Моделирование вертикальной тонкопленочной солнечной батареи при воздействии концентрированного солнечного излучения

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.

1. Reker, 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.