СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2007 года по МПК H01L31/42 F24J2/16 

Изобретение относится к солнечным электростанциям, предназначенным для преобразования солнечной лучистой энергии в электрическую как в солнечную погоду, так и в пасмурную.

Известна солнечная электростанция для преобразования солнечной лучистой энергии в электрическую, включающая в себя вертикальный и горизонтальный валы поворота, на последнем из которых установлена солнечная фотобатарея, которая имеет систему поворота валов ориентации фотобатареи на солнце [1].

Недостатком электростанции является низкая эффективность, т.к. зенитальная установка производится вручную раз в месяц или квартал, что соответствует усредненному азимуту по широте и времени года. Поворот электростанции суточный осуществляется автоматически посредством двух цилиндрических (левый и правый) термоприводов, нагреваемых солнечными лучами, что имеет малую надежность в условиях низких температур и высоких ветровых нагрузок. Недостатком также является полное отсутствие возврата станции в исходное положение вечер-утро.

Известна солнечная электростанция, включающая в себя вертикальный вал с приводом азимутального поворота, на котором закреплена площадка, а на верхнем конце упомянутого вала, выше площадки, установлен горизонтальный вал с приводом зенитального поворота, на котором закреплена солнечная фотобатарея, снабженная системой автоматики зенитального и азимутального привода слежения за солнцем, включающие в себя командные фотоэлементы малоточных реле и исполнительных реле приводов реверсивных двигателей [2].

Недостатком станции является низкая надежность в условиях переменной или временной облачности, невозможность автоматической установки в рабочее положение утром. Это объясняется тем, что следящее устройство выполнено на фотоэлементах, размещенных в трубке. При несколько минутной облачности, при отсутствии солнечного луча, это устройство не действует, а после облачности солнечный луч в трубку устройства уже не попадает и станция больше не ориентируется по солнцу - наступает отказ. А при переменной облачности за день это может произойти сотни раз. Даже в чисто солнечную погоду с наступлением ночи станция «смотрит» на закат, а утром восход солнца с востока. Станция развернуться не может, требуется ручная наводка.

Прототипом изобретения является солнечная электростанция, включающая в себя раму, в которой установлен вертикальный вал с приводом азимутального поворота, а на его верхнем конце установлен горизонтальный вал с системой автоматики зенитального поворота, на котором закреплена солнечная фотобатарея, снабженная системой автоматики азимутального привода слежения за солнцем и разворота с запада на восток.

Недостатком прототипа является высокая металлоемкость, сложность конструкции и электрической системы автоматики, что ведет к снижению надежности и повышению стоимости электростанции.

Настоящее изобретение позволяет получить новый технический эффект - повышение надежности, упрощение электрической схемы автоматики и электроприводов в два раза.

Этот технический эффект достигается тем, что солнечная электростанция включает в себя раму, в которой установлен вертикальный вал с приводом азимутального поворота, а на его верхнем конце установлен горизонтальный вал с системой автоматики зенитального поворота, на котором закреплена солнечная фотобатарея, снабженная системой автоматики азимутального привода слежения за солнцем и разворота станции с запада на восток, при этом система автоматики зенитального поворота выполнена в виде шарнирной тяги, жестко закрепленной на раме и нижнем основании солнечной фотобатареи. Шарнирная тяга может быть выполнена в виде троса, а на верхнем основании фотобатареи закреплен амортизатор, например резиновый жгут, нижний конец которого жестко закреплен на раме.

На фиг.1 показан общий вид солнечной электростанции, вид сбоку.

На фиг.2 - вид А на фиг.1.

На фиг.3 показана электрическая схема электростанции.

Электростанция состоит из рамы 1, в которой на опорном подшипнике 2 установлен вертикальный вал 3 с ведущим зубчатым колесом 4, контактирующим с червячным валом 5 реверсивного электропривода 6 (М) постоянного тока. Вал 3 имеет возможность вращаться в опорных втулках 7 рамы 1. На верхнем конце вала 3 установлен горизонтальный вал 8, на котором на кронштейнах 9 закреплена солнечная фотобатарея 10 (ФЭ) электростанции. На солнечной фотобатарее 10 (ФЭ) закреплены два боковых, левый 11 (Фл) и правый 12 (Фп) командных фотоэлемента.

Фотоэлементы 11 и 12 относительно рабочей поверхности фотобатареи 10 (ФЭ), преимущественно, установлены под углом 250...255 градусов. С обратной стороны солнечной фотобатареи 10 (ФЭ) установлен дополнительный задний фотоэлемент 13 (Фз), установленный к плоскости горизонта под углом половины максимального зенитального угла солнца. На нижнем основании солнечной фотобатареи закреплена шарнирная тяга (трос) 14, нижний конец которой жестко закреплен на раме 1 в положении максимального зенитального угла солнечной фотобатареи 10. В случае использования в качестве тяги 14 троса, на верхнем основании солнечной фотобатареи 10 закреплен амортизатор 15, например резиновый жгут, нижний конец которого жестко закреплен на раме 1.

На фиг.2 пунктиром показаны положения солнечной фотобатареи 10, тяг 14 и амортизатора 15, соответственно, в западном положении 10а, 14а и 15а, в восточном направлении 10б, 14б и 15б. На нижнем основании фотобатареи по высоте установлен ряд крепежных петель 16 крепления тяги (троса) 14.

Углы установки командных фотоэлементов 11 и 12 обосновываются из условия, что относительно солнечных лучей они постоянно находятся под углом 15...20°, с отражением до 39%, при отклонении солнца на 15...20°, рабочий угол с одной стороны увеличивается на эту величину, а с другой уменьшается. Тогда с одной стороны отражение световых лучей доходит 6,6...9,8%, с другой до 100%. Этим обеспечивается эффективность работы упомянутых фотоэлементов.

Электрическая схема солнечной электростанции включает в себя солнечную фотобатарею «ФЭ» электростанции, которая через выключатель ВК имеет выводы + и - постоянного тока к потребителю. В системе электроснабжения электростанции подсоединен аккумулятор «АК», также может быть установлен вольтметр для измерения напряжения солнечной фотобатареи «ФЭ». Она снабжена двумя азимутальными командными фотоэлементами - правыми «Фп» и левыми «Фл», соединенным встречно с обмоткой поляризованного малоточного реле «РП1», а также командным фотоэлементом «Фз», установленным с обратной стороны солнечной ориентации, который подключен к обмотке поляризованного реле «РП2». Промежуточные малоточные реле «РП1» и «РП2» имеют нейтральный якорь с левыми и правыми контактами замыкания, в цепи которых установлены обмотки исполнительных реле, соответственно на «РП1»-«РС1» и «РС2», на «РП2»-«РС3». Все исполнительные реле «РС1»...«РС3» через якоря «РП1» и «РП2» напрямую подключены в сеть питания электростанции, а реле «РС3» имеет параллельную дополнительную цепочку, включающую в себя нормально замкнутые контакты «РС2.2» и нормально разомкнутые собственные контакты «PC3.1».

Нормально замкнутые контакты исполнительных реле «РС1» и «РС2» подключены к одной фазе электропитания, например «+», а их нормально разомкнутые контакты - к другой фазе электропитания, например «-», при этом каждая из этих цепей снабжена нормально замкнутыми контактами концевых выключателей, соответственно «КВл» и «КВп». Между якорями реле «РС1» и «РС2» подключен реверсивный двигатель «М» постоянного тока. При этом нормально разомкнутые контакты «РС2.1» запараллелены нормально разомкнутыми контактами «РС3.2».

Электростанция работает следующим образом.

Солнечная фотобатарея «ФЭ» электростанции ориентируется на солнечные световые лучи и вырабатывает расчетную электрическую энергию по напряжению и постоянному току. При включенном выключателе «ВК» обеспечивает электропитанием потребителя и производится зарядка аккумулятора «АК», который при падении напряжения на фотобатарее «ФЭ», например при облачности или ночью, обеспечивает потребителя электропитанием.

С утра начинается зенитальное и азимутальное перемещение солнца. Солнце меняет азимутальное положение в течении дня от востока до запада. В этом случае происходит увеличение угла падения солнечных лучей на правый фотоэлемент «Фп» и затемнение левого фотоэлемента «Фл». Правый фотоэлемент вырабатывает ток, который подается на обмотку реле «РП1», последняя срабатывает и замыкает якорь «РП1» на левый контакт и ставит под ток обмотку исполнительного реле «РС1», которая размыкает свои нормально замкнутые контакты и замыкает нормально разомкнутые контакты «PC1.1», тем самым ставит под ток реверсивный привод «М» (6). Последний через червячный вал 5 и зубчатое колесо 4 вращает вертикальный вал 3 вправо и разворачивает всю станцию по азимутальному положению солнца. При азимутальном выравнивании оба фотоэлемента «Фп» и «Фл» под малым углом к солнечным лучам вырабатывают одинаковые малые токи, которые уравновешиваются на обмотке «РП1», последняя обесточивается и опускает свой якорь «РП1». Цепь питания исполнительного реле «РС1» обесточивается, которое отпускает свой контакт «PC1» и обесточивает привод «М» (6). Азимутальный поворот станции прекращается. При дальнейшем азимутальном изменении солнца операция повторяется до заката солнца.

При азимутальном повороте вертикального вала 3 направо, с утра до полудня, соответственно он производит поворот горизонтального вала 8, с солнечной фотобатареей 10 из положения 10б. При этом тяга 14 из наклонного положения 14б переходит в вертикальное положение 14, тем самым поднимая нижнее основание фотобатареи 10 до максимального зенитального положения на горизонтальном валу 8, т.е. солнечная фотобатарея 10 (ФЭ) переходит из вертикального положения в горизонтальное. Тем самым обеспечивается зенитальное слежение за солнцем в первую половину дня.

Во второй половине дня продолжается азимутальное слежение за солнцем, т.е. дальнейший поворот вертикального вала 3, соответственно продолжается и поворот горизонтального вала 8 с солнечной фотобатареей 10. При этом тяга (трос) 14 постепенно увеличивает угол наклона, верхний конец которого изменяет высоту относительно рамы 1 и тянет за собой нижнее основание фотобатареи 10, разворачивает ее из горизонтального в вертикальное положение 10а к закату солнца, тем самым обеспечивая зенитальное слежение за солнцем во второй половине дня.

Амортизатор 15 обеспечивает натяжение троса 14. Ряд петель 16, установленных по высоте на нижнем основании фотобатареи 10, обеспечивают регулировку зенитального положения фотобатареи 10.

Электростанция ночует «задом» к востоку.

Утром при восходе солнца его лучи падают на задний фотоэлемент «Фз» (13), последний вырабатывает электрический ток на обмотку реле «РП2», которое своим якорем замыкает цепь питания исполнительного реле «РС3». Последнее замыкает свои контакты «РС3.1» и самоблокируется через нормально замкнутые контакты реле «РС2.2», в то же время контактами реле «РС3.2» ставится под ток реверсивный привод «М» (6), который через червячный вал 5 и зубчатое колесо 4 вращает вертикальный вал 3 влево и разворачивает всю станцию, до тех пор, пока солнечные лучи упадут на левый фотоэлемент «Фл» под углом 15...20°, т.е. при ориентации станции к солнцу под углом 140...150°. Последний вырабатывает электрический ток на обмотку «РП1» обратного направления и замыкает свой якорь на правый контакт «РП1», тем самым ставит под ток исполнительное реле «РС2», которое своими контактами «РС2.2» размыкает цепь питания реле «РС3, замыкает свои контакты «РС2.1» и продолжается разворот электростанции выше описанным образом до выравнивания освещенности фотоэлементов «Фп» и «Фл». Соответственно, обесточенное реле «РС3» опускает свои контакты «РС3.2» и «РС3.1», схема приходит в исходное положение.

По условиям погоды (облачность, дождь) ориентация электростанции может прекратиться в любом ее положении, например в любое время дня между восходом и закатом солнца. В этом случае с выходом солнца под лучи попадает или задний «Фз» или «Фл», и станция в любом случае будет ориентироваться описанным образом. В переменную облачность азимутальный разворот солнца будет происходить за счет работы фотоэлемента «Фп».

В случае если ориентация станции прекратилась до азимутального угла заката более чем на 145...150°, т.е. практически с утра до вечера, то вечерние лучи не будут возбуждать правый фотоэлемент «Фп», но зато попадут на задний фотоэлемент «Фз». Произойдет описанным образом разворот станции на восток (влево). В этом случае не один из «Фп» и «Фл» не попадут под лучи солнца. Станция будет разворачиваться до тех пор, пока нажмет и выключит концевой выключатель «КВл» левого ограничения поворота, оставаясь в готовности работы с восходом солнца. Утром с восходом солнца лучи попадают на «Фп» и описанным образом обеспечивается азимутальный правый поворот электростанции, при этом отпускается концевой выключатель «КВл», обеспечивая цепь питания левого поворота.

Во всей цепи питания работы привода «М» поворота соответственно включены концевые выключатели «КВл», «КВп», исключающие аварийные ситуации в работе электросхем, а также возможные срабатывания в ночное время от случайных источников света, например фар автомобилей, прожекторов и др.

Релейные схемы могут быть собраны на электронных реле. Круговой поворот станции исключен для избежания применения ряда контактных колец. Таким образом обеспечивается круглосуточная зенитальная и азимутальная самоориентация станции, простота и высокая надежность.

Источники информации

1. Подсолнух на солнечных батареях. НПП «Квант», Москва, 2002 г.

2. P.P.Апариси, Б.А.Гарф. «Использование солнечной энергии». М.: Академия наук, 1958 г., стр.39-43.

3. Патент РФ №2230395, БИ №16, 2004 г. «Солнечная электростанция» (прототип).

Солнечная электростанция состоит из вертикального вала с приводом его вращения, на верхнем конце которого установлен горизонтальный вал, а на нем солнечная фотобатарея с системой азимутального поворота. Система автоматики зенитального поворота выполнена в виде шарнирной тяги, жестко закрепленной на раме и нижнем основании солнечной фотобатареи. Шарнирная тяга может быть выполнена в виде троса. На верхнем основании фотобатареи может быть закреплен амортизатор, например резиновый жгут, нижний конец которого жестко закреплен на раме. Изобретение обеспечивает повышение надежности, упрощение электрической схемы автоматики и электроприводов в два раза. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Солнечная электростанция, включающая в себя раму, в которой установлен вертикальный вал с приводом азимутального поворота, а на его верхнем конце установлен горизонтальный вал с системой автоматики зенитального поворота, на котором закреплена солнечная фотобатарея, снабженная системой автоматики азимутального привода слежения за солнцем и разворота станции с запада на восток, отличающаяся тем, что система автоматики зенитального поворота выполнена в виде шарнирной тяги, жестко закрепленной на раме и нижнем основании солнечной фотобатареи.2. Солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что шарнирная тяга выполнена в виде троса, а на верхнем основании фотобатареи закреплен амортизатор, например резиновый жгут, нижний конец которого жестко закреплен на раме.