Study of Vertically Oriented Solar Battery by Exposure of Concentrated Solar Radiation

Solar power is one of the largest sectors of the global electric and heat power industry. In search of new energy sources, scientists and engineers around the world are increasingly turning their attention to solar batteries, which can be a suitable replacement for non-renewable energy sources. Vertically oriented solar batteries will generate electricity throughout the daylight hours, which eliminates use of additional equipment. The paper proposes a 3D model of a solar battery with a vertical orientation of its modules, as well as the calculation and evaluation of temperature characteristics and the range of efficiency variations obtained under conditions of both the diurnal and seasonal changes in ambient temperature, and the po-wer density changes of concentrated solar radiation, the maximum values of which were chosen equal to 1; 5 and 10 kW/m2. The dependences of the maximum values of the solar battery temperature and the temperature gradient inside it, as well as the dependences of the minimum, average and maximum values of the radiative heat flux to the solar battery surface in the presence and absence of temperature stabilization of the heat sink backside versus the time of day in the middle of January and July have been plotted. As calculations have shown, at the solar radiation concentration of 10 kW/m2, the efficiency in July is increased by more than 2 times due to the use of thermoelectric converters in the battery. Moreover, according to the obtained results, when the solar modules are oriented vertically, temperature gradients and, consequently, the total efficiency of the solar battery and power generation time will be greater compared to the horizontal position of the solar modules, which will reduce operational costs

ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОСТРАНСТВЕННО-ИНТЕГРИРОВАННЫХ МОДУЛИРУЮЩИХ СТРУКТУР НА ТВИСТ-ЭФФЕКТЕ В ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ

The paper demonstrates that the process of twist LC-pixel switching can be associated not only with a reorientation of liquid crystal molecules in the controlling electric field, but also with the effect of compression of the LC-spiral to the central area through layer thickness. In this case the time of LC-pixel total switching is decreased by almost three orders.Показано, что процесс переключения твистового ЖК-пикселя может быть связан не только с переориентацией молекул жидкого кристалла в управляющем электрическом поле, но также с эффектом сжатия ЖК-спирали к центральной по толщине слоя области. При этом почти на три порядка уменьшается время полного переключения ЖК-пиксел

Моделирование характеристик фототермоэлектрической батареи

Solar radiation is an environmentally friendly and affordable energy source with high release of energy. The use of a photovoltaic thermoelectric battery makes it possible to increase the efficiency of converting solar and thermal radiation into electrical energy, both on serene and cloudy days. An original battery structure with photovoltaic and thermoelectric converters is proposed. The 3D model of the proposed photovoltaic thermoelectric battery was realized in the COMSOL Multiphysics software environment with the use of a heat transfer module. The simulation was performed for the geographical coordinates of Minsk and taking into account the diurnal and seasonal variations of both the ambient temperature and the power density of the concentrated AM1.5 solar spectrum, the maximum value of which being varied from 1 to 500 kW/m2. The dependences of the maximum temperature values of the photovoltaic thermoelectric battery and the thermoelectric converters as well as temperature gradient patterns in the thermoelectric converters have been calculated. The dependences of the maximum temperature gradient values inside the thermoelectric converters on the solar power density are obtained. The graphs of the temperature gradients inside the thermoelectric converters of the photovoltaic thermoelectric battery by concentrated solar radiation versus the time of day in the middle of July and January are provided. It is shown that the output voltage increases up to the maximum values of 635 and 780 mV, respectively, in January and in July were achieved due to the temperature stabilization of the back side of the external electrodes of the proposed deviceСолнечное излучение является экологически чистым и доступным источником энергии с высокой энергоотдачей. Использование фототермоэлектрической батареи позволяет увеличить эффективность преобразования солнечного и теплового излучений в электрическую энергию как в ясные, так и в пасмурные дни. В данной работе предложена оригинальная структура батареи с фото- и термоэлектрическими преобразователями. Трехмерная модель фототермоэлектрической батареи реализована в программном обеспечении COMSOL Multiphysics с использованием модуля «Теплопередача». Моделирование проводилось для географических координат г. Минска с учетом суточного и сезонного изменений температуры окружающей среды и плотности мощности концентрированного солнечного излучения спектра AM1.5, максимальное значение которой варьировалось от 1 до 500 кВт/м2. Рассчитаны зависимости максимальных значений температуры фототермоэлектрической батареи, термоэлектрических преобразователей, а также профили распределения градиента температуры в термоэлектрических преобразователях. Получены зависимости максимальных значений градиента температуры внутри термоэлектрических преобразователей от плотности мощности солнечного излучения. Построены графики зависимостей градиентов температуры внутри термоэлектрического преобразователя фототермоэлектрической батареи при воздействии концентрированного солнечного излучения от времени суток в середине июля и января. Показано, что за счет термостабилизации тыльной стороны внешних электродов предложенного устройства удалось достичь увеличения выходного напряжения до максимальных значений 635 мВ в январе и 780 мВ в июле.

Исследование вертикально ориентированной солнечной батареи при воздействии концентрированного солнечного излучения

Solar power is one of the largest sectors of the global electric and heat power industry. In search of new energy sources, scientists and engineers around the world are increasingly turning their attention to solar batteries, which can be a suitable replacement for non-renewable energy sources. Vertically oriented solar batteries will generate electricity throughout the daylight hours, which eliminates use of additional equipment. The paper proposes a 3D model of a solar battery with a vertical orientation of its modules, as well as the calculation and evaluation of temperature characteristics and the range of efficiency variations obtained under conditions of both the diurnal and seasonal changes in ambient temperature, and the power density changes of concentrated solar radiation, the maximum values of which were chosen equal to 1; 5 and 10 kW/m2. The dependences of the maximum values of the solar battery temperature and the temperature gradient inside it, as well as the dependences of the minimum, average and maximum values of the radiative heat flux to the solar battery surface in the presence and absence of temperature stabilization of the heat sink backside versus the time of day in the middle of January and July have been plotted. As calculations have shown, at the solar radiation concentration of 10 kW/m2, the efficiency in July is increased by more than 2 times due to the use of thermoelectric converters in the battery. Moreover, according to the obtained results, when the solar modules are oriented vertically, temperature gradients and, consequently, the total efficiency of the solar battery and power generation time will be greater compared to the horizontal position of the solar modules, which will reduce operational costs.Солнечная энергетика является одним из крупнейших секторов мировой электро- и теплоэнергетики. В поисках новых источников энергии ученые и инженеры всего мира все чаще обращают внимание на солнечные батареи, которые могут стать подходящей заменой невозобновляемых источников энергии. Вертикально ориентированные солнечные батареи позволят генерировать электроэнергию в течение всего светового дня, что исключает использование дополнительного оборудования. В статье предлагаются 3D модель солнечной батареи с вертикальной ориентацией ее модулей, а также расчет и оценка температурных характеристик и диапазон вариаций КПД, получаемых в условиях как суточных и сезонных изменений температуры окружающей среды, так и изменений плотности мощности концентрированного солнечного излучения, максимальные значения которой были выбраны равными 1; 5 и 10 кВт/м2. Построены зависимости максимальных значений температуры солнечной батареи и градиента температуры внутри ее, а также зависимости минимальных, средних и максимальных значений лучистого теплового потока к поверхности солнечной батареи при наличии и отсутствии стабилизации температуры тыльной стороны радиатора от времени суток в серединах января и июля. Как показали расчеты, при концентрации солнечного излучения 10 кВт/м2 КПД в июле увеличивается более чем в два раза за счет использования в батарее термоэлектрических преобразователей. Более того, согласно полученным результатам, при вертикальной ориентации солнечных модулей градиенты температуры и, следовательно, суммарный КПД солнечной батареи и время генерации энергии будут больше по сравнению с горизонтальным положением солнечных модулей, что позволит снизить эксплуатационные расходы

Моделирование тонкопленочных солнечных элементов со структурой халькопирита CuInSe2

By using numerical simulation, the operating temperatures of a thin-film solar cell based on CuInSe2 have been determined and the solar radiation density values, at which stabilization of the temperature operating conditions of the thin-film solar cell is not required, have been optimized. The maximum possible efficiency value of ~14.8 % is achieved under actual operating conditions, and is maintained by the incoming thermal energy as both emitted in this cell and infrared radiation of the sun and the environment. A model of the proposed thin-film solar cell was implemented in the COMSOL Multiphysics program environment with the use of the Heat Transfer Module. The operating temperatures of the solar cell without thermal stabilization under conditions of the diurnal and seasonal variations of both the ambient temperature and the power density of the AM1.5 solar spectrum have been determined. The maximum value of this power density was varied from 1.0 to 500 kW/m2 when using concentrators. The obtained values of operating temperatures of the thin-film solar cell were used to determine its main parameters in the SCAPS-1D program. The graphs of the operating temperature, efficiency and fill factor of the thin-film solar cell versus the solar radiation density are provided. It is shown that in order to obtain the highest possible efficiency of a solar cell, it is necessary to use concentrated solar radiation with a power density, the maximum value of which should be 8 kW/m2 in July and 10 kW/m2 in January. In the case of lower and higher values of power density, an appropriate thermal stabilization of the cell under consideration is necessary. The dependencies of efficiency, fill factor and open-circuit voltage versus the stabilization temperature of the solar cell, temperature gradients at the interfaces of the thermoelectric layer were also calculated. It is shown that by choosing optimal values of the thermal stabilization, the efficiency of the proposed solar cell may be about 15 % or more.С помощью численного моделирования определены рабочие температуры тонкопленочного солнечного элемента на основе CuInSe2 и оптимизированы значения плотности мощности солнечного излучения, при которых не требуется стабилизация температурного режима данного элемента. Максимально возможное значение КПД ~14,8 % достигается при реальных условиях эксплуатации и поддерживается за счет поступающей тепловой энергии, как выделяющейся в этом элементе, так и инфракрасных излучений – солнца и окружающей среды. Модель предлагаемого тонкопленочного солнечного элемента была реализована в программной среде COMSOL Multiphysics с использованием модуля «Теплопередача». Определены рабочие температуры солнечного элемента без термостабилизации в условиях сезонного и суточного изменения температуры окружающей среды и плотности мощности солнечного излучения спектра AM1,5, максимальное значение которой варьировалось в пределах от 1 до 500 кВт/м2 при использовании концентраторов. Полученные значения рабочих температур тонкопленочного солнечного элемента использовались при определении основных его параметров в программе SCAPS-1D. Приведены графики зависимостей рабочей температуры, коэффициента полезного действия и коэффициента заполнения тонкопленочного солнечного элемента от плотности мощности солнечного излучения. Показано, что для получения максимально возможного КПД солнечного элемента необходимо использовать концентрированное солнечное излучение с максимальным значением плотности мощности 8 кВт/м2 в июле и 10 кВт/м2 в январе. В случае более низких и высоких этих величин необходима соответствующая термостабилизация рассматриваемого элемента. Также рассчитаны зависимости КПД, коэффициента заполнения и напряжения холостого хода от температуры стабилизации солнечного элемента, градиенты температур на границах раздела термоэлектрического слоя. Показано, что при выборе оптимальных значений термостабилизации эффективность предлагаемого солнечного элемента может составлять порядка 15 % и более

Improving of the Generation Accuracy Forecasting of Photovoltaic Plants Based on k-Means and k-Nearest Neighbors Algorithms

Renewable energy sources (RES) are seen as a means of the fuel and energy complex carbon footprint reduction but the stochastic nature of generation complicates RES integration with electric power systems. Therefore, it is necessary to develop and improve methods for forecasting of the power plants generation using the energy of the sun, wind and water flows. One of the ways to improve the accuracy of forecast models is a deep analysis of meteorological conditions as the main factor affecting the power generation. In this paper, a method for adapting of forecast models to the meteorological conditions of photovoltaic stations operation based on machine learning algorithms was proposed and studied. In this case, unsupervised learning is first performed using the k-means method to form clusters. For this, it is also proposed to use studied the feature space dimensionality reduction algorithm to visualize and estimate the clustering accuracy. Then, for each cluster, its own machine learning model was trained for generation forecasting and the k-nearest neighbours algorithm was built to attribute the current conditions at the model operation stage to one of the formed clusters. The study was conducted on hourly meteorological data for the period from 1985 to 2021. A feature of the approach is the clustering of weather conditions on hourly rather than daily intervals. As a result, the mean absolute percentage error of forecasting is reduced significantly, depending on the prediction model used. For the best case, the error in forecasting of a photovoltaic plant generation an hour ahead was 9 %. © 2023 Belarusian National Technical University. All rights reserved

Моделирование тандемного тонкопленочного солнечного элемента на основе CuInSe2

CuInSe2 thin-film solar cells are promising materials for photovoltaic devices. One of the main tasks of researchers is to find ways to increase the solar cells efficiency. In this paper we propose an original structure of a thin-film solar cell based on a tandem connection of a photoelectric converter and a thermoelectric layer based on CuInSe2. The photoelectric converter consists of CuInSe2 and CdS layers. A 3D model of the proposed thin-film solar cell was implemented in the COMSOL Multiphysics environment with using the Heat Transfer module. The simulation was carried out taking into account the diurnal and seasonal variations of both the ambient temperature and the power density of the AM1.5 solar spectrum for the geographical coordinates of Minsk. The solar radiation power density of about 500 kW/m2 can be achieved by using concentrators. The temperature pattern and temperature gradients are calculated in each layer of the solar cell without and with the temperature stabilization of the substrate back side as well as without and with the thermal insulation of the substrate ends. Graphs of the temperature gradients of the thermoelectric layer and the temperature variations of the photoelectric converter of the solar cell are given. As a result of the simulation, it is shown how the uneven heating of both the surface of a thin-film solar cell and its layers occur under conditions of diurnal and seasonal variations of both the ambient temperature and the solar radiation power density. Under concentrated solar radiation exposure, the photoelectric converter surface can be heated up to 700 °C without temperature stabilization of the solar cell substrate. The operating temperature of the photoelectric converter was maintained at no more than 2.35 °C in January and at no more than 14.23 °C in July due to the temperature stabilization of the substrate back side of the proposed device. This made it possible to achieve an increase in the output power of the solar cell both by summing the photoand thermoelectric output voltages and by the concentration of solar radiation.Тонкопленочные солнечные элементы CuInSe2 зарекомендовали себя как перспективные материалы для солнечной энергетики. Одной из главных задач исследователей является поиск путей повышения эффективности солнечных элементов. В данной работе предложена оригинальная структура тонкопленочного солнечного элемента на основе тандемного соединения фотоэлектрического преобразователя, состоящего из слоев CuInSe2 и CdS, и термоэлектрического слоя, выполненного на основе CuInSe2. Трехмерная модель предлагаемого тонкопленочного солнечного элемента была реализована в программной среде COMSOL Multiphysics с использованием модуля «Теплопередача». Моделирование осуществлялось для географических координат г. Минска с учетом суточного и сезонного изменения как температуры окружающей среды, так и плотности мощности солнечного излучения спектра AM1.5, максимальное значение которой может быть достигнуто порядка 500 кВт/м2 при использовании концентраторов. Рассчитано распределение температуры и градиентов температуры в каждом слое солнечного элемента без стабилизации и со стабилизацией температуры тыльной стороны подложки, а также при отсутствии и наличии теплоизоляции торцов подложки. Приведены графики градиентов температуры термоэлектрического слоя и изменения температуры фотоэлектрического преобразователя солнечного элемента. В результате моделирования показано, в какой степени происходит неравномерный нагрев как поверхности тонкопленочного солнечного элемента, так и его слоев в условиях суточного и сезонного изменения температуры и плотности мощности солнечного излучения. При воздействии концентрированного солнечного излучения поверхность фотоэлектрического преобразователя солнечного элемента без термостабилизации подложки может нагреваться до 700 °C. Рабочая температура фотоэлектрического преобразователя на уровне не более 2,35 °C в январе и 14,23 °C в июле поддерживалась за счет термостабилизации тыльной стороны подложки предложенного устройства. Это позволило достичь увеличения выходной мощности солнечного элемента как путем суммирования фото- и термоэлектрических выходных напряжений, так и концентрации солнечного излучения

ПРИЕМНИК СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН НА ИСКУССТВЕННЫХ МАТЕРИАЛАХ

The uncooled high-performance bolometric detector based on an array of planar resonant elements, located on the double-threaded spiral trajectory in a strictly geometrical order, with microand nanoscales is developed. It is shown that the proposed detector for submillimeter wavelength range can reach the reflection losses of –26,4 dB, the standing wave ratio of 1,1 and conversion efficiency of ~ 98 %. Разработан неохлаждаемый высокоэффективный болометрический приемник на основе массива планарных резонансных элементов микрои наноразмеров, расположенных по траектории двухзаходной спирали в строго геометрическом порядке. Показано, что предложенный приемник субмиллиметрового диапазона позволяет достичь потерь на отражение -26,4 дБ, коэффициента стоячей волны 1,1 и коэффициента полезного действия ~ 98 %.

Анализ крутильной стабильности расщепленных фаз

The specificity of overhead power lines is associated with the fact that the length of conductors between the supporting structures can reach tens of thousands of meters. Wires and their components are exposed to climatic factors, viz. wind, rain, ice, snow. As compared to other structural elements, conductors are of the highest flexibility and lowest rigidity, and, therefore, they are the most sensitive elements to these effects. Since the early fifties of the XX century, the increase in energy consumption has caused the construction of high and ultra-high voltage overhead lines with split phases. For these types of conductors, new forms of oscillations have been noticed in the areas between the struts, the essence of which is torqueing the split phase. As a result, there is a violation of the torsional stability of the phase: collision of wires in the middle of sub-span and friction of wires of stranded conductor against each other, which leads to damaging conductors and, as a consequence, to disruption of power supply to consumers. Almost any overhead lines may be subjected to oscillations of wires in the span under the influence of wind. One of the types of such mechanical oscillations is galloping, i. e. low-frequency oscillations of wires with an amplitude reaching the value of the boom of wire sagging, and, taking into account the possibility of elongation of the wire, even exceeding it. Fluctuations in the galloping can cause significant mechanical forces and last long enough to lead to the destruction of structural elements of power lines, viz. wires, insulators, fittings and even pillars. Due to the large amplitude of oscillations, conductors of neighboring phases can approach each other at an unacceptable distance, resulting in a short circuit. The boundary value problem of the torsional stability calculation of the split phase with a given multiplicity of splitting has been set and solved. The critical lengths of the sub-spans at which the stable violation of torsional stability is most likely have been determined. A computer program has been developed, which can be used in the design of high-voltage lines with split phase.Специфика работы воздушных линий электропередачи связана с тем, что длина проводников между опорными конструкциями может достигать десятков тысяч метров. Провода и их компоненты подвергаются воздействию климатических факторов: ветра, дождя, льда, снега. По сравнению с другими конструктивными элементами проводники имеют самую высокую гибкость и низкую жесткость, потому являются элементами, наиболее чувствительными к этим воздействиям. С начала 50-х гг. ХХ в. увеличение энергопотребления привело к строительству воздушных линий высокого и сверхвысокого напряжения с расщепленными фазами. Для проводников такого типа на участках между распорками были замечены новые формы колебаний, суть которых заключается в закручивании расщепленной фазы. В результате этого наблюдается нарушение крутильной стабильности фазы: соударение проводов в середине подпролета и трение проволок витого проводника друг о друга, что приводит к повреждению проводников и, как следствие, к нарушению электроснабжения потребителей. Практически на любых воздушных линиях возможно возникновение колебаний проводов в пролете под воздействием ветра. Одним из видов таких механических колебаний является пляска – низкочастотные колебания проводов с амплитудой, достигающей величины стрелы провеса провода, а с учетом возможности удлинения провода и превышающей ее. Колебания при пляске могут вызывать значительные механические усилия и длиться достаточно долго, чтобы привести к разрушению конструктивных элементов линий электропередачи: проводов, изоляторов, арматуры и даже опор. Из-за большой амплитуды колебаний проводники соседних фаз могут сблизиться на недопустимое расстояние, что приведет к короткому замыканию. Поставлена и решена краевая задача расчета крутильной стабильности расщепленной фазы с заданной кратностью расщепления. Определены критические длины подпролетов, при которых наиболее вероятно устойчивое нарушение крутильной стабильности. Разработана компьютерная программа, которая может быть использована при проектировании высоковольтных линий с расщепленной фазой

Повышение точности прогнозирования генерации фотоэлектрических станций на основе алгоритмов k-средних и k-ближайших соседей

Renewable energy sources (RES) are seen as a means of the fuel and energy complex carbon footprint reduction but the stochastic nature of generation complicates RES integration with electric power systems. Therefore, it is necessary to develop and improve methods for forecasting of the power plants generation using the energy of the sun, wind and water flows. One of the ways to improve the accuracy of forecast models is a deep analysis of meteorological conditions as the main factor affecting the power generation. In this paper, a method for adapting of forecast models to the meteorological conditions of photovoltaic stations operation based on machine learning algorithms was proposed and studied. In this case, unsupervised learning is first performed using the k-means method to form clusters. For this, it is also proposed to use studied the feature space dimensionality reduction algorithm to visualize and estimate the clustering accuracy. Then, for each cluster, its own machine learning model was trained for generation forecasting and the k-nearest neighbours algorithm was built to attribute the current conditions at the model operation stage to one of the formed clusters. The study was conducted on hourly meteorological data for the period from 1985 to 2021. A feature of the approach is the clustering of weather conditions on hourly rather than daily intervals. As a result, the mean absolute percentage error of forecasting is reduced significantly, depending on the prediction model used. For the best case, the error in forecasting of a photovoltaic plant generation an hour ahead was 9 %.Возобновляемые источники энергии рассматриваются как средство снижения углеродного следа топливно-энергетического комплекса, при этом стохастический характер генерации осложняет их интеграцию с электроэнергетическими системами. Эта существенная трудность обусловливает необходимость создавать и совершенствовать методы прогнозирования генерации электрических станций, использующих энергию солнца, ветра и водных потоков. Наиболее важным направлением, обеспечивающим повышение точности прогнозных моделей, является глубокий анализ метеорологических условий как главного фактора, влияющего на выработку электроэнергии. В данной работе предложен и исследован метод адаптации прогнозных моделей под метеорологические условия работы фотоэлектрических станций на базе алгоритмов машинного обучения. При этом вначале выполняется обучение без учителя методом k-средних для формирования кластеров. Для этой задачи также предложено и исследовано использование алгоритма понижения размерности пространства признаков для визуализации оценки точности кластеризации. Затем для каждого кластера построена своя модель машинного обучения для формирования прогнозов и алгоритм k-ближайших соседей для отнесения текущих условий на этапе эксплуатации модели к одному из сформированных кластеров. Исследование было проведено на почасовых метеорологических данных за период с 1985 по 2021 г. Одной из особенностей этого подхода является кластеризация метеоусловий на часовых, а не суточных интервалах. В результате средний модуль относительной ошибки прогнозирования существенно снижается в зависимости от используемой модели прогнозирования. Для наилучшего варианта ошибка прогнозирования генерации фотоэлектрической станции на час вперед составила 9 %