Повышение температурного уровня солнечной панели в городе Грозном в зависимости от уровня солнечной инсоляции



Использование солнечных панелей достигает максимальной эффективности в условиях наибольшего уровня солнечной инсоляции, однако низкая эффективность монокристаллических элементов приводит к тому, что часть тепла, не преобразованная в электричество, поступает на повышение температурного уровня панели, снижая ее эффективность, так в этой работе исследуется снижение эффективности солнечной панели в определенных условиях эксплуатации.

Ключевые слова: солнечные панели, элемент Пельтье, теплотехника.

В качестве расчетного региона принимается зона с субтропическим климатом, где солнечная панель оказывается под воздействием высоких температур, так расчетным регионом становится Кавказ.

Солнечная батарея (солнечная панель) монокристаллическая HC производства OSDA Solar (КНР). Модель ODA 550–36V-MH.

В таблице 1 приводятся основные технические характеристики панели.

Таблица 1

Характеристики
Параметр	Значение	Ед. изм.
P m	550	Вт
U ном	24	В
Тип	Монокристалл кремния	-
КПД	21.28	%
Число элементов и групп	144 (12x12)	-
Габариты	2279х1134х35	мм
Материал рамы	Анодированный алюминий	-
Фронтальное стекло материал	каленое просветленное стекло	-
Толщина стекла	3.2	мм
Диапазон рабочей температуры	От -45 до +85	℃
Срок эксплуатации	10	лет

Температура панелей в зонах с субэкваториальным климатом в России может достигать температуры в 70℃, рабочая температура с номинальным КПД равна 25℃, расчетный промежуток определен.

1. Уменьшение КПД панели можно рассчитать по формуле:

где — КПД фотоэлемента при 25℃ [%];

— температура поверхности солнечной панели [℃].

2. Снижение мощности панели можно рассчитать по формуле:

где — номинальная мощность солнечной панели при 25℃ [Вт];

β — температурный коэффициент мощности [℃ ^-1 ], для монокристаллических элементов из кремния может приниматься в диапазоне от -0,4 %/℃ до -0,45 %/℃;

– изменение температуры [℃].

Результат расчета снижения КПД и мощности для установленной солнечной панели приведен в таблицах 2–3.

Таблица 2

Температура поверхности , ℃	КПД , %
30	24,44
35	23,88
40	23,31
45	22,75
50	22,19
55	21,63
60	21,06
65	20,50
70	19,94

Поскольку в нашем случае рассчитано падение КПД на градус, мощность с некоторой точностью можно рассчитать по следующей формуле:

Таблица 3

Температура поверхности , ℃	Мощность Панели, Вт
30	537,63
35	525,25
40	512,88
45	500,50
50	488,13
55	475,75
60	463,38
65	451,00
70	438,63

Инфографики полученных расчетов приводятся на рис. 1.

Рис. 1. Полученные зависимости

Можно произвести расчет генерируемой энергии солнечной батареи, полученный результат определяет среднее количество вырабатываемой энергии, воспользуемся следующей формулой:

Уравнение теплового баланса для солнечной панели:

где — количество тепловой энергии, воспринятое панелью, [Вт]

— количество тепловой энергии, за исключением части преобразованной в электрическую энергию в фотоэлементе, [Вт]

— максимальной возможная/необходимая холодильная мощность элементов Пельтье для забора лишней части солнечного тепла, [Вт].

Формула повышения температуры солнечной панели:

где — температура окружающего воздуха, [℃];

— разница температур, которая зависит от интенсивности солнечного излучения, рассчитывается далее, [℃].

Расчет разницы температур от солнечной инсоляции:

где — площадь поверхности, [м2];

— показания солнечной инсоляции, [℃];

-удельная изобарная теплоемкость материала, [Дж/кг];

— коэффициент поглощения материала, [-];

— отражательная способность поверхности, [-] — принимается равной 0.04, как для каленого стекла, имеющего низку отражательную способность.

Чертеж солнечной панели с обозначениями основных элементов приводится на рисунке 2.

Рис. 2. Чертеж солнечной панели

Расчет количества тепла, подведенного солнечной энергией, можно рассчитать по следующей формуле [1]:

Количество тепла, преобразуемое в электрическую энергию:

Количество тепла, отводимое на повышение температурного уровня:

Таблица 4

Рассчитанные значения
Июнь			Июль			Август
Параметр	Значение	Ед.изм.	Параметр	Значение	Ед.изм.	Параметр	Значение	Ед.изм.
	15763	Вт		15402	Вт		13596	Вт
	33,8	℃		33	℃		29,1	℃
A	2,58	м 2	A	2,58	м 2	A	2,58	м 2
α	0,24	-	α	0,24	-	α	0,24	-
	9760	Вт		9537	Вт		8419	Вт
	6002	Вт		5865	Вт		5177	Вт
		℃		32,8	℃		33	℃
	62 ,3	℃		65,8	℃		62	℃

Проведенные расчеты показывают, что снижение КПД панели в условиях эксплуатации с субэкваториальным климатом может существенно снизить эффективность монокристаллических элементов, понижая результирующую выработку панели, для поддержания стабильного режима работы панели в диапазоне номинальных значений температуры можно использовать внешний холодный источник, повышая теплоотдачу поверхности, также возможно использовать термоэлектрические преобразователи в качестве элемента охлаждения или в качестве вторичного преобразователя тепловой энергии панели в электрическую энергию. Дальнейшее исследование может проводится в области уточнения граничных условий, так в работе не учитывались значения угла падения солнечных лучей, что напрямую “отражается” в количестве тепла, воспринимаемого панелью и преобразуемого в электрическую энергию [2]. В заключение можно сказать, что солнечные панели являются важным элементом современной энергетической инфраструктуры. Они обладают рядом преимуществ, среди которых экологичность, долговечность и возможность использования в различных климатических условиях. Однако существуют и некоторые недостатки, такие как высокая стоимость и зависимость от погодных условий, а также приведенное в этой работе повышенное значение температурного уровня панели.

Литература:

1. Аметистов Е. В., Белосельский Б. С., Емцев Б. Т., Клименко А. С., Комендантов А. С., Круг Г. К., Лабунцов Д. А., Махров В. В., Морозкин В. П., Охотин В. С., Павлов Ю. М., Протопопов В. С., Реутов Б. Ф., Созиев Р. И., Сычев В. В., Тимрот Д. Л., Тоцкий В. Е., Чистяков В. С., Чичков В. В., Шпильрайн Э. Э., Шурыгин А. П., Ягов В.В: теоретические основы теплотехники теплотехнический эксперимент. — Москва: Изд-во Энергоатомиздат, 1988. — 543 c.

2. Liu W., Wen J., Chao J., Yin W., Shen C., Lai D., Lin C. H., Liu J., Sun H., Chen Q. Accurate and high resolution boundary conditions and flow fields in the first class cabin of an MD 82 commercial airliner // Atmospheric Envi-ronment. — 2012. — Vol. 56. — P. 33–44.