Ученые КазНУ разрабатывают новую систему охлаждения для повышения эффективности двухсторонних солнечных элементов

С ростом численности населения Казахстана и мира растет и потребность в электроэнергии, что делает актуальным развитие возобновляемых источников энергии, включая солнечные батареи. Использование солнечных концентраторов повышает выходные характеристики, но приводит к значительному нагреву солнечных элементов, ускоряя их деградацию. Эта проблема особенно актуальна для двухсторонних солнечных элементов (ДСЭ), способных увеличивать выработку электроэнергии до 22,6%, поскольку их светочувствительная обратная сторона затрудняет применение традиционных методов охлаждения.

Доля ДСЭ на мировом рынке в 2023 году составила 50%, а к 2034 году, по прогнозам, достигнет 73%, однако исследований систем, поддерживающих их температуру на оптимальном уровне, пока недостаточно. Проект направлен на устранение этого пробела через создание устойчивого оптико-термодинамического решения, объединяющего параболические зеркала, линзу Френеля и систему охлаждения на основе сотовых поликарбонатов. Исследование сосредоточено на изучении выходных характеристик и термодинамических свойств ДСЭ при низких степенях концентрации, различных параметрах охлаждения и условиях окружающей среды, что позволит создавать оптимальные системы для увеличения срока службы и производительности элементов.

Проект включает девять этапов: исследование оптических систем на основе зеркал и линз методом компьютерного моделирования; изучение термодинамических процессов в системе охлаждения на базе сотовых поликарбонатов и силиконовых трубок; экспериментальное исследование динамики нагревания кремниевых ДСЭ при разных начальных температурах и условиях окружающей среды; исследование динамики охлаждения при концентрации 100-1600 Вт/м²; построение эмпирической модели на основе полученных данных; изучение влияния неравномерного распределения солнечного излучения на выходные характеристики; создание устойчивой физической модели; тестирование выходных характеристик ДСЭ в различных условиях внешней среды; и финальное построение комплексной эмпирической модели.

В исследовании используются модули Optics, Ray Optics, Heat Transfer и Non-Isothermal Flow программного пакета Comsol Multiphysics. Параметры ДСЭ — диодный фактор, обратный ток насыщения, фототок, последовательное и параллельное сопротивление, температурный коэффициент, коэффициент двухсторонности, удельная теплоемкость — изучаются с использованием измерителя SMU 2461, электронной нагрузки Keithley 2380-500-30, пиранометра, альбедометра Veinasa-FSL и тепловизоров Fluke TiS20+ MAX и HIKMICRO M20W. Система будет установлена на крыше здания КазНУ для круглогодичного мониторинга.

Результаты проекта будут опубликованы в виде не менее 2 статей в журналах Q1-Q2 Web of Science или с процентилем CiteScore не менее 70 в Scopus, а также 2 статей в журналах, рекомендованных КОКНВО; будет подготовлен не менее 1 доктор философии (PhD). В Карагандинской области уже действует солнечная электростанция мощностью 4,77 МВт с двухсторонними батареями, обеспечивающая 16-18% потребности в электроэнергии ТОО «Медная компания Коунрад». С учетом стратегии «Казахстан-2050», предполагающей доведение доли возобновляемых источников энергии до 15% к 2030 году и до 50% к 2050 году, результаты проекта помогут ускорить внедрение технологий ВИЭ в энергетический сектор страны, снизить стоимость электроэнергии и зависимость от традиционных углеводородных ресурсов.

Рассчитанный на 36 месяцев (2025-2027 гг.) проект сформирует новые знания на стыке фотовольтаики, термодинамики, гидродинамики, оптики и компьютерного моделирования, укрепляя международный авторитет отечественной науки.