es.wedoany.com Noticia: Investigadores del Instituto de Investigación Energética de Corea (Korea Institute of Energy Research, KIER) han desarrollado un módulo fotovoltaico de tejas que puede combinarse con un generador termoeléctrico (TEG), con el objetivo de lograr una recuperación eficiente de la energía térmica residual en sistemas PV-TEG. La arquitectura de este módulo, mediante un diseño único de tiras en serie, aumenta el voltaje de trabajo mientras reduce la corriente de salida, disminuyendo así las pérdidas resistivas relacionadas con la corriente y el calor Joule en el TEG, lo que mejora la estabilidad del factor de llenado y, en última instancia, incrementa la eficiencia de extracción de potencia del sistema híbrido.
El TEG aprovecha el efecto Seebeck, por el cual una diferencia de temperatura entre dos semiconductores diferentes genera una diferencia de voltaje, convirtiendo la energía térmica en energía eléctrica. Estos dispositivos son comunes en el sector industrial para transformar el calor residual en electricidad, pero su alto costo y rendimiento limitado restringen aplicaciones más amplias. La tecnología de células de tejas reemplaza las interconexiones tradicionales con cintas conductoras mediante la conexión directa en serie de tiras de células solares, lo que no solo aumenta el área efectiva de absorción de luz, sino que también reduce las tensiones térmicas y mecánicas dentro del módulo, superando así a los métodos de interconexión estándar en eficiencia y confiabilidad a largo plazo.
En el proceso de fabricación de los módulos, el equipo del KIER utilizó células solares PERC proporcionadas por Shinsung Engineering de Corea como material de partida. Las células se cortaron primero en tiras estrechas mediante un láser infrarrojo de 1064 nm y luego se partieron mecánicamente. Finalmente, se fabricaron módulos de tejas compuestos por tres, cinco o siete tiras de células, con un área efectiva de 100 cm²; mientras que la configuración de catorce tiras aumentó el área a 170 cm². Las dimensiones de las tiras variaron según la configuración: para los módulos de tres, cinco, siete y catorce tiras, las dimensiones fueron de 100×38,83 mm, 100×21,70 mm, 100×16,07 mm y 85×16,07 mm, respectivamente. Las tiras adyacentes se ensamblaron en serie utilizando adhesivo conductor CA 3556HF, seguido de un curado por prensado en caliente a 180 °C durante 1 minuto para garantizar una adhesión firme. En los extremos del módulo, se soldaron cintas fotovoltaicas para los contactos eléctricos externos, y finalmente se completó el encapsulado con una capa frontal de vidrio, un encapsulante de etileno-acetato de vinilo (EVA) y una lámina posterior de tereftalato de polietileno (PET).
Los elementos termoeléctricos (TE) comerciales utilizados para las pruebas fueron suministrados por la empresa china Xinrong. Los investigadores fabricaron un arreglo TEG de 100 cm² utilizando 308 elementos sin sustrato, rellenando los espacios con polímero para garantizar la estabilidad mecánica y la transferencia de calor. Este arreglo se completó mediante serigrafía de soldadura en un sustrato de poliimida, soldadura por reflujo y eliminación del sustrato para exponer los electrodos. El sistema híbrido PV-TEG se probó en dos configuraciones: en la configuración de dos terminales (2T), el PV y el TEG se conectaron directamente en serie, con un solo par de contactos externos; en la configuración de cuatro terminales (4T), ambos funcionaron de forma independiente para analizar y comparar las pérdidas por resistencia en serie.
Una plataforma experimental personalizada utilizó un calentador de malla de cobre transparente en la parte superior y un enfriador en la parte inferior para aplicar un gradiente de temperatura controlable, mientras transmitía radiación solar estándar, permitiendo una caracterización precisa de las curvas I-V del PV, el TEG y el dispositivo combinado. Se realizaron mediciones del efecto Hall y de resistencia variable en el tiempo para evaluar el comportamiento de transporte y estabilidad de los elementos TE. El módulo PV se modeló utilizando la fórmula de doble diodo combinada con las ecuaciones del generador termoeléctrico, resolviéndose mediante una transformación basada en la función W de Lambert. Ajustando el modelo a los datos experimentales, los investigadores extrajeron parámetros clave como la resistencia efectiva del TEG y cuantificaron las pérdidas de potencia en la operación 2T.
Los resultados de las mediciones mostraron que minimizar la corriente del PV y aumentar el voltaje reduce significativamente el impacto de la resistencia del TEG en el rendimiento, y el módulo PV de tejas destacó en este aspecto. El análisis térmico indicó que la corriente impulsada por el PV provoca enfriamiento o calentamiento Peltier y calor Joule en el TEG, aumentando su resistencia efectiva con el tiempo. Además, la correlación lineal entre la corriente y el gradiente de temperatura confirmó el acoplamiento entre el transporte eléctrico y el intercambio de calor termoeléctrico. Un modelo numérico validado predijo que un diseño de baja corriente y alto voltaje podría reducir las pérdidas de potencia a casi cero. Esta predicción se confirmó experimentalmente en un dispositivo de gran área de 170 cm², que logró pérdidas ultrabajas y alta potencia de salida en condiciones controladas.
Los investigadores concluyeron que, al dividir la corriente y aumentar el voltaje en múltiples tiras de células utilizando un módulo de tejas de 14 tiras, se logró un módulo PV de tejas robusto frente a la carga. La escala y el rendimiento de este sistema PV-TEG representan un avance significativo con respecto al dispositivo más grande (68 cm²) y de mejor rendimiento (1,15 W) reportado hasta ahora en la literatura. Los investigadores señalaron que, a diferencia de las células solares en tándem que requieren una integración monolítica compleja y una división espectral fina, su PV-TEG solo implica la conexión directa de componentes PV y TEG comerciales, sin necesidad de ningún proceso de fabricación previo. El artículo de investigación, titulado "Load-resilient shingled photovoltaic module for field-scale thermoelectric coupling" (Módulo fotovoltaico de tejas robusto frente a la carga para acoplamiento termoeléctrico a escala de campo), fue publicado en la revista Scientific Reports.
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