energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2024-67-5-381-392energy-2408Research ArticleОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКАGENERAL POWER ENGINEERINGМоделирование вертикальной тонкопленочной солнечной батареи при воздействии концентрированного солнечного излученияSimulation of Vertical Thin-Film Solar Battery under Exposure of Concentrated Solar RadiationЕсманА. К.EsmanA. K.

Адрес для переписки: Есман Александр Константинович – Белорусский национальный технический университет, просп. Независимости, 65, 220013, г. Минск, Республика Беларусь.Тел.: +375 17 331-00-50     ak_esman@bntu.by

Address for correspondence: Esman Alexander K. – Belarusian National Technical University, 65 Nezavisimosty Ave., 220013, Minsk, Republic of Belarus.Tel.: +375 17 331-00-50  ak_esman@bntu.by

ak_esman@bntu.byЗыковГ. Л.ZykovG. L.

г. Минск

Minsk

ПотачицВ. А.PotachitsV. A.

г. Минск

Minsk

КулешовВ. К.KuleshovV. K.

г. Минск

Minsk

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus202411102024675381392Copyright © Есман А.К., Зыков Г.Л., Потачиц В.А., Кулешов В.К., 20242024Есман А.К., Зыков Г.Л., Потачиц В.А., Кулешов В.К.Esman A.K., Zykov G.L., Potachits V.A., Kuleshov V.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2408

Солнечная энергетика является одним из наиболее важных и перспективных секторов энергетики в мире. Батареи, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию, могут стать заменой традиционным углеродным источникам энергии. Вертикальные тонкопленочные солнечные батареи – это один из новых подходов к генерации солнечной энергии. Вертикальное расположение солнечных панелей обеспечивает максимальное поглощение солнечного света на протяжении всего дня. Такая ориентация позволяет батареям получать солнечную энергию даже при низком угле падения солнечных лучей, что увеличивает время работы и повышает эффективность производства электроэнергии. В данной работе предложена трехмерная модель вертикально ориентированной солнечной батареи, а также выполнен расчет и произведена оценка температурных характеристик и КПД, получаемых в условиях изменения температуры окружающей среды. При этом варьировались плотности мощности концентрированного солнечного излучения с максимальными значениями от 1 до 10 кВт/м2. Изучено распределение и построены зависимости максимальных значений температуры солнечной батареи и градиента температуры внутри ее, а также зависимости минимальных и максимальных значений теплового потока с поверхности солнечной батареи от времени суток в серединах января и июля. Как показали расчеты, максимальные значения градиента температуры внутри солнечной батареи в январе на ~47–50 % выше, чем в июле. Разность потенциалов, генерируемая батареей, достигает максимальных значений с 11:00 до 16:00 как в январе, так и в июле. Использование вертикальных тонкопленочных солнечных батарей позволит повысить эффективность выработки электроэнергии и уменьшить эксплуатационные расходы за счет снижения влияния пыли, дождя и снега.

Solar energy is one of the most important and promising energy sectors in the world. Batteries that convert sunlight into electrical energy could become a replacement for traditional carbon-based energy sources. Vertical thin-film solar batteries are one of the new approaches to solar energy generation. The vertical configuration of solar panels provides maximum absorption of sunlight throughout the day. This orientation allows the batteries to capture solar energy even at low angles of incidence of the sun’s rays, which prolongs their operating time and improves the efficiency of electricity production. In this work, the authors proposed a three-dimensional model of a vertically oriented solar battery, as well as they calculated and evaluated the temperature characteristics and the efficiency obtained under conditions of changing ambient temperature. Herewith the power densities of concentrated solar radiation with maximum values from 1 to 10 kW/m2 were varied. The distribution of the maximum values of the surface temperature of the solar battery has been studied. Also, the dependences of the maximum values of the solar battery temperature and the temperature gradient inside it, as well as the dependences of the minimum and maximum values of the heat flux from the solar battery surface on the time of day in the middle of January and July have been studied and plotted. As the calculations have shown, the maximum values of the temperature gradient inside the solar battery in January are ~47–50 % higher than in July. The potential difference, generated by the battery, reaches its maximum values from 11 a.m. to 4 p.m. both in January and July. The use of vertical thin-film solar batteries will improve the power generation efficiency and lower operating costs by reducing the influence of dust, rain and snow.

солнечная панельCuInSe2трехмерная имитационная модельComsol Multiphysicsтеплопередачастабилизация температурыградиент температурытепловой потокКПДsolar panelCuInSe23D simulation modelComsol Multiphysicsheat transfertemperature stabilizationtemperature gradientheat fluxefficiencyReferencesReker, S. Investigation of Vertical Solar Power Plants Into a Future German Energy System / S. Reker, J. Schneider, C. Gerhards // Smart Energy. 2022. Vol. 7. P. 100083-1–100083-12. https://doi.org/10.1016/j.segy.2022.100083.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.Radiative Cooling for Vertical Solar Panels / H. Fang [et al.] // Science. 2024. Vol. 27, Iss. 2. P. 108806-1–14. https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.108806.Fang H., Zhou L., Dang S., St. De Wolf, Q. Gan. (2024) Radiative Cooling for Vertical Solar Panels. Science, 27 (2), 108806. https://doi.org/10.1016/j.isci.2024.108806.Исследование вертикально ориентированной солнечной батареи при воздействии концентрированного солнечного излучения / А. К. Есман [и др.] // Наука и техника. 2023. Т. 22, № 5. С. 405–410. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2023-22-5-405–410.Esman, A. K., Zykov G. L., Potachits V. A., Kuleshov V. K. (2023) Study of Vertically Oriented Solar Battery by Exposure of Concentrated Solar Radiation. Nauka i Tekhnika = Science and Technique, 22 (5), 405–410. https://doi.org/10.21122/2227-1031-2023-22-5-405-410 (in Russian).Солнечная батарея: пат. на пол. модель 7713 Респ. Беларусь: МПК F 24J 2/06, H 02N 6/00 / А. К. Есман, В. К. Кулешов, М. В. Шпектор. Опубл. 30.10.2011.Esman A. K., Kuleshov V. K., Shpektor M. V. (2011) Solar Battery. Patent of the Republic of Belarus No 7713 (in Russian).Heat Transfer Module. Analyze Thermal Effects with Advanced Simulation Software [Electronic Resource] // COMSOL, Inc. USA. Mode of access: https://www.comsol.com/heat-transfer-module. Date of access: 21.04.2024.Heat Transfer Module. Analyze Thermal Effects with Advanced Simulation Software. COMSOL. Available at: https://www.comsol.com/heat-transfer-module (accessed: 21 April 2024).Моделирование тонкопленочных солнечных элементов со структурой халькопирита CuInSe2 / А. К. Есман [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 1. С. 5–13. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-1-5-13.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. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (1), 5–13. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-1-5-13 (in Russian).Есман, А. К. Моделирование характеристик фототермоэлектрической батареи / А. К. Есман [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2021. Т. 64, № 3. С. 250–258. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-3-250-258.Esman A. K., Zykov G. L., Potachits V. A., Kuleshov V. K. (2021) Simulation of Photovoltaic Thermoelectric Battery Characteristics. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. 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 (in Russian).Thermo-Photo-Voltaic Cell [Electronic Resource] // COMSOL, Inc. USA. Mode of access: https://www.comsol.com/model/thermo-photo-voltaic-cell-494. Date of access: 21.04.2024.Thermo-Photo-Voltaic Cell. COMSOL. Available at: https://www.comsol.com/model/thermo-photo-voltaic-cell-494 (accessed: 21 April 2024).Временная стабильность характеристик солнечных элементов на основе соединения CuInGaSe2 в процессе работы / Е. В. Луценко [и др.] // Лазерная физика и оптические технологии: материалы IX Междунар. науч. конф. (Гродно, 30 мая – 2 июня 2012 г.): в 2 ч. / редкол.: С. А. Маскевич (гл. ред.) [и др.]. Гродно: ГрГУ, 2012. Ч. 2. С. 23–26.Lutsenko E. V., Rzheutsky N. V., Voinilovich A. G., Danilchik A. V., Svitenkov I. E., Pavlovsky V. N., Yablonsky G. P., Shiripov V. Ya., Nastochkin S. M., Khokhlov E. A. (2012) Temporal Stability of the Characteristics of Solar Cells Based on the CuInGaSe2 Compound during Operation. Lazernaya fizika i opticheskiye tekhnologii: materialy IX mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii [Laser physics and optical technologies: materials of the IX international scientific conference (Grodno, May 30 – June 2, 2012. Part 2]. Grodno, Yanka Kupala State University of Grodno, 23–26 (in Russian).Термоэлектрические свойства твердых растворов (CuInSe2)1−x(In2Te3)x / Ч. И. Абилов [и др.] // Физика и техника полупроводников. 2022. Т. 56, вып. 1. С. 38–41. https://doi.org/10.21883/FTP.2022.01.51809.25.Abilov Ch. I., Hasanova M. Sh., Huseynova N. T., Kasumova E.K. (2022) Thermoelectric Properties of (CuInSe2)1-x(In2Te3)x Solid Solutions. Semiconductors, 56 (1), 31–34. https://doi.org/10.21883/SC.2022.01.53014.25.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.