Исследование вертикально ориентированной солнечной батареи при воздействии концентрированного солнечного излучения

Солнечная энергетика является одним из крупнейших секторов мировой электро- и теплоэнергетики. В поисках новых источников энергии ученые и инженеры всего мира все чаще обращают внимание на солнечные батареи, которые могут стать подходящей заменой невозобновляемых источников энергии. Вертикально ориентированные солнечные батареи позволят генерировать электроэнергию в течение всего светового дня, что исключает использование дополнительного оборудования. В статье предлагаются 3D модель солнечной батареи с вертикальной ориентацией ее модулей, а также расчет и оценка температурных характеристик и диапазон вариаций КПД, получаемых в условиях как суточных и сезонных изменений температуры окружающей среды, так и изменений плотности мощности концентрированного солнечного излучения, максимальные значения которой были выбраны равными 1; 5 и 10 кВт/м². Построены зависимости максимальных значений температуры солнечной батареи и градиента температуры внутри ее, а также зависимости минимальных, средних и максимальных значений лучистого теплового потока к поверхности солнечной батареи при наличии и отсутствии стабилизации температуры тыльной стороны радиатора от времени суток в серединах января и июля. Как показали расчеты, при концентрации солнечного излучения 10 кВт/м² КПД в июле увеличивается более чем в два раза за счет использования в батарее термоэлектрических преобразователей. Более того, согласно полученным результатам, при вертикальной ориентации солнечных модулей градиенты температуры и, следовательно, суммарный КПД солнечной батареи и время генерации энергии будут больше по сравнению с горизонтальным положением солнечных модулей, что позволит снизить эксплуатационные расходы.

1. Bekulova S. R. (2020) The Formation of an Institutional Environment that Promotes the Development of Renewable Energy in Russia. Teoreticheskaya i Prikladnaya Ekonomika = Theoretical and Applied Economics, 4, 66-80 (in Russian).

2. Tishkov S. V., Shcherbak A. P. (2019) Directions for the Development of Renewable Energy and its Role in the Socio-Economic Development of the Regions of the Northwestern Federal District. Trendy i Upravlenie = Trends and Management, (2), 11-18. https://doi.org/10.7256/2454-0730.2019.2.29408 (in Russian).

3. Reker S., Schneider J., Gerhards C. (2022) Investigation of Vertical Solar Power Plants Into a Future German Energy System. Smart Energy, 7, 100083. https://doi.org/10.1016/j.segy.2022.100083.

4. Esman A. K., Kuleshov V. K., Shpektor M. V. (2011) Solar Battery. Patent of the Republic of Belarus No 7713 (in Russian).

5. Heat Transfer Module. Analyze Thermal Effects with Advanced Simulation Software. Available at: https://www.comsol.com/heat-transfer-module (accessed 29 April 2023).

6. Esman A. K., Potachits V. A., Zykov G. L. (2018) Simulation of Tandem Thin-Film Solar Cell on the Basis of CuInSe2. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 61 (5), 385-395. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2018-61-5-385-395.

7. Esman A. K., Zykov G. L., Potachits V. A., Kuleshov V. K. (2020) Simulation of thin-Film Solar Cells with a CuInSe2 Chalcopyrite Structure. Energetika. Proc. CIS Higher Educ. Inst. and Power Eng. Assoc., 63 (1), 5-13.

8. Esman A. K., Zykov G. L., Potachits V. A., Kuleshov V. K. (2021) Simulation of Photovoltaic Thermoelectric Battery Characteristics. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Enegetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations,64 (3), 250-258. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-3-250-258.

9. Gulkov V. N., Kolesnichenko I. D., Korotkov K. E. (2019) Investigation of the Effect of Heating Solar Modules on the Efficiency of Radiation Conversion. Izvestiya SPbGETU “LETI” = Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University Journal, (1), 10-16 (in Russian).

10. Sorokin A. I. (2017) Segmented Thermoelectric Unicouple for an Operating Temperature Range of 30-320 °C. Semiconductors, 51 (7), 847-849.