CC BY
84«Вопросы развития современной науки и техники»
технологий) //Инженерный вестник Дона. - 2016. - Т. 43. - №. 4 (43).
4. Раховецкий Г. А., Коркишко А. Н. Информационная модель проекта-как основа оптимизации стоимости на всех стадиях реализации проектов обустройства, на примере компании «Газпром нефть» //Инженерный вестник Дона. - 2017. - Т. 44. - №. 1 (44).
© И.В. Горлов, Л.Г. Лунькова, А.Н. Гульков, 2021
УДК 062
Кадацкий Павел Юрьевич Kadatsky Pavel Yuryevich
Студент Student
ФГБОУ ВО «Астраханский государственный университет»
FSBEI HE "Astrakhan State University"
ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗНЫХ ТИПОВ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ В РЕГИОНАХ С РЕЗКО КОНТИНЕНТАЛЬНЫМ КЛИМАТОМ
TO STUDY THE EFFICIENCY OF USING DIFFERENT TYPES OF SOLAR PANELS IN REGIONS WITH A SHARPLY CONTINENTAL CLIMATE
Аннотация. В статье рассказывается о разных типах солнечных панелей, об эффективности их использования в условиях резко континентального климата. Ставятся в пример солнечные электростанции, уже действующие в регионах с резко континентальным климатом. Приводятся экспериментальные данные зависимости эффективности разных типов солнечных панелей.
Abstract: The article describes the different types of solar panels, the effectiveness of their use in a sharply continental climate. The example of solar power plants that are already operating in regions with a sharply continental climate is given. Experimental data on the dependence of the efficiency of different types of solar panels are presented.
III Международная научно-практическая конференция
Ключевые слова. фотоэлемент, солнечная панель, фотоэлектрический преобразователь, резко континентальный климат, эффективность, солнечные электростанции.
Keywords: solar cell, solar panel, photovoltaic converter, sharply continental climate, efficiency, solar power plants.
Ещё в XIX веке был открыт способ преобразования энергии света в электричество. Его обнаружил французский физик Александр Эдмон Беккерель в 1842 году. Прошло почти сто лет прежде, чем человек смог сделать первый фотоэлемент в привычном нам виде. Это произошло в 1954 году. Именно тогда специалисты компании Bell Laboratories - Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон - заявили о создании первых солнечных элементов на основе кремния для получения электрического тока. На сегодняшний день установленная мощность всех СЭС в мире составляет более 160 ГВт и продолжает расти [1].
Благодаря развитию науки и техники сейчас существуют различные виды фотоэлементов: монокристаллические, поликристаллические, плёночные, которые производят на основе различных полимеров, и аморфные. Следует отметить, что понятия фотоэлемент, фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), солнечная батарея и солнечная панель равнозначны. Солнечная панель представляет комплекс фотоэлементов.
Кремневые монокристаллические фотоэлектрические преобразователи являются самыми дорогостоящими, так как используют очень трудно производимый материал - специально выращенные кристаллы кремния. Готовые панели ФЭП представляют собой бруски с кремниевой решеткой темно-синего цвета с закругленными краями. В результате использования качественного сырья и сложного процесса производства кремниевые монокристаллические панели достигают наивысших показателей производительности (КПД до 25%), а также отличаются длительным сроком эксплуатации. Высокий показатель эффективности достигается за счет использования всей поверхности модуля, даже захватывая рассеянный солнечный свет.
Несмотря на дороговизну монокристаллических конструкций, они быстрее
20
«Вопросы развития современной науки и техники» себя окупают. Кроме того, из-за высокой мощности и производительности их
можно использовать в меньшем количестве, тем самым экономя на площади.
Однако нужно постоянно за ними ухаживать, так как малейшее загрязнение или
затемнение приводит к существенному снижению выработки.
Поликристаллические ФЭП производятся из нескольких кристаллов. По своим качествам они значительно уступают монокристаллическим. Это связано с использованием более низкокачественного кремния, который получен при переработке непригодных монокристаллических батарей, и с более простым процессом производства. КПД таких панелей не превышает 18%. Поликристаллические панели более популярны, чем монокристаллические, так как они менее прихотливы к захватыванию света и способны эффективно работать пасмурную погоду.
Тонкоплёночные панели производятся зачастую на основе теллурида кадмия (CdTe) или CIGS [2]. Использование теллурида кадмия было оправдано высоким уровнем поглощения им солнечного света. Однако учёные долгое время вели споры насчёт опасности его использования в домашней электронике ввиду его ядовитых испарений. Но, как показывают последние исследования, при пользовании солнечными панелями он не составляет угрозы для человеческого здоровья, так как все испарения, полученные при его активации солнечной радиацией, уходят в атмосферу. Эффективность работы солнечных батарей на основе кадмия предельно мала, всего 10%. Поэтому ввиду их высокой стоимости, использования вредных материалов и низкой выработки они не пользуются широким спросом.
CIGS - это полупроводниковая структура, которая состоит из таких элементов как галлий, медь, индий и селен [2]. Они имеют схожую структуру с кадмиевыми панелями, гибкие и отличаются широким способом применения. Пленочная панель на основе галлия - это новое направление в сфере источников питания. В отличие от кадмиевых батарей эффективность их работы достаточно высока, от 15 до 20%, поэтому они составляют прямую конкуренцию монокристаллическим батареям.
III Международная научно-практическая конференция Еще одним типом солнечных батарей являются аморфные модули. Такая
солнечная батарея производится из аморфного кремния и отличается от
стандартных кремниевых батарей способом изготовления. Здесь используется не
чистое сырье, а его горячие пары, которые осаждают подложку. Результатом
подобной работы становятся готовые солнечные панели, однако при этом не
нужно выращивать кристаллы, что резко сокращает и время, и затраты на
производство. Основным материалом выступает силан. Батарея из аморфного
кремния активно используется в качестве тонких пленочных модулей [3]. Это
связано с особенностью производственного процесса, где в результате
получается панель на гибкой, а не на твердой подложке. Аморфные батареи стоят
дороже за счет своей эластичной структуры. Наибольший спрос на них в
северных районах, так как благодаря физико-химическому составу модулей им
свойственно поглощать солнечную энергию даже при слабом рассеянном свете.
При строительстве солнечных электростанций (СЭС) необходимо
учитывать то, что при своём относительно малом КПД (около 25% максимум)
солнечные панели нагреваются и на это уходит остальная часть солнечной
энергии (75% или больше). При этом с увеличением температуры фотоэлемента
на 1°С его эффективность падает в среднем на 0,5%. Зависимость нелинейная и
при повышении температуры на 10°С его эффективность падает почти в два раза.
Активные системы охлаждения - насосы и вентиляторы - потребляют
значительное количество энергии, требуют периодического обслуживания и
снижают надёжность всей системы. Пассивные системы охлаждения не могут
справиться с задачей охлаждения солнечных батарей, а усложнение технологии
и так повышает немалую стоимость [4].
Другой недостаток - необходимость содержания поверхности солнечных
элементов в постоянной чистоте. Он усугубляется в условиях сурового
сибирского климата. Долгий зимний период обуславливает дополнительные
эксплуатационные затраты из-за необходимой очистки поглощающих
поверхностей солнечных панелей от снега и наледей. В Астраханской области
солнечные панели работают в условиях повышенного пылевого загрязнения.
«Вопросы развития современной науки и техники» Следовательно, необходимо ставить системы очистки, что повышает затраты на
строительство станции [4].
Использование солнечных панелей в условиях резко континентального климата характеризуется многими параметрами. Резко континентальный климат отличается небольшой влажностью воздуха, малым количеством осадков, выпадающих за год (около 400 мм в среднем). Характерны большие колебания температур, как годовых, так и суточных. Зимы продолжительные и холодные, температура может достигать -65°С. Лето тёплое, дождливое, температура может достигать 25-35°С. Этот тип климата в России характерен для регионов Восточной и Центральной Сибири. Этот район страны достаточно суров для использования солнечных электростанций, однако выглядит перспективно их строительство в южной части этого региона, например, на Алтае. Также резко континентальный климат присутствует в Астраханской области и республике Калмыкия. Характеризуется достаточно жарким, солнечным летом (45°С в тени). Зимы здесь теплее, чем в районах Центральной и Восточной Сибири, около -10°С в среднем. Причём зимой здесь выпадает наибольшее количество осадков за год.
Уже сейчас в Сибири работают три солнечных электростанции общего пользования мощностью более 5 МВт - это с Кош-Агачская 10 МВт и Усть-Канская 5 МВт в Республике Алтай, Абаканская 5,2 МВт в Республике Хакасия. Такие показатели мощности были реализованы в 2014 году компанией «Хевел» [4]. Сейчас они возросли, и построенная в 2019 году той же компанией Ахтубинская СЭС в Астраханской области достигла отметки в 60 МВт. Также в области действуют Лиманская 30 МВт, Фунтовская 60 МВт и СЭС «Нива» 15 МВт.
Целью работы являлось выяснить, какие из видов солнечных панелей: 1). монокристаллические; 2). поликристаллические; 3). аморфные; 4). тонкопленочные на основе CIGS - являются наиболее эффективными в условиях работы резко континентального климата в г. Астрахань. Для этого были взяты панели каждого вида, имеющие схожие характеристики: площадь 0,71 м2, пиковая мощность 100 Вт.
III Международная научно-практическая конференция Измерения проводились с июля 2020 по январь 2021 г. Учитывалось
влияние температуры окружающей среды, снижение мощности за счёт пыли,
грязи (загрязнение солнечной панели) и загрязнение воздуха, освещённость
(ясные, пасмурные и облачные дни), наличие снежного покрова и обледенение
панелей. Продолжительность измерений проводилась ежедневно с 8:00 до 17:00.
На рис.1. показана среднечасовая выработка электроэнергии разными
типами солнечных батарей: 1) монокристаллической; 2) поликристаллической;
3) тонкоплёночной на основе CIGS; 4) аморфной.
Рис.1. Среднечасовая выработка электроэнергии в зависимости от времени, погодных условий и сезонов года. Цифрами обозначены типы панелей в соответствии с описанием выше
Как видно из рисунка в ясный день 8.07.20 все типы солнечный панелей показали довольно успешные результаты. 20.09.20 (переменная облачность) наиболее эффективные результаты показали монокристаллические и аморфные панели. 23.10.20 (пасмурный день) самый максимальный результат показала аморфная панель, минимальный - поликристаллическая. 11.01.21 (снежный покров) наибольшее значение по выработке электроэнергии было достигнуто
«Вопросы развития современной науки и техники»
монокристаллической, поликристаллической панелями и тонкоплёночной панелью CIGS.
На основании приведённых результатов можно заключить, что наиболее эффективными в условиях резко континентального климата в г. Астрахань оказались монокристаллические и аморфные панели. Тонкоплёночные панели на основе CIGS также показали хорошие результаты, однако они немного «отстают» от показателей монокристаллической и аморфной панели. Поликристаллическая имеет самые низкие показатели эффективности. Следует учитывать, что монокристаллическая и аморфная панель также имеют существенные недостатки. Панель из монокристаллов кремния слишком дорога в производстве, а аморфная, несмотря на показатели высокой эффективности в различных условиях освещённости (ясный, пасмурный день, переменная облачность), плохо функционирует при наличии снежного покрова.
Необходимо отметить, что эффективность выработки электроэнергии 8.07.20 ниже эффективности в ясный день 14.10.20. Результаты показаны на рис.2.
Рис.2. Зависимость параметров показателей мощностей разных типов
солнечных панелей от температуры в ясные дни 8.07.20 и 14.10.20. Цифрами обозначены типы панелей в соответствии с описанием выше
Известно, что повышение температуры и нагрев солнечных элементов в солнечных модулях оказывает отрицательное влияние на работу СБ снижая фотоэффект и выработку электроэнергии. Охлаждаемые или вентилируемые СБ
III Международная научно-практическая конференция имеют более высокий КПД. В морозную, но ясную погоду СБ вырабатывают больше энергии, чем в жаркую погоду (хотя общий кумулятивный эффект снижается из-за короткого светового дня).
Известно, что аэрозоли, пыль и грязь оседает на рабочей поверхности панелей, снижая эффективность их работы. Чем чище поверхность панели, тем большее количество фотонов поглощаются солнечными элементами. Для примера были взяты данные из работы «Исследование влияния погодных условий на параметры работы солнечных батарей в естественных условиях эксплуатации», авторы Н. Р. Юмаев, Н. Ш. Юсуфбеков [5]. В работе рассматривается эффективность использования солнечных батарей в г. Душанбе. В таблице 1 приведены исследования авторов по измерению параметров солнечной батареи до и после отчистки их поверхности от пыли.
Таблица 1. Измерение параметров солнечной батареи до и после их
отчистки поверхности от пыли
До очистки После очистки
Дата t, ч U, В I, А Pmax, Вт t, ч U, В I, А Pmax, Вт Увеличение мощности, %
18.11.16 10.30 20.10 3.43 55.15 10.35 20.15 3.53 56.90 3.2
28.11.16 10.30 20.60 3.60 59.33 10.35 20.70 3.76 62.27 5
20.12.16 10.30 19.70 0.19 2.99 10.35 19.82 0.27 4.28 43
Как видно из данных таблицы, вырабатываемая мощность, в зависимости от продолжительного времени запылённости поверхности батареи, после очистки от пыли увеличивается от 3 до 43%.
Библиографический список:
1. Ирха В. А. Чеботарев С. Н. Пащенко А. С. Региональный опыт инсталляции и эксплуатации индивидуальной солнечной энергоустановки в условиях юга России. Renewable energy forum, REEFOR 2013 — M, 2013, с. 205209.
2. Афанасьев В. П., Теруков Е. И., Шерченков А. А. Тонкопленочные
«Вопросы развития современной науки и техники» солнечные элементы на основе кремния. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011.
3. Андреев В. М., Грилихес В. А., Румянцев В. Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989.
4. Любимова Е. В. Новые возможности природопользования в энергетике // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Экономическое развитие Сибири и Дальнего Востока. Экономика природопользования, землеустройство, лесоустройство, управление недвижимостью» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 17-21 апреля 2017 г.). -Новосибирск : СГУГиТ, 2017. Т. 1. - С. 162-167.
5. Юмаев, Н. Р. Исследование влияния погодных условий на параметры работы солнечных батарей в естественных условиях эксплуатации / Н. Р. Юмаев, Н. Ш. Юсуфбеков. — Текст : непосредственный // Технические науки: традиции и инновации : материалы III Междунар. науч. конф. (г. Казань, март 2018 г.). — Казань: Молодой ученый, 2018. — С. 52-57. — URL: https://moluch.ru/conf/tech/archive/287/13663/
