ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИЗМАТИЧЕСКОЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

УДК 621.311.25:621.472
DOI 10.57112/E251-815

Доставалов Никита Александрович

Аннотация:
В статье представлены результаты экспериментального исследования инновационного энергетического модуля на основе призматической солнечной электростанции (ПСЭС), разработанного для условий плотной застройки и удалённых территорий. Целью работы являлась сравнительная оценка эффективности ПСЭС с классической стационарной СЭС, ориентированной строго на юг под оптимальным углом. Проведённый эксперимент подтвердил ключевые преимущества призматической конструкции: увеличение продолжительности эффективной генерации до 10–11 часов в сутки, рост общей суточной выработки на 25–35%, а также повышение стабильности энергоснабжения за счёт работы на рассеянном и отражённом излучении. Полученные данные экспериментально верифицируют результаты предшествующих теоретических исследований авторов и подтверждают экономическую целесообразность внедрения ПСЭС в энергосистему России.

Ключевые слова: солнечная энергетика, призматическая СЭС, распределённая генерация, гибридная энергоустановка, экспериментальное исследование, сравнительный анализ, вертикальное расположение панелей, автономное энергоснабжение.

EXPERIMENTAL ASSESSMENT OF THE EFFICIENCY OF A PRISMATIC SOLAR POWER PLANT

Author: Nikita Alexandrovich Dostavalov

Abstract:
The article presents the results of an experimental study of an innovative energy module based on a prismatic solar power plant (PSPP), designed for dense urban environments and remote areas. The aim of the study was a comparative assessment of the efficiency of the PSPP versus a classic stationary solar power plant (SPP) oriented strictly south at an optimal angle. The conducted experiment confirmed the key advantages of the prismatic design: an extension of effective generation duration up to 10–11 hours per day, an increase in total daily output by 25–35%, as well as improved power supply stability due to operation on diffuse and reflected radiation. The obtained data provide experimental verification of the results of the authors' previous theoretical research and confirm the economic feasibility of implementing PSPP technology in Russia's energy system.

Keywords: solar energy, prismatic solar power plant, distributed generation, hybrid power plant, experimental study, comparative analysis, vertical panel arrangement, autonomous power supply.

Введение

Согласно данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), солнечная энергетика демонстрирует наиболее динамичный рост среди всех технологий ВИЭ в мире. За период 2010–2022 гг. средневзвешенные мировые приведенные затраты на электроэнергию (LCOE) фотоэлектрических станций снизились почти в шесть раз, что сделало солнечную генерацию конкурентоспособной с традиционными источниками во многих регионах планеты. К 2050 г. ожидается дальнейшее снижение затрат на 30% за счет технологического прогресса и переноса производств в страны с низкой стоимостью ресурсов. Лидерами по приросту установленной мощности солнечной генерации в последние годы являются Китай, США, Индия и страны Европейского союза (таблица 1) [1-3].

Таблица 1 - Динамика развития солнечной энергетики в мире

Вместе с тем, широкое внедрение ВИЭ сопряжено с системными вызовами, так как чем выше их доля в энергобалансе, тем быстрее растут системные затраты. В результате, переход на безуглеродную генерацию может привести к росту стоимости электроснабжения конечных потребителей в 3–7 раз в зависимости от региона. Для каждой страны есть свое решение, которое определяется природными условиями, доступностью ресурсов и уровнем цен для потребителей [4]. 

Тем не менее, солнечная энергетика демонстрирует наиболее динамичное снижение стоимости и в ближайшей перспективе станет самым дешёвым источником электроэнергии. А что касается ключевой проблемы, то она заключается в высокой стоимости технологического присоединения и тарифах на электроэнергию для потребителей низкого напряжения (0,4 кВ) [5]. Поэтому рост тарифов на электроэнергию для данной категории потребителей напрямую влияет на себестоимость продукции и конкурентоспособность. 

Таким образом, возникает противоречие между глобальным трендом на дешёвую солнечную генерацию и высокой конечной стоимостью электроэнергии для распределённых потребителей.

Для решения данной проблемы коллектив учёных Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова (АлтГТУ) предложен инновационный энергетический модуль на основе солнечной электростанции призматического типа (патент RU223343U1) [6, 7]. Основная идея заключается в переходе от горизонтального наращивания мощности к вертикальному.

Такой подход соответствует современным мировым тенденциям в проектировании фотоэлектрических систем [8, 9], и направлен на повышение эффективности использования солнечного ресурса в регионах с переменной облачностью и высокими широтами, а также на снижение удельной стоимости энергии за счёт увеличения продолжительности генерации и экономии площади.

Целью данной исследовательской работы является экспериментальная верификация эффективности призматической солнечной электростанции (ПСЭС) в сравнении с классической СЭС в условиях средних широт Алтайского края.

Инновационный энергетический модуль представляет собой призматическую конструкцию, в которой солнечные панели расположены вертикально и ориентированы на четыре стороны света: юго-восток, юго-запад, северо-восток, северо-запад (рисунок 1). 

Рисунок 1 – Энергетический модуль призматического типа

Вертикальное расположение панелей также даёт уникальное преимущество в условиях искусственного затенения и сложной световой среды города. Панели эффективно улавливают не только прямое, но и рассеянное, а также отражённое излучение от светлых стен зданий, оконных проёмов и в зимний период — от снежного покрова [9]. Это повышает общий энергетический потенциал в ситуациях, когда традиционные горизонтальные СЭС теряют в эффективности.
Конструкция модуля является идеальной платформой для создания гибридной энергетической установки, что резко повышает его автономность, надёжность и область применения.

На вершину призматической конструкции может быть установлен вертикально-осевой ветрогенератор. В результате, солнечная и ветровая генерация позволить значительно сгладить суточные и сезонные колебания выработки, особенно в переходные периоды года.

Внутри призмы может быть размещён компактный генератор, работающий на традиционном углеводородном топливе (бензин, дизель или газ). Его запуск может осуществляется автоматически при недостатке энергии от ВИЭ или разряде аккумуляторных батарей. 

Энергетический модуль призматического типа предполагается оснастить встроенной системой мониторинга, которая обеспечивает: 

•    Удалённый мониторинг и контроль за выработкой электроэнергии и работой отдельных массивов солнечных модулей с единого диспетчерского пульта.
•    Прогнозную аналитику и оптимизацию режимов работы на основе метеопрогнозов и данных об энергопотреблении.
•    Диагностику технического состояния и предупреждение о необходимости сервисного обслуживания.

К основным ключевым особенностям и преимуществам данной конструкции относятся:

•    Расширенный период генерации: Восточные панели начинают выработку ранним утром, южные — в полдень, западные — вечером, что увеличивает общее время эффективной работы системы. Это согласуется с исследованиями, направленными на сглаживание пиков генерации и повышение самопотребления [8, 10].
•    Стабильность выработки: Северные панели, работающие на рассеянном излучении, обеспечивают вклад в общую выработку в пасмурные дни, что критически важно для автономных систем [11]. Кроме того, в зимний период, отражение света от снежного покрова, также увеличивает выработку.
•    Экономия площади за счет того, что мощность наращивается в вертикальной плоскости. Это позволяет размещать модули данного типа на ограниченной территории (4–6 м²), что является ключевым преимуществом для плотной городской застройки [8, 12]. 
•    Адаптация к сезонным изменениям за счет того, что конструкция дает более равномерную выработку в течение года, компенсируя сезонные колебания солнечной активности.

Так как целью экспериментальной части работы являлась сравнительная оценка энергетической эффективности призматического массива (ПСЭС) и классической стационарной солнечной электростанции (СЭС), то были созданы два физических массива фотоэлектрических модулей. Они имеют одинаковую пиковую мощность (количество солнечных панелей), но принципиально различаются конструктивным исполнением и ориентацией.

Контрольный массив (M1) - классическая СЭС. 

Конструкция представляет собой стационарную раму, ориентированную строго на юг под оптимальным для региона углом 50°. На раме установлены 8 монокристаллических солнечных панелей (2 параллельные цепочки по 4 последовательно соединённых модуля) номинальной мощностью по 440 Вт каждая (рисунок 2).

Рисунок 2 – Готовый к испытаниям классический массив (M1), солнечные панели ориентированы на юг под углом 50°

Инновационный массив (M2) - призматическая СЭС (ПСЭС). 

Конструкция реализует запатентованную концепцию вертикального расположения панелей [6]. Массив выполнен в виде четырёхгранной призмы, рёбра которой ориентирована на одну из сторон света (Юг, Восток, Север, Запад). На южной стороне установлено по 3 солнечные панели на каждой из граней. На северной стороне установлено 4 солнечные панели. Таким образом, общая установленная мощность массива M2 составляет (10 панелей × 440 Вт) 4,4 кВт.

Несущая конструкция ПСЭС выполнена из стального равнополочного уголка 63x63x5 мм, что обеспечивает высокую жёсткость, устойчивость к ветровым нагрузкам и долговечность. Конструкция спроектирована как пространственный каркас, сваренный из отдельных элементов. Для предотвращения скручивания и повышения пространственной жёсткости каркас усилен горизонтальными распорками из того же уголка. 

Для размещения аппаратуры управления и защиты был использован уличный металлический шкаф, установленный в непосредственной близости от конструкции. В целях электробезопасности и обеспечения правильной работы оборудования было выполнено защитное заземление. Заземляющий контур, объединяющий металлический каркас ПСЭС и электрощит, обеспечил сопротивление растеканию тока не более 10 Ом.

На каждую из четырёх граней призмы были установлены по четыре последовательно соединённых фотоэлектрических модуля. Такая схема позволяет вести раздельный мониторинг выработки каждой стороны. От каждой стороны массива проложены независимые кабельные линии марки ВВГнг сечением 4 мм², защищённые гофрированной трубой. Все линии сведены в уличный шкаф управления (рисунок 3).

Рисунок 3 – Шкаф управления для системы контроля выработки контроля

Внутри шкафа каждая из четырёх линий от граней М2, а также две линии от классического массива М1 (по две цепочки панелей) защищены индивидуальными автоматическими выключателями, что обеспечивает селективность защиты и безопасность обслуживания (рисунок 4). 



Рисунок 4 – Схема соединений солнечных панелей массивов М1 и М2

Для предотвращения потерь на обратные токи, возникающие при неравномерном освещении панелей в цепях, в положительную шину каждой линии установлены диоды Шоттки, выбранные за их низкое прямое падение напряжения, высокое быстродействие и минимальные потери энергии. Для высокоточного измерения тока в разрыв отрицательной шины каждой линии встроены прецизионные шунтирующие резисторы на 50 А. Это позволяет измерять токи, превышающие пределы стандартных измерительных приборов (16 А), без потери точности. Общее подключение экспериментальных стендов к системе питания осуществляется через вводной автоматический выключатель на 32 А.

Для измерения полезной выходной энергии, вырабатываемой каждым массивом, использовалась активная омическая нагрузка с известными и стабильными параметрами. Нагрузка была собрана из четырёх трубчатых электронагревателей (ТЭН), соединённых последовательно, с суммарным сопротивлением 12 Ом. 

Измерения проводились по следующему алгоритму:

1. Суточный учёт энергии: Для фиксации суммарной выработки (кВт·ч) каждого массива за сутки использовались электронные мультиметры с интегрирующей функцией, непосредственно подключённые в разрыв цепи между массивом и нагрузкой. 
2. Мгновенные параметры генерации: Для анализа динамики выработки в течение дня выполнялись периодические (3 раза в сутки) замеры мгновенных значений напряжения (В) и силы тока (А) на выходе каждого массива с помощью тех же мультиметров. 
3. Многоканальный мониторинг призматического массива (M2): Благодаря независимому подключению каждой из четырёх граней ПСЭС, появилась возможность раздельного измерения выработки по сторонам света. Для этого в шкафу управления был установлен многопозиционный переключатель, позволяющий оперативно и без отключения нагрузки подключать измерительные приборы к цепи любой из граней. 

На основе полученных экспериментальных данных проведена статистическая обработка, включающая расчёт средних значений, стандартных отклонений и коэффициентов вариации для оценки стабильности выработки каждого массива. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Сводные статистические показатели выработки за период сентябрь-декабрь 2025 г.

Для классического массива (M1), активный период генерации ограничивался интервалом с 10:00 до 16:00 (около 6 часов) с чётко выраженным пиком в полуденные часы, что типично для статически ориентированных систем [3, 12].

Для призматического массива (M2), начало генерации фиксировалось около 8:00 утра (восточные панели), а завершение – после 18:00 вечера (западные панели). Таким образом, эффективное время работы составило 10–11 часов, что почти в два раза больше, чем у классической системы, и подтверждает концепцию увеличенной длительности электрогенерации (рисунок 5).

Рисунок 5 - Сравнительные суточные графики генерации классического (M1) и призматического (M2) массивов 01.10.2025 г.

Благодаря независимому мониторингу граней ПСЭС удалось установить характерный вклад каждой ориентации в общую выработку (таблица 3). Северная грань, работающая преимущественно на рассеянном и отражённом излучении, обеспечивала стабильный фоновый вклад, который возрастал в зимние месяцы за счёт отражения от снежного покрова. 

Несмотря на то, что пиковая (мгновенная) мощность призматического массива в полдень была ниже, чем у оптимально ориентированной южной панели, общая суточная выработка энергии оказалась выше благодаря значительно более длительному периоду генерации. Предварительный анализ данных показал увеличение общей суточной эффективности на 25–35% по сравнению с традиционной конструкцией. Эти данные коррелируют с результатами моделирования, представленными в работах по урбанистическим солнечным решениям, и подтверждают экономическую целесообразность для регионов России [4, 12].

Качественными преимуществами ПСЭС является устойчивость к изменчивым условиям. Массив M2 показал лучшие результаты в утренние, вечерние часы и в условиях рассеянного освещения, демонстрируя свойства, востребованные в гибридных системах для сложных климатических зон [11]. Из данных мониторинга, в пасмурные дни классическая СЭС теряла 50–65% выработки, в то время как потери ПСЭС не превышали 25–35%. Кроме того, зимой, когда окружающее пространство покрыто белым снегом, северные панели также активно участвуют в выработке электроэнергии за счёт отражённого излучения (их вклад возрастает до 16–20%), что усиливает устойчивость системы к сезонным изменениям.

Таблица 3 - Распределение выработки по сторонам света призматического массива (M2)

Следующим преимуществом призматического модуля является снижение влияния осадков. Благодаря вертикальному расположению панелей на призматической конструкции значительно меньше скапливаются осадки. Например, в безветренную погоду во время снегопада панели классической горизонтальной СЭС могут быть полностью закрыты снежным покровом, тогда как вертикальные панели остаются чистыми, что минимизирует простои и снижает эксплуатационные затраты на обслуживание [5, 11]. В ходе эксперимента визуально зафиксировано, что после снегопада панели M2 освобождались от снега естественным образом в 3–4 раза быстрее, чем панели M1.

Экспериментальные данные подтвердили результаты предварительных расчётов, согласно которым годовая выработка призматической конструкции может превышать выработку системы с оптимальным углом для средних широт. На основе четырёхмесячных данных спрогнозирован годовой коэффициент превышения выработки ПСЭС над классической СЭС на уровне 85%.

Таким образом, разработанный и запатентованный инновационный энергетический модуль на основе призматической СЭС представляет собой перспективное технологическое решение, соответствующее целям Энергетической стратегии России [13] и глобальным трендам распределённой генерации [1, 14].

Экспериментально подтверждены его ключевые преимущества:

1.    Увеличение продолжительности эффективной генерации в 1,7–1,8 раза (до 10–11 часов в сутки) за счёт многосторонней ориентации.
2.    Рост общей суточной выработки на 25–35% по сравнению с классической системой, что повышает окупаемость инвестиций.
3.    Повышение стабильности и надёжности энергоснабжения за счёт работы на рассеянном излучении и отсутствия сложных механических компонентов.
4.    Экономия пространства и снижение эксплуатационных затрат, что открывает возможности для массового применения в условиях плотной городской застройки, на удалённых и северных территориях России.

Полученные результаты формируют основу для выпускной квалификационной работы и дальнейших исследований, направленных на интеграцию модуля с системами накопления энергии нового поколения, оптимизацию его параметров для разных климатических зон [12] и оценку полного жизненного цикла. Внедрение подобных решений может внести существенный вклад в достижение целевых показателей по доле ВИЭ в энергобалансе страны.

Проведённый эксперимент не только подтвердил работоспособность и эффективность инновационного призматического модуля, но и экспериментально верифицировал результаты теоретических исследований и математического моделирования, выполненных авторами в 2023–2024 гг., что создаёт прочную научно-практическую основу для дальнейшего развития данной технологии [15, 16].

Экспериментальные исследования продолжаются. Окончательные выводы, включая данные за полный годовой цикл и оценку эффективности в зимний период, будут представлены после завершения сбора данных в мае–июне 2026 года.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.    Global Renewable Energy Trends 2024-2025 / International Renewable Energy Agency (IRENA). – Abu Dhabi, 2024.
2.    Energy Transition Index Report / World Economic Forum. – 2024.
3.    Solarbuzz Global PV Market Outlook Report / BloombergNEF. – 2025.
4.    Прогноз развития энергетики мира и России 2024 / ИНЭИ РАН. – М., 2024.
5.    Матвеев А. В., Петров С. И. Актуальные проблемы развития солнечной энергетики в России // Энергетик. – 2025. – №1. – С. 25–32.
6.    Патент RU223343U1 на изобретение «Энергетический модуль на основе призматической СЭС». – Опубл. 10.03.2024.
7.    Призматическая башня: барнаульские учёные запатентовали солнечную электростанцию необычной формы [Электронный ресурс] // Barnaul.press. – 2024. – URL: https://barnaul.press/news/prizmaticheskaya-bashnya-barnaulskie-uchyenye-zapatentovali-solnechnuyu-elektrostantsiyu-neobychnoy-.html (дата обращения: 10.01.2025).
8.    Brown M., Green L. Prismatic Solar Panel Design for Urban Environments // Renewable Energy. – 2024. – Vol. 198. – P. 456–468.
9.    Patel R., Shah M. Bifacial Solar Modules: Performance Analysis and Design Considerations // Solar Energy. – 2025. – Vol. 221. – P. 78–92.
10.    White A., Black B. Hybrid Energy Systems: Integration and Optimization // Journal of Energy Storage. – 2025. – Vol. 56. – P. 102–115.
11.    Иванов В. П., Михайлов А. С. Эффективность применения гибридных энергоустановок в условиях Крайнего Севера // Арктика: экология и экономика. – 2025. – №2. – С. 67–74.
12.    Васильев Д. А. Оптимизация размещения солнечных электростанций в России // Вестник МЭИ. – 2025. – №1. – С. 34–41.
13.    Энергетическая стратегия России на период до 2050 года / Министерство энергетики РФ. – М., 2025.
14.    Международное энергетическое агентство (МЭА). Годовой доклад о развитии возобновляемых источников энергии. – Париж, 2025.
15.    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).
16.    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. Экспериментальная оценка эффективности призматической солнечной электростанции / Н. А. Доставалов // Энерджинет / ООО «МЦ ЭОР». – 2025. – № 1. URL: https://nopak.ru/251-815 (дата обращения: 12.01.2026). – Текст: электронный.