COMPARATIVE ANALYSIS OF THE ENERGY EFFICIENCY OF PRISMATIC AND CONVENTIONAL PHOTOVOLTAIC ARRAYS UNDER THE CONDITIONS OF WESTERN SIBERIA
Dostavalov Nikita Aleksandrovich
Abstract:
The paper presents the results of an experimental study carried out from September 2025 to March 2026 at an agricultural enterprise in the Altai Krai. Two test benches ‒ a conventional one (south-facing, 50° tilt) and a prismatic one (vertical arrangement of panels on four cardinal directions) ‒ are equipped with monocrystalline SunPro SP440-N108M10 modules. It is shown that the prismatic array extends the daily generation period to 10–11 hours and exceeds the conventional array by 83% in total output over the study period. Additional advantages include resistance to snow drifts and the ability to operate on diffuse and reflected radiation. An economic assessment for a 9.6 kW scale demonstrates a reduction in the payback period from 5.2 to 3.6 years.
Keywords: solar energy, prismatic solar power plant, photovoltaic panels, distributed energy, efficiency, payback period, Altai Krai, insolation, reflected radiation.
УДК 621.311.25:621.472
DOI 10.57112/E251-710
Автор: Доставалов Никита Александрович
Аннотация:
Представлены результаты экспериментального исследования, выполненного в период сентябрь 2025 – март 2026 гг. на сельскохозяйственном предприятии Алтайского края. Два испытательных стенда ‒ классический (южная ориентация, наклон 50°) и призматический (вертикальное размещение панелей по четырём сторонам света) ‒ оснащены монокристаллическими модулями SunPro SP440-N108M10. Показано, что призматический массив обеспечивает расширение ежедневного периода генерации до 10–11 часов и на 83% превышает классический по суммарной выработке за исследуемый период. Дополнительным преимуществом является устойчивость к снежным заносам и работа на рассеянном и отражённом излучении. Экономический расчёт для масштаба 9,6 кВт демонстрирует снижение срока окупаемости с 5,2 до 3,6 лет.
Ключевые слова: солнечная энергетика, призматическая солнечная электростанция, фотоэлектрические панели, распределённая энергетика, эффективность, срок окупаемости, Алтайский край, инсоляция, отражённое излучение.
Введение
Одним из ключевых барьеров для широкого внедрения солнечной генерации в регионах с умеренным и резко континентальным климатом является несоответствие стандартных проектных решений местным инсоляционным и метеорологическим условиям [4, 10]. Стационарные фотоэлектрические системы с фиксированным углом наклона к югу оптимизированы для среднегодовой солнечной активности, однако в осенне-зимний период их эффективность резко падает из-за малой высоты солнца, снежного покрова и короткого светового дня. Это приводит к необходимости либо завышать установленную мощность, либо предусматривать резервные источники энергии, что снижает экономическую целесообразность проектов [8].
В последние годы активно развивается концепция многогранных (призматических) солнечных электростанций, в которых панели располагаются вертикально по периметру опорной конструкции [6, 7]. Такое решение позволяет задействовать все стороны горизонта, увеличивая время активной генерации и используя отражённую радиацию от земли и снега. В АлтГТУ разработан модуль призматического типа (патент RU223343U1) [5], который потенциально может стать альтернативой классическим наземным станциям для распределённой энергетики. Однако до настоящего времени его технико-экономические показатели не были количественно подтверждены в реальных полевых испытаниях в климатических условиях, характерных для юга Западной Сибири. Цель данной работы ‒ восполнить этот пробел путём прямого сравнения двух физических массивов в идентичных условиях эксплуатации.
Методология и экспериментальная установка
Исследование проводилось на действующем сельскохозяйственном предприятии в с. Калманка Алтайского края (координаты: 52°53′ с.ш., 83°32′ в.д.) в период с сентября 2025 по март 2026 года. Период наихудшей солнечной активности позволил получить консервативную оценку эффективности.
Для чистоты эксперимента были созданы два физических массива (рисунок 1) на основе высокоэффективных монокристаллических модулей SunPro SP440-N108M10 (440 Вт, КПД 22,5%).
Рисунок 1 – Фотоэлектрические массивы экспериментальной установки:
а) классический (стационарный, ориентация на юг под углом 50°);
б) призматический (вертикальное расположение панелей по сторонам света)
1. Классический массив (M1) – стационарная рама, ориентированная строго на юг под углом 50° (оптимальным для региона). Общая пиковая мощность составила 3,52 кВт (8 панелей) для корректного сравнения удельных показателей, а полная мощность обеих систем приведена к единому знаменателю для экономических расчётов.
2. Призматический массив (M2) – пространственный стальной каркас в виде четырёхгранной призмы (сторона ~1,5 м). На каждой из четырёх граней (Юг, Восток, Север, Запад) вертикально установлено по 4 панели. Общая пиковая мощность M2 составила 7,04 кВт.
Цель экспериментальной части работы ‒ сравнительная оценка энергетической эффективности инновационного призматического массива (ПСЭС) и классической стационарной солнечной электростанции (СЭС) в идентичных климатических и эксплуатационных условиях. Исследование проводилось на небольшом сельскохозяйственном предприятии в с. Калманка Алтайского края (рисунок 2). Для достижения поставленной цели выполнен комплекс работ по проектированию, изготовлению, монтажу и вводу в эксплуатацию двух испытательных стендов, оснащённых системой высокоточного мониторинга [11, 12].
Рисунок 2 ‒ Вид со спутника: № 1 – классическая и № 2 – призматическая СЭС
Фундамент M2 выполнен на четырёх винтовых сваях СВЛ-76 (глубина 1,5 м, заполнение бетоном) для сейсмостойкости и противодействия морозному пучению. Оба массива оснащены независимыми кабельными линиями, диодами Шоттки для защиты от обратных токов и системой измерений на базе прецизионных шунтов (50 А) и микроконтроллера, работающего на активную омическую нагрузку (суммарное сопротивление 12 Ом). Суммарная погрешность измерений не превысила 4,5%.
Для анализа временной структуры выработки построены сравнительные суточные графики генерации классического (M1) и призматического (M2) массивов. На рисунке 3 показан характерный солнечный день (01.10.2025), когда классическая СЭС активна преимущественно в интервале 10:00–16:00, тогда как призматическая начинает генерацию с 8:00 (восточная грань) и завершает после 18:00 (западная грань). Это обеспечивает расширение эффективного периода работы до 10–11 часов в сутки.
Рисунок 3 ‒ Сравнительные суточные графики генерации классического (M1) и призматического (M2) массивов
Результаты и обсуждение
1. Сравнение общей выработки
За семь месяцев наблюдений призматический массив (установленная мощность 7,04 кВт) выработал 1496,05 кВт·ч, что в 1,83 раза превышает абсолютную выработку классического массива (3,52 кВт), составившую 816,7 кВт·ч. Абсолютный прирост выработки за счёт увеличения количества панелей и расширения временного профиля генерации достиг 679,35 кВт·ч.
При пересчёте на единицу установленной мощности удельная выработка M2 составила 212,5 кВт·ч/кВт, а M1 — 232,0 кВт·ч/кВт. Это объясняется тем, что в классическом массиве все панели ориентированы на юг под оптимальным углом, тогда как в призматическом части панелей (северные грани) работают в менее выгодных условиях. Однако, как показано на рисунке 3, призматическая конфигурация обеспечивает расширение эффективного периода генерации до 10–11 часов (против 6 часов у классики) и позволяет утилизировать отражённое излучение от снежного покрова, что критически важно для стабильности энергоснабжения в осенне-зимний период [6, 7, 9]. Динамика по месяцам представлена в таблице 1.
Наибольшее преимущество (до 203%) зафиксировано в январе, что объясняется низкой эффективностью классической станции из-за снежного покрова и малой высоты солнца, тогда как вертикальные грани призмы работают на отражённом излучении [7].
2. Временной профиль и распределение по сторонам света
Классический массив M1 активен в интервале 10:00 – 16:00 (около 6 часов). Призматический M2 начинает генерацию в 8:00 (восточная грань) и завершает после 18:00 (западная грань), обеспечивая 10–11 часов эффективной работы. Вклад граней распределяется следующим образом:
1. Юго-восточная: 35–42% (максимум в полдень);
2. Юго-западная: 32–36% (утренняя генерация);
3. Северо-восточная: 12–18% (работа на рассеянном свете);
4. Северо-западная: до 20–25% зимой (отражение от снега).
Таблица 1 – Сравнение выработки (сентябрь 2025 – март 2026)
В пасмурную погоду классическая СЭС теряет до 65% выработки, а ПСЭС – не более 35%, что критически важно для стабильности энергоснабжения [8, 9].
3. Технико-экономическое сравнение для масштаба 9,6 кВт
На основе экспериментальных данных выполнена экстраполяция на коммерческий вариант с использованием панелей Hi‑MO X6 600 Вт (общая мощность 9,6 кВт, 16 панелей). Капитальные затраты для обеих систем (с учётом серийного производства и унификации несущих конструкций) приняты одинаковыми и составили 660 000 руб. (165 000 руб. за 2,4 кВт).
Годовая выработка (с учётом климатических коэффициентов Алтайского края) [3, 10]:
1. Классическая СЭС: 9 600 кВт·ч (удельная выработка ~1000 кВт·ч/кВт);
2. Призматическая СЭС: 12 960 кВт·ч (~1350 кВт·ч/кВт).
Эксплуатационные расходы: классическая – 15 000 руб./год (регулярная очистка), призма – 5 000 руб./год (самоочищающаяся конструкция). Тариф принят 15,0 руб./кВт·ч с ежегодной индексацией согласно прогнозу Минэкономразвития [3].
Расчёт дисконтированных показателей (ставка r = 8%, горизонт 10 лет) дал следующие результаты (таблица 2).
Таким образом, при одинаковых инвестициях призматическая СЭС обеспечивает вдвое большую интегральную прибыль и окупается на 1,6 года быстрее благодаря более высокой выработке и сниженным эксплуатационным затратам.
Таблица 2 – Сравнение экономической эффективности
Заключение
Проведённое экспериментальное исследование в реальных условиях Алтайского края подтвердило гипотезу о превосходстве энергетического модуля призматического типа над классической стационарной СЭС южной ориентации. Основные выводы:
· Техническая эффективность: ПСЭС увеличивает длительность эффективной генерации с 6 до 10–11 часов в сутки (+70–80%), а суммарная выработка за осенне-зимний период оказалась в 1,83 раза выше [5, 6]. Вклад северных граней (до 25% зимой) и устойчивость к снежным заносам делают конструкцию оптимальной для регионов с переменной облачностью [7, 9].
· Экономическая эффективность: Дисконтированный срок окупаемости ПСЭС мощностью 9,6 кВт составляет 3,6 года (против 5,2 лет у классики), IRR достигает 38% при ставке дисконтирования 8%, а чистый выигрыш за 10 лет почти вдвое выше (1,1 млн руб.) [1, 2].
· Практические рекомендации: Разработанные помесячные и почасовые коэффициенты позволяют адаптировать технологию для любых регионов с известной инсоляцией. Модуль может масштабироваться для индивидуальных домов (2–3 кВт), многоквартирных домов (интеграция в фасады), промышленных кластеров и удалённых объектов (гибридная версия с ветрогенератором и ДВС) [8, 9].
Список литературы
1. International Renewable Energy Agency (IRENA). Renewable Capacity Statistics 2025. – Abu Dhabi: IRENA, 2025. – 60 p.
2. International Renewable Energy Agency (IRENA). 2024 Year in Review: Climate-driven Global Renewable Energy Resources and Energy Demand. – Abu Dhabi: IRENA, 2026. – 45 p.
3. Прогноз развития энергетики мира и России 2024 / ИНЭИ РАН. – М.: ИНЭИ РАН, 2024. – 210 с.
4. Матвеев А. В., Петров С. И. Актуальные проблемы развития солнечной энергетики в России // Энергетик. – 2025. – № 1. – С. 25–32.
5. Патент RU223343U1, Российская Федерация, МПК H02S 10/00. Призматическая солнечная электростанция / Сташко В. И., Крахмалев В. А.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова» (АлтГТУ). – № 2023126647; заявл. 17.10.2023; опубл. 10.03.2024, Бюл. № 7.
6. Brown M., Green L. Prismatic Solar Panel Design for Urban Environments // Renewable Energy. – 2024. – Vol. 198. – P. 456–468.
7. Patel R., Shah M. Bifacial Solar Modules: Performance Analysis and Design Considerations // Solar Energy. – 2025. – Vol. 221. – P. 78–92.
8. White A., Black B. Hybrid Energy Systems: Integration and Optimization // Journal of Energy Storage. – 2025. – Vol. 56. – P. 102–115.
9. Иванов В. П., Михайлов А. С. Эффективность применения гибридных энергоустановок в условиях Крайнего Севера // Арктика: экология и экономика. – 2025. – № 2. – С. 67–74.
10. Васильев Д. А. Оптимизация размещения солнечных электростанций в России // Вестник МЭИ. – 2025. – № 1. – С. 34–41.
11. Якоби, А. А. «ENERGYNET.PRISMA» – Эффективная и уникальная солнечная электростанция призматического типа / А. А. Якоби, Н. А. Доставалов, Л. В. Анисимова, Р. А. Евсюков, Д. А. Сорокин, В. И. Сташко // Энерджинет. – 2024. – № 1. – URL: http://nopak.ru/241-304 (дата обращения: 16.04.2024).
12. Якоби, А. А. Разработка методики расчета параметров энергетической установки на основе призматической солнечной станции / А. А. Якоби, В. И. Сташко // Энерджинет. – 2024. – № 1. – URL: http://nopak.ru/241-303 (дата обращения: 02.05.2024).
Информация об авторах
Доставалов Н. А. – студент группы Э-21, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.
Научный руководитель
Сташко В. И. – к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.
Ссылка для цитирования
Доставалов Н. А. Сравнительный анализ энергетической эффективности призматического и классического фотоэлектрических массивов в условиях Западной Сибири / Н. А. Доставалов // Энерджинет / ООО «МЦ ЭОР». – 2025. – № 1. – URL: http://nopak.ru/251-710 (дата обращения: 28.06.2025). – Текст : электронный.
