科学者は、熱電冷却と組み合わせた太陽光発電システムは6年の投資回収期間を達成できると主張している。

南アフリカのセントラル工科大学の研究チームは、熱電冷却装置（TEC）ベースの冷却システムを組み込んだ太陽電池モジュールを開発しました。

 

TEC は、2 つの異なる半導体間の温度差によって 2 つの物質間に電圧が生じる「ゼーベック効果」を利用して、熱を電気に変換できます。これらのデバイスは、通常、余分な熱を電気に変換する産業用途で使用されます。ただし、コストが高く、電力が限られているため、大規模に使用することはまだできていません。

 

「この研究で提案された PV-TEC システムは、背面に TEC デバイスが取り付けられた太陽光発電パネル、熱電デバイスの反対側に取り付けられたヒートシンク、およびスイッチング機構で構成されています」と科学者は説明しています。「TEC は、冷却するはずの太陽光発電パネルによって電力を供給されます。」

 

研究グループは数値シミュレーションを実施し、システムの性能を評価しました。また、セル温度が 25 ℃ を超えたときに目標温度を 23 ℃ ～ 27 ℃ に維持するように、性能を最大化するための最適化機能も設定しました。シミュレーションで使用した PV パネルは、出力が 100 W、効率が 17.8 パーセント、サイズが 20,200 cm3 でした。TEC の最大電流は 6.1 A、最大電圧は 17.2 V、サイズは 6.08 cm3 でした。ヒートシンクの熱抵抗は 2.6 C/W、サイズは 39.2 cm3 でした。

 

「研究対象となったシナリオには、南アフリカのフリーステート州ブルームフォンテーンの気象データが使用されました」と研究者らは述べています。「この特定のデータセットには、水平拡散、通常拡散、水平全天日射量、および2021年7月17日の典型的な冬の日と2021年1月17日の夏の日を表す周囲温度値が含まれています。」

 

システムの動作は夏と冬の両方の日で分析され、TEC とヒートシンクのない基準 PV パネルの性能と比較されました。シミュレートされた冬の条件では、セル温度が 25 °C を超えることはなく、TEC はアクティブではありませんでした。  したがって、PV-TEC と基準ケースの両方で、ピーク温度 22.9 °C、一定電力出力 86.9 W、総エネルギー出力 363.47 Wh が測定されました。

 

しかし、夏にはTECが使用され、パネルは基準ケースの94.4Wと比較して104.1Wのピーク電力出力を達成しました。基準ケースのピーク温度は36.1℃でしたが、PV-TECは25℃を超えませんでした。TECケースでは603.60Whのエネルギー効率が達成されましたが、基準ケースでは547.65Whでした。「私たちが提案したモデルの結果は、特に夏に9.27パーセントという大幅な出力向上を示しています」と科学者は指摘しています。

 

これらの結果に基づき、研究者らは、PV と PV-TEC の耐用年数を 20 年、年間電気料金の上昇率を 10 パーセント、金利を 6 パーセントと仮定して経済分析を実施しました。100 W のソーラー モジュールのみの初期価格は ZAR 1,235 (66.9 ドル) と想定されていましたが、PV-TEC の場合の総コストは ZAR 1,562.77 でした。

 

「損益分岐点はプロジェクトの運用期間の比較的早い段階で達成されます。正確には、6.5年で達成されます」と科学者は結論付けました。「経済分析では、2,905.61ZARのコスト削減も示されました。これは、20年間のプロジェクト期間全体で10.56%の節約に相当します。」