Gli scienziati sostengono che i sistemi fotovoltaici in combinazione con il raffreddamento termoelettrico possono raggiungere un periodo di ammortamento di 6 anni

Un team di ricercatori dell'Università Centrale di Tecnologia del Sud Africa ha sviluppato un modulo solare che incorpora un sistema di raffreddamento basato su un refrigeratore termoelettrico (TEC).

I TEC possono convertire il calore in elettricità attraverso l'"effetto Seebeck", che si verifica quando una differenza di temperatura tra due diversi semiconduttori crea una tensione tra le due sostanze. Questi dispositivi vengono generalmente utilizzati nelle applicazioni industriali per convertire il calore in eccesso in elettricità. Tuttavia, a causa del costo elevato e della potenza limitata, non è stato ancora possibile utilizzarli su larga scala.

"Il sistema PV-TEC proposto in questo studio è costituito da un pannello fotovoltaico con un dispositivo TEC fissato sul retro, un dissipatore di calore fissato sul lato opposto del dispositivo termoelettrico e un meccanismo di commutazione", spiegano gli scienziati. "Il TEC è alimentato dal pannello fotovoltaico che dovrebbe raffreddare."

Il gruppo ha eseguito una simulazione numerica per valutare le prestazioni del sistema. È stata inoltre impostata una funzione di ottimizzazione per massimizzare le prestazioni, cercando di mantenere una temperatura target tra 23 C e 27 C quando la temperatura della cella supera i 25 C. Il pannello fotovoltaico utilizzato nella simulazione aveva una potenza di 100 W, un'efficienza del 17,8% e una dimensione di 20.200 cm3. Il TEC aveva una corrente massima di 6,1 A, una tensione massima di 17,2 V e una dimensione di 6,08 cm3. Il dissipatore di calore aveva una resistenza termica di 2,6 C/W e una dimensione di 39,2 cm3.

"Per lo scenario studiato sono stati utilizzati i dati meteorologici di Bloemfontein, Free State, Sud Africa", hanno affermato i ricercatori. "Il set di dati specifico include l'irradiazione globale diffusa orizzontale, diffusa normale e orizzontale, nonché i valori della temperatura ambiente che descrivono una tipica giornata invernale il 17 luglio 2021 e una giornata estiva il 17 gennaio 2021."

Il funzionamento del sistema è stato analizzato sia per una giornata estiva che invernale e le sue prestazioni sono state confrontate con quelle di un pannello fotovoltaico di riferimento senza TEC e dissipatore di calore. Nelle condizioni invernali simulate, la temperatura della cella non ha mai superato i 25 °C, quindi il TEC non era attivo.   Pertanto, sia nel PV-TEC che nel caso di riferimento sono state misurate una temperatura di picco di 22,9 °C, una potenza costante di 86,9 W e una produzione di energia totale di 363,47 Wh.

In estate, invece, è stato utilizzato il TEC che ha permesso al pannello di raggiungere una potenza di picco di 104,1 W, rispetto ai 94,4 W del caso di riferimento. La temperatura di picco nel caso di riferimento è stata di 36,1 C, mentre il PV-TEC non ha superato i 25 C. Nel caso TEC è stata raggiunta un'efficienza energetica di 603,60 Wh, rispetto a 547,65 Wh nel caso di riferimento. "I risultati del modello da noi proposto mostrano un miglioramento significativo della produzione di energia, soprattutto del 9,27% in estate", sottolineano gli scienziati.

Sulla base di questi risultati, i ricercatori hanno effettuato un'analisi economica con una durata presunta di 20 anni per il fotovoltaico e il PV-TEC, un aumento annuo del prezzo dell'elettricità del 10% e un tasso di interesse del 6%. Mentre si presumeva che il prezzo iniziale del solo modulo solare da 100 W fosse di 1.235 ZAR (66,9 $), il costo totale per il caso PV-TEC era di 1.562,77 ZAR.

"Il punto di pareggio viene raggiunto relativamente presto durante la vita operativa del progetto. Per essere precisi, avviene a 6,5 ​​anni”, hanno concluso gli scienziati. "L'analisi economica ha mostrato anche un risparmio sui costi di ZAR 2.905,61, che corrisponde a un risparmio del 10,56% sull'intero ciclo di vita del progetto di 20 anni."