ОПТИКО-ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ И СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОЗРАЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАНЕЛЕЙ ДЛЯ ТЕПЛИЧНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ

АННОТАЦИЯ

Полупрозрачные фотоэлектрические панели (STPV) рассматриваются как перспективное решение для интеграции возобновляемых источников энергии в тепличные агровольтаические системы. В данной работе исследуются оптические, спектральные и геометрические характеристики полупрозрачной фотоэлектрической панели, изготовленной на основе традиционных монокристаллических кремниевых солнечных элементов. На основании спектрофотометрического анализа была выбрана многослойная конструкция, включающая слой этиленвинилацетата (EVA), заключённый между двумя слоями закалённого стекла. Экспериментальные результаты показали, что панель эффективно блокирует ультрафиолетовое излучение ниже 300 нм, одновременно обеспечивая высокую светопроницаемость в диапазоне фотосинтетически активной радиации (400–700 нм) на уровне 85–95 %. Разработана оптико-геометрическая модель с использованием трапецеидальных микроструктур для оптимизации рассеяния света и снижения теневого эффекта. Полученные результаты подтверждают пригодность предложенной STPV-панели для применения в тепличных агровольтаических системах.

ABSTRACT

Semi-transparent photovoltaic (STPV) panels represent a promising solution for greenhouse-integrated agrivoltaic systems by enabling simultaneous energy generation and crop cultivation. This study investigates the optical, spectral, and geometric characteristics of a semi-transparent photovoltaic panel fabricated using conventional monocrystalline silicon solar cells. A multilayer configuration consisting of ethylene-vinyl acetate (EVA) encapsulated between two tempered glass layers was selected based on spectrophotometric analysis. Experimental results demonstrate that the panel effectively blocks harmful ultraviolet radiation below 300 nm while maintaining high transmittance of 85–95% within the photosynthetically active radiation (PAR) range (400–700 nm). An optical-geometric model incorporating trapezoidal microstructures was developed to optimize light diffusion and minimize shading. The optimized design achieved a trapezoidal base width of 0.394 mm and an inclination angle of approximately 30.2°, providing uniform light distribution beneath the panel. The results confirm that the proposed STPV panel ensures favorable greenhouse microclimatic conditions while preserving stable photovoltaic power generation.

Ключевые слова: полупрозрачная фотоэлектрическая панель, спектральная светопроницаемость, трапецеидальная микроструктура, оптико-геометрическая оптимизация, агровольтаическая теплица, фотосинтетически активная радиация.

Keywords: semi-transparent photovoltaic panel, spectral transmittance, trapezoidal microstructure, optical-geometric optimization, agrivoltaic greenhouse, photosynthetically active radiation (PAR).

Введение

В последние десятилетия большинство сельскохозяйственных практик в значительной степени зависело от ископаемых видов топлива, что привело к существенному росту выбросов парниковых газов (ПГ) и ускорению процессов изменения климата [1, c. 363–368]. По оценкам Консультативной группы по международным сельскохозяйственным исследованиям (CGIAR), агропродовольственные системы обеспечивают от 19 до 29 % ежегодных глобальных выбросов парниковых газов и потребляют около 30 % мировой энергии. При этом только сельскохозяйственное возделывание является причиной примерно 20 % ежегодных выбросов диоксида углерода (CO₂) [2, c. 150], [3]. Производство энергии обладает наибольшим углеродным следом среди всех видов сельскохозяйственной деятельности, формируя около 78,7 % выбросов сектора [4, c. 81-99].

В то же время рост численности населения, повышение уровня жизни и ускорение процессов индустриализации приводят к постоянному увеличению потребления энергии. Ожидается, что к середине XXI века мировое энергопотребление увеличится в четыре раза, при этом на электроэнергию будет приходиться около половины этого объёма [5], [6, c. 859-884]. Для устойчивого удовлетворения данного спроса необходим переход к низкоуглеродным источникам энергии и увеличение доли возобновляемых источников в глобальном энергетическом балансе [7, c. 15729–15735]. Солнечная энергия является наиболее распространённым и технически осуществимым возобновляемым ресурсом [8], и по прогнозам к 2050 году фотоэлектрические (ФЭ) системы могут обеспечивать более 40 % мировой выработки электроэнергии из возобновляемых источников [9, c. 6154]. Однако быстрый рост наземных крупномасштабных ФЭ-установок вызывает опасения, связанные с возможными конфликтами землепользования, особенно с сельскохозяйственными угодьями и лесами, имеющими ключевое значение для сохранения биоразнообразия и продовольственной безопасности, несмотря на то, что в настоящее время фотоэлектрические установки занимают лишь незначительную долю мировой площади суши [10].

В связи с этим агровольтаические системы, сочетающие производство фотоэлектрической электроэнергии с выращиванием сельскохозяйственных культур, стали перспективным решением для двойного использования земельных ресурсов. Установленная мощность агровольтаических систем в мире значительно возросла — с 5 МВт до 2,8 ГВт в период с 2012 по 2020 годы [11]. Существует два основных подхода к реализации таких систем: (1) интеграция сельского хозяйства в уже существующие фотоэлектрические установки и (2) разработка фотоэлектрических систем, специально предназначенных для одновременного обеспечения роста растений и выработки энергии. В последние исследования (2022–2025 гг.) подчёркивается важность оптимизации конфигурации ФЭ-модулей для обеспечения достаточного солнечного освещения растений при одновременном снижении эффекта затенения. Тем не менее традиционные стационарные фотоэлектрические системы, ориентированные преимущественно на генерацию электроэнергии, часто формируют неблагоприятный микроклимат для растений [11], что приводит к недоиспользованию пространства под панелями. Для преодоления данного ограничения требуется применение полупрозрачных фотоэлектрических модулей и агровольтаических решений, специально адаптированных для тепличных условий.

В настоящей работе исследуются оптические и спектральные характеристики полупрозрачных солнечных панелей, изготовленных на основе традиционных монокристаллических кремниевых фотоэлектрических элементов. Особое внимание уделяется способности панели блокировать вредное ультрафиолетовое излучение в диапазоне 200–300 нм и пропускать свет в диапазоне фотосинтетически активной радиации (PAR) 400–700 нм. С использованием сочетания математического моделирования и экспериментальных исследований была оптимизирована оптико-геометрическая структура панели, в частности плотность трапециевидных микроструктур и угол их наклона. Общей целью данного исследования является разработка полупрозрачной фотоэлектрической панели с высокой светопроницаемостью и структурной устойчивостью, способной сохранять эффективность выработки энергии и одновременно обеспечивать благоприятные световые условия для роста растений в сельскохозяйственных теплицах.

Материалы и методы исследования

Место проведения исследования

Данное исследование было проведено в период 2024–2025 гг. в Научно-практическом центре по возобновляемым источникам энергии Джизакского политехнического института, расположенного в Джизакской области Республики Узбекистан. Район исследования характеризуется континентальным климатом с жарким и сухим летом и холодной зимой. Географические координаты исследуемой площадки составляют: широта 39,789° северной широты, долгота 67,50° восточной долготы, высота над уровнем моря — 380 м.

Материалы

При разработке данного типа солнечной панели первоочередной задачей является определение светопропускания её конструктивных элементов. В процессе проектирования экспериментально были проанализированы три различные оптические конфигурации:

(1) закалённое стекло;

(2) закалённое стекло с слоем EVA;

(3) слой EVA, зажатый между двумя слоями закалённого стекла.

Светопропускание каждой структуры в спектральном диапазоне 200–900 нм измерялось с использованием спектрофотометра Specord 50 (Analytik Jena, Германия, 2005). Полученные результаты показали, что конфигурация «закалённое стекло – EVA – закалённое стекло» обеспечивает наибольшую светопропускную способность во всех анализируемых спектральных областях. В частности, в диапазоне 400–700 нм (фотосинтетически активный спектр) данная структура демонстрировала коэффициент пропускания на уровне 90–95 %. Кроме того, она эффективно блокировала ультрафиолетовое излучение в диапазоне 200–300 нм, сохраняя при этом высокую прозрачность в ближнем инфракрасном диапазоне (700–900 нм), что делает её пригодной для интеграции в многофункциональные конструкции. На основании полученных результатов для изготовления полупрозрачной солнечной панели была выбрана конфигурация EVA – закалённое стекло – EVA, обеспечивающая высокую оптическую эффективность, структурную устойчивость и защиту от УФ-излучения.

Изготовление панели и светопропускание

Полупрозрачная солнечная панель была изготовлена с использованием закалённого стекла, этиленвинилацетата (EVA) и монокристаллических солнечных элементов. Слой EVA с высокой светопропускной способностью (2273 × 1125 × 0,5 мм, 380 г/м²) был размещён на закалённом стекле размером 2273 × 1134 × 3,2 мм. Поверх слоя EVA были уложены монокристаллические солнечные элементы класса A (90 × 182 мм, КПД 23,2 %), разрезанные на две равные части и размещённые с зазором 49 мм. Каждая последовательная цепочка состояла из 12 соединённых элементов, объединённых проводниками сечением 0,18 × 0,5 мм, при этом сами цепочки соединялись проводниками размером 0,35 × 4 мм. Сверху была добавлена ещё одна прослойка EVA, после чего конструкция была накрыта вторым листом закалённого стекла. Полученная многослойная структура была ламинирована при температуре 142 °C и давлении 0,8 МПа и заключена в алюминиевую раму размером 35 × 35 мм, в результате чего окончательные габариты панели составили 2279 × 1134 мм [12, c. 1430–1437].

Итоговая панель имеет суммарную площадь A_Σ=2,577582 м² и содержит N=144 солнечных элемента, объединённых в 12 последовательных полос. Активная площадь солнечных элементов составляет N_AC=1,17936 м² (45,75 % от общей площади панели), тогда как оставшиеся 54,25 % (1,398222 м²) образуют прозрачную светопропускающую зону. Закалённое стекло обеспечивает светопропускание на уровне 98 %, а слой EVA — 99 %, что в совокупности даёт общую прозрачность панели T₀≈95%.

Характеризация

Понимание и оптимизация светопропускной способности полупрозрачных фотоэлектрических панелей (STPV) имеют ключевое значение для обеспечения баланса между выработкой энергии и требованиями роста сельскохозяйственных культур в тепличных условиях. Светопропускание зависит от оптических свойств используемых материалов, геометрической конфигурации панели, а также распределения непрозрачных и прозрачных зон. Для оценки влияния указанных факторов был применён набор аналитических уравнений, основанных на оптических принципах и методах геометрического моделирования, которые представлены ниже.

Расчёт и оптимизация светопропускания

Светопропускная способность полупрозрачной солнечной панели может быть математически выражена следующим образом. Общая светопропускная способность T структурированной полупрозрачной солнечной панели рассчитывается по формуле (1):

T(%)=100%−R−A                                                       (1)

где T — коэффициент светопропускания (%),

R — коэффициент отражения (%),

A— коэффициент поглощения солнечного излучения модулем (%).

Если поверхность стекла обладает светопропусканием T₀=95%, то с учётом закона Бугера–Ламберта (Beer–Lambert) светопропускание одиночной панели может быть записано в следующем виде (2):

T(%)= ·                                          (2)

где:

A_S​ — площадь, занимаемая несущей конструкцией, создающей тень на модуле;

N — количество фотоэлектрических элементов;

A_C— площадь одного фотоэлектрического элемента;

A_W — площадь, занимаемая электрическими соединениями (шинопроводы, контакты);

A_J — проецируемая на модуль площадь соединительной коробки;

A_Σ — суммарная площадь фотоэлектрического модуля.

Закалённое стекло имеет одну гладкую поверхность, тогда как другая его сторона обладает трапециевидной текстурированной структурой, предназначенной для рассеяния света. Между двумя солнечными элементами предусмотрен зазор шириной 49 мм, через который солнечное излучение проходит и рассеивается. Показатель преломления воздуха составляет n=1, тогда как показатель преломления закалённого стекла и высокопрозрачного слоя EVA равен n₀=1,5. Свет, падающий на меньшую основу трапециевидной структуры, проходит без изменения направления, в то время как лучи, попадающие на боковую грань трапеции, изменяют направление распространения. В результате этого тень, создаваемая солнечным элементом толщиной 45 мм, полностью исчезает на расстоянии около 20 см от поверхности солнечной панели. Данный эффект проиллюстрирован на рис. 1, где показаны: 1) солнечный элемент, 2) закалённое стекло, 3) полупрозрачная солнечная панель, воспринимающая солнечное излучение [13, c. 810–813].

Процесс преломления света описывается законом Снеллиуса (уравнение (3)):

                                              (3)

где φ— угол падения света внутри стекла,

β — угол преломления в воздушной среде.

Критический угол определяется следующим выражением (4):

Рисунок 1. Конструкция светопропускающего участка полупрозрачной солнечной панели и ход светового луча

                                    (4)

Далее процесс преломления света соотносится с геометрической структурой панели. Для определения угла между наклонной гранью трапециевидной формы и её большим основанием используется следующее тригонометрическое соотношение (5):

                            (5)

Здесь α — угол наклона боковой грани трапеции относительно её большего основания. Преломление падающего светового луча происходит именно при его попадании на данную наклонную поверхность. Указанный угол играет ключевую роль в определении выходного угла света и условий преломления.

С учётом направления выхода светового луча данный угол позволяет, на основе оптико-геометрического анализа, получить следующие выражения для определения угла между наклонной стороной трапециевидного конструктивного элемента и его большим основанием, а также ширины нижнего основания (6), (7):

                                 (6)

                                                    (7)

где:

α — угол между наклонной стороной трапециевидной структуры и её большим основанием, характеризующий наклон светопропускающей поверхности закалённого стекла;

a — ширина нижнего основания трапециевидной структуры на светопропускающей поверхности закалённого стекла;

n — показатель преломления светорассеивающего закалённого стекла;

n₀ — показатель преломления воздуха;

L — ширина светопропускающей области закалённого стекла (прозрачная зона без солнечных элементов);

H — толщина солнечной панели;

h — глубина (высота) трапециевидной структуры, формирующей светопропускающую поверхность закалённого стекла;

k — коэффициент соотношения площадей прозрачной зоны (без солнечных элементов) и непрозрачной зоны (с солнечными элементами).

Указанные параметры более подробно представлены на рис. 2.

Рисунок 2. Поперечное сечение трапециевидных выступающих структур на поверхности закалённого стекла

Число повторений N трапециевидных выступающих структур на светопропускающей поверхности закалённого стекла определяется следующим выражением (8):

                        (8)

где:

α — угол наклона скошенной грани конструктивного элемента на светопропускающей поверхности закалённого стекла;

a — расстояние между верхним и нижним основаниями трапециевидного конструктивного элемента на светопропускающей поверхности закалённого стекла;

L — ширина прозрачной области закалённого стекла (участок без солнечных элементов);

h — глубина (или высота) трапециевидного конструктивного элемента на светопропускающей поверхности закалённого стекла.

Трапециевидные конструктивные элементы, расположенные в светопропускающей части полупрозрачных солнечных панелей на основе закалённого стекла, играют ключевую роль в управлении распределением света внутри теплицы, снижении образования теней и обеспечении равномерного рассеяния светового потока.

Измерение освещённости

Измерение интенсивности освещения проводилось с использованием цифрового люксметра Smart Sensor AS823 в реальных полевых условиях (солнечный день, 12:00). Были зафиксированы следующие значения освещённости:

• освещённость на открытом участке: 137 600 лк;
• освещённость под полупрозрачной панелью: ~73 575 лк.

Для оценки агрономической значимости полученных результатов мгновенные значения освещённости, выраженные в люксах, были преобразованы в суточный световой интеграл (Daily Light Integral, DLI), который характеризует суммарное количество фотосинтетически активной радиации (PAR), получаемой растениями в течение суток. При допущении среднего коэффициента пересчёта для солнечного света в диапазоне PAR 54 лк≈1 μмоль⋅м⁻²⋅с⁻¹, измеренное значение 73 575 лк соответствует приблизительно 1 362 μмоль⋅м⁻²⋅с⁻¹.

При продолжительности фотопериода 6 часов это приводит к значению суточного светового интеграла около 24,8 моль⋅м⁻²⋅сут⁻¹.

С агрономической точки зрения данное значение находится в пределах или даже превышает оптимальный диапазон, необходимый для большинства тепличных культур (томаты, огурцы, перец, баклажаны, как правило, требуют 20–30 моль·м⁻²·сут⁻¹). Таким образом, даже под полупрозрачной панелью растения получают более чем достаточное количество света для фотосинтеза и роста. Кроме того, частичное снижение интенсивности освещения способствует снижению избыточной солнечной радиации в жаркий летний период, что положительно влияет на формирование благоприятного микроклимата внутри теплицы.

Результаты и обсуждения

Спектральный анализ светопропускания

На начальном этапе исследования светопропускание трёх различных конфигураций фотоэлектрических панелей было проанализировано с использованием спектрофотометра Specord 50 (Analytik Jena, Германия, 2005). Значения коэффициента светопропускания (%) регистрировались отдельно для каждой структуры (рис. 3). Были получены следующие результаты:

• закалённое стекло + EVA: среднее значение светопропускания в диапазоне 400–700 нм составило 85–88 %;
• только закалённое стекло: средняя светопропускная способность находилась в пределах 82–85 %;
• закалённое стекло – EVA – закалённое стекло: показало наибольшую светопропускную способность, достигая 90–95 % в диапазоне 400–700 нм.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что конфигурация «закалённое стекло – EVA – закалённое стекло» обеспечивает наиболее эффективную передачу света. Поскольку одна сторона закалённого стекла является гладкой, а другая имеет трапециевидную текстурированную поверхность, происходит рассеяние светового потока, что затрудняет точное измерение коэффициента светопропускания с помощью спектрофотометрических приборов.

Кроме того, использование комбинации только закалённого стекла и слоя EVA со временем приводит к снижению светопропускной способности вследствие окисления EVA при его контакте с атмосферным воздухом.

В рамках данного исследования спектральная светопропускная способность прозрачной части полупрозрачной солнечной панели, выполненной с использованием слоя EVA, размещённого между двумя слоями закалённого стекла, была измерена в лаборатории кафедры оптики Самаркандского государственного университета с применением спектрофотометра Specord 50 (Analytik Jena, Германия, 2005) в диапазоне длин волн 190–1100 нм. Данный прибор обеспечивает высокоточную регистрацию параметров в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра (UV–VIS–NIR), что позволяет выполнить комплексную оценку оптических свойств панели.

Рисунок 3. Спектральные характеристики светопропускания для различных конфигураций слоёв (190–900 нм)

Результаты измерений показали, что в диапазоне 200–300 нм (рис. 4) значения светопропускания были крайне низкими — например, 0,08 % при длине волны 200 нм и 0,106 % при 250 нм, что свидетельствует о практически полном поглощении излучения диапазонов UV-B и UV-C материалами панели. Данное свойство имеет принципиальное значение для защиты растений, расположенных под панелью, от вредного высокоэнергетического ультрафиолетового излучения.

Начиная с длины волны 300 нм, светопропускание резко возрастает, достигая 19,69 % при 310 нм и 41,72 % при 320 нм, что соответствует началу диапазона фотосинтетически активной радиации (PAR), критически важного для процессов фотосинтеза.

В диапазоне 400–700 нм значения светопропускания достигают близких к максимальным уровней: 85,92 % при 400 нм, 91,11 % при 500 нм, 94,24 % при 600 нм и 95,51 % при 700 нм. Такая высокая светопропускная способность в области фотосинтетически активной радиации (PAR) указывает на то, что растения, расположенные под панелью, получают достаточное количество света для нормального роста и развития.

Особенно в диапазоне 430–670 нм (синяя и красная области спектра), в котором хлорофилл наиболее эффективно поглощает свет, наблюдаемая высокая светопропускная способность напрямую способствует повышению эффективности фотосинтеза.

Рисунок 4. Спектральная зависимость светопропускания прозрачной части полупрозрачной солнечной панели

В диапазоне 700–900 нм (ближний инфракрасный диапазон) светопропускание также остаётся высоким, достигая значений до 95,6 %. Это способствует передаче тепловой энергии и вносит вклад в общий энергетический баланс внутри теплицы.

Материал, используемый для прозрачной части солнечной панели, демонстрирует высокую степень поглощения ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн ниже 300 нм, полностью блокируя радиацию, потенциально вредную для растений. В диапазоне фотосинтетически активной радиации (PAR, 400–700 нм) панель сохраняет светопропускание на уровне 85–95 %, обеспечивая оптимальные условия освещения для процессов фотосинтеза.

Расчёт

При оптимизации светопропускающей части полупрозрачной фотоэлектрической панели решающую роль играют геометрические параметры трапециевидных структур, сформированных на поверхности закалённого стекла. Одним из наиболее критичных показателей является угол большого основания α, определяющий характер преломления падающего светового излучения внутри элемента. При заданных параметрах n₀=1, n=1,5, L=49 мм, H=6 мм, h=0,5 мм, k=1,09, расчётное значение данного угла составило приблизительно 30,2°. Это значение находится в оптимальном диапазоне 28°–35°, что обеспечивает эффективное направление поступающего солнечного излучения, особенно в спектре PAR, внутрь теплицы без существенных потерь на рассеяние.

Дальнейший анализ геометрии трапециевидной структуры показал, что ширина основания aaa, представляющая собой расстояние между верхним и нижним основаниями элемента, составляет приблизительно 0,394 мм. Данное значение обеспечивает баланс траектории внутреннего преломления света, предотвращая неравномерное рассеяние и поддерживая контролируемое прохождение светового потока через поверхность панели.

Кроме того, общее количество трапециевидных элементов, которые могут быть размещены в пределах прозрачного участка шириной 49 мм, составило около 49,55, что соответствует структурной плотности, близкой к одному элементу на миллиметр. Такая конфигурация обеспечивает высокоточную регулировку прохождения света, равномерное распределение солнечной радиации и стабильность внутреннего светового режима.

В совокупности рассчитанные параметры — угол преломления, ширина основания и плотность элементов — формируют интегрированную конструктивную модель, повышающую оптическую эффективность панели. За счёт направления большей части падающего излучения внутрь теплицы при минимальных потерях данная конструкция не только способствует оптимальной фотосинтетической активности растений, но и обеспечивает формирование стабильного микроклимата с пониженными тепловыми потерями.

Электрическая и экономическая оценка эффективности

Электрические параметры полупрозрачной фотоэлектрической панели (STPV) измерялись с использованием тестера солнечных модулей OTMT-A (WUHAN OOI Photoelectric Technology) — полуавтоматического импульсного симулятора солнечного излучения, соответствующего спектральному стандарту IEC 60904-9 AM 1.5 G. Устройство автоматически компенсирует изменения температуры и уровня облучённости и обеспечивает высокоточную регистрацию таких параметров, как ток короткого замыкания (I_sc​), напряжение холостого хода (V_oc​), максимальная мощность (P_m​), ток при максимальной мощности (I_pm) и напряжение при максимальной мощности (V_pm​), при неоднородности светового потока менее ±1 %.

Для лицевой стороны панели (рис. 5) были получены следующие значения:

I_sc=7,546IА, V_oc=48,804 B, P_m=267,180 Вт, I_pm=6,926 А и V_pm=38,576 В.

Для тыльной стороны панели (рис. 6) измеренные параметры составили:

I_sc=4,881А, V_oc=48,293 В, P_m=174,540 Вт, I_pm=4,514 А и V_pm=38,664 В.

С учётом вклада обеих поверхностей теоретическое значение суммарной максимальной выходной мощности при бифасиальном освещении составляет приблизительно 441,72 Вт. Коэффициент преобразования энергии (η) был определён согласно выражению (9):

где P_m​ — максимальная электрическая мощность (Вт),

 G — плотность падающего солнечного излучения (Вт/м²),

A — суммарная площадь панели (м²).

При стандартных условиях испытаний (STC: G=1000 Вт/м² A=2,5776 м²) рассчитанные значения коэффициента преобразования энергии составляют приблизительно 17,1 % для лицевой стороны панели и около 11,1 % для тыльной стороны, что в совокупности соответствует эффективному бифасиальному КПД порядка 28,2 %.

Несмотря на то что частичное поглощение ультрафиолетового (УФ) излучения незначительно снижает эффективность преобразования энергии с лицевой стороны панели, данный эффект обеспечивает термическую стабильность конструкции, уменьшение деградации материалов и увеличение срока службы инкапсулирующего слоя. Высокая светопропускная способность в ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне также способствует улучшению теплового баланса теплицы и снижению затрат энергии на охлаждение в летний период.

С экономической точки зрения стоимость изготовления одной полупрозрачной фотоэлектрической панели (STPV) составляет приблизительно 61 доллар США, при этом среднегодовая выработка электроэнергии достигает около 1000 кВт·ч в климатических условиях Узбекистана (примерно 300 солнечных дней в году). При тарифе на электроэнергию 500 сум/кВт·ч экономия от эксплуатации одной панели может составлять 500 000–600 000 сум в год, что соответствует сроку окупаемости порядка 2–2,5 лет. С учётом того, что ожидаемый срок службы панели превышает 20 лет, предлагаемая система демонстрирует высокую долгосрочную экономическую эффективность и значительный вклад в устойчивое развитие.

Следует отметить, что представленная экономическая оценка носит теоретический характер и основана на измеренных оптических и электрических параметрах панели, тогда как все оптические и электрические характеристики были получены экспериментально с использованием испытательной системы OTMT-A. Комплексная валидация экономической модели на основе долговременных эксплуатационных данных и сезонного мониторинга эффективности будет выполнена в дальнейших исследованиях и представлена в последующих публикациях.

Рисунок 5. Вольт-амперная (I–V) и ватт-амперная (P–V) характеристики лицевой стороны солнечной панели второго типа

Рисунок 6. Вольт-амперная (I–V) и ватт-амперная (P–V) характеристики тыльной стороны солнечной панели второго типа.

Заключение

В настоящей работе представлена разработка и оптическая оптимизация полупрозрачной фотоэлектрической панели (STPV), изготовленной на основе традиционных монокристаллических кремниевых солнечных элементов с использованием высокопрозрачного слоя EVA, размещённого между двумя листами закалённого стекла. Спектрофотометрический анализ и геометрическое моделирование показали, что данная конструкция обеспечивает исключительно высокую светопропускную способность (90–95 %) в диапазоне фотосинтетически активной радиации (PAR, 400–700 нм), одновременно эффективно блокируя вредное ультрафиолетовое излучение с длиной волны ниже 300 нм.

Светонаправляющая конструкция панели, основанная на применении трапециевидных микроструктур с углом наклона 30,2° и шириной основания 0,394 мм, обеспечивает эффективное преломление и равномерное распределение светового потока внутри тепличного пространства. Достигнутая плотность размещения элементов, составляющая приблизительно одну структуру на миллиметр, позволяет максимизировать рассеяние света и минимизировать эффект затенения.

Для подтверждения практической применимости разработанной конструкции были изготовлены и успешно интегрированы в экспериментальную тепличную установку восемь полноразмерных панелей, выполненных по оптимизированной технологии. Под данными панелями успешно выращивались и развивались четыре вида сельскохозяйственных культур — огурец, баклажан, томат и сладкий перец. На рис. 7 представлена визуальная демонстрация здорового роста растений под полупрозрачными солнечными панелями, что подтверждает формирование благоприятных микроклиматических условий для фотосинтеза и развития растений за счёт оптимальных оптических характеристик панели.

Таким образом, предложенная конструкция полупрозрачной солнечной панели не только обеспечивает эффективную генерацию возобновляемой электроэнергии, но и гарантирует достаточную светопередачу для тепличных культур. Благодаря своей двойной функциональности данное решение является перспективным для применения в агровольтаических системах, особенно в регионах с высоким уровнем солнечной радиации, где ключевыми факторами являются эффективное использование земельных ресурсов и устойчивая интеграция энергетического и продовольственного секторов.

Рисунок 7. Демонстрация здорового роста огурца, томата, баклажана и сладкого перца, выращенных под полупрозрачной солнечной панелью

Список литературы:

1. T. Bolyssov, B. Yessengeldin, G. Akybayeva, Z. Sultanova, and A. Zhanseitov, “Features of the use of renewable energy sources in agriculture,” Int. J. Energy Econ. Policy, vol. 9, pp. 363–368, 2019, doi: 10.32479/ijeep.7443.
2. N. Gilbert, “One-third of our greenhouse gas emissions come from agriculture,” Nature, vol. 482, no. 7383, p. 150, 2012, doi: 10.1038/nature.2012.11708.
3. D. Platis, C. Anagnostopoulos, A. Tsaboula, G. Menexes, K. Kalburtji, and A. Mamolos, “Energy analysis, and carbon and water footprint for environmentally friendly farming practices in agroecosystems and agroforestry,” Sustainability, 2019, Art. no. 1664, doi: 10.3390/su11061664.
4. B. Jaiswal and M. Agrawal, “Carbon footprints of agriculture sector,” in Carbon Footprints, 2020, pp. 81–99, doi: 10.1007/978-981-13-7916-1_4.
5. European Commission, Delivering the European Green Deal. Brussels, Belgium, 2019. [Online]. Available: https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/european-green-deal/delivering-european-green-deal_en. [Accessed: Jan. 4, 2023].
6. A. K. Pandey, V. V. Tyagi, J. A. Selvaraj, N. A. Rahim, and S. K. Tyagi, “Recent advances in solar photovoltaic systems for emerging trends and advanced applications,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 53, pp. 859–884, 2016.
7. N. S. Lewis and D. G. Nocera, “Powering the planet: chemical challenges in solar energy utilization,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, vol. 103, no. 43, pp. 15729–15735, 2006.
8. International Energy Agency (IEA), World Energy Outlook 2022, 2022. [Online]. Available: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022. [Accessed: Jan. 4, 2023].
9. M. E. Evans, J. A. Langley, F. R. Shapiro, and G. F. Jones, “A validated model, scalability, and plant growth results for an agrivoltaic greenhouse,” Sustainability, vol. 14, no. 10, Art. no. 6154, 2022, doi: 10.3390/su14106154.
10. S. Gorjian, B. W. Lee, A. A. Y. Adio, E. S. Tay, M. H. Mahdy, and M. A. H. Sadegh et al., “Progress and challenges of crop production and electricity generation in agrivoltaic systems using semi-transparent photovoltaic technology,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 158, Art. no. 112126, 2022, doi: 10.1016/j.rser.2022.112126.
11. O. A. Katsikogiannis, H. Ziar, and O. Isabella, “Integration of bifacial photovoltaics in agrivoltaic systems: a synergistic design approach,” Applied Energy, vol. 309, Art. no. 118475, 2022, doi: 10.1016/j.apenergy.2021.118475.
12. S. Qushakov, A. Mirzabaev, M. Eshkulov, M. Anarbaev, B. Narimanov, and F. Rakhmanov, “Design and engineering of photovoltaic power generation system,” in Proc. IEEE 25th Int. Conf. Young Prof. Electron Devices Mater. (EDM), 2024, pp. 1430–1437, doi: 10.1109/EDM61683.2024.10615190.
13. S. Kushakov, A. M. Mirzabaev, M. U. Eshkulov, B. K. Mamatkulov, A. D. Egamberganova, and A. A. Shermukhamedov, “Agrivoltaic panel design for greenhouses,” in Proc. IEEE 26th Int. Conf. Young Prof. Electron Devices Mater. (EDM), 2025, pp. 810–813, doi: 10.1109/EDM65517.2025.11096823.