原创零碳达人立青碳中和学习与实践2023-03-19 07:48发表于上海
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科学家们提出了一种将热电模块 (TEM) 与屋顶光伏相结合的方法，以支持建筑物的供暖、通风和空调。他们设计了一个集成在墙上的 TEM 来加热和冷却相邻的房间。
一个澳大利亚-印度研究小组研究了如何将热电模块(TEM) 和 PV 结合起来为建筑物提供供暖、通风和空调 (HVAC)。
热电模块广泛用于个人计算机处理器、便携式食品和饮料储存系统等设备的电子冷却。
研究员Shyam Singh Chandel告诉光伏杂志：“对于小面积冷却应用，热电冷却比许多传统 HVAC 类型系统的运行成本更低，特别是如果我们将其与光伏发电结合使用，这比世界许多地区的传统电力更便宜。”
研究人员表示，由于性能系数 (COP) 较低，传统 TEM 很少用于实际建筑中。然而，与光伏的结合可以使它们在建筑领域更接近商业可行性，特别是如果它们被用于仍然依赖传统空调的低能源需求建筑。
“就目前的技术水平而言，就前期成本而言，原型热电冷却系统可能并不便宜，但会提供许多优点，例如零维护或低维护、易于维修、零噪音操作、模块化、精确冷却，并且是肯定比基于氯氟烃的冷却系统更环保，后者会因无组织排放而影响环境，尤其是在此类系统的制造和处置过程中，”Chandel 说。
科学家们为由建筑一体化光伏 (BIPV) 供电的 TEM 系统开发了一种新颖的设计。该系统使用空气作为屋顶 PV 的热流体和房间空调的主要 TEM 墙。
“TEM 墙系统与储热材料墙集成在一起，主要功能是加热或冷却相邻房间，储存多余的热能，还可以作为支持系统进行优化，以提高任何已安装的传统空调系统的效率时间，”他们说。“在屋顶系统中，气流通过自然对流从光伏模块下方的风管底部吸入，并带走集成 TEM 和光伏模块的热量。”
对于半透明太阳能模块，系统可以配置为透明热电模块壁（TTEM 壁）或半透明热电模块壁（STEM壁），具体取决于热质量的透射率。Chandel 表示，该系统面临的主要挑战是与传统蒸汽压缩制冷 (VCR) 系统相比效率较低。热电系统的性能系数 (COP) 通常在 0.5 到 3.0 的范围内，而 VCR 系统则为 1.2 到 6.0。
“然而，如果我们考虑建筑冷却要求和热舒适温度范围，并不总是需要高功率冷却，在这种情况下，即使冷却功率较低，热电系统也能充分发挥作用，并实现所需的温度变化， ”钱德尔解释道。“将此类系统与廉价的光伏电力相结合，并借助辐射天空冷却板、相变材料 (PCM) 和热管等其他技术进行优化设计，也可以使此类系统在建筑应用中的可行应用更加广阔。此外，需要在热电模块材料方面取得新的研究突破，这可以进一步使该技术真正与传统 HVAC 系统竞争。”
科学家们在最近发表在《国际能源研究杂志》上的“零能耗建筑中可持续光伏发电热电冷却的前景：综述”中介绍了他们的发现。该研究小组包括来自印度Shoolini 大学和澳大利亚新南威尔士大学的学者。
“该研究的新颖之处在于，它针对全球气候变化和可持续零能耗建筑（ZEB ) 技术，”他们说。
创新技术二：基于硅锗量子阱的半透明太阳能电池
德国科学家开发了一种具有多个量子阱的太阳能电池，可实现更高水平的光电流。这种效率为 3.4% 的设备可用于建筑物和窗户的玻璃幕墙、车辆的天窗以及农业光伏的温室。
德国航空航天中心(DLR)的研究人员基于由硅和锗 (Si/Ge) 制成的超薄氢化非晶多量子阱(MQW) 制造了一种半透明太阳能电池。
研究人员 Hosni Meddeb 告诉光伏杂志：“我们新颖的半透明太阳能电池技术可以为多种应用提供多种集成机会，例如建筑物和窗户的玻璃幕墙、车辆的天窗和农业光伏的温室。”“定制的设计能力可以实现除太阳能收集之外的多功能利用，例如美观、视觉舒适和热管理。”
量子阱是插入细胞层以改变带隙和其他特性的薄纳米结构。在以前的 PV 研究中，这些纳米结构被用作单量子阱 (SQW)，而这项研究的新颖之处在于赋予它们“多重”配置。
“这为光学设计和带隙工程提供了额外的自由度，”科学家们说，并指出 MQW 在光伏性能和透明度方面都具有优势。
他们用 MQW 或 SQW 构建了几个太阳能电池，并比较了它们在标准照明条件下的性能，以评估前者提供的优势程度。他们通过直流磁控溅射技术沉积前后电极，并通过 13.56 MHz 的低温等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 方法制造半导体功能层。他们还在 100 C 下将细胞退火 30 分钟。
学者们表示，与基于一个 20 纳米 SQW 的器件相比，由六个 2.5 纳米 MQW 构建的电池在开路电压和填充因子方面表现更好。冠军电池实现了 3.4% 的功率转换效率和约 33% 的平均可见光透射水平。
“相应的光利用效率达到了 1.1% 以上，这可以被认为是无机半透明太阳能电池技术中最高的技术之一，”他们解释说。
该研究小组最近发表在《Progress in Photovoltaics》上的“基于超薄多硅/锗量子阱的新型半透明太阳能电池”中描述了电池技术。它目前正试图为其新型半透明太阳能电池技术在建筑一体化光伏中的应用建立技术经济和生态评估。预计未来会有更多的非技术考虑和详细的成本估算。
“我们提出的超薄膜光伏概念可以在低材料消耗、快速制造和降低成本方面提供有前途的技术优势，”Meddeb 解释说。“除了具有成本效益和工业兼容的制造工艺外，大规模模块化类似于成熟的薄膜光伏技术。这将促进技术向制造和商业化水平转移。”
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