ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2021-4-435-449ipolytech-502Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGИсследование возможности применения фотоэлектрических солнечных установок внутри купольного строения в условиях СевераApplicability of photoelectrical solar units inside domical structures in northern conditionsМестниковН. П.MestnikovN. P.

Местников Николай Петрович, аспирант, ассистент кафедры электроснабжения; ведущий инженер отдела электроэнергетики

677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58, Республика Саха (Якутия)

677007, г. Якутск, ул. Кулаковского, 42, Республика Саха (Якутия)

Nikolay P. Mestnikov, Postgraduate student, Assistant Professor of the Department of Power Supply; Leading Engineer of the Department of Electric Power

58 Belinsky St., Yakutsk 677000, Republic of Sakha (Yakutia)

42 Kulakovsky St., Yakutsk 677007, Republic of Sakha (Yakutia)

sakhacase@bk.ruВасильевП. Ф.VasilyevP. F.

Васильев Павел Филиппович, кандидат технических наук, заведующий кафедрой электроснабжения; заведующий Отделом электроэнергетики

677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58, Республика Саха (Якутия)

677007, г. Якутск, ул. Кулаковского, 42, Республика Саха (Якутия)

Pavel F. Vasilyev, Cand. Sci. (Eng.), Head of the Department of Power Supply; Head of the Electric Power Engineering Department

58 Belinsky St., Yakutsk 677000, Republic of Sakha (Yakutia)

42 Kulakovsky St., Yakutsk 677007, Republic of Sakha (Yakutia)

kb-8@mail.ruДавыдовГ. И.DavydovG. I.

Давыдов Геннадий Иванович, научный сотрудник Отдела электроэнергетики

677027, г. Якутск, ул. Октябрьская, 1, Республика Саха (Якутия)

Gennadiy I. Davydov, Researcher of the Department of Electric Power Engineering

1 Oktyabrskaya St., Yakutsk 677027, Republic of Sakha (Yakutia)

dav_gen@mail.ruХоютановА. М.KhoyutanovA. M.

Хоютанов Александр Михайлович, научный сотрудник Отдела электроэнергетики

677027, г. Якутск, ул. Октябрьская, 1, Республика Саха (Якутия)

Aleksandr M. Khoyutanov, Researcher of the Department of Electric Power Engineering

1 Oktyabrskaya St., Yakutsk 677027, Republic of Sakha (Yakutia)

shuriklater@mail.ruАльзаккарА. М.-Н.AlzakkarA. M.-N.

Альзаккар Ахмад Мухаммед-Насер, аспирант

420066, г. Казань, ул. Яруллина, 6

Ahmad M.-N. Alzakkar, Postgraduate student

6 Yarullin St., Kazan 420066

ahmadalzakkar86@gmail.comСеверо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова; Институт физико-технических проблем Севера СО РАНРоссияM.K. Ammosov North-Eastern Federal University; Institute of Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут физико-технических проблем Севера СО РАНРоссияInstitute of Physical-Technical Problems of the North of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian Federation202131082021254435449Copyright © Местников Н.П., Васильев П.Ф., Давыдов Г.И., Хоютанов А.М., Альзаккар А.М., 20212021Местников Н.П., Васильев П.Ф., Давыдов Г.И., Хоютанов А.М., Альзаккар А.М.Mestnikov N.P., Vasilyev P.F., Davydov G.I., Khoyutanov A.M., Alzakkar A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/502

Цель – исследование возможности размещения фотоэлектрических солнечных установок внутри купольного строения, находящегося на базе испытательного полигона Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова в центральной части Республики Саха (Якутия), с сохранением значительной доли ген ерации мощности и определение оптимального расстояния между фотоэлектрической солнечной установкой и прозрачными стенами данного купольного строения. В исследовании применялись методики и способы определения снижения электроэнергетической эффективности фотоэлектрических солнечных установок при изменении среды размещения, было выявлено оптимальное расстояние размещения установки внутри прозрачных купольных строений с приведением графических интерпретаций и градиентов. Авторами статьи получены контрольные параметры снижения величины светового потока, мощности генерации фотоэлектрической солнечной установки при изменении среды эксплуатации и оптимальное расстояние размещения фотоэлектрической солнечной установки внутри купольного строения в целях значительного снижения поверхностного загрязнения фотоэлектрической солнечной установки. На основе проведенных исследований определено, что в случае эксплуатации фотоэлектрических солнечных установок внутри прозрачного купольного строения мощность генерации падает на 25,61% в сравнении с фактическими данными генерации на открытом пространстве. Определено, что с увеличением расстояния между прозрачными стенами строения и установкой мощность генерации падает на ~ 23,01%, светового потока – на 5,224% на расстоянии до 1,5 м. Кроме того, данный способ применения фотоэлектрических солнечных установок микромощности внутри купольного строения может применяться в рамках строительства и проектирования системы «Умный дом» и объектов автономной генерации электроэнергии и мощности на территории северных регионов России.

The possibility of installing photoelectrical solar units inside domical structures with the maintenance of their power generation level was investigated; an optimal distance between a photoelectrical solar unit and the transparent walls of the respective domical structure was determined. The experiments were carried out at the North-Eastern Federal University in the central part of the Republic of Sakha (Yakutia) by determining reduction in the electrical energy efficiency of photoelectrical solar units when changing their location. An optimal distance for installing such units within transparent domical structures was found based on graphical interpretations and gradients. The authors obtained reference parameters for light flux reduction, the generation power of a photoelectrical solar unit when changing the operation medium, and the optimal distance of a photoelectrical solar unit inside a domical structure for reducing the surface contamination of the unit. It was found that, when photoelectrical solar units are operated within a transparent domical structure, the power generation falls by 25.61% as compared to actual results in open space. It was found that an increase in the distance between the transparent walls of the domical structure and the unit led to a decrease in the power generation by ~23.01% and the light flux power by 5.224% at 1.5 m. This method of installing photoelectrical solar units can be used in the construction and designing of smart home systems and autonomous power generation facilities in northern regions of Russia.

солнечная панель малой мощностиповерхностное загрязнениемониторинг работыкупольное строениезданиеEPEVERlow power solar panelsurface pollutionoperation monitoringdome structurebuildingEPEVERРезультаты исследований, описанные в настоящей статье, подготовлены в рамках выполнения государственного задания по проекту «Исследования путей повышения эксплуатационной надежности и эффективности интеллектуальных электроэнергетических систем в условиях Севера и Арктики» ФНИ в РФ на 2021– 2030 гг. по приоритетному направлению «Основы эффективного развития и функционирования энергетических систем на новой технологической основе в условиях глобализации, включая проблемы энергобезопасности, энергосбережения и рационального освоения природных энергоресурсов», и при финансовой поддержке публикационной активности СВФУ в рамках научного проекта № 20-11-00001.The research results described in the article were prepared as a part of fulfilling the state task on the project "Research into the methods to improve the operational reliability and efficiency of intelligent electric power systems in the North and the Arctic" of the Fundamental Scientific Researches of the Russian Federation for the period from 2021 to 2030 in the priority direction "Fundamentals of the effective development and operation of energy systems on a new technological basis in globalization conditions including the problems of energy security, energy saving and rational development of natural energy resources”. The publications of the M.K. Ammosov North-Eastern Federal University are funded in the framework of the scientific project no. 20-11-00001.ReferencesФилиппов Д.В., Васильев П.Ф., Петрова А.Н., Григорьев Б.В. Эксперимент «Дом под куполом» // Климат 2021: современные подходы к оценке воздействия внешних факторов на материалы и сложные технические системы: матер. VI Всерос. науч.-техн. конф. (г. Геленджик, 20–21 мая 2021 г.). Геленджик: Изд-во ГЦКИ ВИАМ им. Г.В. Акимова, 2021. С. 17−25.Filippov DV, Vasil'ev PF, Petrova AN, Grigor'ev BV. An experiment „A dome house.‟ In: Klimat 2021: sovremennye podhody k ocenke vozdejstviya vneshnih faktorov na materialy I slozhnye tekhnicheskie sistemy: materialy VI Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii = Climate 2021: modern approaches to assessing the impact of external factors on materials and complex technical systems: materials of VI All-Russian scientific and technical conference. 20–21 May 2021, Gelendzhik. Gelendzhik: G.V. Akimov Gelendzhik Center for Climate Testing, All-Russian scientific research institute of aviation materials; 2021, р. 17−25. (In Russ.)Васильев П.Ф., Местников Н.П. Исследование влияния резко-континентального климата Якутии на функционирование солнечных панелей // Международный технико-экономический журнал. 2021. № 1. С. 57−64. https://doi.org/10.34286/1995-4646-2021-76-1-57-64Vasilyev PF, Mestnikov NP. Research of the effect of the sharply continental climate of Yakutia on the functioning of solar panels. Mezhdunarodnyj tekhnikoekonomicheskij zhurnal = The International TechnicalEconomic Journal. 2021;1:57−64. https://doi.org/10.34286/1995-4646-2021-76-1-57-64Макаров В.Н., Торговкин Н.В. Загрязнение атмосферы города Якутска взвешенными веществами // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2020. Т. 25. № 1. С. 43−50.Makarov VN, Torgovkin NV. Yakutsk atmosphere pollution by suspended substances. Prirodnye resursy Arktiki i Subarktiki = Arctic and Subarctic Natural Resources. 2020;25(1):43−50.Торговкин Н.В., Макаров В.Н.Влияние современных климатических изменений на геохимические особенности мерзлотных почв г. Якутск // Устойчивость природных и технических систем в криолитозоне: матер. Всерос. конф. с междунар. участием, посвященной 60- летию образования Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН (г. Якутск, 28–30 сентября 2020 г.). Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, 2020. С. 182−184.Torgovkin NV, Makarov VN. Climate change influence on geochemical features of cryosoles in Yakutsk. Ustojchivost' prirodnyh I tekhnicheskih sistem v kriolitozone: materialy Vserossijskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem, posvyashchennoj 60-letiyu obrazovaniya Instituta merzlotovedeniya im. P.I. Mel'nikova Sibirskogo otdeleniya Rossijskoj akademii nauk = Stability of natural and engineering systems in the cryolithozone: materials of All-Russian conference with international participation dedicated to the 60th anniversary of the formation of the P.I. Melnikov Permafrost Institute of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences. 28–30 September 2020, Yakutsk. Yakutsk: P.I. Melnikov Permafrost Institute of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; 2020, р. 182−184. (In Russ.)Mazumder M.K., Horenstein M.N., Stark J.W., Girouard P., Sumner R., Henderson B., et al. Characterization of electrodynamic screen performance for dust removal from solar panels and solar hydrogen generators // IEEE Transactions on Industry Applications. 2013. Vol. 49. Iss. 4. Р. 1793–1800. https://doi.org/10.1109/TIA.2013.2258391Mazumder MK, Horenstein MN, Stark JW, Girouard P, Sumner R, Henderson B, et al. Characterization of electrodynamic screen performance for dust removal from solar panels and solar hydrogen generators. In: IEEE Transactions on Industry Applications. 2013;49(4):1793– 1800. https://doi.org/10.1109/TIA.2013.2258391Habib M.R., Tanvir M.S., Suhan A.Yo., Vadher A., Alam S., Shawmee T.T., et al. Automatic solar panel cleaning system based on Arduino for dust removal // International Conference on Artificial Intelligence and Smart Systems (ICAIS). 2021. https://doi.org/10.1109/ICAIS50930.2021.9395937Habib MR, Tanvir MS, Suhan AYo, Vadher A, Alam S, Shawmee TT, et al. Automatic solar panel cleaning system based on Arduino for dust removal. In: International Conference on Artificial Intelligence and Smart Systems (ICAIS). 2021. https://doi.org/10.1109/ICAIS50930.2021.9395937Панченко В.А., Дегтярев К.С., Сангджиев М.М. Влияние пыли и песка на возобновляемые источники энергии в Калмыкии // Инновации в сельском хозяйстве: VII Междунар. науч.-техн. конф. (г. Москва, 13–14 декабря 2016 г.). М.: Изд-во ВИЭСХ, 2016. С. 176−183.Panchenko VA, Degtyarev KS, Sangdzhiev MM. Influence of dust and sand on renewable energy sources in Kalmykia. In: Innovacii v sel'skom hozyajstve: VII Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferenciya = Innovation in agriculture: VII International scientific and technical conference. 13–14 December 2016, Moscow. Moscow: All-Russian research institute of agriculture mechanisation, 2016; р. 176−183. (In Russ.)Пермяков М.Б., Краснова Т.В., Иванченко Т.А. Использование солнечной энергии в комплексе энергоэффективных зданий-полигонов //Строительные материалы, конструкции и технологии XXI века: межвуз. сб. науч. тр. / под ред. М.Б. Пермякова. Магнитогорск: Изд-во МГТУ им. Г.И. Носова, 2019. С. 28−35.Permyakov MB, Krasnova TV, Ivanchenko TA. Use of solar energy in a complex of energy-efficient testing buildings. In: Permyakov MB (eds.). Stroitel'nye materialy, konstrukcii i tekhnologii XXI veka: mezhvuzovskij sbornik nauchnyh trudov = Building materials, structures and technologies of the XXI century: interuniversity collection of scientific articles. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University; 2019, р. 28−35. (In Russ.)Местников Н.П. Исследование влияния резкоконтинентального климата Севера на работу поликристаллической солнечной панели // Eurasia Science: сб. ст. XXXVII Междунар. науч.-практ. конф. (г. Москва, 15 мая 2021 г.). М.: ООО «Актуальность. РФ», 2021. С. 72−74.Mestnikov NP. Study of the influence of the sharp continental climate of the North on the operation of a polycrystalline solar panel. In: Eurasia Science: sbornik statej XXXVII Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii = Eurasia Science: collected articles of XXXVII International scientific and practical conference. 15 May 2021, Mosсow. Mosсow: OOO “Aktual'nost'. RF”; 2021, р. 72−74. (In Russ.)Местников Н.П., Васильев П.Ф., Альхадж Ф.Х. Разработка гибридных систем электроснабжения для энергоснабжения удаленных потребителей в условиях Севера и Арктики // Международный техникоэкономический журнал. 2021. № 1. С. 47−56. https://doi.org/10.34286/1995-4646-2021-76-1-47-56Mestnikov NP, Vasilyev PF, Al'hadzh FH. Development of hybrid power supply systems for power supply of remote consumers in North and Arctic conditions. Mezhdunarodnyj tekhniko-ekonomicheskij zhurnal = The International Technical-Economic Journal. 2021;1:47−56. https://doi.org/10.34286/1995-4646-2021-76-1-47-56Местников Н.П., Нуруллин Э.Г. Исследование и моделирование процесса генерации ветровой и солнечной электростанции мощностью 650 Вт // Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы 2019 (МНТК «ИМТОМ–2019»): матер. Х Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 2. (г. Казань, 5–6 декабря 2019 г.). Казань, 2019. С. 436−439.Mestnikov NP, Nurullin G. Research and modeling of 650W wind and solar power plant generation. In: Innovacionnye mashinostroitel'nye tekhnologii, oborudovanie i materialy 2019 (MNTK «IMTOM–2019»): materialy X Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii = Innovative machine-building technologies, equipment and materials 2019 (ISTC ‘IMTEM-2019’): materials of X International scientific and technical conference. Раrt2. 5–6 December 2019, Kazan'. Kazan'; 2019, р. 436−439. (In Russ.)Hossain M., Rabbi F., Zaman S., Rahman F., Islam M.S. Study of dust effect on PV panel‟s efficiency during winter for Dhaka, Bangladesh // 2nd International Conference on Sustainable Technologies for Industry 4.0 (STI). 2020. https://doi.org/10.1109/STI50764.2020.9350391Hossain M, Rabbi F, Zaman S, Rahman F, Islam MS. Study of dust effect on PV panel‟s efficiency during winter for Dhaka, Bangladesh. In: 2nd International Conference on Sustainable Technologies for Industry 4.0 (STI). 2020. https://doi.org/10.1109/STI50764.2020.9350391Elangovan H., Ranjan U., Jagdish А.K., Ramamurthy P.C., Chattopadhyay K. Performance of monocrystalline silicon solar cell- influence of dust on ultra-violet and visible region during early stage of deposition // IEEE 44th Photovoltaic Specialist Conference (PVSC). 2017. https://doi.org/10.1109/PVSC.2017.8366172Elangovan H, Ranjan U, Jagdish АK, Ramamurthy PC, Chattopadhyay K. Performance of monocrystalline silicon solar cell- influence of dust on ultra-violet and visible region during early stage of deposition. In: IEEE 44th Photovoltaic Specialist Conference (PVSC). 2017. https://doi.org/10.1109/PVSC.2017.8366172Darwish Z.A., Sopian K., Kazem Н.А., Alghoul M.A., Alawadhi Н. Investigating the effect of titanium dioxide (TiO2) pollution on the performance of the monocrystalline solar module // World Renewable Energy Congress-17: E3S Web Conference.2017. Vol. 23. Р. 01005. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20172301005Darwish ZA, Sopian K, Kazem НА, Alghoul MA, Alawadhi Н. Investigating the effect of titanium dioxide (TiO2) pollution on the performance of the mono-crystalline solar module. In: World Renewable Energy Congress-17: E3S Web Conference. 2017;23:01005. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20172301005Kavya V., Keshav R.M.R. Solar dust detection system // International Conference on Power Energy, Environment and Intelligent Control (PEEIC). 2018. https://doi.org/10.1109/PEEIC.2018.8665410Kavya V, Keshav RMR. Solar dust detection system. In: International Conference on Power Energy, Environment and Intelligent Control (PEEIC). 2018. https://doi.org/10.1109/PEEIC.2018.8665410Tiwari S., Rani P., Patel R.N. Examining the economic viability of a solar panel dust cleaning // IEEE International Conference on Electrical, Computer and Communication Technologies (ICECCT). 2019. https://doi.org/10.1109/ICECCT.2019.8869011Tiwari S, Rani P, Patel RN. Examining the economic viability of a solar panel dust cleaning. In: IEEE International Conference on Electrical, Computer and Communication Technologies (ICECCT). 2019. https://doi.org/10.1109/ICECCT.2019.8869011Чарыев Я., Сарыев К., Ходжанепесов К., Пенджиев А. Технико-экономическое обоснование использования солнечных фотоэлектрических модулей в Туркменистане // Инновации в сельском хозяйстве. 2016. № 5. С. 214−218.Charyev Ya, Saryev K, Hodzhanepesov K, Pendzhiev A. Feasibility study of the use of solar photovoltaic modules in Turkmenistan. Innovacii v sel'skom hozyajstve. 2016;5:214−218. (In Russ.)Басан Д., Коломиец Ю.Г., Сулейманов М.Ж. Исследование влияния запыления на эффективность работы солнечных модулей с учетом природных особенностей Монголии // Возобновляемая энергетика – XXI век: энергетическая и экономическая эффективность REENCONXXI: матер. IV Междунар. конгр. (г. Москва, 5–6 июня 2018 г.). М.: Изд-во ОИВТ РАН, 2018. С. 21−25.Basan D, Kolomiec YuG, Sulejmanov MZh. Investigation of the effect of dust pollution on the operation efficiency of solar modules taking into account the natural features of Mongolia. Vozobnovlyaemaya energetika–XXI vek: energeticheskaya i ekonomicheskaya effektivnost' REENCON-XXI: materialy IV Mezhdunarodnogo kongressa = Renewable energy − XXI century: energy and economic efficiency REENCON-XXI: materials of IV International Congress. 5–6 June 2018, Moscow. Moscow: Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences; 2018, р. 21−25. (In Russ.)Зацаринная Ю.Н., Амиров Д.И., Земскова Л.В., Рахматуллин Р.Р. Исследование эффективности работы солнечной панели при воздействии на нее загрязнителей // Труды Академэнерго. 2019. № 1. С. 81−92. https://doi.org/10.34129/2070-4755-2019-54-1-81-92Zacarinnaya YuN, Amirov DI, Zemskova LV, Rahmatullin RR. Study of solar panel operation efficiency when exposed to pollutants. Transactions of Academenergo. 2019;1:81−92. https://doi.org/10.34129/2070-4755-2019-54-1-81-92Симакин В.В., Смирнов А.В., Тихонов А.В., Тюхов И.И. Современная система автономного электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии // Энергетик. 2013. № 3. С. 21−25.Simakin VV, Smirnov AV, Tihonov AV, Tyuhov II. Modern system of stand-alone power supply using renewable energy sources. Energetik. 2013;3:21−25. (In Russ.)

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