ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛНОСПЕКТРАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В Г. СОЧИ

Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 115 http://nauko-sfera.ru/ УДК 620.92 DOI 10.5281/zenodo.17310583 Научная статья ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛНОСПЕКТРАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В Г. СОЧИ PROSPECTS FOR USING FULL-SPECTRUM MODULES FOR SOLAR ENERGY IN SOCHI КИРИЛЛОВ АНДРЕЙ МИХАЙЛОВИЧ, кандидат физико-математических наук, доцент, Сочинский государственный университет. ДОГАДАЙЛО МИХАИЛ НИКОЛАЕВИЧ, Сочинский государственный университет. KIRILLOV ANDREY MIKHAILOVICH, candidate of physical and mathematical sciences, docent, Sochi state university. DOGADAYLO MIKHAIL NIKOLAEVICH, Sochi state university. Проблемы наземной солнечной энергетики (дороговизна солнечных элементов при относительно невысоком коэффициенте полезного действия, геоклиматические ограничения) стимулируют научные исследования и поиск новых конструкторских и технологических решений. Можно утверждать, что в г. Сочи электрогенерация с помощью солнечных батарей эффективна в течение всего календарного года. Кроме того, конструкции солнечных электростанций могут быть более простыми и менее дорогими, т.к. при статическом положении панелей световой поток в течение дня меняется незначительно, что не требует систем слежения за солнцем и позиционирования панелей. Оценена перспективность использования полноспектральных модулей, в сравнении с традиционными кремниевыми элементами. Сделано заключение, что использование полноспектральных модулей оправдано, если собственник может позволить себе увеличение срока окупаемости станции в 1.5–2 раза. The problems of terrestrial solar energy (the high cost of solar cells with a relatively low efficiency, geoclimatic constraints) stimulate scientific research and the search for new design and technological solutions. It can be argued that in Sochi, electricity generation using solar panels is effective throughout the calendar year. In addition, the designs of solar power plants can be simpler and less expensive, because With the static position of the panels, the luminous flux changes slightly during the day, which does not require solar tracking systems and panel positioning. The prospects of using full-spectrum modules in comparison with traditional silicon elements are evaluated. It is concluded that the use of full–spectrum modules is justified if the owner can afford to increase the payback period of the station by 1,5-2 times. Ключевые слова: солнечная электроэнергетика, солнечный элемент, солнечная электростанция, фотоэлемент, полноспектральный модуль, инсоляция, солнечный спектр. Key words: solar power engineering, solar cell, solar power plant, photocell, full-spectrum module, insolation, solar spectrum. Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 116 http://nauko-sfera.ru/ ведение. Наземная солнечная энергетика в настоящее время, несмотря на свою всевозрастающую актуальность [3], имеет ряд проблем, ограничивающих ее повсеместное применение в Российской Федерации и мире в целом. Среди этих ограничений: 1) относительная дороговизна солнечных элементов (СЭ); 2) невысокий коэффициент полезного действия (КПД) кремниевых солнечных элементов; 3) геоклиматические ограничения (например, для России это высокие географические широты, длительный осенне-зимне-весенний сезон с невысоким уровнем инсоляции). Первое ограничение будет постепенно становится менее влиятельным, т. к. идет непрерывный прогресс в области материаловедения и технологий производства СЭ [6]. Кроме этого, прогресс в направлении повышения КПД солнечных элементов будет приводить к их более быстрой окупаемости и, соответственно, к большей рентабельности их внедрения и эксплуатации. Актуальность внедрения солнечной электроэнергетики в г. Сочи (Черноморском побережье Кавказа) связана со сложным прибрежным горным рельефом. Здесь особенно остры проблемы устройства и эксплуатации различного рода инженерных коммуникаций (в том числе, и электроснабжение), т.к. подведение магистральных сетей (линейных объектов: линий электропередач, газопроводов и др.) может быть связано с большими затратами (противооползневые и берегозащитные мероприятия, и пр.) [9]. В этом случае выходом из положения может быть автономность снабжения потребителей соответствующим ресурсом. В случае электроснабжения реализовать автономность с помощью микросетей [4; 12], в которых генерирующим ядром будет солнечная электростанция (СЭС). В данной работе приведен анализ инсоляции в г. Сочи для обоснования высокой эффективности выработки «солнечной» электроэнергии в течение всего календарного года. Также рассмотрен вопрос о перспективности использования в СЭС полноспектральных модулей (ПСМ) [1–2; 7]. В рамках этого рассмотрения было проведено сравнение ПСМ с «традиционными» кремниевыми СЭ (Si-элементами). Был оценен вклад в выработку электроэнергии той части солнечного спектра, который «игнорируется» Si-элементами. Инсоляция в г. Сочи. В г. Сочи более 300 дней в году стоит ясная солнечная погода, что является первым аргументом в пользу внедрения «солнечной электроэнергетики» в различные отрасли хозяйства и в частный сектор. Вторым аргументом является то, что в летний период уровень инсоляции остается практически постоянным в течение не менее 10 часов [5]. В этой научной работе также показано, что влияние облачности малой плотности на уровень инсоляции незначительно (уровень рассеянного излучения остается достаточно высоким). Авторами работы измерения инсоляции проводились в период летнего солнцестояния (22 июня). В данной статье приведены результаты измерений в период осеннего равноденствия (22 сентября). Опыты проводились при ясной солнечной погоде с тем же оборудованием, что и в вышеуказанной работе [5] (рис. 1). Ориентация фотоэлемента (ФЭ) также была горизонтальной. Отличие измерений в [5] и в данной работе в том, что они производились в разных локациях (в пределах г. Сочи). Тем не менее, это позволяет сделать сравнение и общие выводы. В таблице 1 приведены результаты измерений фото-ЭДС, проведенных 22 июня [5] и 22 сентября 2025 г. В Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 117 http://nauko-sfera.ru/ Рис. 1. Фотография экспериментальной установки [9]: 1 — солнечная батарея (фотоэлемент); 2 — мультиметр Таблица 1. Результаты измерения фото-ЭДС в течение светового дня Время измерения, час Фото-ЭДС E, В 22.06.2025 22.09.2025 9:00 7,15 7,6 10:00 7,30 7,7 11:00 7,35 7,82 12:00 7,46 7,88 13:00 7,87 7,67 14:00 7,89 7,67 15:00 7,92 7,53 16:00 7,83 7,45 17:00 7,59 7,05 18:00 7,03 4,81 19:00 6,78 0 20:00 4,66 21:00 0 На рисунке 2 приведен график зависимости генерируемого ФЭ фото-ЭДС в течение светового дня (построен по данным таблицы 1). Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 118 http://nauko-sfera.ru/ Рис. 2. Поток солнечной энергии в течение дня (зависимость генерируемой фото-ЭДС от времени суток) Как следует из рисунка 2, уровень инсоляции за три месяца (от 22 июня до 22 сентября) в течение светового дня изменился незначительно. Однако в вечернее время световой день стал на два часа короче. Тем не менее, в течение 8 часов уровень инсоляции являлся достаточно высоким и приемлемым для выработки электроэнергии. Вопрос вызывает (рис. 2) более высокий уровень осенней инсоляции (22.09) в сравнении с летней (22.06) в утренние часы (от 9-00 до 12-00). Это можно объяснить тем, что измерения производились в разных локациях, а изрезанный горный рельеф г. Сочи может оказывать влияние на их результаты (например, на уровень фонового рассеянного излучения, падающего на ФЭ). Также следует отметить, что даже при статическом расположении ФЭ в течение светового дня, генерируемое фото-ЭДС изменялось незначительно. Это означает, что практическая целесообразность в слежении за положением Солнца низка. Этот факт позволяет значительно удешевить конструкцию СЭС, т.к. будет отсутствовать система слежения и управления (датчики, трекеры, сервоприводы и т. п.). Перспективы использования полноспектральных модулей. У «традиционных» кремниевых СЭ фото-отклик лежит в диапазоне длин волн от 350 нм до 1100 нм, в то время как у перспективных ПСМ — от 380 нм до 1850 нм [7, с. 325]. КПД у кремниевых солнечных батарей в настоящее время, как правило, не превышает 25 %. В то время как у ПСМ заявляется КПД > 40 % [7, с. 325]. Однако использование столь высокоэффективных полноспектральных солнечных элементов сопровождается значительным усложнением конструкции. Особенность СЭС на базе ПСМ в том, что они практически всегда требуют оптического концентрирования (фокусирования) солнечного излучения и позиционирования (слежения за положением Солнца). Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 119 http://nauko-sfera.ru/ На рисунке 3 представлен прототип СЭС [7–9] в котором концентрирование солнечного потока реализуется с помощью линз Френеля, а слежение за Солнцем обеспечивается двухосевой опорой. Рис. 3. Прототип СЭС с полноспектральными модулями [7, с. 325] Таким образом, получается, что КПД полноспектральных солнечных элементов превышает таковой для «традиционных» и лучших кремниевых приблизительно в 1,7 раза. Однако так ли это? Рассмотрим спектр солнечного излучения и проведем соответствующие оценочные расчеты. Рис. 4. Распределение плотности мощности излучений Солнца и абсолютно черного тела по спектру [10] Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 120 http://nauko-sfera.ru/ Согласно [7, с. 325], ПСМ обеспечивает дополнительный «захват» спектра от 1100 нм до 1850 нм (в сравнении с кремниевыми элементами). Допустим, что, в первом приближении, генерируемая СЭ мощность пропорциональна соответствующей площади на графике, представленном на рис. 4. Поскольку речь о наземной солнечной энергетике, то нас интересует «излучение на уровне моря». Как видно из рисунка 4, ПСМ может дополнительно использовать два «островка излучения»: приблизительно 1100–1300 нм и 1400-1750 нм. Приближенная оценка показывает, что мощность солнечного излучения на интервале 380–1850 нм (ПСМ) превышает таковую в интервале 350–1100 нм (Si-элементы) приблизительно на 20 % (в 1,2 раза). В [7, с. 324] показано, что конкурентоспособность электростанции с ПСМ будет обеспечена в случае, если капитальные вложения не более чем в 1,9 раз превышают таковые для кремниевого модуля. В этом случае, в предположении, что ПСМ вырабатывает на 20 % больше электроэнергии, чем Si-модуль, срок окупаемости должен возрасти не более чем в 1,6 раза. Срок окупаемости СЭС зависит от множества факторов [8; 11], но в среднем составляет от 2-х до 10 лет для частных пользователей и порядка 2-х лет для бизнеса в России. Для СЭС с полноспектральными модулями эти значения вырастут до 3–16 лет — для частного сектора и до 3-х лет для бизнеса. Соответственно, не всякий частный пользователь сможет позволить себе такое увеличение срока окупаемости, а для бизнеса такое увеличение будет вполне приемлемым. Заключение. В результате проведенных в работе исследований и анализа можно сделать следующие выводы: 1) в г. Сочи (и близлежащих районах) выработка электроэнергии с помощью СЭС достаточно эффективна практически в течение всего календарного года; 2) конструкции СЭС могут быть менее дорогими, т. к. при статическом положении панелей световой поток в течение дня меняется незначительно и, соответственно, не требуется систем слежения за положением Солнца и позиционирования панелей; 3) использование полноспектральных модулей перспективно, если собственник СЭС может позволить себе увеличение срока окупаемости в 1,5–2 раза. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Андреев В.М., Давидюк Н.Ю., Малевский Д.А., Паньчак А.Н., Румянцев В.Д., Садчиков Н.А., Чекалин А.В. Концентраторные модули нового поколения на основе каскадных солнечных элементов: конструкция, оптические и температурные свойства // ЖТФ. 2014. № 11 (84). С. 72-79. DOI 10.1134/S1063784214110024. 2. Андреев В. М., Румянцев В. Д., Покровский П. В., Малевский Д.А., Когновицкий С.О., Гущина А.А. // Солнечная фотоэнергоустановка. RU Патент № 2476957. 3. Баринова В.А., Демидова К.В. Экономическая целесообразность развития солнечной энергетики в России // Экономическое развитие России. 2023. № 10 (30). С. 18–31. 4. Буткина А.А. Математическое моделирование и оптимизация режимов работы микросети с накопителями электрической энергии: дис. … кан-та тех. наук. Саранск, 2018. 164 с. 5. Бучацкий П. Ю., Онищенко С. В., Теплоухов С. В., Кузьмин К. А. Использование «зеленой» энергии в энергосистеме региона // Международная научно-практическая конференция «ESGфакторы и технологии роста»: сборник докладов. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2023. С. 13–17. 6. Зуева В.Н., Волошин Д.А. Инновационные материалы в производстве солнечных элементов // Современные электротехнические и информационные комплексы и системы: Материалы V Международной научно-практической конференции преподавателей, аспирантов и научнотехнических работников, посвящённой 105-летию со дня образования КубГТУ, Армавир, 10–11 ноября 2023 года. Армавир: ООО «Редакция газеты «Армавирский собеседник». 2023. С. 193–196. Наукосфера. №10 (1), 2025 Технические науки ISSN 2542-0402 121 http://nauko-sfera.ru/ 7. Ионова Е.А., Овчинников К.А., Малевский Д.А. Критерий оценки полноспектральных модулей для солнечной энергетики // Фотоника. 2025. № 4 (19). С. 324–332. DOI 10.22184/19937296.FRos.2025.19.4.324.332. 8. Козырев П.А., Волков М.Г., Антонов М.С. Оценка эффективности применения солнечной электростанции в качестве источника электроснабжения в различных условиях // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2022. № 6(140). С. 183–195. DOI 10.17122/ntj-oil2022-6-183-195. 9. Макаров К.Н., Волков А.Н., Иваненко Н.А. Совершенствование методов проектирования инженерной инфраструктуры прибрежных регионов: Монография. Под научной редакцией К.Н. Макарова. Сочи: Сочинский государственный университет, 2023. 146 с. 10. Немного о Солнце // Электрон. дан. URL: http://dozor.technopark.by/_sun/index.html (дата обращения 05.10.2025). 11. Панченко В.А., Дегтярев К.С. Оценка экономической эффективности использования солнечных модулей ФГБНУ ФНАЦ ВИМ в системах автономного и параллельного с сетью электроснабжения // Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность - 2018: сборник статей по материалам международной научно-практической конференции, Севастополь, 24–27 сентября 2018 года / под ред. Л. И. Лукиной, Н. А. Бежина, Н. В. Ляминой. Севастополь: ФГАОУ ВО "Севастопольский государственный университет". 2018. С. 925–929. 12. Юферев Л.Ю. Разработка базового источника напряжения для микросети на возобновляемых источниках энергии // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2021. № 1 (42). С. 39– 43. DOI 10.22314/2658-4859-2021-68-1-39-43. Поступила в редакцию: 06.10.2025 © Кириллов А. М., Догадайло М. Н., 2025. Принята в печать: 17.11.2025