Местников Николай Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения, ведущий инженер отдела электроэнергетики, доцент кафедры техническихнаправлений подготовки
677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58; 677007, г. Якутск, ул. Кулаковского, 42; 677007, г. Якутск, ул. Кулаковского, 46
Nikolay P. Mestnikov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Power Supply, Leading Engineer of the Electric Power Engineering Department, Associate Professor of the Engineering Training Areas Department
58 Belinsky St., Yakutsk 677000; 42 Kulakovsky St., Yakutsk 677007; 46 Kulakovsky St., Yakutsk 677007
Манусов Вадим Зиновьевич, доктор технических наук, профессор, профессор политехнической школы
628012, г. Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16
Vadim Z. Manusov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Professor at the Polytechnic School
16 Chekhov St., Khanty-Mansiysk 628012
Цель – обоснование энергоэффективности комбинированного применения систем ручного дискретного позиционирования фотоэлектрических модулей и плоских отражающих систем для солнечных электростанций микро- и малой мощности, эксплуатируемых на изолированных территориях Севера. Работа базируется на методологии планирования натурного эксперимента и сравнительном анализе выходных характеристик исследуемых фотоэлектрических модулей. Исследования проведены в центральной части Якутии с применением научно-лабораторного стенда, оснащенного плоской отражательной системой, метеостанцией, регистраторами и средствами тепловизионного контроля. Предложен способ повышения выработки электроэнергии, заключающийся в ежечасной ручной коррекции азимутальных (от +90 до –90°) и зенитных (от 15° до 55°) углов жестко связанного блока «фотоэлектрический модуль – отражатель». Установлено, что данный регламент обеспечивает прирост среднесуточной генерации на 41,82 %, а прогнозируемой среднегодовой – на 30,88 % относительно стационарного размещения модулей. Выявлен побочный эффект нагрева поверхности фотоэлементов на 12–13 %, приводящий к росту тепловых потерь на 23,63 %, что обосновывает необходимость интеграции систем охлаждения в регионах с высокой инсоляцией. Доказана оптимальность 60-минутного шага регулирования как рационального компромисса между энергоэффективностью и трудозатратами потребителя. Выявлена широтная дифференциация эффективности метода: от адаптации фотоэлектрических модулей к низким углам Солнца в арктических районах (выше 66° с.ш.) до максимизации пиковой мощности в Южной Якутии. В ходе проведенных исследований подтверждена целесообразность внедрения дискретного позиционирования для повышения коэффициента использования установленной мощности солнечной электростанции в высоких широтах. Предложенный подход, дополненный системами накопления энергии, обеспечивает высокую энергетическую автономность удаленных потребителей без капитальных затрат на сложную автоматику, уязвимую в условиях экстремально низких температур воздуха на территории Севера и Арктики.
This study evaluates the energy efficiency of combining manual discrete tracking of photovoltaic modules with flat reflectors in micro- and small-scale solar power plants operated in remote northern regions. The study was based on full-scale experiments and comparative analysis of the output characteristics of photovoltaic modules. Experiments were conducted in central Yakutia (Russian Federation) using a laboratory test facility equipped with a flat reflector, weather station, data loggers, and thermal imaging equipment. A method is proposed to increase electricity generation through hourly manual adjustment of the azimuth (from +90° to –90°) and zenith (from 15° to 55°) angles of a rigidly coupled photovoltaic module–reflector assembly. This tracking strategy increased average daily electricity generation by 41.82 %, while the projected increase in average annual generation was 30.88 %, relative to fixed modules. A concomitant 12–13 % increase in the surface temperature of the photovoltaic cells resulted in 23.63 % higher thermal losses, indicating the need for integrated cooling systems in regions with high solar irradiance. A 60-min adjustment interval was found to provide an optimal compromise between energy efficiency and user effort. The effectiveness of the method also varied with latitude: in Arctic regions above 66° N, its principal benefit was the ability to adapt the photovoltaic modules to low solar elevation angles, whereas in southern Yakutia, it maximized peak power output. The results confirm the feasibility of discrete tracking as a means of increasing the capacity factor of solar power plants at high latitudes. In combination with energy storage systems, the proposed approach can provide a high degree of energy autonomy for remote consumers without the capital costs associated with sophisticated automation systems and their vulnerability to the extremely low air temperatures of northern and Arctic regions.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.