ОПТИМИЗАЦИЯ УГЛОВ НАКЛОНА И ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ГОРОДА ЭКИБАСТУЗ

АННОТАЦИЯ

Данная работа посвящена исследованию эффективности применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в условиях резко континентального климата Павлодарской области. В ходе исследования на базе лаборатории колледжа был собран экспериментальный стенд для изучения влияния отрицательных температур и изменения углов инсоляции на вольт-амперные характеристики кремниевых фотоэлектрических панелей. Экспериментально доказано, что снижение температуры увеличивает выходное напряжение полупроводника. На основе географических координат города Экибастуз (51°43′ с. ш.) математически рассчитан и практически подтвержден оптимальный зимний угол наклона панелей, составляющий 67°. Предложенные рекомендации позволяют оптимизировать работу микро-генерации ВИЭ в зимний период.

Ключевые слова: фотоэффект, солнечные панели, КПД, Экибастуз, угол наклона, полупроводники, альтернативная энергетика.

ВВЕДЕНИЕ

Город Экибастуз исторически является топливно-энергетическим сердцем Казахстана, обеспечивающим значительную часть страны электроэнергией за счет традиционной угольной генерации крупнейших ГРЭС.

Однако современные глобальные экономические и экологические вызовы диктуют необходимость постепенного перехода к концепции «зеленой энергетики» и снижения углеродного следа.

В рамках Энергетической стратегии Республики Казахстан до 2060 года особое внимание уделяется развитию возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Для Павлодарского региона внедрение фотоэлектрических систем сопряжено с уникальными климатическими факторами: резко континентальный климат, суровые малооблачные зимы со сверхнизкими температурами и сильные ветровые нагрузки. Существует научно-техническое противоречие о том, что солнечная энергетика неэффективна в северных широтах в зимний период.

С точки зрения фундаментальной физики полупроводников, охлаждение кремниевой пластины снижает ее внутреннее сопротивление, что теоретически способно повысить напряжение и КПД панели.

Цель проекта: экспериментально доказать физическую эффективность работы солнечных панелей при отрицательных температурах и рассчитать оптимальный угол их стационарного наклона для зимнего периода в Экибастузе.

ЧАСТЬ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

В основе работы кремниевой солнечной панели лежит явление внутреннего фотоэффекта. При поглощении квантов света (фотонов) в полупроводнике происходит генерация пар носителей заряда «электрон-дырка». На p-n переходе возникает пространственное разделение зарядов, обуславливающее появление фото-ЭДС.

Важным физическим свойством кремния является сильная зависимость его проводимости от температуры. При повышении температуры полупроводника увеличивается тепловое движение кристаллической решетки, что приводит к росту вероятности рекомбинации носителей заряда и падению выходного напряжения. Математически это описывается температурным коэффициентом напряжения, который для кремния является отрицательным (≈- 0.4 %/ ⁰C).

Таким образом, при понижении температуры окружающей среды выходное напряжение полупроводникового элемента должно возрастать.

ЧАСТЬ 2. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И РАСЧЕТЫ

Для проведения исследований в лаборатории колледжа был собран измерительный стенд, включающий поликристаллическую солнечную панель номинальной мощностью 10 Вт, два цифровых мультиметра (для фиксации тока I и напряжения U), реостат в качестве нагрузки и цифровой термометр.

Расчет выходной мощности производился по формуле закона Ома:

P = I × U

2.1. Результаты температурных испытаний

Панель была жестко зафиксирована под углом 90⁰ к источнику стабильного искусственного освещения. С помощью термического воздействия (нагрев феном и искусственное охлаждение) были сняты параметры Вольт-амперной характеристики.

Таблица 1.

Зависимость параметров панели от температуры полупроводника.

Вывод по Опыту 1: Эксперимент полностью подтвердил теоретическую гипотезу. При падении температуры до -15 ⁰C за счет снижения сопротивления кремния мощность панели выросла на 17% по сравнению с комнатной температурой [см. выше].

2.2. Экспериментальное обоснование оптимального угла наклона

Географическая широта г. Экибастуз составляет ф≈ 51.7⁰ с. ш.

 По законам геометрической оптики, максимальный поток солнечной радиации падает на поверхность, когда лучи перпендикулярны ей. В солнечной энергетике оптимальный зимний угол наклона панели к горизонту рассчитывается по формуле:

α_зим = ф + 15⁰ = 51.7⁰ + 15⁰ = 66.7⁰

Эксперимент проводился на открытом воздухе в ясный день. Результаты измерения выработки энергии при изменении угла наклона транспортиром занесены в Таблицу 2.

Таблица 2.

Зависимость мощности от угла наклона панели (г. Экибастуз)

Вывод по Опыту 2: Максимальная мощность (10,45 Вт) была зафиксирована при угле наклона 67⁰ [см. выше]. Это экспериментально доказывает правильность тригонометрических расчетов для широты г. Экибастуза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

В ходе научно-исследовательской работы были сделаны следующие выводы

1. Низкие температуры воздуха в Павлодарском регионе физически повышают КПД кремниевых панелей за счет снижения тепловых потерь напряжения.

2. Математически и экспериментально доказано, что для г. Экибастуз оптимальный угол размещения зимних фотоэлектрических установок составляет 67⁰.

3. Рекомендовано использовать крутой угол наклона (67⁰) на локальных объектах г. Экибастуза, так как это не только максимизирует улавливание зимнего солнца, но и обеспечивает естественное скатывание снега и пыли, снижая эксплуатационные расходы.

Список литературы:

1. Закон РК «О поддержке использования возобновляемых источников энергии» от 4 июля 2009 года № 165-IV.
2. Министерство энергетики Республики Казахстан. Развитие возобновляемых источников энергии в РК. — Астана, 2023.
3. Кудинов А.А. Основы солнечной энергетики. — Москва: Энергоатомиздат, 2020.
4. Краснов В.И. Возобновляемые источники энергии. — Санкт-Петербург: Питер, 2021.