СОЛНЕЧНАЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2006 года по МПК F24J2/42 

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в солнечных электростанциях для преобразования солнечной энергии в электрическую, а кроме того может быть использовано в качестве энергетической установки индивидуального пользования.

Известна солнечная фотоэлектрическая установка по патенту Российской Федерации No 2222755 от 17.05.2002 года. Солнечная фотоэлектрическая установка содержит несущую конструкцию с закрепленным на ней параболическим концентратором, выполненным из плоских зеркальных фацет, соединенную с выходом блока слежения за Солнцем, а также протяженный фотоэлектрический преобразователь, расположенный по фокусной линии параболического концентратора. На несущей конструкции за параболическим концентратором соосно ему установлен эллиптический отражатель, один фокус которого совмещен с фокусом параболического концентратора, во втором фокусе которого установлен фотоэлектрический датчик, выход которого соединен с входом блока слежения за Солнцем. С тыльной стороны каждой из зеркальных фацет на ее продольной оси перпендикулярно ее поверхности установлен обращенный к эллиптическому отражателю плоский отражающий элемент.

Данная установка имеет относительно простую конструкцию. Однако она имеет одноосную систему слежения за Солнцем. В ней используются фотоэлектрические преобразователи большой площади, что удорожает установку из-за большого расхода дорогих полупроводниковых материалов преобразователя. Используется комбинированная система наведения на Солнце. Грубое наведение осуществляется от внешнего процессора, используя астрономическое время и широту местности. Любое изменение места положения установки требует перепрограммирования процессора.

Более совершенной является солнечная фотоэлектрическая установка IHCPV, являющаяся ближайшим аналогом заявляемого изобретения (смотри "Оценка стоимости интегрированной высококонцентраторной фотовольтаики для крупномасштабных применений, связанных с сетями централизованного электроснабжения". Материалы 25-й конференции специалистов по фотовольтаике Американского института инженеров по электротехнике и электронике. Вашингтон; 13-17 мая 1996, с.1373-1376).

Данная солнечная фотоэлектрическая установка содержит солнечную батарею с линзами Френеля и принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями, размещенную на механической поддерживающей системе и оснащенной системой ориентации батареи на Солнце. Солнечная батарея состоит из 168 линз Френеля и соответствующих им фотоэлектрических преобразователей. Линзы Френеля и фотоэлектрические преобразователи размещены в прямоугольной перфорированной металлической раме площадью 159 м², обладающей возможностью двухосевого механического перемещения, которая установлена на строго вертикальном несущем столбе, жестко зафиксированном в грунте. Несущая рама солнечной батареи оснащена системой ориентации на Солнце. В двухосевой следящей системе используется двигатель для азимутального поворота и механизм с винтовым домкратом для вертикального вращения. Двигатель может поворачивать систему на ±180° относительно южного направления и на 90° по вертикали. Контроль за слежением осуществляется при помощи системы автоматического регулирования с разомкнутым контуром. Микропроцессор рассчитывает направление на Солнце, используя астрономическое время и широту местности, и соответственно ориентирует следящую систему. Следящая система сохраняет верное положение при помощи датчиков Холла, закрепленных на оси мотора азимутального и вертикального приводов. Считая число оборотов мотора относительно известного нулевого положения и данные параметров привода, система контроля может ориентировать следящую систему на Солнце с точностью 0,05°.

Данная солнечная фотоэлектрическая установка превосходит по своим показателям рассмотренную выше установку с одноосевой системой слежения за Солнцем. Однако солнечная фотоэлектрическая установка IHCPV имеет сложную конструкцию и большие габариты солнечных модулей батарей, размещенных в одной плоскости, вследствие чего подвергается относительно большим ветровым нагрузкам. Технология монтажа установки требует больших трудозатрат вследствие необходимости обеспечения жесткой и строго вертикальной фиксации в грунте несущего столба механической поддерживающей системы солнечной батареи. Кроме того, ее следящая система разомкнутого контура на микропроцессоре осуществляет непрерывное перемещение солнечной батареи независимо от того, находится ли Солнце в прямой видимости или находится за облаками.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать солнечную фотоэлектрическую установку, в которой поддерживающая механическая система солнечной батареи и сама она, а также система наведения были бы выполнены таким образом, чтобы обеспечивалось упрощение конструкции механической системы и технологии ее монтажа, а слежение за положением Солнца обеспечивалось только при наличии прямого солнечного излучения.

Поставленная задача решается тем, что в солнечной фотоэлектрической установке, содержащей солнечную батарею с линзами Френеля и принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями, размещенную на механической системе, поддерживающей перпендикулярное положение солнечной батареи к направлению на Солнце и оснащенную системой ориентации солнечной батареи на Солнце, новым является то, что поддерживающая механическая система образована двумя рамами - базовой и подвешенной, из которых базовая рама установлена с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, опираясь на подстилающую поверхность с помощью колес, одно из которых снабжено электроприводом, а подвешенная рама установлена с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси от электропривода, при этом сама солнечная батарея состоит из модулей с солнечными концентраторами, расположенных на подвешенной раме в виде ступеней, а система ориентации батареи содержит основной и дополнительный датчики положения Солнца, основной из которых состоит из затеняющего экрана с отверстием и восьми фотоэлементов каскадного типа, четыре из которых размещены справа, слева, сверху и снизу по наружным сторонам экрана и образуют каналы азимутального и зенитального грубого наведения, вырабатывающие электрические сигналы при изменении положения Солнца, а четыре других фотоэлемента расположены таким же образом по внутренним сторонам экрана и образуют каналы точного наведения, упомянутый дополнительный датчик состоит из трех фотоэлементов каскадного типа, подключенных к азимутальному каналу, два из которых направлены налево и направо по отношению к основному датчику, а третий - в противоположную сторону, и полярность его подключения меняется при прохождении направления Юг-Север, при этом сигнал на включение электропривода ведущего колеса базовой рамы подается от фотоэлементов азимутального канала, а сигнал на включение электропривода подвешенной рамы подается от фотоэлементов зенитального канала.

Благодаря такому выполнению поддерживающей механической системы, для размещения установки подходит любая ровная поверхность с твердостью, достаточной для движения по ней колес базовой рамы, упрощается технология монтажа установки и ее эксплуатация. Выполнение солнечной батареи из модулей, ступенчато расположенных на подвешенной раме, снижает ветровую и возможную снеговую нагрузку, а также повышает жесткость несущей рамы. Благодаря наличию основного и дополнительного датчиков положения Солнца в системе наведения, нет необходимости контролировать текущее положение установки, а также нет необходимости привязки к астрономическому времени и широте местности, что обязательно в ближайшем аналоге изобретения. Используемые в качестве датчиков многопереходные фотоэлементы, имеющие наибольшую чувствительность к прямому солнечному излучению, предотвращают срабатывание на ложные источники излучения и повышают точность слежения за видимым положением солнечного диска. Повышенное выходное напряжение этих элементов позволяет использовать простую схему управления двигателями слежения.

Ниже сущность настоящего изобретения более подробно разъясняется конкретными примерами его осуществления со ссылками на чертежи, на которых:

на фиг.1 схематично изображена заявляемая солнечная фотоэлектрическая установка, вид сбоку;

на фиг.2 схематично изображена заявляемая солнечная фотоэлектрическая установка, вид сверху;

на фиг.3 схематично представлена конструкция основного датчика положения Солнца, вид сбоку;

на фиг.4 схематично представлена конструкция основного датчика положения Солнца, вид спереди;

на фиг.5 схематично представлена конструкция дополнительного датчика положения Солнца, вид сбоку;

на фиг.6 схематично представлена конструкция дополнительного датчика положения Солнца, вид сзади.

Заявляемая солнечная фотоэлектрическая установка содержит солнечную батарею с линзами Френеля и принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями, размещенную на механической поддерживающей системе, поддерживающей перпендикулярное положение солнечной батареи к направлению на Солнце и оснащенную системой ориентации солнечной батареи на Солнце. Поддерживающая механическая система образована двумя рамами - базовой рамой 1 (фиг.1) и подвешенной рамой 2. Базовая рама 1 (фиг.2) имеет в плане вид равнобедренного треугольника, по вершинам которого установлены колеса 3, 4 и 5, которыми базовая рама 1 опирается на подстилающую поверхность. Базовая рама 1 установлена с возможностью вращения вокруг неподвижной вертикальной оси 6 азимутального вращения, закрепленной в подстилающей поверхности. Колесо 3 (фиг.1) выполнено ведущим. На раме 1 установлен привод 7. Подвешенная рама 2 (фиг.2) имеет в плане прямоугольную решетчатую конструкцию и установлена на горизонтальной оси 8 зенитального вращения, закрепленной на кронштейнах 9 (фиг.1) базовой рамы 1. Подвешенная рама 2 выполнена из оцинкованной стали в виде гнутых перфорированных профилей. Привод 7 содержит два электромотора постоянного тока с редукторами, буферный аккумулятор питания и схему управления. Один из электромоторов связан с ведущим колесом 3 базовой рамы, а другой предназначен для эенитального перемещения подвешенной рамы.

Солнечная батарея состоит из модулей 10, содержащих линзы Френеля, концентраторы солнечного излучения и фотоэлектрические преобразователи, которые являются предметом отдельного заявленного ранее изобретения. Модули 10 солнечной батареи расположены на подвешенной раме 2 рядами в виде ступеней. Такое выполнение солнечной батареи снижает ветровую и возможную снеговую нагрузку, а также повышает жесткость подвешенной рамы 2. Подвешенная рама 2 снабжена двумя зубчатыми секторами 11, связанными с приводом 7 (фиг.2).

Электроприводы базовой рамы 1 и подвешенной рамы 2 снабжаются питанием от отдельной солнечной батареи 12, размещенной на подвешенной раме 2 и питающей электропривод 7 путем подзарядки аккумулятора.

Система ориентации солнечной батареи на Солнце содержит основной датчик 13 положения Солнца, размещенный на второй ступени солнечной батареи (фиг.1). Основной датчик 13 положения состоит из затеняющего экрана 14 (фиг.3) с отверстием 15 и восьми фотоэлементов каскадного типа, четыре фотоэлемента 16 из которых размещены сверху, снизу, справа и слева по наружным сторонам экрана и образуют каналы азимутального и зенитального грубого наведения, вырабатывающие сигналы при изменении положения Солнца. Четыре других фотоэлемента 17 размещены сверху, снизу, справа и слева по внутренним сторонам экрана и образуют каналы точного наведения. Дополнительный датчик 18 положения Солнца состоит из трех фотоэлементов каскадного типа (фиг.6), подключенных к азимутальному каналу. Этот датчик установлен в верхней части подвешенной рамы 2. Он содержит два фотоэлектрических элемента каскадного типа 19, направленых направо и налево по отношению к основному датчику 13 (фиг.2). Третий фотоэлектрический элемент 20 направлен в противоположную от основного датчика 13 сторону и полярность его подключения меняется специальным переключателем при прохождении направления Юг-Север.

Установка монтируется на любой ровной подстилающей поверхности с твердостью, достаточной для движения по ней колес 3,4 и 5 базовой рамы 1 (фиг.1). В подстилающей поверхности закреплена неподвижная ось 6 азимутального вращения базовой рамы 1. Выполнение солнечной батареи из модулей 10, которые ступенчато расположены на подвешенной раме 2, снижает ветровую и возможную снеговую нагрузку на несущую конструкцию, что повышает надежность и долговечность установки. Наличие основного датчика 13 и дополнительного датчика 18 положения Солнца в системе наведения, управляющих электроприводами базовой рамы 1 и подвешенной рамы 2, исключает необходимость контроля текущего положения установки, а также необходимость привязки к астрономическому времени и широте места расположения установки, что является обязательным для ближайшего аналога изобретения. Используемые в качестве датчиков положения Солнца многопереходные фотоэлементы имеют наиболее высокую чувствительность к прямому солнечному излучению. Они предотвращают срабатывание на ложные источники излучения и повышают точность слежения за видимым положением Солнца. Система слежения за Солнцем работает только при наличии прямого солнечного излучения. Повышенное выходное напряжение этих фотоэлементов позволяет использовать простую схему управления двигателями слежения.

Из приведенных конкретных примеров осуществления заявляемого изобретения для любого специалиста в данной области совершенно очевидна возможность его реализации с одновременным решением поставленной задачи. При этом также очевидно, что при реализации изобретения могут быть сделаны незначительные изменения в его конструкции, которые однако не будут выходить за пределы, определяемые формулой изобретения.

Заявляемая солнечная фотоэлектрическая установка имеет простую конструкцию. Технология монтажа установки также проста. Эксплуатация установки может быть осуществлена в любом месте без привязки к астрономическому времени и широте местности.

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в солнечных электростанциях для преобразования солнечной энергии в электрическую, а кроме того может быть использовано в качестве энергетической установки индивидуального пользования. Солнечная фотоэлектрическая установка содержит солнечную батарею с линзами Френеля и принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями, размещенную на механической системе. Новым является то, что поддерживающая механическая система образована двумя рамами - базовой рамой и подвешенной рамой. Базовая рама установлена с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, а подвешенная рама установлена с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси от электропривода. Солнечная батарея состоит из модулей с солнечными концентраторами, расположенных на подвешенной раме в виде ступеней. Изобретение должно обеспечить упрощение конструкции механической системы и технологии ее монтажа, а слежение за положением Солнца - только при наличии прямого солнечного излучения. 6 ил.

Солнечная фотоэлектрическая установка, содержащая солнечную батарею с линзами Френеля и принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями, размещенную на механической системе, поддерживающей перпендикулярное положение солнечной батареи к направлению на Солнце и оснащенной системой ориентации солнечной батареи на Солнце, отличающаяся тем, что поддерживающая механическая система образована двумя рамами - базовой и подвешенной, из которых базовая рама установлена с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, опираясь на подстилающую поверхность с помощью колес, одно из которых снабжено электроприводом, а подвешенная рама установлена с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси от электропривода, при этом сама солнечная батарея состоит из модулей с солнечными концентраторами, расположенных на подвешенной раме в виде ступеней, а система ориентации батареи содержит основной и дополнительный датчики положения Солнца, основной из которых состоит из затеняющего экрана с отверстием и восьми фотоэлементов каскадного типа, четыре из которых размещены справа, слева, сверху и снизу по наружным сторонам экрана и образуют каналы азимутального и зенитального грубого наведения, вырабатывающие электрические сигналы при изменении положения Солнца, а четыре другие фотоэлемента расположены таким же образом по внутренним сторонам экрана и образуют каналы точного наведения, упомянутый дополнительный датчик состоит из трех фотоэлементов каскадного типа, подключенных к азимутальному каналу, два из которых направлены налево и направо по отношению к основному датчику, а третий - в противоположную сторону, и полярность его подключения меняется при прохождении направления Юг-Север, при этом сигнал на включение электропривода колеса базовой рамы подается от фотоэлементов азимутального канала, а сигнал на включение электропривода подвешенной рамы подается от фотоэлементов зенитального канала.