ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2023-1-134-146ipolytech-684Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGИсследование влияния температуры окружающей среды на функционирование фотоэлектрической установкиInvestigating the effects of ambient temperature on photoelectric unit operationhttps://orcid.org/0000-0001-7090-4839МестниковН. 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 Electric Power Engineering Department

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

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

sakhacase@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4108-176XВасильевП. Ф.VasilyevP. F.

Васильев Павел Филиппович, к.т.н., 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.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8543-0867ДавыдовГ. 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 Electric Power Engineering Department

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

dav_gen@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1917-6976ХоютановА. 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 Electric Power Engineering Department

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

shuriklater@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8355-189XАльзаккарА. М.-Н.AlzakkarA. M.-N.

Альзаккар Ахмад Мухаммед-Насер, аспирант

420066, г. Казань, ул. Яруллина, 6, Россия

Ahmad M.-N. Alzakkar, Postgraduate Student

6 Yarullin St., Kazan 420066, Russia

ahmadalzakkar86@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9522-9996ЛобашевА. А.LobashevA. A.

Лобашев Александр Алексеевич, аспирант

121205, г. Москва, Большой б-р, 30/1, Россия

Aleksandr A. Lobashev, Postgraduate Student

30/1, Bolshoy Boulevard, Moscow 121205, Russia

lobashevalexander@gmail.comСеверо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова; Институт физико-технических проблем Севера СО РАНРоссияM.K. Ammosov North-Eastern Federal University; V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North SB RASRussian FederationИнститут физико-технических проблем Севера СО РАНРоссияV.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the North SB RASRussian FederationКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian FederationСколковский институт науки и технологийРоссияThe Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech)Russian Federation202308042023271134146Copyright © Местников Н.П., Васильев П.Ф., Давыдов Г.И., Хоютанов А.М., Альзаккар А.М., Лобашев А.А., 20232023Местников Н.П., Васильев П.Ф., Давыдов Г.И., Хоютанов А.М., Альзаккар А.М., Лобашев А.А.Mestnikov N.P., Vasilyev P.F., Davydov G.I., Khoyutanov A.M., Alzakkar A.M., Lobashev A.A.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/684

Цель – определение влияния низких и высоких температур окружающей среды на функционирование фотоэлектрической установки с приведением графических интерпретаций и закономерностей. При проведении исследований использован метод определения электроэнергетической эффективности фотоэлектрической установки при широком диапазоне температуры окружающей среды с приведением графических интерпретаций и описанием порядка проведения натурных исследований. Использованы закономерности определения среднестатистических показателей снижения и повышения электроэнергетической эффективности фотоэлектрической установки для определенного диапазона температуры окружающей среды. Данные исследования проведены в течение зимнего периода 2021 года на базе лаборатории материаловедения Института физико-технических проблем Севера СО РАН им. В.П. Ларионова с применением стационарной климатической камеры. Получены контрольные параметры изменения величины генерирующей мощности фотоэлектрической установки (в интервале температур от -60ºС до +60ºС), которые могут применяться при моделировании эксплуатационных процессов и инженерных расчетах режимов работы солнечных электростанций. Выявлено, что при одинаковых показателях освещенности и температуре среды -60ºС фотоэлектрическая панель генерирует максимальную энергию и минимальную энергию при температуре +60ºС, снижение удельной мощности при данном диапазоне температуры составило 19%. Значительное уменьшение удельной мощности фотоэлектрической установки достигается при температуре от +30ºС и более вследствие увеличения внутреннего сопротивления установки. При температуре менее -40ºС достигается незначительное увеличение удельной мощности исследуемой установки вследствие уменьшения внутреннего сопротивления установки. Полученные показатели изменения генерирующей мощности фотоэлектрической установки при широком диапазоне температуры окружающей среды могут быть применены при разработке методики по оценке влияния температуры среды и ее различных диапазонов на функционирование фотоэлектрических панелей для более точного определения энергетического потенциала солнечной генерации при определенном виде климата. В перспективе планируется выполнение натурных исследований по идентификации характера влияния двух и более климатических факторов на функционирование фотоэлектрической установки.

In this paper, effects of low and high ambient temperatures on the operation of a photoelectric unit are investigated. The research methodology consisted in determination of the energy efficiency of a photoelectric unit across a wide range of ambient temperatures, providing graphical interpretations and describing the procedure of field observations. Regularities in determining the average statistical indicators of energy efficiency rise and drop in a photoelectric unit were applied for a particular range of ambient temperatures. These studies were undertaken during the winter of 2021 in the Materials Science Laboratory of V.P. Larionov Institute of Physical-Technical Problems of the North, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, using a fixed climate chamber. Reference parameters were obtained for changes in the photoelectric unit generating capacity (within -60ºC to +60ºC), which can be applied in modeling operational processes and engineering calculations of operating conditions of solar power plants. It was found that, at the same illumination and ambient temperature values, a photoelectric panel generates the maximum energy at -60ºC and minimal energy at +60 ºC, with the specific power drop for this temperature range being 19%. A significant drop in the specific power of the photoelectric unit was achieved at +30 ºC and higher due to the increased internal resistance of the unit. For temperatures below -40ºC, the specific power of the analyzed unit increased insignificantly due to the decreased internal resistance of the unit. The obtained values of the generating capacity of a photoelectric unit within a wide range of ambient temperatures can be used in developing a procedure for evaluating the effects of ambient temperature and its various ranges on the operation of photoelectric units, as well as for a more accurate determination of the solar generation energy potential under certain climate conditions. In future studies, field observations are planned to identify the nature of the effect of two and more climatic factors on the operation of a photoelectric unit.

фотоэлектрическая установкатемпературагенерирующая мощностьклиматическая камерахолодный климатАрктикаphotovoltaic installationtemperaturegenerating capacityclimate chambercold climateArcticРезультаты 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».The research results presented in the article were obtained as a part of the state assignment for the project "Research on methods to improve operational reliability and efficiency of intelligent electric power systems in the North and the Arctic" of the Fundamental Scientific Research in the Russian Federation for the period 2021-2030 in the priority direction "Fundamentals of the effective development and operation of energy systems on a new technological basis under globalization including the issues of energy security, energy conservation and rational development of natural energy resources”.ReferencesМестников Н.П., Васильев П.Ф., Альхадж Ф.Х. Разработка гибридных систем электроснабжения для энергоснабжения удаленных потребителей в условиях Севера и Арктики // Международный технико-экономический журнал. 2021. № 1. С. 47–56. https://doi.org/10.34286/1995-4646-2021-76-1-47-56.Mestnikov N.P., Vasilyev P.F., Al'hadzh F. H. Development of hybrid power supply systems for power supply of remote consumers in north and Arctic conditions. Mezhdunarodnyj tekhniko-ekonomicheskij zhurnal. 2021;1:47-56. https://doi.org/10.34286/1995-4646-2021-76-1-47-56.Местников Н.П., Васильев П.Ф., Давыдов Г.И., Хоютанов А.М., Альзаккар А.М.-Н. Исследование возможности применения фотоэлектрических солнечных установок внутри купольного строения в условиях Севера // iPolytech Journal. 2021. Т. 25. № 4. С. 435–449. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-4-435-449.Mestnikov N.P., Vasilyev P.F., Davydov G.I., Khoyutanov A.M., Alzakkar A.M. Applicability of photoelectrical so-lar units inside domical structures in northern conditions. iPolytech Journal. 2021;25(4):435-449. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-4-435-449.Bekryaev R.V., Polyakov I.V., Alexeev V.A. Role of polar amplification in long-term surface air temperature variations and modern arctic warming // Journal of Climate. 2010. Vol. 23. Iss. 14. P. 3888–3906. https://doi.org/10.1175/2010JCLI3297.1.Bekryaev R.V., Polyakov I.V., Alexeev V.A. Role of polar amplification in long-term surface air temperature variations and modern arctic warming. Journal of Climate. 2010;23(14):3888-3906. https://doi.org/10.1175/2010JCLI3297.1.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/10.34286/1995-4646-2021-76-1-57-64.Vasilyev P.F., Mestnikov N.P. Research of the effect of the sharply continental climate of Yakutia on the functioning of solar panels. Mezhdunarodnyj tekhniko-ekonomicheskij zhurnal. 2021;1:57-64. https://doi.org/10.34286/1995-4646-2021-76-1-57-64.Литвин Н.В. Моделирование физических процессов работы солнечных фотоэлектрических батарей // Мониторинг. Наука и технологии. 2020. № 1. С. 46–53. https://doi.org/10.25714/MNT.2020.43.007.Litvin N.V. Modeling of physical processes of solar pho-toelectric batteries operation. Monitoring. Nauka i tekhnologii = Monitoring. Science and Technologies. 2020;1:46-53. https://doi.org/10.25714/MNT.2020.43.007.Соловей В.А., Захаров А.А., Карлов Д.С., Булат С.А., Семенихин В.И. Система обеспечения электропитания автономной удаленной автоматической станции для сбора космической пыли на станции Восток в Антарктиде // Гелиогеофизические исследования в Арктике: сборник трудов II Всероссийской конференции (г. Мурманск, 24–26 сентября 2018 г.). Мурманск: Полярный геофиз. ин-т, 2018. С. 85–87. https://doi.org/10.25702/KSC.978-5-91137-381-8.85-87.Solovey V.A., Zakharov A.A., Karlov D.S., Bulat S.A., Semenikhin V.I. Power supply system of a stand-alone remote automatic station for cosmic dust collection at Vostok station in Antarctica. In: Geliogeofizicheskie issledovaniya v Arktike: sbornik trudov. Vserossijskoj konferencii = Helio-geographical studies in Arctic: collected papers. 24–26 September 2018, Murmansk. Murmansk: Polar Geophysical Institute; 2018, р. 85-87. https://doi.org/10.25702/KSC.978-5-91137-381-8.85-87.Кирпичникова И.М., Махсумов И.Б. Исследование температуры поверхности солнечных модулей с использованием голографической защиты от перегрева // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2019. Т. 15. № 4. С. 19–29. https://doi.org/10.17122/1999-5458-2019-15-4-19-29.Kirpichnikova I.M., Mahsumov I.B. Investigation of surface temperature of solar modules using holographic overheating protection. Elektrotekhnicheskie i infor-macionnye kompleksy i sistemy = Electrical facilities and systems. 2019;15(4):19-29. https://doi.org/10.17122/1999-5458-2019-15-4-19-29.Skoplaki E., Palyvos J.A. On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: a review of efficiency/power correlations // Solar Energy. 2009. Vol. 83. Iss. 5. P. 614–624. https://doi.org/10.1016/j.solener.2008.10.008.Skoplaki E., Palyvos J.A. On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: a review of efficiency/power correlations. Solar Energy. 2009;83(5):614-624. https://doi.org/10.1016/j.solener.2008.10.008.Coelho R.F., Concer F.M., Martins D.C. A MPPT approach based on temperature measurements applied in PV systems // Proceedings of the IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies. 2010. https://doi.org/10.1109/INDUSCON.2010.5740006.Coelho R.F., Concer F.M., Martins D.C. A MPPT approach based on temperature measurements applied in PV systems. In: Proceedings of the IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies. 2010. https://doi.org/10.1109/INDUSCON.2010.5740006.Philibert C. The present and future use of solar thermal energy as a primary source of energy // International Energy Agency. 2005. [Электронный ресурс]. URL: http://philibert.cedric.free.fr/Downloads/solarthermal.pdf (19.03.2021).Philibert C. The present and future use of solar thermal energy as a primary source of energy. International Energy Agency. 2005. Available from: http://phili-bert.cedric.free.fr/Downloads/solarthermal.pdf [Accessed 19th March 2021].Aljamali N.M., Kadhium A.J., Al-Jelehawy A.H.J. Review in protection of laboratory and electrical equipment in laboratories and institutions // Journal of Controller and Converters. 2021. Vol. 6. Iss. 1. Р. 24–30.Aljamali N.M., Kadhium A.J., Al-Jelehawy A.H.J. Review in protection of laboratory and electrical equipment in laboratories and institutions. Journal of Controller and Con-verters. 2021;6(1):24-30.Muhsin N.M.B., Alhamdo M.H. Study experiential and numerical for investigation the efficiency inside building structure // European Journal of Molecular & Clinical Medicine. 2020. Vol. 7. Iss. 6. Р. 1917–1936.Muhsin N.M.B., Alhamdo M.H. Study experiential and numerical for investigation the efficiency inside building structure. European Journal of Molecular & Clinical Medi-cine. 2020;7(6):1917-1936.Abed Q.A., Badescu V. Some solar energy technologies and applications // Energy Science and Technology. Vol. 5. Solar Engineering - 1 (Applications) Chapter / Editors S.R. Sivakumar, U.C. Sharma, R. Prasad. Studium Press LLC, 2015.Abed Q.A., Badescu V. Some solar energy technologies and applications. In: S. R. Sivakumar, U. C. Sharma, R. Prasad (eds.). Energy Science and Technology. Vol. 5. Solar Engineering - 1 (Applications) Chapter. Studium Press LLC; 2015. .Пат. № 2645444, Российская Федерация, C1, МПК H01L 31/024, H01L 31/042. Устройство и способ автоматизированной очистки солнечной панели / Ф.Р. Исмагилов, И.Х. Хайруллин, В.Е. Вавилов, Р. Д. Каримов; заявитель и патентообладатель Уфимский государственный авиационный технический университет. № 2017102270. Заявл. 24.01.2017; опубл. 21.02.2018.Ismagilov F.R., Hajrullin I.H., Vavilov V.E., Karimov R.D. Solar panel design and automated cleaning method. Patent RF, no. 2645444; 2018. (In Russ.).Панченко В.А., Сангаджиев М.М., Дегтярев К.С. Влияние пыли и песка на возобновляемые источники энергии в Калмыкии // Инновации в сельском хозяйстве. 2017. № 1. С. 176–183.Panchenko V.A., Sangadzhiev M.M., Degtyarev K.S. Effect of dust and sand on renewable energy sources in Kalmykia. Innovacii v sel'skom hozyajstve. 2017;1:176-183. (In Russ.).Амиров Д.И., Зацаринная Ю.Н., Логачева А.Г., Федотов Е.А. Исследование электрических двигателей для автоматизированных систем очистки солнечных панелей // Труды Академэнерго. 2020. № 4. С. 74–85.Amirov D.I., Zatsarinnaya Yu.N., Logacheva A.G., Fedotov E.A. Study of electric motors for automated solar panel cleaning systems. Trudy Akademenergo. 2020;4:74-85.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.Zatsarinnaya Yu.N., Amirov D.I., Zemskova L.V., Rakhmatullin R.R. Research of efficiency of work of the solar panel under impact on pollutants. Trudy Akademenergo. 2019;1:81-92. (In Russ.).Местников Н.П., Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Васильев П.Ф. Исследование эксплуатации комбинированной системы электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии на Дальнем Востоке России // Вопросы электротехнологии. 2021. № 2. С. 68–81.Mestnikov N.P., Buryanina N.S., Korolyuk Yu.F., Vasil'ev P.F. Researching the operation of combined power supply systems based on renewable energy sources in the Far East of Russia. Voprosy elektrotekhnologii. 2021;2:68-81. (In Russ.).Mestnikov N., Alzakkar A., Valeev I., Maksimov V.V. Assessment of the performance of the solar power plant with a capacity 150W // International Russian Automation Conference (RusAutoCon). 2021. https://doi.org/10.1109/RusAutoCon52004.2021.9537318.Mestnikov N., Alzakkar A., Valeev I., Maksimov V. V. Assessment of the performance of the solar power plant with a capacity 150W. In: International Russian Automation Conference (RusAutoCon). 2021. https://doi.org/10.1109/ RusAutoCon52004.2021.9537318.Anderson T.W., Darling D.A. Asymptotic theory of certain "goodness of fit" criteria based on stochastic processes // Annals of Mathematical Statistics. 1952. Vol. 23. Iss. 2. Р. 193–212. https://doi.org/10.1214/aoms/1177729437.Anderson T.W., Darling D.A. Asymptotic theory of certain "goodness of fit" criteria based on stochastic processes. Annals of Mathematical Statistics. 1952;23(2):193-212. https://doi.org/10.1214/aoms/1177729437.

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