De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores do Instituto de Pesquisa Energética da Coreia (Korea Institute of Energy Research, KIER) desenvolveram um módulo fotovoltaico de telhas que pode ser combinado com um gerador termoelétrico (TEG), visando a recuperação eficiente de energia térmica residual em sistemas PV-TEG. A arquitetura do módulo, através de um design exclusivo de tiras em série, aumenta a tensão de operação enquanto reduz a corrente de saída, diminuindo assim as perdas resistivas relacionadas à corrente e o calor Joule no TEG, melhorando a estabilidade do fator de preenchimento e, por fim, aumentando a eficiência de extração de potência do sistema híbrido.
O TEG utiliza o efeito Seebeck, no qual a diferença de temperatura entre dois semicondutores diferentes gera uma diferença de potencial, convertendo energia térmica em energia elétrica. Esses dispositivos são comuns em aplicações industriais, convertendo calor residual em eletricidade, mas seu alto custo e desempenho limitado restringem uma adoção mais ampla. A tecnologia de células de telha substitui a interconexão tradicional por fitas de solda, conectando tiras de células solares diretamente em série, aumentando a área efetiva de absorção de luz e reduzindo as tensões térmicas e mecânicas dentro do módulo, resultando em eficiência e confiabilidade de longo prazo superiores aos métodos de interconexão padrão.
No processo de fabricação dos módulos, a equipe do KIER utilizou células solares PERC fornecidas pela Shinsung Engineering, da Coreia, como material de partida. As células foram primeiro cortadas em tiras estreitas usando um laser infravermelho de 1064 nm e depois clivadas mecanicamente. Foram fabricados módulos de telha compostos por três, cinco ou sete tiras de células, com área efetiva de 100 cm²; já a configuração com quatorze tiras resultou em uma área de 170 cm². As dimensões das tiras variavam conforme a configuração: para os módulos de três, cinco, sete e quatorze tiras, as dimensões eram, respectivamente, 100×38,83 mm, 100×21,70 mm, 100×16,07 mm e 85×16,07 mm. As tiras adjacentes foram montadas em série usando adesivo condutor CA 3556HF e, em seguida, curadas por prensagem a quente a 180°C por 1 minuto para garantir adesão firme. Nas extremidades do módulo, fitas de solda fotovoltaicas foram soldadas para contato elétrico externo, e a encapsulação foi concluída com uma camada de vidro frontal, encapsulante de etileno-acetato de vinila (EVA) e um backsheet de politereftalato de etileno (PET).
Os elementos termoelétricos (TE) comerciais usados nos testes foram fornecidos pela empresa chinesa Xinrong. Os pesquisadores fabricaram um arranjo TEG de 100 cm² usando 308 elementos sem substrato, preenchendo os espaços com polímero para garantir estabilidade mecânica e transferência de calor. O arranjo foi fabricado serigrafando solda em um substrato de poliimida, realizando soldagem por refluxo e removendo o substrato para expor os eletrodos. O sistema PV-TEG híbrido foi testado em duas configurações: na configuração de dois terminais (2T), o PV e o TEG foram conectados diretamente em série, com apenas um par de contatos externos; na configuração de quatro terminais (4T), ambos operaram de forma independente, para análise e comparação das perdas resistivas em série.
Uma plataforma experimental personalizada usou um aquecedor de malha de cobre transparente na parte superior e um resfriador na parte inferior para aplicar gradientes de temperatura controlados, enquanto transmitia radiação solar padrão, permitindo a caracterização precisa das curvas I-V do PV, TEG e do dispositivo combinado. Medidas de efeito Hall e resistência variável no tempo foram usadas para avaliar o comportamento de transporte e estabilidade dos elementos TE. O módulo PV foi modelado usando a fórmula de dois diodos combinada com as equações do gerador termoelétrico, resolvidas por meio de uma transformação baseada na função W de Lambert. Ajustando os modelos aos dados experimentais, os pesquisadores extraíram parâmetros-chave, como a resistência efetiva do TEG, e quantificaram as perdas de potência na operação 2T.
Os resultados das medições mostraram que minimizar a corrente do PV e aumentar a tensão reduz significativamente o impacto da resistência do TEG no desempenho, e o módulo PV de telha se destacou nesse aspecto. A análise térmica indicou que a corrente gerada pelo PV causa resfriamento ou aquecimento Peltier no TEG, bem como calor Joule, aumentando sua resistência efetiva ao longo do tempo. Além disso, a correlação linear entre corrente e gradiente de temperatura confirmou o acoplamento entre transporte elétrico e troca de calor termoelétrica. Um modelo numérico validado previu que um design de baixa corrente e alta tensão poderia reduzir as perdas de potência a quase zero. Essa previsão foi confirmada experimentalmente em um dispositivo de grande área de 170 cm², que alcançou perdas ultrabaixas e alta potência de saída sob condições controladas.
Os pesquisadores concluíram que o uso de um módulo de telha com 14 tiras para dividir a corrente e aumentar a tensão em várias tiras de células resultou em um módulo PV de telha robusto à carga. A escala e o desempenho deste sistema PV-TEG representam um avanço significativo em relação ao maior (68 cm²) e de melhor desempenho (1,15 W) dispositivo relatado na literatura até o momento. Os pesquisadores destacaram que, diferentemente das células solares em tandem, que exigem integração monolítica complexa e divisão espectral refinada, seu PV-TEG envolve apenas a conexão direta de componentes PV e TEG comerciais, sem necessidade de qualquer processo de fabricação a montante. O artigo de pesquisa, intitulado "Load-resilient shingled photovoltaic module for field-scale thermoelectric coupling", foi publicado na revista Scientific Reports.
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