Ключевые слова
Как цитировать
Аннотация
Аннотация. Введение. Представлена математическая модель очистки кремниевого фотоэлектрического модуля от снега путем пропускания обратного тока, переводящего ячейки в режим нагревателя. Модель объединяет уравнения нестационарного теплового баланса композитных слоев и механические условия страгивания пласта. Впервые совместно учтены линейная температурная зависимость сопротивления кремния и ступенчатая функция изменения коэффициента трения (падение с 0,6 до 0,005 при образовании талой пленки). На основе критерия Био (Bi ≈ 0,052) доказана изотермичность модуля по толщине. Численное решение системы нестационарных дифференциальных уравнений реализовано в программной среде методом Рунге - Кутты - Фельберга (RKF45) с автоматическим выбором шага интегрирования и сплайн-аппроксимацией нелинейных параметров. Численным моделированием определены границы эффективности метода в диапазоне температур от -5 до -25 ~°C при мощности 600 Вт для пластов толщиной 2; 5; 10 см. Установлено, что игнорирование ТКС кремния занижает расчетное время очистки на 1,5–2,5% из-за падения мощности нагрева на 2–3%. Определены удельные энергозатраты процесса (от 0,020 до 0,231 кВт·ч/м²) и зафиксирован критический режим функционирования при -25 °C для слоя 10 см (ts = 50,9 мин, Etotal = 0,463 кВт·ч), требующий принудительного форсирования мощности источника питания.
Методы и материалы. Объектом исследования является промышленный кремниевый ФЭМ площадью A, установленный под углом Q к поверхности Земли. На лицевой поверхности модуля находится равномерный слой сухого снега толщиной hs начальной плотностью r0. К модулю подключается внешний источник постоянного электрического тока. Мощность джоулева нагрева P(T) рассматривается как функция термического состояния полупроводниковых структур ФЭМ, обусловленная температурной зависимостью их внутреннего электрического сопротивления.
Результаты. На рисунках 1 и 2 представлены результаты численного исследования динамики очистки фотоэлектрического модуля (ФЭМ) от снежного покрова при фиксированной номинальной мощности джоулева нагрева P0 = 600 Вт и варьировании температуры наружного воздуха Ts от -5 °C до -25 °C для трех характерных толщин снежного пласта hs = 2; 5; 10 см.
Заключение. В настоящей работе разработана и верифицирована усовершенствованная математическая модель нестационарного теплового баланса и механических условий страгивания снежного покрова с поверхности фотоэлектрического модуля методом обратного токового нагрева. В отличие от существующих статических подходов, в модели впервые строго учтена температурная зависимость мощности тепловыделения P(T), обусловленная отрицательным ТКС кремниевых полупроводниковых структур при питании от источника постоянного тока.
Методы и материалы. Объектом исследования является промышленный кремниевый ФЭМ площадью A, установленный под углом Q к поверхности Земли. На лицевой поверхности модуля находится равномерный слой сухого снега толщиной hs начальной плотностью r0. К модулю подключается внешний источник постоянного электрического тока. Мощность джоулева нагрева P(T) рассматривается как функция термического состояния полупроводниковых структур ФЭМ, обусловленная температурной зависимостью их внутреннего электрического сопротивления.
Результаты. На рисунках 1 и 2 представлены результаты численного исследования динамики очистки фотоэлектрического модуля (ФЭМ) от снежного покрова при фиксированной номинальной мощности джоулева нагрева P0 = 600 Вт и варьировании температуры наружного воздуха Ts от -5 °C до -25 °C для трех характерных толщин снежного пласта hs = 2; 5; 10 см.
Заключение. В настоящей работе разработана и верифицирована усовершенствованная математическая модель нестационарного теплового баланса и механических условий страгивания снежного покрова с поверхности фотоэлектрического модуля методом обратного токового нагрева. В отличие от существующих статических подходов, в модели впервые строго учтена температурная зависимость мощности тепловыделения P(T), обусловленная отрицательным ТКС кремниевых полупроводниковых структур при питании от источника постоянного тока.
Библиографические ссылки
[1]. Granlund A., Lindh M., Vikberg T., Petersson A. M. Evaluation of snow removal methods for rooftop photovoltaics // 8th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion. -2022. - P. 1122-1128.
[2]. Weiss A., Weiss H. Photovoltaic Cell Electrical Heating System for Removing Snow on Panel Including Verification // International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA). - 2016. - P. 995-1000.
[3]. Rahmatmand A., Harrison S. J., Oosthuizen P. H. An experimental investigation of snow removal from photovoltaic solar panels by electrical heating // Solar Energy. - 2018. - Vol. 171. - P. 811-826.
[4]. Cai Y., Wang Z., Li J., Jiang X., Chen Y., Zhang X., Kan W. Research on the Electro-Thermal Characteristics of Photovoltaic Modules and Array MPPT Under Partial Shading and Complex Operating Conditions // Sustainability. - 2026. - Vol. 18. - Art. 7016.
[5]. Elakkad S., Hesham M., Bastawrous H. A., Makeen P. Design, Control, and Evaluation of a Photovoltaic Snow Removal Strategy Based on a Bidirectional DC-DC Converter for Photovoltaic–Electric Vehicle Application // Energies. - 2024. - Vol. 17. -Art. 6468.
[6]. Kılıç A., Kılıç H. N., Öncü S., Kıvrak S. Experimental implementation of reverse-current-based snow removal for high-voltage series-connected PV arrays using a grid-fed boost converter // ESTIJ. - 2026. - Vol. 76. - Art. 102314.
[7]. Forsyth G. E., Malcolm M. A., Moler C. B. Computer Methods for Mathematical Computations. - Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1977.
[8]. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача: учебник для вузов. - 4-е изд. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.
[9]. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. – М.: Наука, 1964. - 488 с.
[10]. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 784 с.
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Copyright (c) 2026 Diskin, V.G., Yuldoshev, I. A., Shogochqorov, S. Q., Qurbanov, Y. M. (Muallif)