسلسل على شكل شرائط، على رفع جهد التشغيل مع خفض تيار الخرج، مما يقلل من خسائر المقاومة المرتبطة بالتيار والحرارة الجولية في مولد TEG، ويعزز استقرار عامل الملء، وبالتالي يرفع كفاءة استخلاص الطاقة للنظام الهجين.
يستخدم مولد TEG تأثير سيبيك (Seebeck effect)، حيث يُولّد فرق درجة الحرارة بين مادتين شبه موصلتين مختلفتين فرقًا في الجهد الكهربائي، لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية. تُستخدم هذه الأجهزة بشكل شائع في القطاع الصناعي لتحويل الحرارة المهدرة إلى كهرباء، لكن تكلفتها المرتفعة وأداءها المحدود يعيقان انتشارها على نطاق أوسع. تستبدل تقنية الخلايا المتراصة (Shingling) التوصيل التقليدي بأشرطة اللحام (Busbars) بتوصيل شرائط الخلايا الشمسية على التوالي مباشرة، مما لا يزيد من المساحة الفعالة لامتصاص الضوء فحسب، بل يقلل أيضًا من الإجهادات الحرارية والميكانيكية داخل الوحدة، مما يمنحها ميزة في الكفاءة والموثوقية طويلة الأمد مقارنة بطرق التوصيل القياسية.
في عملية تصنيع الوحدة، استخدم فريق KIER خلايا شمسية من نوع PERC مقدمة من شركة شينسونغ الهندسية (Shinsung Engineering) الكورية كمادة أولية. تم أولاً تقطيع الخلايا إلى شرائط رفيعة باستخدام ليزر الأشعة تحت الحمراء بطول موجة 1064 نانومتر، ثم تم كسرها ميكانيكيًا. تم في النهاية تصنيع وحدات متراصة مكونة من ثلاثة، أو خمسة، أو سبعة شرائط خلايا، بمساحة فعالة تبلغ 100 سم²؛ بينما زادت مساحة الوحدة المكونة من أربعة عشر شريطًا إلى 170 سم². تختلف أبعاد الشرائط باختلاف التكوين، حيث تبلغ أبعاد الشرائط لتكوينات الثلاثة، والخمسة، والسبعة، والأربعة عشر شريطًا: 100×38.83 مم، و100×21.70 مم، و100×16.07 مم، و85×16.07 مم على التوالي. تم تجميع الشرائط المتجاورة على التوالي باستخدام مادة لاصقة موصلة من نوع CA 3556HF، ثم تم تثبيتها بالضغط الحراري عند درجة حرارة 180 درجة مئوية لمدة دقيقة واحدة لضمان التصاق قوي. تم لحام أشرطة لحام كهروضوئية في طرفي الوحدة للتوصيل الكهربائي الخارجي، وأخيرًا تم تغليف الوحدة بطبقة زجاجية أمامية، ومادة تغليف من أسيتات فينيل الإيثيلين (EVA)، وطبقة خلفية من بولي إيثيلين تيريفثالات (PET).
تم توفير العناصر الحرارية الكهربائية (TE) التجارية المستخدمة في الاختبار من قبل الشركة الصينية Xinrong. استخدم الباحثون 308 عنصرًا بدون ركيزة لصنع مصفوفة TEG بمساحة 100 سم²، وتم ملء الفراغات بينها بمادة بوليمرية لضمان الاستقرار الميكانيكي ونقل الحرارة. تم تصنيع هذه المصفوفة عن طريق طباعة لحام على ركيزة من البولي إميد باستخدام تقنية الطباعة بالشاشة الحريرية، ثم اللحام بإعادة التدفق (Reflow soldering)، وإزالة الركيزة لكشف الأقطاب الكهربائية. تم اختبار النظام الهجين PV-TEG بتكوينين: في التكوين ثنائي الأطراف (2T)، تم توصيل الخلية الكهروضوئية ومولد TEG على التوالي مباشرة، مع وجود زوج واحد فقط من نقاط التلامس الخارجية؛ بينما في التكوين رباعي الأطراف (4T)، يعمل كلا الجهازين بشكل مستقل، وذلك لتحليل ومقارنة خسائر المقاومة المتسلسلة.
استخدمت منصة اختبار مخصصة سخانًا علويًا شبكيًا نحاسيًا شفافًا ومبردًا سفليًا لتطبيق تدرج حراري متحكم به، مع نقل إشعاع شمسي قياسي، لإجراء توصيف دقيق لخصائص التيار-الجهد (I-V) للخلية الكهروضوئية، ومولد TEG، والجهاز المدمج. تم استخدام قياسات تأثير هول ومقاومة متغيرة زمنيًا لتقييم سلوك النقل والاستقرار للعناصر الحرارية الكهربائية. تم نمذجة الوحدة الكهروضوئية باستخدام معادلة الصمام الثنائي المزدوج (Double-diode model) مقترنة بمعادلات المولد الكهروحراري، وتم حلها باستخدام تحويل يعتمد على دالة لامبرت W. من خلال مطابقة النموذج مع البيانات التجريبية، استخرج الباحثون معلمات رئيسية مثل المقاومة الفعالة لمولد TEG، وحددوا كمياً خسائر الطاقة في تشغيل التكوين ثنائي الأطراف (2T).
أظهرت نتائج القياس أن تقليل تيار الخلية الكهروضوئية ورفع جهدها يقلل بشكل كبير من تأثير مقاومة مولد TEG على الأداء، وقد برعت الوحدة الكهروضوئية المتراصة في هذا الجانب. أشار التحليل الحراري إلى أن التيار الناتج عن الخلية الكهروضوئية يسبب تأثيرات تبريد أو تسخين بلتيير (Peltier) بالإضافة إلى حرارة جولية في مولد TEG، مما يزيد من مقاومته الفعالة بمرور الوقت. في الوقت نفسه، أكد الارتباط الخطي بين التيار وتدرج درجة الحرارة على الاقتران بين النقل الكهربائي والتبادل الحراري الكهروحراري. يتنبأ نموذج عددي تم التحقق منه بأن التصميم ذا التيار المنخفض والجهد العالي يمكن أن يقلل خسائر الطاقة إلى ما يقرب من الصفر. تم تأكيد هذا التنبؤ تجريبيًا في جهاز كبير المساحة بمساحة 170 سم²، حيث حقق خسائر فائقة الانخفاض وإخراج طاقة عالي تحت ظروف مضبوطة.
خلص الباحثون إلى أن استخدام وحدة متراصة مكونة من 14 شريطًا لتقسيم التيار ورفع الجهد عبر شرائط خلايا متعددة قد أتاح وحدة كهروضوئية متراصة متينة الحمل (Load-resilient). يمثل حجم وأداء هذا النظام الهجين PV-TEG تقدمًا كبيرًا مقارنة بأكبر جهاز (68 سم²) وأفضل أداء (1.15 واط) تم تسجيله في الأدبيات العلمية حتى الآن. أشار الباحثون إلى أنه، على عكس الخلايا الشمسية الترادفية التي تتطلب تكاملًا أحادي البلورة معقدًا وتقسيمًا دقيقًا للطيف الضوئي، فإن نظامهم الهجين PV-TEG يعتمد فقط على توصيل مباشر لمكونات كهروضوئية وحرارية كهربائية تجارية، دون الحاجة إلى أي عمليات تصنيع في مراحل أمامية. نُشرت الدراسة البحثية بعنوان "وحدة كهروضوئية متراصة متينة الحمل للاقتران الكهروحراري على نطاق ميداني" (Load-resilient shingled photovoltaic module for field-scale thermoelectric coupling) في مجلة التقارير العلمية (Scientific Reports).
تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com
