Плавающая фотоэлектрическая система на основе пенопласта для холодного климата
Аккумулятор Challenger A12-65
Исследователи из Западного университета в Канаде доказали, что плавающая солнечная фотоэлектрическая система на пенопластовой подложке с барботером может эффективно работать даже в морозные зимы, предотвращая образование льда при минимальном потреблении энергии. Система вырабатывает на 2,7% больше энергии в год, чем обычные фотоэлектрические модели, снижает испарение воды и демонстрирует высокий экономический потенциал: при высоких ценах на электроэнергию срок окупаемости составляет около 4,2 года.
Представлена модель предотвращения образования наледи, призванная повысить структурную целостность и эксплуатационную устойчивость фотоэлектрических систем на основе пенопласта в условиях холодного климата.
Исследователи из Западного университета в Канаде создали и протестировали плавающую фотоэлектрическую систему (FPV) на пенопластовой подложке в условиях холодного канадского климата, используя систему с воздушными пузырьками для предотвращения образования льда. Эксперимент проводился с августа 2024 года по июнь 2025 года с использованием данных, отличающихся от тех, что были смоделированы с помощью основных моделей.
«Мы обнаружили заметные различия между измеренной температурой модулей и стандартными моделями температуры фотоэлектрических элементов в зимний период, что указывает на уникальную тепловую динамику плоских фотоэлектрических систем с подложкой из вспененного материала, — рассказал автор исследования Джошуа М. Пирс. — Для работы в Канаде мы разработали и протестировали универсальную модель таяния льда с использованием системы подачи воздуха, которая поддерживает отсутствие льда при незначительном потреблении энергии».
Пирс также объяснил, что, согласно полученным результатам, новая система может успешно работать в условиях суровых зим Онтарио. «Мы также обнаружили довольно значительное преимущество в выработке энергии. Фотоэлектрические системы на основе пенопласта вырабатывают больше энергии в год по сравнению с другими фотоэлектрическими моделями, что подчеркивает важность точного моделирования температуры для систем, работающих в холодном климате, — добавил он. — Исследование также продемонстрировало снижение испарения при использовании фотоэлектрических систем на основе пенопласта для экономии воды. Но самое главное, что фотоэлектрические системы на основе пенопласта экономичны и при этом решают проблему использования фотоэлектрических систем в холодном климате».
Пруд, на котором была установлена система FPV, представляет собой искусственное водохранилище площадью 1475 м2. Система состояла из 40 монокристаллических полугибких фотоэлектрических модулей общей мощностью 7 кВт. Она была разделена на четыре независимые фотоэлектрические батареи мощностью 1,75 кВт каждая, каждая из которых была подключена к собственному устройству отслеживания точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracker, MPPT). Модули были установлены горизонтально, под углом 0° и с азимутом 180°.
Экспериментальная установка
В отличие от традиционных систем FPV, в которых используются пластиковые понтоны, модули были прикреплены непосредственно к плитам из пенополиэтилена, что позволило им держаться на плаву примерно в 1 см над поверхностью воды. Система также включала в себя трехфазную группу инверторов, литий-железо-фосфатную аккумуляторную батарею емкостью 10 кВт⋅ч и электролизер с анионообменной мембраной (АОМ) в качестве основной нагрузки. После серии экспериментов, в ходе которых было продемонстрировано образование льда с мембраной и без нее, система была дополнена барботером.
Собрав данные о глобальной горизонтальной освещенности (ГГО), температуре окружающего воздуха, скорости ветра, относительной влажности, температуре воды, температуре фотоэлектрических модулей, напряжении и токе на массиве, электрической мощности и сделав таймлапс-снимки в ходе эксперимента, авторы сравнили измеренные температуры модулей с прогнозируемыми значениями по нескольким ведущим моделям температуры фотоэлектрических модулей. В частности, система была протестирована с использованием модели NOCT/SAM, модели Файмана, специализированной модели Файмана для фотоэлектрических систем, модели Камуйю и др. и модели Хайбо и др.
Влияние пузырьков воздуха на образование льда при фотоэлектрической конверсии
«Регрессионная модель, разработанная в ходе этого исследования, показала, что фотоэлектрическая система на основе пенопласта вырабатывает 7,7 МВт·ч в год, что на 2,7% больше, чем у других фотоэлектрических систем, — подчеркнули ученые. — Площадь покрытия пруда для ливневых вод фотоэлектрической системой линейно увеличивалась по мере снижения испарения и достигала максимума в 927 м3/год при покрытии 50% площади пруда, что демонстрирует потенциал фотоэлектрических систем на основе пенопласта для экономии воды и удовлетворения потребностей сельского хозяйства».
Кроме того, исследовательская группа обнаружила, что система барботирования воздуха успешно поддерживает открытую воду без льда в течение всего зимнего сезона. При этом дополнительное потребление энергии было незначительным и составляло от 0,02% (1,9 кВт·ч) до 14,5% (893 кВт·ч) от общего годового энергопотребления. В итоге при высокой цене на электроэнергию в размере 0,55 канадских долларов за киловатт-час для автономных систем чистая приведенная стоимость системы составила около 57 000 канадских долларов (41 000 долларов США), а дисконтированный срок окупаемости — 4,2 года.
«Эти достижения создают прочную основу для будущих исследований в более крупных масштабах и на различных водоемах, тем самым делая фотоэлектрическую вертикальную ферму жизнеспособной технологией для развития устойчивой энергетики не только в регионах с теплым климатом, но и в холодных регионах», — сказал Пирс.