Обзор и анализ гибридных фотоэлектрических и термоэлектрических систем преобразования солнечной энергии

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

(национальный исследовательский университет)

(МГТУ им. Н.Э. Баумана)

[pic 1]

Факультет ________________Энергомашиностроение___________________

Кафедра ____________Плазменные энергетические установки_____________

Научно-исследовательская работа

Студент   _______________Рахматуллин Роберт Рустамович_______________

        (фамилия, имя, отчество)

Группа _____Э8-71_____

Тема научно-исследовательской работы Обзор и анализ гибридных фотоэлектрических и термоэлектрических систем преобразования солнечной энергии.

Преподаватель______Онуфриев В.В.______                        ___________

                                  Фамилия И.О.                                                                 подпись

Москва 2025

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ        3

1 Фотоэлектрические солнечные элементы        5

1.1 Структура и производительность фотоэлектрических систем        5

1.2 Влияние температуры на фотоэлектрические элементы        8

2 Термоэлектрические генераторы        12

3 Гибридная система ФЭП-ТЭГ        14

3.1 Конфигурации гибридных установок        14

3.2 Метод прямого теплового сопряжения        16

3.3 Метод спектрального расщепления        19

3.4 Методы охлаждения гибридных установок ФЭП-ТЭГ        20

3.5 Перспективы применение гибридных систем ФЭП-ТЭГ        22

ЗАКЛЮЧЕНИЕ        24

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ        26

ВВЕДЕНИЕ

Солнечная энергетика является одним из наиболее перспективных направлений в структуре возобновляемых источников энергии. Её потенциал огромен, а воздействие на окружающую среду минимально. Однако широкое распространение солнечных технологий сдерживается их относительно невысоким коэффициентом полезного действия (КПД).

Основными методами преобразования солнечной энергии являются фотоэлектрический (ФЭП) и термоэлектрический (ТЭГ). Фотоэлектрические преобразователи демонстрируют высокую эффективность лишь в высокочастотной части солнечного спектра, в то время как фотоны с энергией ниже ширины запрещённой зоны полупроводника не генерируют электрон-дырочные пары, а преобразуются в тепло, вызывая перегрев элемента и снижение его КПД из-за отрицательного температурного коэффициента. [1] Как отмечается в исследованиях, для кремниевых элементов до 65 % падающей солнечной энергии рассеивается в виде тепла [2].

Термоэлектрические генераторы, основанные на эффекте Зеебека, позволяют напрямую преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Они надежны, долговечны и не имеют движущихся частей, но их индивидуальный КПД также остается невысоким (обычно 5 – 10 %) [3].

Логичным решением проблемы низкого коэффициента полезного действия фотоэлектрических установок является объединение фотоэлектрических и термоэлектрических технологий в единую гибридную систему ФЭП-ТЭГ. Суть такой системы заключается в том, что тепло, выделяемое перегретым фотоэлементом, не теряется впустую, а используется в качестве источника энергии для термоэлектрического генератора. Это позволяет не только эффективно охлаждать фотоэлектрический преобразователь, поддерживая его высокий КПД, но и вырабатывать дополнительную электроэнергию за счёт утилизации тепловых потерь.