ПОВОРОТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЛНЕЧНОГО ЭНЕРГОМОДУЛЯ Российский патент 2010 года по МПК F24J2/54 

Предлагаемое изобретение относится к системам автоматического слежения за источником света и предназначено для автоматической ориентации плоскости батареи за источником света (солнцем) по максимальной ее освещенности.

Известна Солнечная фотоэлектрическая установка (патент РФ №47497), 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 оснащенную 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 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 колеса базовой рамы подается от фотоэлементов азимутального канала, а сигнал - на включение.

Известен Фотодатчик ориентации для гелиоустановки (авторское свидетельство №1307175), содержащий установленный на подложке пылезащитный корпус с диафрагмирующей крышкой, расположенный в корпусе параллельно подложке экран с четырьмя щелями и установленные под ними на подложке симметрично оптической оси фотодатчика приемники, отличающийся тем, что, с целью повышения точности ориентации на Солнце, диафрагмирующая крышка выполнена с кольцевой прорезью и четырьмя равномерно расположенными в ней перемычками с совпадением проекций ее внутренней кромки с наружными кромками щелей экрана, а приемники выполнены каждый в виде двух, электрически параллельно соединенных фотоэлементов, расположенных по длине щели, ширина которой выбрана из условия д<0,01L, где L - расстояние от экрана до диафрагмирующей крышки.

Гелиостат (патент РФ №334444), например, для солнечных энергетических установок, установленный на опорной плите и снабженный приводом для слежения за Солнцем, отличается тем, что, с целью уменьшения габаритов установки, повышения точности и плавности слежения, привод выполнен в виде нескольких опорных телескопических штанг, соединенных с гелиостатом с помощью шаровых, а с опорной плитой - с помощью цилиндрических шарниров.

Известна Система зенитального слежения гелиостата (авторское свидетельство №720265), содержащая редуктор, выходной вал которого соединен с зенитальной осью гелиостата, и двигатель, связанный с ведущей шестерней редуктора, ведомая шестерня которого расположена на его валу; выходной вал редуктора соединен с зенитальной осью посредством рычага и выполнен в виде винта с гайкой, а редуктор снабжен понижающей и повышающей зубчатыми передачами, связанными посредством электромагнитных муфт с гайкой.

Также известен Датчик слежения гелиотехнической установки (авторское свидетельство №759806), содержащий светочувствительные элементы, расположенные на подложке и разделенные непрозрачными перегородками. Датчик дополнительно содержит экран, установленный над перегородками, и содержит корпус, выполненный в нижней части непрозрачным и установленный на подложке.

Датчик слежения за положением Солнца (авторское свидетельство №1270497), содержащий имеющий оптическую ось измерительный узел, выполненный в виде теневого экрана с центральным диафрагмирующим отверстием и световодов грубого и точного слежения, входные торцы которых разделены между собой расположенным вдоль оптической оси непрозрачным стаканом и закреплены в его основании, и фотопреобразователь дифференциального типа, каждый фотоэлемент которого расположен в зоне излучения выходных торцов световодов грубого и точного слежения, причем теневой экран установлен на стакане, измерительный узел снабжен по меньшей мере одним дополнительным световодом, входной торец которого расположен внутри непрозрачного стакана против дополнительно выполненного в теневом экране периферийного диафрагмирующего отверстия, а фотопреобразователь снабжен защитным кожухом и дополнительным фотоэлементом, расположенным в зоне излучения выходного торца дополнительного световода, введенного вместе со световодами грубого и точного слежения внутрь защитного кожуха.

Недостатками приведенных выше устройств являются: сложность конструкции установки и необходимость подключения внешнего источника питания для электропривода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является Солнечная электростанция (патент РФ №2230395), включающая в себя вертикальный вал с приводом азимутального поворота, на котором закреплена площадка, а на верхнем конце выше площадки установлен горизонтальный вал с приводом зенитального поворота, на котором закреплена солнечная фотобатарея, снабженная системой автоматики зенитального и азимутального приводов слежения за Солнцем, включающая в себя командные фотоэлементы малоточных реле и исполнительных реле приводов реверсивных двигателей. Командные фотоэлементы малоточных реле, установлены в четырех плоскостях относительно сторон солнечной фотобатареи, преимущественно под углом 250-255° к ее активной поверхности. На вертикальном валу азимутального поворота установлен дополнительный командный фотоэлемент в обратную сторону азимутального слежения под углом к плоскости горизонта, равным половине максимального зенитального угла Солнца, а контакты его малоточного реле запараллелены в цепь электропитания последовательно через нормально замкнутые контакты исполнительных реле левого и правого поворотов азимутального слежения и нормально разомкнутые контакты его исполнительного реле, при этом нормально разомкнутые контакты исполнительного реле левого поворота запараллелены нормально разомкнутыми контактами исполнительного реле дополнительного фотоэлемента.

Предлагаемое изобретение позволяет получить новый технический результат - упрощается конструкция системы слежения и уменьшаются затраты электроэнергии, потребляемой поворотным устройством.

Этот технический результат достигается тем, что в конструкцию поворотного устройства введен датчик освещенности, устройство обработки сигнала и электронный таймер, причем датчик освещенности включает в себя два фотодиода, закрепленных на несущей пластине, установленной на подвижной раме параллельно плоскости солнечной батареи, и отражатель, представляющий собой пластину с белой матовой поверхностью, установленную параллельно оси вращения батареи и перпендикулярно ее плоскости таким образом, чтобы не попадать в тень батареи при любом положении Солнца. Электронный таймер через заданные промежутки времени выдает устройству обработки сигнала команду на измерение значений освещенности каждого из двух фотодиодов, причем при первом измерении после включения питания или в случае, когда знак разности этих значений изменился по сравнению с прошлым измерением, устройство обработки сигнала выключает таймер и подключает напряжение с выхода солнечной батареи к электродвигателю с целью поворота солнечной батареи в сторону более освещенного фотодиода до тех пор, пока не изменится знак разности значений освещенности фотодиодов, после чего устройство обработки сигнала выключает электродвигатель и включает таймер. Причем вертикальная опора крепится на фундаменте, а устройство поворота по азимуту выполнено в виде мотор-редуктора, ось вращения которого располагается перпендикулярно углу местности. Устройство поворота по азимуту состоит из вращающегося винта и «качающейся» гайки таким образом, что винт одним концом шарнирно закреплен на мотор-редукторе, а гайка - на неподвижной опоре, причем вертикальная опора выполнена шарнирно-складной, из трубчатого стандартного профиля. Устройство поворота по углу местности состоит из качающегося в вертикальной плоскости «водила» с дискретной установкой угла, закрепленного на горизонтальной оси относительно опоры, и выполнено в виде трубчатого корпуса с установленным внутри мотор-редуктором с предохранительной муфтой. Ось вращения мотор-редуктора располагается перпендикулярно углу местности.

На фигуре 1 представлен датчик освещенности, включающий в себя: несущую пластину 1, два фотодиода 2 и отражатель 3.

На фигуре 2 представлено поворотное устройство для солнечного энергомодуля, рассчитанное на одну солнечную батарею (вариант 1). Оно содержит: вертикальную опору 10; устройство поворота по углу местности и устройства поворота по азимуту.

На фигуре 3 представлено поворотное устройство для солнечного энергомодуля, рассчитанное на две солнечные батареи (вариант 2). Оно содержит: шарнирно-складную опору 10, устройство поворота по углу местности и устройства поворота по азимуту.

Поворотное устройство для солнечного энергомодуля, рассчитанное на одну солнечную батарею (вариант 1), состоит из: вертикальной опоры 10, закрепляемой на фундаменте 9; устройства поворота по углу местности, состоящего из вращающегося винта 4 и «качающейся» гайки 5, причем винт одним концом шарнирно закреплен на мотор-редукторе 6, а гайка на неподвижной опоре 10; устройства поворота по азимуту, выполняемого в виде мотор-редуктора 6, состоящего из шагового двигателя и редуктора, причем ось вращения мотор-редуктора располагается перпендикулярно углу местности.

Поворотное устройство для солнечного энергомодуля, рассчитанное на две солнечные батареи (вариант 2), состоит из: шарнирно-складной опоры 1, выполняемой из трубчатого стандартного профиля, устанавливаемой без необходимости фундамента; устройства поворота по углу местности, состоящего из качающегося в вертикальной плоскости «водила» 7 с дискретной установкой угла, закрепленного на горизонтальной оси относительно опоры 10; устройства поворота по азимуту, выполняемого в виде «трубчатого» корпуса с установленным внутри мотор-редуктором «обращенного» типа с предохранительной муфтой, причем ось вращения его располагается перпендикулярно углу местности.

Система управления каждого варианта включает в себя датчик освещенности, устройство обработки сигнала, электронный таймер, набор ключей для управления двигателем, причем напряжение питания подается непосредственно с солнечной батареи.

В положении, когда солнечные лучи падают на батарею под углом 90°, отражатель 3 фиг.1 не отбрасывает тени на фотодиоды 2 фиг.1. При перемещении Солнца на один из фотодиодов падает тень, в результате чего сигналы от фотодиодов начинают резко различаться по уровню. На основе этой информации блок, управления формирует сигналы управления электродвигателем с целью поворота батареи в нужную сторону (в сторону более освещенного фотодиода). Датчик закреплен на той же раме, что и солнечная батарея таким образом, чтобы не попадать в ее тень при любом положении Солнца относительно поворотного устройства. Это позволяет при необходимости выполнить быстрый разворот в направлении Солнца на угол порядка 150°, не используя дополнительных датчиков освещенности, так как при нахождении Солнца позади батареи отражатель освещает один из фотодиодов рассеянным светом. Для этого поверхность отражателя должна быть матовой, с высоким коэффициентом отражения.

В процессе разработки поворотного устройства для солнечного энергомодуля были изготовлены два макетных образца:

- конструкция на одну солнечную батарею, где для вращения используется шаговый двигатель и редуктор с передаточным отношением 4000:1 (время поворота батареи на 180° порядка 15 минут);

- конструкция на две солнечные батареи, где для вращения используется коллекторный электродвигатель постоянного тока (напряжение питания 4,5-1,5 В) со встроенным редуктором с передаточным отношением 3000:1. Скорость на выходе редуктора в указанном диапазоне напряжения питания от 1,5 до 6 об/мин.

Поворотное устройство для солнечного энергомодуля относится к системам автоматического слежения за источником света и предназначено для автоматической ориентации плоскости батареи за источником света (солнцем) по максимальной ее освещенности. В конструкцию поворотного устройства введен специальный датчик освещенности, устройство обработки сигнала и электронный таймер, причем датчик освещенности включает в себя два фотодиода, закрепленных на несущей пластине, установленной параллельно плоскости солнечной батареи, и отражатель, представляющий собой пластину с белой матовой поверхностью, установленную параллельно оси вращения батареи и перпендикулярно ее плоскости таким образом, чтобы не попадать в тень батареи при любом положении Солнца. Электронный таймер через заданные промежутки времени выдает устройству обработки сигнала команду на измерение значений освещенности каждого из двух фотодиодов, причем, при первом измерении после включения питания или в случае, когда знак разности этих значений изменился по сравнению с прошлым измерением, устройство обработки сигнала выключает таймер и подключает напряжение с выхода солнечной батареи к электродвигателю с целью поворота солнечной батареи в сторону более освещенного фотодиода до тех пор, пока не изменится знак разности значений освещенности фотодиодов, после чего устройство обработки сигнала выключает электродвигатель и включает таймер. Изобретение позволяет упростить конструкцию системы слежения и уменьшить затраты электроэнергии, потребляемой поворотным устройством. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Поворотное устройство для солнечного энергомодуля, содержащее вертикальную опору, устройство поворота по углу местности, устройство поворота по азимуту и систему управления, включающую в себя датчик освещенности, устройство обработки сигнала и электронный таймер, отличающееся тем, что датчик освещенности включает в себя два фотодиода, закрепленные на несущей пластине, установленной на подвижной раме параллельно плоскости солнечной батареи, а перпендикулярно ее плоскости установлен отражатель, представляющий собой пластину, поверхность которой должна быть матовой, причем датчик освещенности закреплен на той же раме, что и солнечная батарея таким образом, чтобы не попадать в ее тень при любом положении солнца; электронный таймер через заданные промежутки времени выдает устройству обработки сигнала команду на измерение значений освещенности каждого из двух фотодиодов, причем при первом измерении после включения питания или в случае, когда знак разности этих значений изменился по сравнению с прошлым измерением, устройство обработки сигнала выключает таймер и подключает напряжение с выхода солнечной батареи к электродвигателю с целью поворота солнечной батареи в сторону более освещенного фотодиода до тех пор, пока не изменится знак разности значений освещенности фотодиодов, после чего устройство обработки сигнала выключает электродвигатель и включает таймер.

2. Поворотное устройство для солнечного энергомодуля по п.1, отличающееся тем, что вертикальная опора крепится на фундаменте.

3. Поворотное устройство для солнечного энергомодуля по п.1, отличающееся тем, что устройство поворота по азимуту выполнено в виде мотор-редуктора, ось вращения которого располагается перпендикулярно углу местности.

4. Поворотное устройство для солнечного энергомодуля по п.1, отличающееся тем, что устройство поворота по углу местности состоит из вращающегося винта и «качающейся» гайки.

5. Поворотное устройство для солнечного энергомодуля по п.1, отличающееся тем, что винт одним концом шарнирно закреплен на мотор-редукторе, а гайка на неподвижной опоре.

6. Поворотное устройство для солнечного энергомодуля по п.1, отличающееся тем, что вертикальная опора выполнена шарнирно-складной из трубчатого стандартного профиля.

7. Поворотное устройство для солнечного энергомодуля по п.1, отличающееся тем, что устройство поворота по углу местности состоит из качающегося в вертикальной плоскости «водила» с дискретной установкой угла, закрепленного на горизонтальной оси относительно опоры.

8. Поворотное устройство для солнечного энергомодуля по п.1, отличающееся тем, что устройство поворота по азимуту выполнено в виде трубчатого корпуса с установленным внутри мотор-редуктором с предохранительной муфтой.

9. Поворотное устройство для солнечного энергомодуля по п.8, отличающееся тем, что ось вращения мотор-редуктора располагается перпендикулярно углу местности.