СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПЫЛЕВОГО СЛОЯ НА ПОВЕРХНОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ

АННОТАЦИЯ

В статье представлен сравнительный анализ влияния пылевого слоя на электрическую производительность солнечных панелей мощностью 40 Вт. Проведены измерения освещённости и выходного тока при различных степенях запылённости (0–50%) в солнечные, облачные и пасмурные дни. Показано, что даже умеренное загрязнение приводит к существенному снижению тока, а при 40–50% пыли потери мощности достигают 45–50%. Представленные графические зависимости подтверждают нелинейный характер падения тока и универсальность относительных потерь при разных погодных условиях. Полученные результаты подчёркивают необходимость регулярной очистки панелей для поддержания стабильной эффективности фотоэлектрических систем.

ABSTRACT

This study presents a comparative analysis of the impact of dust accumulation on the electrical performance of a 40 W solar panel. Illuminance and output current were measured under different dust coverage levels (0–50%) during sunny, cloudy, and overcast days. The results demonstrate that even moderate dust deposition significantly reduces output current, while 40–50% coverage leads to power losses of up to 45–50%. The plotted dependencies show the nonlinear nature of current reduction and the consistent relative losses under all weather conditions. The findings highlight the importance of regular cleaning to maintain stable efficiency of photovoltaic systems.

Ключевые слова: солнечные панели, запылённость, освещённость, фотогенерация, потеря мощности, загрязнение панели, эффективность СЭС.

Keywords: solar panels, dust accumulation, illuminance, photogeneration, power loss, panel contamination, PV efficiency.

Введение. Развитие солнечной энергетики требует не только совершенствования фотоэлектрических материалов, но и глубокого понимания эксплуатационных факторов, влияющих на эффективность работы солнечных панелей [1-3]. Одним из наиболее значимых факторов является запылённость поверхности, которая особенно выражена в регионах с сухим климатом, интенсивным ветром и повышенной концентрацией пыли в атмосфере. Попадая на поверхность солнечных модулей, частицы пыли уменьшают количество солнечного излучения, достигающего фотоэлементов, что приводит к снижению выходного тока и общей мощности системы [4-6]. В ряде исследований отмечается, что даже небольшое загрязнение поверхности (10–20%) может вызвать заметное падение производительности, а при более высоких уровнях запылённости потери становятся критическими.

В связи с этим проведение количественной оценки влияния различных уровней пылевого слоя на характеристики солнечных панелей является важной научной и практической задачей. Настоящее исследование направлено на анализ зависимости тока и мощности от степени запылённости в разных погодных условиях [7]. В период наблюдения (октябрь–ноябрь) были выполнены измерения освещённости и выходного тока панели мощностью 40 Вт при контролируемых уровнях загрязнения поверхности. Построенные графические зависимости позволяют выявить закономерности изменения фотоэлектрических характеристик [8] и сравнить влияние пылевого слоя в солнечную, облачную и пасмурную погоду, что имеет важное значение для прогнозирования производительности солнечных электростанций и оптимизации режимов обслуживания [9].

Методика решения задачи. Результаты измерений освещённости в различные периоды дня представлены в таблице 1, из которой видно, что уровень освещённости существенно зависит не только от времени суток, но и от погодных условий. В солнечный день максимальные значения освещённости наблюдаются в интервале 13:00–14:00, достигая 60–65 тыс. lx, тогда как в облачную и пасмурную погоду освещённость снижается в среднем в 3–5 раз. Данная вариация освещённости определяет исходные условия для формирования выходного тока солнечной панели и служит базой для анализа влияния пылевого слоя.

Таблица 1.

Освещённость в разные периоды дня

Характеристики выходного тока панели мощностью 40 Вт при различных уровнях запылённости для солнечного дня приведены в таблице 2. Наблюдается закономерное снижение тока по мере увеличения толщины пылевого слоя: при запылённости 10–20% ток снижается умеренно, тогда как при загрязнении 40–50% наблюдается резкое падение, достигающее 40–50% относительно чистой поверхности.

Таблица 2.

Ток солнечной панели (40 Вт) в солнечный день при разных степенях запылённости

Аналогичные зависимости представлены для облачного и пасмурного дня в таблицах 3 и 4, где также фиксируется тенденция к уменьшению тока при увеличении запылённости. При этом абсолютные значения тока в облачных и пасмурных условиях ниже вследствие уменьшенной освещённости, однако характер относительных потерь остаётся устойчивым для всех типов погоды.

Таблица 3.

Ток солнечной панели в облачный день при разных степенях запылённости

Таблица 4.

Ток солнечной панели в пасмурный день при разных степенях запылённости

Для более наглядного анализа зависимости выходного тока от степени загрязнения поверхности панели построен график, представленный на рис. 1. График показывает, что по мере увеличения толщины пылевого слоя ток панели последовательно снижается, причём наиболее выраженное падение наблюдается в диапазоне 25–40%. Это связано с тем, что пыль частично блокирует световой поток, снижая количество фотонов, достигающих поверхности фотоэлемента. Данные подтверждают, что даже умеренная запылённость приводит к существенному ухудшению фотогенерации, а при значениях более 40% потери тока становятся критическими для эксплуатационных характеристик панели.

Рисунок 1. Падение тока при увеличении слоя пыли

Зависимость тока от освещённости, представленная на рис. 2, демонстрирует практически линейный характер роста тока при увеличении уровня освещённости. Рост освещённости приводит к почти линейному увеличению тока, особенно в рабочем диапазоне от 10 000 до 65 000 lx, что отражает типичную фотоэлектрическую характеристику солнечных модулей.

Рисунок 2. Зависимость тока от освещённости

При переходе к более высоким уровням освещения линейность сохраняется, что указывает на отсутствие насыщения при исследуемых условиях. Представленные результаты демонстрируют прямую пропорциональность между падающим световым потоком и величиной генерируемого тока, подтверждая корректность используемой методики измерений и стабильность панели в различных яркостных режимах.

Для оценки относительных потерь производительности была рассчитана потеря мощности в процентах, графически представленная на рис. 3. Относительная потеря мощности солнечной панели при различных уровнях запылённости в условиях солнечного, облачного и пасмурного дня. Видно, что в солнечную погоду потери наиболее значительны, поскольку чистая панель производит максимальную мощность, и при 50% запылённости снижение достигает примерно 50%. В облачный день характер изменения остаётся аналогичным, а потери при максимальной запылённости составляют около 50,6%. В пасмурную погоду относительное падение мощности также достигает 47–48%, что объясняется тем, что формула относительных потерь (%) компенсирует различия в исходной освещённости. Таким образом, рис. 3 демонстрирует универсальный характер влияния запылённости на работу солнечных панелей, независимо от погодных условий.

Рисунок 3. Потеря мощности (%) от слоя пыли

Обсуждения результатов. Проведённые измерения и графические зависимости подтверждают необходимость регулярного обслуживания солнечных панелей, особенно в регионах с повышенной запылённостью и частыми погодными изменениями. Накопление пыли приводит к значительным потерям эффективности, что может негативно сказаться на общей производительности солнечных электростанций.

Заключение. Проведённое исследование показало, что запылённость поверхности солнечной панели оказывает существенное влияние на её электрические характеристики и приводит к значительному снижению выходного тока и мощности. Измерения, выполненные в разные периоды дня и при трёх типах погодных условий, продемонстрировали, что уменьшение освещённости в облачные и пасмурные дни снижает абсолютные значения тока, однако относительные потери, вызванные пылевым слоем, остаются практически одинаковыми для всех сценариев.

Анализ показал, что при загрязнении поверхности панели на 10–20% ток уменьшается незначительно, однако при запылённости 30–50% наблюдается резкое падение производительности. В солнечный день потери мощности при 50% пыли достигают около 50%, что указывает на высокую чувствительность панели к загрязнению. Похожие значения фиксируются и в облачных, и в пасмурных условиях, что подчеркивает универсальность влияния пылевого слоя. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости регулярной очистки панелей в регионах с высокой запылённостью, поскольку накопление пыли приводит к необратимым энергетическим потерям и снижает эффективность работы солнечных электростанций.

Таким образом, проведённый сравнительный анализ подтвердил, что состояние поверхности солнечных панелей является одним из ключевых факторов, определяющих их производительность. Включение процедур своевременной очистки в эксплуатационные регламенты может существенно повысить эффективность использования солнечной энергии и обеспечить стабильное функционирование фотоэлектрических систем в различных климатических условиях.

Список литературы:

1. Кирпичникова И.М., Махсумов И.Б. Повышение энергетической эффективности работы солнечных модулей за счет снижения температуры поверхности / Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 2. С. 489–499.
2. Kirpichnikova I.M., Sudhakar K., Makhsumov I.B., Martyanov A.S., Priya S.S. Thermal model of photovoltaic module with heat protective film // Case Studies in Thermal Engineering. 2022. Vol. 30. P. 101744. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.101744.
3. Deb D., Brahmbhatt N.L. Review of yield increase of solar panels through soiling prevention, and a proposed water-free automated cleaning solution // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. Vol. 82. Part 3. P. 3306–3313. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.10.014.
4. Kirpichnikova I.M., Shestakova V.V. Electron-Ion technology as protection of solar modules from contamination // International Russian Automation Conference. 2019. Vol. 641. P. 554–562. https://doi.org/10.1007/978-3- 030-39225-3_60.
5. Solar panel efficiency over time, available at: https://blueravensolar.com/blog/a-brief-history-and-indepth-look-into-solarpanel-efficiency/ (accessed 27 July 2024).
6. Libra M., Mrázek D., Tyukhov I., Severová L., Poulek V., Mach J., Šubrt T., Beránek V., Svoboda R., Sedláček J. Reduced real lifetime of PV panels - Economic consequences. Solar Energy, 2023, vol. 259, pp. 229-234. https://doi.org/10.1016/j.solener.2023.04.063.
7. Gyamfi S., Aboagye B., Peprah F., Obeng M. Degradation analysis of polycrystalline silicon modules from different manufacturers under the same climatic conditions. Energy Conversion and Management: X. October, 2023, vol. 20, pp. 1-18. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2023.100403.
8. Phinikarides A., Kindyni N., Makrides G., George Elias Georghiou. Review of photovoltaic degradation rate methodologies. Renewable and sustainable energy reviews. December, 2014, vol. 40, pp. 143-152. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.155.
9. Luka T., Hagendorf C., Turek M. Multicrystalline PERC solar cells: Is light-induced degradation challenging the efficiency gain of rear passivation? Photovoltaics International Papers, 2016, no. 32, pp. 37-44.