CC BY
2
2023 Электротехника, информационные технологии, системы управления № 46 Научная статья
DOI: 10.15593/2224-9397/2023.2.09 УДК 621.311.243
А.С. Сорогин1, Р.Н. Хамитов1,2,С.Н. Жеребцов1
1
Тюменский индустриальный университет, Тюмень, Российская Федерация Омский государственный технический университет, Омск, Российская Федерация
АНАЛИЗ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА PVSYST
Одним из ключевых способов увеличения эффективности солнечных панелей является использование охлаждения. В весенне-летнее время года и в странах с жарким климатом при нагреве солнечных модулей свыше 25 °С эффективность выработки электроэнергии снижается на 5-30 % в зависимости от температуры нагрева и температурного коэффициента мощности фотоэлектрических модулей. Объектом исследования данной статьи является экспериментальный поиск наиболее эффективного способа охлаждения с использованием программного комплекса PVSyst. Целью исследования являются анализ и нахождение наиболее оптимального способа охлаждения солнечной панели, исходя из определенного местоположения потребителя и заданной потребляемой нагрузки. В работе используются экспериментальные методы анализа и исследования на базе солнечного модуля EasySunSolar UL15 100 Вт, а также моделирование нагрузки, местоположения объекта и полученной эффективности от нагрева в программном комплексе PVSyst. Результаты и значимость исследования. В ходе экспериментов и моделирования в среде PVSyst выдаваемая мощность солнечной панели увеличилась на 10 %, наиболее эффективным методом в ходе исследований установлен жидкостный метод охлаждения как наименее затратный и наиболее оптимальный. Выполненные исследования в дальнейшем будут использованы при проектировании и создании автоматизированной системы охлаждения солнечных панелей (АСОСП). Экспериментальное направление данной работы создано на основании мощностной характеристики, которая показывала зависимость мощности от нагрева солнечных модулей. Для экспериментальных исследований кроме солнечного модуля использовалась система нагрева, состоящая из прожекторов и галогенных ламп.
Ключевые слова: солнечные панели, солнечные модули, охлаждение солнечных панелей, изолированные потребители, термоэлектрические модули, эффективность солнечных панелей, нагрев солнечных панелей, охлаждающая жидкость, мощность, программный комплекс PVSyst.
A.S. Sorogin1, R.N. Khamitov1,2, S.N. Zherebtsov1
Tyumen Industrial University, Tyumen, Russian Federation Omsk State Technical University, Omsk, Russian Federation
ANALYSIS OF THERMOELECTRIC AND LIQUID COOLING OF A SOLAR PANEL USING THE PVSYST SOFTWARE PACKAGE
One of the key ways to increase the efficiency of solar panels is to use cooling. In the springsummer season and in countries with hot climates, when solar modules are heated above 25 °C, the efficiency of electricity generation decreases by 5-30 %, depending on the heating temperature and the temperature power factor of photovoltaic modules. The object of research of this article is an experimental search for the most effective cooling method using the PVSyst software package. The purpose of the study is to analyze and find the most optimal way to cool the solar panel, based on the specific location of the consumer and the specified load consumption. The work uses experimental methods of analysis and research based on the EasySunSolar UL15 100 W solar module and modeling of the load, the location of the object and the resulting efficiency from heating in the PVSyst software package. Results and significance of the study. In the course of experiments and simulations in the PVSyst environment, the output power of the solar panel increased by 10%, the most effective method in the course of research is the liquid cooling method as the least expensive and the most optimal. The research carried out will be used in the future in the design and creation of an automated solar panel cooling system (ASOSP). The experimental direction of this work was created on the basis of a power characteristic that showed the dependence of power on the heating of solar modules. In addition to the solar module, a heating system consisting of spotlights and halogen lamps was used for experimental studies.
Keywords: Solar panels, solar modules, cooling of solar panels, isolated consumers, thermoelectric modules, efficiency of solar panels, heating of solar panels, coolant, power, PVSyst software package.
Введение
На сегодняшний день охлаждение солнечных панелей не так распространено, чаще всего для получения горячей воды используются солнечные коллекторы, однако установка солнечного коллектора либо солнечных панелей исходит из нужд потребителя [1]. Солнечные панели, которые состоят из фотоэлектрических элементов, под действием солнечного излучения нагреваются и при температуре свыше 25 °C начинают терять свою эффективность [2]. Вне зависимости от производителя данная проблема касается всех солнечных панелей, которые созданы из полупроводниковых материалов - арсенида галия (GaAs) или диоксида титана (TiO2) (моно- и поликристаллические солнечные панели) [3]. В большинстве случаев охлаждение солнечных панелей не используется, поэтому снижение температуры модулей происходит за счет естественной конвекции воздуха на обеих сторонах солнечного модуля либо с помощью дождя, либо в ночное время суток, когда температура воздуха ниже, чем днем [4].
Основная генерация электроэнергии солнечных модулей происходит при наиболее интенсивном солнечном излучении, и естественного охлаждения для модулей в данный период времени не хватает. Кроме того, как известно, солнечная панель преобразует только часть солнечного излучения, остальное излучение (инфракрасного спектра) преобразуется в тепло и нагревает фотоэлектрический модуль, о чем свидетельствует КПД солнечных элементов, из которых состоит солнечная панель (средний КПД солнечных элементов составляет 10-20 %) [3].
Решение данной проблемы особенно актуально для изолированных потребителей, в составе которых имеется солнечная электростанция в качестве резервного источника питания. В результате этого у данных потребителей стоимость 1 кВт электроэнергии составляет около 19,5 руб/кВтч из-за стоимости дизельного топлива и эксплуатации дизельных электростанций (ДЭС) в отдалённых местах, а для потребителей с центральным электроснабжением 1 кВт электроэнергии обходится свыше 6 руб за кВтч.
Согласно отчёту GreenPeace [4], стоимость солнечного киловатта в некоторых регионах меньше, чем стоимость киловатта из Сети. По данным за 2023 г., данная стоимость относится: к Московской области, Нижегородской области, Калининградской области, Республике Марий Эл, Удмуртской Республике, Владимирской и Кировской области, Пермскому краю, Смоленской и Ивановской области, Тверской области, Москве, Ярославской области, Костромской области, Псковской, Ленинградской, Новгородской области, Санкт-Петербургу [4, с. 46].
В данном исследовании рассматривается изолированный потребитель, расположенный в Тюменской области, с. Кускургуль, поэтому использование системы охлаждения солнечных модулей также является актуальным. Помимо увеличения энергоэффективности солнечной панели при использовании жидкостного типа охлаждения замкнутого типа дополнительно возможно получение энергия в виде теплой или горячей воды, которая используется для собственных нужд. Вопросом охлаждения фотоэлектрических панелей занимаются некоторые зарубежные производители, такие как: Dual SUN, SUN Booster, Sunovate [5]. Также существует класс солнечных модулей, которые используют в своей системе элемент охлаждения, такие модули называются PVT [6, 7]. Однако на отечественном рынке среди производителей DELTA и ХЭВЕЛ не представлены способы и модули по охлаждению солнечных панелей [8, 9].
Поэтому целью данного исследования является поиск наиболее оптимального и наименее энергозатратного способа охлаждения для солнечных модулей. Задачами являются экспериментальное исследование и сравнение различных способов охлаждения, среди них охлаждение с помощью жидкости, с помощью жидкости и термоэлектрического элемента и с помощью термоэлектрических элементов (ТЭМ), а также моделирование солнечной электростанции для изолированных потребителей с нагревом и охлаждением солнечных модулей для наглядности и подтверждения экспериментальных исследований в программной среде PVSyst [10].
1. Влияние температуры нагрева на выдаваемую мощность солнечной панели
Исходя из ранее изложенного, для начала обратим внимание на технические характеристики солнечной панели. И в качестве примера рассмотрим зависимость температуры солнечной панели от напряжения холостого хода, тока короткого замыкания и мощности солнечной панели (рис. 1) данные характеристики взяты из технических данных солнечного модуля Delta BST 340-72 P мощностью 340 Вт [11].
Температура солнечных модулей, °С
Рис. 1. График зависимости электрических параметров от температуры окружающей среды для солнечного модуля Delta BST 340-72 P (по вертикали: нормальный ток короткого замыкания, напряжения холостого хода и максимальной мощности,%, по горизонтали: температуры солнечной батареи, °C), где 1 - ток короткого замыкания солнечной панели (1кз, %); 2 - напряжение холостого хода солнечной панели (Пхх, %); 3 - максимальная выдаваемая мощность солнечной панели (Рмакс, %) [11]
Нагрев солнечной панели снижает максимальную выработку, чем больше нагрев, тем меньше генерируемой энергии. Кроме температуры на солнечную панель влияют тип установки и температурный коэффициент мощности (ТКМ) [12]. При увеличении температуры на передней поверхности панели падение напряжения становится больше, чем увеличение тока. Следовательно, мощность модуля и эффективность снижаются. ТКМ показывает, на сколько процентов может снизиться заявленная мощность устройства при увеличении температуры на каждый градус относительно стандартного значения, равного 25 °C [12].
Выходная мощность солнечной панели в зависимости от ТКМ определяется по формуле [13]:
P = Ро(1 + Р-АГ), (1)
где Р0 - мощность фотоэлемента при температуре 25 °C, Вт; в - температурный коэффициент мощности, 1/°С; AT - повышение температуры фотоэлемента, °С.
Производители указывают значение ТКМ, которые были получены в ходе тестирования. В качестве примера возьмем солнечную панель EasySunSolar UL15 100 Вт с коэффициентом в = -0,004 1/°С, тогда при увеличении температуры выше стандартной, до 60 °С, выходная мощность уменьшается согласно формуле и составит 86 Вт, что на 14 % меньше исходного значения. Таким образом, в диапазоне температур от 25 до 80 °С мощность солнечной панели при данном ТКМ может упасть от 0,4 до 22 % от общей мощности солнечной панели [14, 15]. Кроме того, напряжение на солнечном элементе изменяется по логарифмическому закону и зависит от фототока и температуры и определяется по следующей формуле [15]:
UC3 = kT • ln ¿f^ +1, (2)
q 1 д
где исэ - напряжение на солнечном элементе, В; к - постоянная Больц-
—23
мана, к = 1,380649 10 , Дж/К; Т - температура окружающей среды, К; q - заряд электрона, q = 1,60217662-10-19, Кл; 1Ф - фототок, А; 1сэ - ток солнечного элемента, А; 1д - диодный ток, А.
Ток насыщения (диодный ток) солнечного элемента зависит от вида носителей электрических зарядов и их рекомбинации в элементах и равна наибольшему значению обратного тока солнечного элемента.
Фототок солнечного элемента зависит от температуры и поступления солнечной радиации:
Е
1ф = (!ф.н. + К -АГ) —,
Е
Н
(3)
где /ф.н. - фототок СЭ при температуре 25 °С и освещенности 1000 Вт/м2; К
- температурный коэффициент по току, 1/°С; ДТ = Тос-Тн - разница температур окружающей среды и номинальной температуры 25 °С; Е - текущая освещенность от солнца, Вт/м ; Ен -номинальная солнечная освещенность, Ен = 1000 Вт/м .
ТКМ меняется в зависимости от типа солнечных панелей. К примеру, у аморфных тонкопленочных элементов ТКМ составляет от -0,2 1/°С, для поликристаллических модулей это значение равно -0,5 1/°С [16]. Отсюда можно сделать вывод, что чем меньше значение ТКМ, тем более устойчива солнечная панель к повышенным температурам.
2. Экспериментальное сравнение различных типов охлаждения солнечного модуля
На рис. 2 представлена схема подключения солнечной панели, нагрева и нагрузки. На рис. 3-5 представлены схемы охлаждения солнечного модуля для экспериментального сравнения.
Рис. 2. Схема подключения солнечной панели, нагрузки и нагрева солнечного модуля
Рис. 3. Схема подключения охлаждения солнечного модуля с помощью жидкости (хладагента) и насоса
Схема подключения охлаждения солнечного модуля, изображенного на рис. 3 и 4, соответствует эксперименту, который отображен на рис. 8.
Рис. 4. Схема подключения охлаждения солнечного модуля с помощью ТЭМ и охлаждаемой жидкости
Рис. 5. Схема подключения охлаждения солнечного модуля с помощью термоэлектрических модулей (ТЭМ) и циркулирующей жидкости в алюминиевых баках
а
Люксметр || О I Л|°"С"«Р II О I Люксметр || О i
В 2156 0 2697 0 1940
LUX LUX LUX
мин средний макс мин средний макс мин средний макс
72 1880 5282 ?2 2038 5398 23 1954 5398
Рис. 6. Точки на солнечной панели для измерения температуры и освещенности (а); показания люксметра в 3 точках измерения в приложении "Люксметр" (б); резистор для нагрузки Ян = 1 кОм (в)
в
Схема подключения охлаждения солнечного модуля, изображенного на рис. 5, соответствует эксперименту, который отображен на рис. 7.
Согласно схемам выше, для подтверждения влияния нагрева на фотоэлектрический модуль была создана полезная модель, которая с помощью прожекторов и инфракрасных ламп имитировала свет и нагрев от солнечного излучения [17]. В эксперименте по нагреву использовались (рис. 6): солнечная панель EasySunSolar UL15 100 Вт; галогенный прожектор TDM ИО150П 150 Вт 2700 К - 2 шт; инфракрасные лампы для нагрева ИК3К 250 Вт - 2 шт; MPPT-контроллер Solar Charge Controller PWM (рис. 6).
Технические характеристики солнечного модуля EasySunSolar UL15 100 Вт представлены в таблице [18].
Характеристики солнечной батареи EasySunSolar 100 Вт
Номинальная мощность(Рном) 100 Вт
Напряжение при максимальной мощности (Кмакс) 18 В
Ток при максимальной мощности (/макс) 5,55 А
Напряжение разомкнутой цепи( Ухх) 20 В
Напряжение короткого замыкания(/кз) 6,10 А
Общее количество элементов последовательно (Жпосл) 36
Общее количество элементов параллельно (^пар^) 1
Род тока Постоянный (DC)
Для замеров влияния хладагента на нагретую солнечную панель рассматривались 3 способа охлаждения:
1) способ охлаждения с помощью термоэлектрических модулей (ТЭМ) и циркулирующей жидкости в алюминиевых баках (рис. 7);
2) открытый способ охлаждения солнечной панели с помощью жидкости (хладагента) и насоса (рис. 8);
3) способ охлаждения с помощью ТЭМ и охлаждаемой жидкости (см. рис. 8).
В эксперименте рассматривались различные способы охлаждения, поскольку есть элемент управления, возможность использования закрытого цикла охлаждения (хладагента) для получения дополнительной генерации и возможность генерации с помощью разности температур (ТЭМ). Поэтому способы с принудительным воздушным охлаждением и пассивным охлаждением с помощью радиаторов не рассматривались [19, 20].
Рис. 7. Экспериментальная установка для измерения выходной мощности солнечной
панели с использованием прожекторов, ламп и охлаждением ТЭМ: а - солнечная панель EasySunSolar UL15 1GG Вт; б - прожектор галогенный TDM ИО150П 15G Вт
27GG К 2 шт; в - лампа инфракрасная для нагрева ИК3К 25G Вт 2 шт.; г - MPPT-контроллер Solar Charge Controller PWM; д - термоэлектрические элементы TEC1-12704 9 шт.; е - алюминиевые баки 3 шт.; ж - насос BARBUS PUMP GG1 4 Вт; з - Источник постоянного тока зарядное устройство Т-1021
Рис. 8. Экспериментальная установка для измерения выходной мощности солнечной
панели с использованием прожекторов, ламп и охлаждением насосом и ТЭМ: а - солнечная панель EasySunSolar UL15 100 Вт 1 шт.; б - буфер для охлаждающей жидкости; в - бак с охлаждающей жидкостью 1 шт и насосом BARBUS PUMP 001 4 Вт 1 шт.; г - термоэлектрический элемент TEC1-12704 с алюминиевыми ребрами охлаждения 1 шт.; д - трубка с отверстиями для охлаждающей жидкости
В качестве начальных данных при сборе данных о нагрузке и построении характеристик солнечной панели при нагреве и различных видах охлаждения было установлено, что:
1) солнечные модули установлены перпендикулярно или под углом 90 градусов к освещению и нагреву (см. рис. 6);
2) замер температуры и освещения производился в 3 точках измерений и был постоянным (см. рис. 6, а);
3) нагрузка солнечной панели постоянна и составляет Ян = 1 кОм (см. рис. 6, б);
4) напряжение и ток, подаваемый на термоэлектрические элементы (ТЭМ), постоянны;
5) начальная температура хладагента для охлаждения солнечной панели T = 12,5 °С;
6) нагрев и освещение солнечного модуля неравномерно распределено по всему фотоэлектрическому модулю;
7) модули ТЭМ расположены, как показано на рис. 6;
8) хладагент для солнечной панели - вода;
9) для охлаждения использовались трубки из ПЭТ-материала;
10) инфракрасное излучение и прожекторы работали в течение эксперимента постоянно без отключения от сети питания.
Для измерения и фиксации полученных данных использовались различные приборы. Для получения данных об освещенности использовалось приложение на Android под названием «Люксметр» [21], данное приложение при помощи датчика освещенности, расположенного на смартфоне, замеряло количество падающего света на поверхность от прожекторов. С помощью термометра Mestec IR02C измерялась температура поверхности солнечного модуля. С помощью мультимет-ров измерялись энергетические характеристики, так, с помощью муль-тиметра TDM Electric M266F делались замеры напряжения фотоэлектрического модуля с помощью мультиметра NEDA 1604/6F22 9В [22] делались замеры тока, протекающего через резистор Ян.
Замеры делались каждые 90 с в течение 12 мин, данное время для измерений было выбрано как оптимальное для показания изменений в солнечной панели и сохранения солнечного модуля от высоких температур и деградации, поскольку лампы расположены на близком расстоянии от модуля. Температура воды после охлаждения солнечной панели нагрелась до 15 °С. Результаты измерений мощности с учетом сопротивления (1 кОм) представлены на рис. 9.
Охлаждение выполнялось с помощью различных устройств. В первом опыте (Р1безохл) замеры производились без охлаждения моду-
ля. Во втором опыте (Р2ТЭМ) солнечная панель охлаждалась с помощью жидкости, которая циркулировала в алюминиевых баках, расположенных на термоэлектрических элементах (см. рис. 7), термоэлектрические элементы при подключении напряжения с одной стороны охлаждали солнечную панель, с другой стороны нагревали алюминиевые баки, в которых циркулировал хладагент. В третьем опыте (Р4вод) солнечная панель охлаждалась с помощью жидкости, которая циркулировала по трубке с помощью насоса и охлаждала панель открытым способом на лицевой стороне солнечного модуля (см. рис. 8). Четвертый опыт проводился подобно третьему (Р6водТЭМ), однако ТЭМ использовался в качестве охлаждения жидкости с одной из сторон и нагрева радиатора с другой стороны. Такое расположение позволило охлаждать циркулирующую жидкость в процессе эксперимента, расположенную в баке.
0,44 -
0,42 0,4
и 0,38
ь т с о
н щн
о
0,36 0,34 0,32 0,3
■Р1без охл,Вт Р2ТЭМ,Вт Р4вод,Вт Р6вод.ТЭМ,Вт
V 'У
к* # ^
ч1
¿V
<У
Время, мин/с
Рис. 9. Диаграмма мощности солнечной панели: Р1безохл - выдаваемая мощность солнечной панели без охлаждения; Р2ТЭМ - выдаваемая мощность солнечной панели с охлаждением от ТЭМ и баков для отвода тепла; Р4вод - выдаваемая мощность солнечной панели с охлаждением от насоса и хладагента;Р6водТЭМ -выдаваемая мощность солнечной панели с охлаждением от насоса, хладагента и ТЭМ в качестве охлаждения
Таким образом, была собрана установка с имитацией солнечного излучения и 3 типами экспериментальных установок с различными видами охлаждения. Наиболее оптимальным вариантом для охлаждения солнечной панели является жидкостное охлаждение панели с помощью насоса (см. рис. 3). Эффективность солнечной панели увеличилось на 10 %. Затраты на охлаждение составили 4 Вт (без учета охлаждения жидкости) [23].
3. Моделирование физической модели охлаждения солнечных панелей в программном комплексе PVSyst
После создания экспериментальной модели и сравнения различных способов охлаждения необходимо смоделировать объект в программном комплексе и сравнить полученные результаты для реального и моделируемого объектов. В качестве среды проектирования и моделирования была выбрана программа PVSyst [24]. Влияние охлаждения на 1 солнечную панель, полученное в ходе эксперимента, необходимо масштабировать и оценить, исходя из:
1) географического положения потребителя;
2) необходимой нагрузки потребителя;
3) марки солнечных модулей;
4) количества солнечных панелей;
5) влияния нагрева на вольт-амперную характеристику (ВАХ) солнечного модуля.
В качестве изолированного потребителя было выбрано с. Кускур-гуль, расположенное в Тюменской области в Нижнетавдинском районе, координаты: 58.085815, 66.545947. Данный потребитель в качестве основного источника питания использует дизельные электростанции (ДЭС). Однако предлагается использовать солнечные панели с системой жидкостного охлаждения в качестве резервного источника питания и удешевления стоимости электроэнергии за 1 кВт-ч [25].
В качестве нагрузки потребителя (рис.10, а) [13] были выбраны основные бытовые приборы, такие как:
1) лампочки для освещения LED;
2) телевизор/компьютер и зарядки для питания смартфонов;
3) холодильник с морозильной камерой;
4) чайник;
5) водяной насос;
6) прочие бытовые приборы (стиральная машина).
Исходя из полученных данных, для питания 1 домохозяйства в селе Кускургуль потребуется приблизительно 5 кВт-ч в день [26, 27]. В качестве солнечных модулей для генерирования электроэнергии и покрытия нужд были выбраны солнечные модули номинальной мощностью 400 Вт марки SPR-MAX3-400 от компании Sun Power
в количестве 12 шт, модули соединены последовательно (в стринг). Как было отмечено ранее, солнечные модули характеризуются влиянием температуры (см. рис. 1). Также рассчитаем в программном комплексе PVSyst влияние солнечного излучения на фотоэлектрические модули, исходя из географического положения объекта, температуры окружающей среды и средней освещенности [10].
My ик of energy, varan! "Село Куосургуль Теиеиоия
|o»u»p«n И»**««»
Number Appliance PO.« Daily iw Hourly d*tnb. Darfy energy
|5 1 |л»»ючки 1ГО I 110 I »(TO OK 300 Wb
| « 900 Wh
|l | |б©«товые пкмборы | |200 |W,„ OK 200 Wb
[l | |холодиль»»ж-норовили | 13.00 1^«., И OK IS99 Wb
|0 I; to»«*"—«*. loo |wra 0 Wh
I1 1 h»« | |900 1 W/app |LS |h*to, OK 1350 Wh
1. 1: | Is |W*p |б.о |h#ay OK » Wh
sand*,«™™. l£_1 Mh/da, MOM.
О w Total dally energy S019 wti/day
о □ Use only <l*ing
Hon Ни O:
|| t^O^pn*. || X'
а б
Рис. 10. Окно потребляемой энергии различными бытовыми приборами в течении дня в программном комплексе PVSyst (а); потребление электроэнергии бытовыми приборами в течение дня в программном комплексе PVSyst (б)
а б
Рис. 11. График потерь солнечных панелей SPR-MAX3-400 SunPower с учетом температуры окружающей среды: а - при температуре окружающей среды 29 °С; б - при охлаждении с помощью воды
График (рис. 11), полученный в результате исследований, показывает, что температура нагретых модулей в июле составит 48,6 °С, а температура охлажденных модулей - 21,6 °С. Полезная мощность модулей, полученная от солнечных панелей [28], увеличилась с 3,85 до 4,33 кВт. Эта мощность не учитывает тепло нагретой жидкости в замкнутом контуре, что покажет еще большую эффективность от использования системы охлаждения солнечных модулей [29].
Таким образом, после проведения эксперимента были получены положительные результаты при применении жидкостного способа охлаждения (увеличение мощности солнечной панели до 10 %). Для изолированного потребителя в с. Кускургуль были смоделированы нагрузка и необходимая солнечная гибридная электростанция. При использовании жидкостного охлаждения потери в гибридной СЭС в программном комплексе PVSyst уменьшились на 7,3 % [30], а с учетом затрат на использование насосов общая мощность, выдаваемая СЭС в июле, увеличилась на 736 Вт или на 5152 кВтч для 7-часового светового дня [31].
Заключение
Жидкостный способ охлаждения позволил увеличить максимальную мощность солнечной панели на 10 % при нагреве солнечной панели. Данный способ охлаждения был подтвержден в программном комплексе PVSyst для реального объекта СЭС, расположенного у изолированного потребителя в с. Кускургуль.
Таким образом, в дальнейшем планируется сконструировать и протестировать закрытую систему охлаждения с автоматизированным управлением, позволяющим не только абсорбировать тепло и охлаждать панели, но и автоматизировать систему с помощью датчиков влажности и температуры [32]. Данный результат является значимым, поскольку его можно масштабировать для больших СЭС и аккумулировать кроме дополнительной электроэнергии ещё теплоэнергию, преобразуя ее в другие виды энергии либо запасая ее. Среди перспектив данного направления возможно использование искусственного интеллекта и системы теплови-зионного наблюдения и охлаждения солнечных панелей [33].
Библиографический список
1. Фотоэлектрические панели и солнечные коллекторы - отличия [Электронный ресурс]. - URL: https://www.products.pcc.eu/ru/blog/ фотоэлектрические-панели-и-солнечны (дата обращения: 27.04.2023).
2. Афанасьев В.П., Теруков Е.И., Шерченков А.А. Тонкопленочные солнечные элементы на основе кремния. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2011. - 168 с.
3. Бессель В.В., Кучеров В.Г., Мингалеева Р.Д. Изучение солнечных фотоэлектрических элементов. - М.: Изд. центр РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, 2016. - 90 с.
4. Собственная солнечная электростанция [Электронный ресурс]. -URL: https://greenpeace.ru/wp-content/uploads/2023/03/Исследование-Собственная-солнечная-элекгростанция.pdf (дата обращения: 27.04.2023).
5. DualSun: French manufacturer of hybrid and PV solar panels [Электронный ресурс]. - URL: https://dualsun.com/en/ (дата обращения: 27.04.2023).
6. Кирпичникова И.М., Махсумов И.Б. Повышение энергетической эффективности работы солнечных модулей за счет снижения температуры поверхности // Известия Тульск. гос. ун-та. - 2020. - № 2. - С. 489-499.
7. Гибридные солнечные коллекторы PVT [Электронный ресурс]. - URL: https://solarsoul.net/gibridnye-solnechnye-kollektory-pvt (дата обращения: 27.04.2023).
8. Солнечные модули [Электронный ресурс]. - URL: https://delta-batt.com/catalog/solnechnye-moduli/ (дата обращения: 27.04.2023).
9. Группа компаний «Хэвел» [Электронный ресурс]. - URL: https://www.hevelsolar.com (дата обращения: 27.04.2023).
10. PVSyst 7 Stand Alone [Электронный ресурс]. - URL: https://www.pvsyst.com/wp-content/pdf-tutorials/pvsyst-tutorial-v7-standa-lone-en.pdf (дата обращения: 27.04.2023).
11. Солнечный модуль DELTA BST 340-72 P [Электронный ресурс]. - URL: https://delta-solar.ru/product/solnechnye-moduli/delta-bst/delta-bst-340-72-p/ (дата обращения: 27.04.2023).
12. Кирпичникова И.М., Махсумов И.Б. Построение энергетических характеристик солнечных модулей с учетом условий окружающей среды // Вестник Пермского государственного технического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2020. - № 34. - С. 56-74.
13. Гульков В.Н., Колесниченко И.Д., Коротков К.Е. Исследование влияния нагрева солнечных модулей на эффективность преобразования излучения // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2019. - № 1. - С. 10-16.
14. Wojciech Lubo, Grzegorz Pelka Assessing the Impact of Water Cooling on PV Modules Efficiency // Energies. - 2020. - Vol. 13. - P. 2414-2418.
15. Велькин В.И. Методология расчета комплексных систем ВИЭ для использования на автономных объектах: монография. - Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2015. - 226 с.
16. Mariyam Sattar, Abdul Rehman Performance Analysis and Optimization of a Cooling System for Hybrid Solar Panels Based on Climatic Conditions of Islamabad, Pakistan // Energies. - 2022. - Vol. 15. - P. 1-22.
17. Дюсьмикеев А.Б. Базовые принципы солнечной энергетики для проектирования и строительства солнечных электростанций. -Минск, 2016. - 79 с.
18. Герра Д.Д. Повышение энергоэффективности работы электротехнического комплекса с использованием солнечных батарей на подстанции Сантьяго-де-Куба: спец. 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»: дис. ... канд. техн. наук / Санкт-Петербург. горный ун-т. - СПб., 2021. - 138 с.
19. Кенден К.В. Совершенствование методов принятия решений по вводу мощностей автономных солнечно-дизельных установок (на примере республики Тыва): спец. 05.14.01 «Энергетические системы и комплексы»: дис. ... канд. техн. наук / Сибир. федерал. ун-т. - Красноярск, 2021. - 117 с.
20. Mohamed Sharaf, Mohamed S. Yousef, Ahmed S. Huzayyin Review of cooling techniques used to enhance the efficiency of photovoltaic power systems // Springer. - 2022. - Vol. 29. - P. 26131-26159.
21. Maatallah T., Zachariah R., Al-Amri F. Exergo-economic analysis of a serpentine frow type water based photovoltaic thermal system with phase change material // Sol Energy. - 2019. - Vol. 193. - P. 195-204. -URL: https://doi.org/10.10167j.solener.2019.09. 063
22. Zanlorenzi G., Szejka A.L., Junior O.C. Hybrid photovoltaic module for efciency improvement through an automatic water cooling system: a prototype case study // Clean Prod. - 2018. - Vol. 196. - P. 195-204.
23. Махсумов И.Б. Разработка энергокомплекса на базе возобновляемых источников энергии для электроснабжения труднодоступных районов республики Таджикистан с использованием термозащиты солнечных модулей: спец. 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»: дис. канд. техн. наук / Южно-Уральский государственный университет. - Челябинск, 2020. - 209 с.
24. Велькин В.И. Методология расчета комплексных систем ВИЭ для использования на автономных объектах: монография. - Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2015. - 226 с.
25. Лукутин Б.В., Муравлев И.О., Плотников И.А. Системы электроснабжения с ветровыми и солнечными электростанциями: учеб. пособие. - Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2015. - 130 с.
26. Исследование фотоэлектрического преобразователя энергии -солнечной батареи: для энергетических специальностей вуза / сост. И.Н. Прокопеня, Т.А. Петровская, А.А. Богдан, Р.С. Игнатович, И В. Павлович. - Минск: Изд-во БНТУ, 2018. - 57 с.
27. Renewable capacity statistics 2023 / IRENA (International Renewable Energy Agency). - Abu Dhabi, 2023. - 69 p.
28. Alktranee Mohammed, Bencs Peter. Effect of evaporative cooling on photovoltaic module performance // Process Integration and Optimization for Sustainability. - 2022. - Vol. 6. - P. 921-930. - URL: https://doi.org/10.1007/s41660-022-00268-w
29. A comprehensive study for Al2O3 nanofuid cooling efect on the electrical and thermal properties of polycrystalline solar panels in outdoor conditions / Ali Ibrahim, Muhammad Raafat Ramadan, Abd EL-Monem Khallaf Muhammad Abdulhamid // Environmental Science and Pollution Research. - 2023. - Vol. 1. - P. 1-22. - URL: https://doi.org/10.1007/s11356-023-25928-3
30. Тханг Л.В., Щагин А.В. Активные методы водяного охлаждения для солнечного фотоэлектрического модуля // Инженерный вестник Дона. - 2020. - № 2. - С. 12-25.
31. Киевец А.В., Бай Ю.Д. Исследование влияния изменения температуры солнечных панелей на выходные характеристики солнечной электростанции в условиях частичной затененности // Вестник Ир-кут. гос. техн. ун-та. - 2020. - № 24. - С. 627-638.
32. Sunarno A. Rakin, Suherman S. A passive cooling system for increasing efficiency of solar panel output // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1379. - P. 1-6. - URL: https://doi:10.1088/1742-6596/1373/1/012017
33. Dattatray S., Rajesh D. Experimental analysis of solar PV panel cooling by using back water tube array to improve efficiency // International Journal of Engineering Research & Technology. - 2018. - Vol. 7. - P. 45-48.
References
1. Fotoelektricheskie paneli i solnechnye kollektory - otlichiia [Photovoltaic panels and solar collectors - differences], available at: https://www.products.pcc.eu/ru/blog/$oTO3neKrpHHecKHe-naHe.nH-H-co.nHeHHbi (accessed 27 April 2023).
2. Afanas'ev V.P., Terukov E.I., Sherchenkov A.A. Tonkoplenochnye solnechnye elementy na osnove kremniia [Thin-film solar cells based on silicon]. Saint Petersburg: SPbGETU "LETI", 2011, 168 p.
3. Bessel' V.V., Kucherov V.G., Mingaleeva R.D. Izuchenie solnechnykh fotoelektricheskikh elementov [The study of solar photovoltaic cells]. Moscow: Rossiiskii gosudarstvennyi universitet nefti i gaza (NIU) imeni I.M. Gubkina, 2016, 90 p.
4. Sobstvennaia solnechnaia elektrostantsiia [Own solar power plant], available at: https://greenpeace.ru/wp-content/uploads/2023/03/HccneflOBaHHe-Сo6cгвeннaн-co.пнeннaн-э.пeкгрocraнцнfl.pdf (accessed 27 April 2023).
5. DualSun: French manufacturer of hybrid and PV solar panels, available at: https://dualsun.com/en/ (accessed 27 April 2023).
6. Kirpichnikova I.M., Makhsumov I.B. Povyshenie energeticheskoi effektivnosti raboty solnechnykh modulei za schet snizheniia temperatury poverkhnosti [Increasing the energy efficiency of solar modules by reducing the surface temperature]. Izvestiia Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta, 2020, no. 2, pp. 489-499.
7. Gibridnye solnechnye kollektory PVT [PVT Hybrid solar collectors], available at: https://solarsoul.net/gibridnye-solnechnye-kollektory-pvt (accessed 27 April 2023).
8. Solnechnye moduli [Solar modules], available at: https://delta-batt.com/catalog/solnechnye-moduli/ (accessed 27 April 2023).
9. Gruppa kompanii "Khevel" [Group of companies "Havel"], available at: https://www.hevelsolar.com (accessed 27 April 2023).
10. PVSyst 7 Stand Alone, available at: https://www.pvsyst.com/ wp-content/pdf-tutorials/pvsyst-tutorial-v7-standalone-en.pdf (accessed 27 April 2023).
11. Solnechnyi modul' DELTA BST 340-72 P [DELTA BST 340-72 P solar module], available at: https://delta-solar.ru/product/solnechnye-moduli/delta-bst/delta-bst-340-72-p/ (accessed 27 April 2023).
12. Kirpichnikova I.M., Makhsumov I.B. Postroenie energeticheskikh kharakteristik solnechnykh modulei s uchetom uslovii okruzhaiushchei
sredy [Construction of energy characteristics of solar modules taking into account environmental conditions]. Vestnik Permskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Elektrotekhnika, informatsionnye tekhnologii, sistemy upravleniia, 2020, no. 34, pp. 56-74.
13. Gul'kov V.N., Kolesnichenko I.D., Korotkov K.E. Issledovanie vliianiia nagreva solnechnykh modulei na effektivnost' preobrazovaniia izlucheniia [Investigation of the effect of heating solar modules on the efficiency of radiation conversion]. Izvestiia SPbGETU "LETI", 2019, no. 1, pp. 10-16.
14. Wojciech Lubo, Grzegorz Pelka Assessing the Impact of Water Cooling on PV Modules Efficiency. Energies, 2020, vol. 13, pp. 2414-2418.
15. Vel'kin V.I. Metodologiia rascheta kompleksnykh sistem VIE dlia ispol'zovaniia na avtonomnykh ob"ektakh [Methodology for calculating integrated renewable energy systems for use on autonomous facilities]. Ekaterinburg: Ural'skii federal'nyi universitet imeni pervogo Prezidenta Rossii B.N. El'tsina, 2015, 226 p.
16. Mariyam Sattar, Abdul Rehman Performance Analysis and Optimization of a Cooling System for Hybrid Solar Panels Based on Climatic Conditions of Islamabad, Pakistan. Energies, 2022, vol. 15, pp. 1-22.
17. Dius'mikeev A.B. Bazovye printsipy solnechnoi energetiki dlia proektirovaniia i stroitel'stva solnechnykh elektrostantsii [Basic principles of solar energy for the design and construction of solar power plants]. Minsk, 2016, 79 p.
18. Gerra D.D. Povyshenie energoeffektivnosti raboty elektrotekhnicheskogo kompleksa s ispol'zovaniem solnechnykh batarei na podstantsii Sant'iago-de-Kuba: spetsial'nost' 05.09.03 "Elektrotekhnicheskie kompleksy i sistemy" [Improving the energy efficiency of the electrical complex using solar panels at the Santiago de Cuba substation: specialty 05.09.03 "Electrical complexes and systems"]. Ph. D. thesis. Saint Petersburg: Sankt-Peterburgskii gornyi universitet, 2021, 138 p.
19. Kenden K.V. Sovershenstvovanie metodov priniatiia reshenii po vvodu moshchnostei avtonomnykh solnechno-dizel'nykh ustanovok (na primere respubliki Tyva): spets. 05.14.01 «Energeticheskie sistemy i kompleksy» [Improvement of decision-making methods for the commissioning of autonomous solar-diesel installations (on the example of the Republic of Tyva): specialty 05.14.01 "Energy systems and complexes"]. Ph. D. thesis. Krasnoiarsk: Sibirskii federal'nyi universitet, 2021, 117 p.
20. Mohamed Sharaf, Mohamed S. Yousef, Ahmed S. Huzayyin Review of cooling techniques used to enhance the efficiency of photovoltaic power systems. Springer, 2022, vol. 29, pp. 26131-26159.
21. Maatallah T., Zachariah R., Al-Amri F. Exergo-economic analysis of a serpentine frow type water based photovoltaic thermal system with phase change material. Sol Energy, 2019, vol. 193, pp. 195-204, available at: https://doi.org/10.10167j.solener.2019.09. 063
22. Zanlorenzi G., Szejka A.L., Junior O.C. Hybrid photovoltaic module for efciency improvement through an automatic water cooling system: a prototype case study. Clean Prod., 2018, vol. 196, pp. 195-204.
23. Makhsumov I.B. Razrabotka energokompleksa na baze vozobnovliaemykh istochnikov energii dlia elektrosnabzheniia trudnodo-stupnykh raionov respubliki Tadzhikistan s ispol'zovaniem termozashchity solnechnykh modulei: spetsial'nost' 05.09.03 "Elektrotekhnicheskie komp-leksy i sistemy" [Development of an energy complex based on renewable energy sources for power supply of remote areas of the Republic of Tajikistan using thermal protection of solar modules: specialty 05.09.03 "Electrotechnical complexes and systems"]. Ph. D. thesis. Cheliabinsk: Iuzhno-Ural'skii gosudarstvennyi universitet, 2020, 209 p.
24. Vel'kin V.I. Metodologiia rascheta kompleksnykh sistem VIE dlia ispol'zovaniia na avtonomnykh ob"ektakh [Methodology of calculation of integrated renewable energy systems for use in autonomous facilities]. Ekaterinburg: Ural'skii federal'nyi universitet imeni pervogo Prezidenta Rossii B.N. El'tsina, 2015, 226 p.
25. Lukutin B.V., Muravlev I.O., Plotnikov I.A. Sistemy elektrosnabzheniia s vetrovymi i solnechnymi elektrostantsiiami [Power supply systems with wind and solar power plants]. Tomsk: Tomskii politekhnicheskii universitet, 2015, 130 p.
26. Prokopenia I.N., Petrovskaia T.A., Bogdan A.A., Ignatovich R.S., Pavlovich I.V. Issledovanie fotoelektricheskogo preobrazovatelia energii - solnechnoi batarei: dlia energeticheskikh spetsial'nostei vuza [Research of a photovoltaic energy converter - a solar battery: for energy specialties of the university]. Minsk: Belorusskii natsional'nyi tekhnicheskii universitet, 2018, 57 p.
27. Renewable capacity statistics 2023. IRENA (International Renewable Energy Agency). Abu Dhabi, 2023, 69 p.
28. Alktranee Mohammed, Bencs Peter. Effect of evaporative cooling on photovoltaic module performance. Process Integration and Optimization for Sustainability, 2022, vol. 6, pp. 921-930, available at: https://doi.org/10.1007/s41660-022-00268-w
29. Ali Ibrahim, Muhammad Raafat Ramadan, Abd EL-Monem Khallaf Muhammad Abdulhamid. A comprehensive study for Al2O3 nanofuid cooling efect on the electrical and thermal properties of polycrys-talline solar panels in outdoor conditions. Environmental Science and Pollution Research. 2023. vol. 1, pp. 1-22, available at: https://doi.org/10.1007/s11356-023-25928-3
30. Tkhang L.V., Shchagin A.V. Aktivnye metody vodianogo okhlazhdeniia dlia solnechnogo fotoelektricheskogo modulia [Active methods of water cooling for a solar photovoltaic module]. Inzhenernyi vestnik Dona, 2020, no. 2, pp. 12-25.
31. Kievets A.V., Bai Iu.D. Issledovanie vliianiia izmeneniia temperatury solnechnykh panelei na vykhodnye kharakteristiki solnechnoi elektrostantsii v usloviiakh chastichnoi zatenennosti [Investigation of the influence of changes in the temperature of solar panels on the output characteristics of a solar power plant in partial shading conditions]. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2020, no. 24, pp. 627-638.
32. Sunarno A. Rakin, Suherman S. A passive cooling system for increasing efficiency of solar panel output. Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1379, pp. 1-6, available at: https://doi:10.1088/1742-6596/1373/1/012017
33. Dattatray S., Rajesh D. Experimental analysis of solar PV panel cooling by using back water tube array to improve efficiency. International Journal of Engineering Research & Technology, 2018, vol. 7, pp. 45-48.
Сведения об авторах
Сорогин Александр Сергеевич (Тюмень, Российская Федерация) - аспирант кафедры «Электроэнергетики» Тюменского индустриального университета (625000, Тюмень, ул. Володарского 38, e-mail: sorg96@gmail.com).
Хамитов Рустам Нуриманович (Тюмень, Российская Федерация) - доктор технических наук, профессор кафедры «Электроэнергетика» Тюменского индустриального университета (625000, Тюмень, ул. Володарского, 38), профессор кафедры «Электрическая техника»
Омского государственного технического университета (644050, Омск, ул. Пр. Мира, 11, e-mail: apple_27@mail.ru).
Жеребцов Сергей Николаевич (Тюмень, Российская Федерация) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроэнергетика» Тюменского индустриального университета (625000, Тюмень, ул. Володарского, 38, e-mail: s.n.zherebtsov@mail.ru).
About the authors
Alexander S. Sorogin (Tyumen, Russian Federation) - Postgraduate student, Department of Electric Power Engineering of TIU (625000, Tyumen, 38, Volodarsky str., e-mail: sorg96@gmail.com).
Rustam N. Khamitov (Tyumen, Russian Federation) - Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Electric Power Engineering of Tyumen Industrial University (38 Volodarsky Str., Tyumen, 625000), Professor of the Department of Electrical Engineering of Omsk State Technical University (644050, Omsk, 11, Mira ave., e-mail: apple_27@mail.ru).
Sergey N. Zherebtsov (Tyumen, Russian Federation) - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Electric Power Engineering of Tyumen Industrial University (625000, Tyumen, 38, Volodarsky str., e-mail: s.n.zherebtsov@mail.ru).
Поступила: 04.05.2023. Одобрена: 14.06.2023. Принята к публикации: 01.09.2023.
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов по отношению к статье.
Вклад авторов. Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку статьи.
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Сорогин, А.С. Экспериментальное сравнение термоэлектрического и жидкостного охлаждения солнечной панели с использованием программного комплекса PVSyst / А.С. Сорогин, Р.Н. Хамитов, С.Н. Жеребцов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2023. - № 46. - С. 196-218. DOI: 10.15593/2224-9397/2023.2.09
Please cite this article in English as:
Sorogin A.S., Hamitov R.N., Zherebtsov S.N. Experimental comparison of thermoelectric and liquid cooling of a solar panel using the PVSyst software package. Perm National Research Polytechnic University Bulletin. Electrotechnics, information technologies, control systems, 2023, no. 46, pp. 196-218. DOI: 10.15593/2224-9397/2023.2.09
