МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ ОТ СНЕЖНОГО ПОКРОВА МЕТОДОМ ОБРАТНОГО ТОКОВОГО НАГРЕВА

Abstract

Аннотация. Введение. Представлена математическая модель очистки кремниевого фотоэлектрического модуля от снега путем пропускания обратного тока, переводящего ячейки в режим нагревателя. Модель объединяет уравнения нестационарного теплового баланса композитных слоев и механические условия страгивания пласта. Впервые совместно учтены линейная температурная зависимость сопротивления кремния и ступенчатая функция изменения коэффициента трения (падение с 0,6 до 0,005 при образовании талой пленки). На основе критерия Био (Bi ≈ 0,052) доказана изотермичность модуля по толщине. Численное решение системы нестационарных дифференциальных уравнений реализовано в программной среде методом Рунге - Кутты - Фельберга (RKF45) с автоматическим выбором шага интегрирования и сплайн-аппроксимацией нелинейных параметров. Численным моделированием определены границы эффективности метода в диапазоне температур от -5 до -25 ~°C при мощности 600 Вт для пластов толщиной 2; 5; 10 см. Установлено, что игнорирование ТКС кремния занижает расчетное время очистки на 1,5–2,5% из-за падения мощности нагрева на 2–3%. Определены удельные энергозатраты процесса (от 0,020 до 0,231 кВт·ч/м²) и зафиксирован критический режим функционирования при -25 °C для слоя 10 см (ts = 50,9 мин, Etotal = 0,463 кВт·ч), требующий принудительного форсирования мощности источника питания. Методы и материалы. Объектом исследования является промышленный кремниевый ФЭМ площадью A, установленный под углом Q к поверхности Земли. На лицевой поверхности модуля находится равномерный слой сухого снега толщиной hs начальной плотностью r0. К модулю подключается внешний источник постоянного электрического тока. Мощность джоулева нагрева P(T) рассматривается как функция термического состояния полупроводниковых структур ФЭМ, обусловленная температурной зависимостью их внутреннего электрического сопротивления. Результаты. На рисунках 1 и 2 представлены результаты численного исследования динамики очистки фотоэлектрического модуля (ФЭМ) от снежного покрова при фиксированной номинальной мощности джоулева нагрева P0 = 600 Вт и варьировании температуры наружного воздуха Ts от -5 °C до -25 °C для трех характерных толщин снежного пласта hs = 2; 5; 10 см. Заключение. В настоящей работе разработана и верифицирована усовершенствованная математическая модель нестационарного теплового баланса и механических условий страгивания снежного покрова с поверхности фотоэлектрического модуля методом обратного токового нагрева. В отличие от существующих статических подходов, в модели впервые строго учтена температурная зависимость мощности тепловыделения P(T), обусловленная отрицательным ТКС кремниевых полупроводниковых структур при питании от источника постоянного тока. Методы и материалы. Объектом исследования является промышленный кремниевый ФЭМ площадью A, установленный под углом Q к поверхности Земли. На лицевой поверхности модуля находится равномерный слой сухого снега толщиной hs начальной плотностью r0. К модулю подключается внешний источник постоянного электрического тока. Мощность джоулева нагрева P(T) рассматривается как функция термического состояния полупроводниковых структур ФЭМ, обусловленная температурной зависимостью их внутреннего электрического сопротивления. Результаты. На рисунках 1 и 2 представлены результаты численного исследования динамики очистки фотоэлектрического модуля (ФЭМ) от снежного покрова при фиксированной номинальной мощности джоулева нагрева P0 = 600 Вт и варьировании температуры наружного воздуха Ts от -5 °C до -25 °C для трех характерных толщин снежного пласта hs = 2; 5; 10 см. Заключение. В настоящей работе разработана и верифицирована усовершенствованная математическая модель нестационарного теплового баланса и механических условий страгивания снежного покрова с поверхности фотоэлектрического модуля методом обратного токового нагрева. В отличие от существующих статических подходов, в модели впервые строго учтена температурная зависимость мощности тепловыделения P(T), обусловленная отрицательным ТКС кремниевых полупроводниковых структур при питании от источника постоянного тока.