Рассмотрены и экспериментально обоснованы перспективы развития солнечной электроэнергетики в г. Сочи. Для оценки уровня инсоляции летом проведены опыты по измерению фото-ЭДС в солнечный и пасмурный дни.

Ключевые слова: инсоляция, солнечная радиация, зеленая электроэнергетика, аварийное и резервное электроснабжение, солнечная батарея, фотоэлемент, фото-ЭДС, мультиметр.

Введение

Актуальность исследований в области солнечной электроэнергетики не вызывает сомнений. В первую очередь она «на слуху» в связи с вопросами «зеленой повестки». Кроме того, это способ обеспечения автономности [1] эксплуатации различного электрооборудования, т. е. их независимость от центральных электрических сетей.

Научных исследований, касающихся солнечной электроэнергетики, выполнено в последние десятилетия великое множество. Например, в работе [2] рассмотрены перспективы использования в качестве резервного и аварийного электроснабжения корпуса Сочинского государственного университета («СочиГУ») солнечных батарей. Выполненные в [1] расчеты показали, что вышеуказанное предложение является весьма перспективным, т. к. позволяет «выйти в плюс» спустя 4 года эксплуатации системы.

Стоит отметить, что солнечные батареи в последние годы находят все более широкое применение: частные домовладения, автодорожная инфраструктура и мн. др. В городе Сочи использование солнечной электроэнергетики в особенности актуально, т. к. более 300 солнечных дней в году, а также мягкость климата позволяет солнечным батареям работать практически круглый год без существенного снижения КПД, который в зимний период из-за низких температур несколько понижается.

В данной работе для измерения уровня инсоляции в течение светового дня использовалась солнечная батарея от конструктора «Знаток». Для измерения уровня фото-ЭДС применялся мультиметр марки DT838.

Основная часть

Фотография экспериментальной установки представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Фотография экспериментальной установки: 1 — солнечная батарея (фотоэлемент); 2 — мультиметр

При измерениях мультиметр был включен режиме вольтметра. Положение солнечной батареи при всех измерениях было статично и горизонтально земной поверхности. Размер непосредственно фотоэлемента, определяющий площадь «сбора» солнечной энергии, 3.5 см ̶ ширина и 6 см ̶ длина. Т. е. «полезная площадь» солнечной батареи 3.5×6=21 см ² .

Для Сочи плотность солнечной энергии в день [1]:

летом 6.75 кВт∙ч/м ² ; зимой 1.25 кВт∙ч/м ² ; в среднем в течение года: 4 кВт∙ч/м ² .

Таким образом, в летнее с 21 см ² можно извлечь энергию:

21·10– ⁴ ·6.75=0.014 кВт∙ч=14 Вт∙ч ≈51 кДж.

Если полагать длительность светового дня летом в среднем 15–16 часов, то мощность солнечного излучения, падающего нормально на поверхность 21 см ² будет порядка 1 Вт.

Однако мы понимаем, что не вся эта энергия будет реализована в виде электроэнергии: во-первых, необходимо учитывать КПД соответствующей батареи; во-вторых, угол падения солнечного излучения на поверхность батареи (максимум — естественно, имеет место при нормальном падении).

В таблице 1 приведены результаты измерения фото-ЭДС для двух серий измерений: I — солнечный день (22.06.2025 г — самый продолжительный день в летнее солнцестояние); II — пасмурный день с невысокой плотностью облачности, с «достаточно мощным» световым потоком рассеянного света (3.07.25 г.). Измерения проводились на улице на открытой (незатененной) площадке.

Таблица 1

Результаты измерения фото-ЭДС в течение светового дня

Представим результаты измерений графически (рис. 2).

Рис. 2. Поток солнечной энергии в течение дня (зависимость генерируемой фото-ЭДС от времени суток): I — солнечный день; II — пасмурный день

При дальнейших рассуждениях разницей в долготе дня (приблизительно полчаса) между 22 июня и 3 июля будем пренебрегать, так как она составляет около 3 % и существенного влияния на результаты сравнительного анализа не оказывает.

Из рисунка 2 можно видеть, что:

1. влияние на уровень инсоляции облачности малой плотности невысоко (в максимуме отличие не превышает 10 %);
2. изменения в уровне инсоляции в течение дня (с 9:00 до 18:00) незначительны (порядка 10 %).

До 12:00 рост фото-ЭДС (уровня инсоляции) идет монотонно, а потом скорость роста увеличивается. Это связано с особенностями изрезанного сочинского рельефа и окружающих застройки и озеленения в месте проведения экспериментов. До 12 часов дня на фотоэлемент падал поток рассеянного света, а после 12 часов солнечная батарея в солнечный день оказывалась под прямыми солнечными лучами. После 18–00 начинается резкое падение уровня инсоляции, что связано также с особенностями рельефа и окружения (исчезновение прямых солнечных лучей), а также с уже существенно заметным «приближением» Солнца к горизонту.

Так как в течение большей части летнего светового дня уровень инсоляции изменяется незначительно, то применение каких-то мер по подстройке ориентации солнечных батарей по отношению к солнечному потоку может быть практически не оправдано. Применение мер «слежения» за Солнцем для получения максимального потока [3], падающего на поверхность солнечных батарей, может привести к значительному удорожанию и усложнению системы (и, соответственно, к увеличению эксплуатационных расходов).

При статическом расположении солнечных батарей оптимальным является их расположение строго на юг. В этом случае для батарей получается максимально длинный световой день, и в полдень, когда солнце находится выше всего, можно получить практически нормальное падение солнечных лучей на их поверхность. Летом оптимальный наклон — 15–25 градусов к горизонту, зимой — 45–60 градусов.

Заключение

Проведенные в работе измерения и анализ их результатов позволяют сделать следующие выводы:

1. в летний период уровень инсоляции остается практически постоянным в течение не менее 10 часов;
2. влияние облачности малой плотности на уровень инсоляции незначительно (батареи получают энергию от рассеянного излучения, пробившегося сквозь облачность);
3. коррекция ориентации солнечных батарей по отношению к направлению солнечного потока не имеет большой практической значимости.

Таким образом, в работе обоснована актуальность и перспективность использования солнечных батарей в системах электроснабжения г. Сочи.

Литература:

1. Кочарян Э. А., Андриадис Н. А. Исследование разряда алкалиновых элементов при резистивной нагрузке // Молодой ученый. — 2025. — № 24 (575). — С. 4–8. — URL: https://moluch.ru/archive/575/126591/.
2. Коровина Д. В. Перспективы использования солнечной энергии в Сочинском государственном университете. Труды VI региональной межвузовской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Молодежь — науке. Актуальные проблемы туризма, спорта и бизнеса». Сочи, 2015, с.177–180.
3. Приходовский, М. А. Бесконтроллерный способ достижения максимальной мощности фотоэлектрической батареи // Современные наукоемкие технологии. — 2014. — № 10. — С. 34–35. — EDN SYDJVT.