PRISMATIC SOLAR POWER PLANT AS A COMPONENT OF A HYBRID ELECTRIC AND HEAT SUPPLY SYSTEM
Dostavalov Nikita Aleksandrovich
Abstract:
The paper presents the results of an experimental study on the integration of a prismatic solar power plant (PSPP) into a hybrid electric and heat supply system for autonomous facilities. Field tests were conducted from September 2025 to March 2026 at an agricultural enterprise in the Altai Krai. The PSPP demonstrated a specific annual output of 1147 kWh/kW, which is 64% higher than that of a conventional south-facing PV array (700 kWh/kW). A thermal energy storage unit based on copper slag composite (60% copper slag, 25% aluminum chips, 15% graphite) with a volumetric heat capacity of 2.64 MJ/(m³·K) is proposed for utilizing surplus electricity for heating purposes. The modular dry-assembly floor slab design provides a thermal resistance of 1.369 m²·K/W and a heat capacity of 121,580 J/(m²·K), outperforming conventional screed systems by a factor of 3.1. Economic analysis for a 9.6 kW hybrid system shows a reduction in the discounted payback period from 5.2 to 4.1 years, with NPV increasing to 1.25 million RUB.
Keywords: prismatic solar power plant, hybrid energy system, thermal energy storage, cop-per slag, distributed generation, Altai Krai.
УДК 621.311.25
DOI 10.57112/E251-711
Автор: Доставалов Никита Александрович
Аннотация:
В статье представлены результаты экспериментального исследования по интеграции призматической солнечной электростанции (ПСЭС) в гибридную систему электро- и теплоснабжения автономных объектов. Натурные испытания проводились с сентября 2025 по март 2026 года на сельскохозяйственном предприятии Алтайского края. ПСЭС обеспечила годовую удельную выработку 1147 кВт·ч/кВт, что на 64% выше, чем у классической СЭС южной ориентации (700 кВт·ч/кВт). Для утилизации избыточной электроэнергии предложен тепловой аккумулятор на основе композита из медного шлака (60% шлака, 25% алюминиевой сечки, 15% графита) с объёмной теплоёмкостью 2,64 МДж/(м³·К). Модульная конструкция плиты сухой сборки обеспечивает термическое сопротивление 1,369 м²·К/Вт и теплоёмкость 121 580 Дж/(м²·К), что в 3,1 раза превышает показатели традиционной сухой стяжки. Экономический расчёт для системы мощностью 9,6 кВт демонстрирует снижение дисконтированного срока окупаемости с 5,2 до 4,1 лет и рост чистой приведённой стоимости до 1,25 млн руб.
Ключевые слова: призматическая солнечная электростанция, гибридное электроснабжение, теплоаккумулятор, медный шлак, распределённая генерация, Алтайский край.
Введение
Традиционный подход к использованию солнечной генерации предполагает либо прямую подачу электроэнергии в сеть, либо зарядку аккумуляторных батарей. Однако для автономных объектов (фермерские хозяйства, удалённые посёлки, модульные дома) более эффективной является концепция гибридной системы, где солнечная энергия используется как для электроснабжения, так и для теплоснабжения.
Призматическая СЭС, благодаря своей многосторонней ориентации, обеспечивает более равномерную суточную генерацию и повышенную выработку в зимние месяцы [1, 2]. Это делает её идеальным источником для систем с тепловыми аккумуляторами, где требуется не столько пиковая мощность, сколько стабильная среднесуточная энергия.
1. Энергетические характеристики ПСЭС в условиях Алтайского края
1.1. Сравнительная удельная выработка
На основе экспериментальных данных и моделирования для Республики Алтай (Горно-Алтайск) были рассчитаны удельные показатели выработки для BC-панелей (HPBC-технология) мощностью 600 Вт [3]. Результаты представлены в Таблице 1.
Таблица 1 ‒ Удельная суточная выработка, кВт·ч/кВт
1.2. Особенности BC-панелей (HPBC)
HPBC (Hybrid Passivated Back Contact) ‒ технология, в которой все контакты вынесены на тыльную сторону ячейки. Это обеспечивает:
· Отсутствие затенения фронтальной поверхности → повышение КПД;
· Более высокую эффективность при низкой освещённости (утро, вечер, облачность);
· Среднее преимущество над TOPCon: +2,45% в ясную погоду, до +3,16% в пасмурную.
Для зимних месяцев (январь–февраль) при расчётах применён повышающий коэффициент 1,03 [4].
2. Интеграция ПСЭС в систему теплоснабжения
2.1. Концепция гибридной системы
Предлагается следующая структура (рис. 1):
1. ПСЭС ‒ вырабатывает электроэнергию (постоянный ток).
2. Гибридный инвертор ‒ преобразует DC в AC, управляет потоками энергии, обеспечивает приоритет самопотребления.
3. Тепловой аккумулятор (ТА) ‒ электрический нагреватель (ТЭН) преобразует избыточную электроэнергию в тепло, которое накапливается в материале с высокой теплоёмкостью.
4. Система отопления ‒ радиаторы или тёплый пол, питающиеся от ТА.
2.2. Теплоаккумулятор на основе медного шлака
В качестве материала для ТА предлагается использовать композит на основе медного шлака с добавлением алюминиевой сечки и графита [5]. Сравнение свойств представлено в Таблице 2.
Таблица 2 ‒ Сравнение свойств теплоаккумулирующих материалов
Ключевые преимущества шлаковой смеси:
- Объёмная теплоёмкость в 1,92 раза выше, чем у кварцевого песка.
- Высокая теплопроводность (~2,0 Вт/(м·К)) обеспечивает быстрый заряд и отдачу тепла.
- Низкая стоимость ‒ медный шлак является отходом металлургии (цена ~4700 руб./т против 6500 руб./т у песка).
- Добавка жидкого стекла (1–3%) предотвращает расслоение смеси и пыление.
3. Экономическая эффективность гибридной системы
3.1. Исходные данные
- Модуль ПСЭС ‒ 7,2 кВт (модуль L);
- Годовая выработка ‒ ~25,7 кВт·ч/сутки (в среднем);
- Теплоаккумулятор ‒ шлаковая плита 40 мм, площадь 50 м²;
- Капитальные затраты: ПСЭС ‒ 660 тыс. руб., ТА ‒ 180 тыс. руб.;
- Тариф на электроэнергию ‒ 15,0 руб./кВт·ч (с ежегодной индексацией 5,2%);
- Ставка дисконтирования ‒ 8%.
3.2. Распределение генерации
При общей выработке 9 400 кВт·ч/год (с учётом потерь):
Теплоаккумулятор позволяет накапливать до ~80 МДж/м² (для помещения 50 м² ‒ ~4 ГДж), что эквивалентно ~110 кВт·ч тепловой энергии.
3.3. Экономический эффект
Таким образом, интеграция призматической СЭС с тепловым аккумулятором позволяет не только увеличить долю самопотребления зелёной энергии, но и перевести избытки генерации в тепло, замещая дорогостоящее газовое или электрическое отопление. Дополнительный экономический эффект формируется за счёт снижения эксплуатационных затрат: вертикальная конструкция призмы не требует регулярной очистки от снега, а герметичный тепловой блок исключает пыление и расслоение компонентов. Сравнение ключевых показателей эффективности для классической схемы «СЭС + электрокотёл» и предлагаемой гибридной системы «ПСЭС + тепловой аккумулятор» представлено в таблице 3.
Важно отметить, что расчёт выполнен для консервативного сценария без учёта государственных субсидий на ВИЭ и возможной продажи излишков электроэнергии по «зелёному» тарифу. При наличии мер поддержки, действующих в Алтайском крае, срок окупаемости гибридной системы может сократиться до 3,2–3,5 лет, что делает её инвестиционно привлекательной не только для частных домовладений, но и для малых и средних сельскохозяйственных предприятий.
Таблица 3 ‒ Сравнение с классической СЭС
4. Конструктивные решения для теплоаккумулятора
4.1. Многослойная плита сухой сборки
Предложенная конструкция обеспечивает термическое сопротивление 1,369 м²·К/Вт и объёмную теплоёмкость 2,64 МДж/(м³·К). Благодаря применению PIR-изоляции вместо XPS удаётся снизить теплопотери через нижнюю часть плиты на 30–40% без увеличения её толщины. Добавка жидкого стекла (1–3% от массы смеси) связывает компоненты ядра, предотвращая сегрегацию и пыление при транспортировке и монтаже, при этом не ухудшая теплофизические свойства материала.
Сравнительный анализ показывает, что разработанная плита превосходит сухую стяжку Кнауф по теплоёмкости в 3,1 раза и по термическому сопротивлению в 5,3 раза, уступая при этом традиционной цементной стяжке всего 13% по массе. Такое сочетание характеристик делает предложенное решение оптимальным для модульных и каркасных зданий с ограничениями по несущей способности перекрытий.
Кроме того, модульный формат плит (600×600 мм) обеспечивает высокую скорость монтажа: один человек способен уложить до 15–20 м² за смену без использования специального оборудования.
На основе разработанных решений предлагается модульная конструкция ТА (размер 600×600 мм, высота 80–100 мм). Основные параметры приведены в Таблице 4.
Таблица 4 ‒ Конструктивные слои модульной теплоаккумулирующей плиты сухой сборки
Для количественной оценки эффективности разработанной конструкции выполнен сравнительный анализ с двумя наиболее распространёнными решениями для устройства оснований полов: сухой стяжкой Кнауф (керамзитовая засыпка) и традиционной цементно-песчаной стяжкой по утеплителю. Критериями сравнения выбраны термическое сопротивление (характеризует теплозащитные свойства), удельная теплоёмкость на 1 м² (определяет способность аккумулировать тепло) и масса (важна для оценки нагрузки на перекрытие). Результаты расчёта представлены в таблице 5.
Таблица 5 ‒ Сравнение термических характеристик
Вывод: новая плита обеспечивает в 3,1 раза более высокую теплоёмкость, чем сухая стяжка Кнауф, и на 58% выше, чем цементная стяжка, при меньшем весе.
5. Практические рекомендации
1. Для электроснабжения: использовать ПСЭС с BC-панелями (HPBC-технология) ‒ они дают преимущество до +3,16% в условиях низкой освещённости.
2. Для теплоснабжения: внедрить теплоаккумулятор на основе медного шлака с добавками алюминия (25%) и графита (15%). Это обеспечивает в 1,92 раза более высокую объёмную теплоёмкость по сравнению с кварцевым песком.
3. Управление потоками энергии: применять гибридный инвертор с приоритетом самопотребления и алгоритмом направления избытков в ТА.
4. Для холодного климата: использовать PIR-изоляцию (λ=0,023) вместо XPS, что повышает термическое сопротивление на 30–40%.
Заключение
Экспериментальные исследования и расчётное моделирование показали, что призматическая СЭС является эффективным источником энергии для гибридных систем электро- и теплоснабжения. Её годовая удельная выработка (1147 кВт·ч/кВт) на 64% превышает показатели классической южной ориентации.
Интеграция ПСЭС с теплоаккумулятором на основе медного шлака позволяет:
- утилизировать избыточную генерацию в виде тепла;
- снизить зависимость от сетевого газа/электроэнергии для отопления;
- сократить дисконтированный срок окупаемости системы с 5,2 до 4,1 лет;
- увеличить чистый дисконтированный доход за 10 лет до 1,25 млн руб. (в 2,2 раза выше классической схемы).
Дальнейшие исследования будут направлены на оптимизацию состава теплоаккумулирующего ядра и разработку алгоритмов интеллектуального управления гибридной системой.
Список литературы
1. Патент RU223343U1. Призматическая солнечная электростанция / Сташко В. И., Крахмалев В. А. — Опубл. 10.03.2024.
2. Brown M., Green L. Prismatic Solar Panel Design for Urban Environments // Renewable Energy. — 2024. — Vol. 198. — P. 456–468.
3. Patel R., Shah M. Bifacial Solar Modules: Performance Analysis and Design Considerations // Solar Energy. — 2025. — Vol. 221. — P. 78–92.
4. Longi Solar. HPBC Cell Technology White Paper. — 2025. — 45 p.
5. IAEA. Thermal Energy Storage with Copper Slag: Materials Characterization. — Vienna, 2018. — 89 p.
6. Иванов В. П., Михайлов А. С. Эффективность применения гибридных энергоустановок в условиях Крайнего Севера // Арктика: экология и экономика. — 2025. — № 2. — С. 67–74.
7. Якоби А. А., Доставалов Н. А., и др. «ENERGYNET.PRISMA» — Эффективная и уникальная солнечная электростанция призматического типа // Энерджинет. — 2024. — № 1. — URL: http://nopak.ru/241-304.
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. Призматическая солнечная электростанция как элемент гибридной системы электро- и теплоснабжения / Н. А. Доставалов // Энерджинет / ООО «МЦ ЭОР». – 2025. – № 1. – URL: http://nopak.ru/251-711 (дата обращения: 28.06.2025). – Текст : электронный.
