СОЛНЕЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ Российский патент 2012 года по МПК G01R31/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к солнечному преобразователю, способному преобразовывать постоянный ток из солнечных панелей или других систем для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, в переменный ток, и к электростанции для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. В частности, изобретение содержит устройство защиты от воровства, расположенное в преобразователе и/или вышеупомянутой электростанции.

Уровень техники

В известных электростанциях для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию известно, что элементы, которые имеют высокую связанную стоимость и которые, следовательно, имеют сильное влияние на общую стоимость электростанции, являются фотоэлектрическими элементами, формирующими “солнечные панели”, которые, когда облучены, преобразуют солнечную энергию в электрическую энергию посредством хорошего качества материала, из которого они изготовлены, и который содержит кремний. Несколько фотоэлектрических элементов, соединенные вместе, упоминают как “модуль” или “панель”, и последние соединены последовательно в предназначенной области. Разные модули могут быть легко демонтированы или отделены друг от друга, таким образом предоставляя электростанции гибкость для добавления или удаления модулей, когда требуется, для того, чтобы изменять, в случае необходимости, создание электрической энергии и настраивать саму электростанцию. Таким образом, могут быть созданы электростанции разных уровней мощности с одним и тем же типом модуля.

Электростанции преобразования обычно устанавливают в областях, открытых для солнца, вне помещений (на крышах, областях внутренних двориков, на земле и т.д.), и они могут охватывать обширные области поверхности.

Вследствие модульного характера панелей и их высокой стоимости имеется существенная проблема воровства панелей внутри электростанций. На самом деле панели могут быть легко перепроданы и повторно использованы без их модификации.

Чтобы обратиться к этому недостатку, поскольку постоянный мониторинг сотрудниками охраны электростанций является очень дорогим, причем эти электростанции могут быть даже в местоположениях, которые являются удаленными или трудными для доступа, в предыдущем уровне техники применимы стандартные системы защиты от воровства, которые также использованы в других областях, например использование телевизионных камер с замкнутым контуром.

Однако даже этот тип системы мониторинга защиты от воровства является очень дорогим, особенно в случае небольших электростанций и/или электростанций для местного использования, в которых система защиты от воровства достигала бы стоимости того же порядка величины, что и стоимость электростанции преобразования.

Система мониторинга для мониторинга возможных неисправностей солнечной электростанции описана посредством EP 1326286 и US 6545211, тем не менее такие системы не подходят для работы в качестве системы защиты от воровства.

Кроме того, система в соответствии с ЕР 1326286 сконфигурирована таким образом, чтобы работать только во время солнечного излучения, т.е. во время работы солнечной электростанции.

Кроме того, JP 2000164906 описывает схему обнаружения воровства для солнечной батареи, содержащей источники подачи тока, отделенные от солнечных батарей, и схему обнаружения распознавания воровства, посредством которой ток заставляют течь через солнечные батареи. Система в соответствии с JP 2000164906 может быть использована только при низком уровне напряжения и требует специальную систему питания.

Таким образом, возникает потребность в системе защиты от воровства для электростанции солнечных элементов, являющейся надежной и имеющей малое потребление энергии.

Кроме того, требуется система защиты от воровства, сконфигурированная таким образом, чтобы работать либо во время солнечного излучения, а также во время ночи, или когда солнечное излучение не достигает элементов.

Сущность изобретения

Главной целью настоящего изобретения является предоставить солнечный преобразователь и электростанцию для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, которые структурно и функционально спроектированы с возможностью удовлетворения указанных требований, в то же время преодолевая ограничения, подчеркнутые со ссылкой на упомянутый предшествующий уровень техники.

Эти и другие цели, которые станут понятными ниже, выполняются солнечным преобразователем и электростанцией для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, созданными в соответствии с сопровождающей формулой изобретения.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества изобретения станут понятными из следующего подробного описания одного из его проиллюстрированных предпочтительных вариантов осуществлений, в качестве указания и не ограничивающим способом, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - упрощенный схематический вид электростанции для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, в соответствии с изобретением,

фиг.2 - принципиальная схема предпочтительного варианта осуществления пульта управления электростанцией фиг.1.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

На чертежах ссылка 1 указывает в целом электростанцию для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, созданную в соответствии с настоящим изобретением.

Рассматриваемая электростанция способна преобразовывать солнечную энергию в электрическую энергию, которая может быть использована для питания электрической сети (электростанция, соединенная с сетью) или, в качестве альтернативы (или дополнительно), для запасания энергии в перезаряжаемых батареях (автономная электростанция), или подобных.

Подробно со ссылкой на фиг.1, электростанция 1 содержит одну или более секций 2 (на приложенных чертежах представлено N секций) солнечных модулей, причем каждая секция сформирована множеством солнечных модулей M, последовательно электрически соединенных вместе.

Каждый модуль М (видимый на фиг.2), как известно, состоит из фотоэлектрических элементов. Число модулей и/или секций и тип использованного элемента, формирующего модуль, зависит от различных факторов, включая общую мощность электростанции, способ, которым она расположена, уровень излучения, присутствующий в области, и т.д. В случае небольших электростанций 1, например местной электростанции, может быть представлена только одна секция.

Секции 2 электрически параллельно соединены вместе, и, таким образом, весь сформированный узел упомянут как “фотоэлектрический генератор” 2а.

Каждая секция 2 предпочтительно заканчивается распределительной коробкой (не представлена), которая действует в качестве интерфейса между секцией и устройствами электростанции 1, которые следуют после секции. Выборочно коробка содержит защитные устройства, такие как, например, блокирующие диоды или плавкие предохранители 30 (см., например, фиг.2, объясненную ниже), по одному на секцию 2, которые предохраняют от изменения полярности в секции 2. Эти защитные устройства являются необязательными, если секции не подвержены затенению.

Кроме того, если необходимо, предоставлено средство 15 считывания, соединенное с каждой секцией, в частности, расположенное на выходе каждой секции 2, для того, чтобы считывать и, если необходимо, накапливать ток, созданный с помощью каждой отдельной секции 2 в течение единицы времени. Предпочтительно, каждое средство 15 считывания является устройствами датчиков тока, соединенными с микропроцессорами.

Также выборочно распределительные коробки могут содержать вариаторы и/или разрядники для защиты от скачков освещения, плавкие предохранители для защиты от скачков мощности и т.д.

Каждая секция 2, когда облучена солнцем, создает постоянный ток, который добавляют к постоянному току, созданному в остальных секциях.

Ниже секций 2 электростанция 1 содержит группу 3 преобразования, способную преобразовывать постоянный ток, созданный фотоэлектрическим генератором 2а, в переменный ток, предпочтительно в переменный ток, имеющий частоту и напряжение, равные частоте и напряжению тока в электрической сети страны, в которой осуществляют электростанцию 1. В качестве альтернативы, в случае автономной солнечной электростанции 1 постоянный ток, созданный фотоэлектрическим генератором, запасают в батареях без преобразования в переменный ток.

В случае электростанций, соединенных с сетью, или смешанных электростанций, группа 3 преобразования содержит преобразователь 3а, который выполняет преобразование, например, посредством способа широтно-импульсной модуляции (PWM). Выборочно преобразователь 3а содержит одно или более следящих устройств точки максимальной мощности (МРРТ) для фотоэлектрического генератора, которые являются устройствами, которые максимизируют мощность, которая может быть передана из фотоэлектрического генератора.

Кроме того, в предпочтительном примерном варианте осуществления изобретения ниже преобразователя 3а расположен трансформатор 4, чтобы обеспечивать полную развязку между фотоэлектрическим генератором 2а и электрической сетью, присоединенной на выходе.

Преобразователь 3а предпочтительно содержит блок 10 управления для регулирования, помимо других задач, информации из отдельных секций 2, такой как, например, считывания величины тока, созданного фотоэлектрическим генератором 2а, и снятыми с помощью средства считывания, связанного с каждой секцией 2. Эту информацию также используют, чтобы обнаруживать наличие возможной неисправности в определенной секции 2, причем в этом случае секция 2 не посылает сигнал тока в течение продолжительного периода времени, в то же время энергию создают в других секциях.

Преобразователь 3а соединен на своем выходе предпочтительно с электрической сетью и с потребителем, схематически представленными блоками 5 и 6 на фиг.1. Таким образом, электрическую мощность переменного тока, созданную электростанцией 1, либо используют потребители (если необходимо с добавлением мощности из электрической сети, если мощность, сгенерированная электростанцией 1, является недостаточной для потребностей потребителя в этот определенный интервал времени), либо подают в общую электрическую сеть, предпочтительно с той же самой фазой тока, подаваемого последней. Таким образом, удобно предоставлено измерительное средство 8 для вычисления, отображения и запоминания количества энергии, поданной в электрическую сеть 5.

В качестве альтернативы или дополнительно, электростанция 1 также содержит систему 9 аккумуляции, такую как аккумулятор энергии или батарея, чтобы производить электрический ток, генерируемый фотоэлектрическим генератором 2а, доступным даже в случае нарушения электроснабжения электрической сети. В этом случае, например, преобразователь 3а питает потребителя извлечением энергии из фотоэлектрического генератора 2а и/или из системы 9 аккумуляции.

Кроме того, можно обеспечить преобразователи 3а, которые преобразуют электрическую мощность постоянного тока, поданную фотоэлектрическим генератором 2а, в трехфазное напряжение переменного тока с переменной частотой, способное питать, например, водяной насос или другой тип электрического мотора.

Таким образом, как можно сделать вывод из вышеупомянутых предпочтительных вариантов осуществления, конкретная цель электростанции 1 является не ограничивающей для применения настоящего изобретения и может быть в значительной степени изменена, и, аналогично, типы используемых фотоэлектрических генераторов 2а и преобразователей 3а не относятся к делу. Кроме того, для электростанции 1 можно использовать не только энергию из фотоэлектрического генератора, но также, например, другие типы энергии, предпочтительно из возобновляемых источников, таких как ветровой генератор мощности.

Регулирование и управление электростанции 1 традиционно выполняют системой мониторинга, например, персональным компьютером 12, и/или мобильным телефоном, и/или карманным компьютером 13, в который посылают всю информацию, относящуюся к работе электростанции 1 или, в качестве альтернативы, относящуюся к работе преобразователя 3а. Система мониторинга также может содержать, дополнительно или в качестве альтернативы, блок отображения (не представлено), включающий в себя индикаторную лампу, в которой отображают сообщения, связанные с состоянием или рабочим состоянием системы. Блок отображения может быть расположен в преобразователе 3а.

Протокол передачи данных, используемый для передачи данных между электростанцией 1 (или преобразователем 3а) и системой мониторинга, например, является последовательного типа, предпочтительно протоколом MODBUS, однако может быть применим любой другой тип передачи, известный в данной области техники, кроме того, также предусмотрена возможность дистанционного управления электростанцией 1 (или преобразователем 3а) посылкой сигналов, например, для загрузки новой программы.

В соответствии с главным признаком изобретения теперь, ссылаясь на прилагаемую фиг.2, кроме того, электростанция 1 содержит систему 100 защиты от воровства, которая может посылать сигнал тревоги в систему мониторинга электростанции 1 в случае, когда удаляют один или более солнечных модулей М, формирующих одну из секций 2.

Как упомянуто выше, каждый модуль М секции 2 фотоэлектрического генератора 2а может быть представлен как генератор тока, с которым параллельно соединен диод. Таким образом, секция 2 имеет в качестве “электрического эквивалента” множество диодов, последовательно соединенных вместе, причем каждый указан с помощью D на фиг.2 и фиг.3 и каждый параллелен с генератором G тока. На выходе секции 2 размещен, как упомянуто выше, блокирующий диод DB, чтобы предотвращать обратную полярность тока в секциях, в которых имеется цепь короткого замыкания, или отсутствует облучение.

Если один или более модулей удаляют из секции 2, эквивалентная цепь становится, по существу, разомкнутой цепью (удаленный модуль М “размыкает” цепь), и электрический сигнал не может проходить через секцию 2. Если вместо этого модуль М разрушается, обычно секция, соответствующая разрушенному модулю, электрически эквивалентна цепи короткого замыкания, и, следовательно, даже в этом случае ток из других модулей секции 2, тем не менее, может проходить через всю секцию 2 и достигать преобразователя 3а. В качестве альтернативы, если разрушение модуля М оказывается эквивалентным разомкнутой цепи, тем не менее ток проходит через соответствующий диод D.

Таким образом, посылкой предварительно установленного сигнала, описанного выше, в каждую секцию 2 генератора 2а и обнаружением выходного ответного сигнала из секции 2 как результата посланного предварительно установленного сигнала может быть обнаружено наличие или отсутствие всех модулей М, формирующих секцию 2, поскольку, если любой из них отсутствует, не был бы получен ответный сигнал (который должен проходить через всю секцию, чтобы достичь выхода) как результат любого посланного предварительно установленного сигнала.

В соответствии с изобретением система 100 защиты от воровства, предпочтительно встроенная внутри блока 10 управления преобразователя 3а, где представлена, включает в себя генератор 31 импульсов, чтобы посылать импульсы на вход фотоэлектрического генератора 2а. В частности, для каждой секции 2 предоставлен генератор 31 импульсов, способный посылать импульсы в одну секцию 2. В качестве альтернативы, как схематически представлено на фиг.2, может присутствовать один генератор 31 импульсов, если все секции 2 фотоэлектрического генератора 2а содержат одинаковое число модулей М.

Предпочтительно, генератор 31 импульсов содержит трансформатор Т, включающий в себя первичную обмотку L1 и вторичную обмотку L2. Первичная обмотка L1 электрически соединена с генератором 16 переменного сигнала, например, генератором прямоугольного сигнала или синусоидального сигнала, например, с портом соответствующим образом запрограммированного микропроцессора, или с электронным переключателем (например, транзистором или MOSFET), и с генератором Vcc постоянного тока. Вторичная обмотка L2, с другой стороны, электрически соединена с секцией 2 таким образом, чтобы посылать в секцию 2 импульсы из первичной обмотки L1. Таким образом, ток через обмотку L2 ограничен в соответствии с параметрами управления (в частности, длительностью импульсов) и не зависит от числа модулей М секции 2.

Использование импульсного сигнала, который, таким образом, по существу является переменным, а не постоянным, означает, что устройство 100 защиты от воровства может быть использовано, даже несмотря на то, что секции 2 являются необлученными (и, следовательно, создавая постоянный ток).

Предпочтительно резистор R и конденсатор С, параллельно соединенные вместе, размещены между секцией 2 и вторичной обмоткой L2 трансформатора для того, чтобы предотвращать прохождение любой составляющей постоянного тока посланного сигнала, допуская только переменную составляющую.

Что касается формы импульсов, посылаемых генератором 31, предпочтительно они являются постоянными импульсами тока фиксированной энергии. Например, импульс приблизительно 10 мДж может быть послан в каждую цепь секции, и это выполняют с учетом, например, электростанции из 50 последовательных панелей (50 диодов D) на секцию 2, который, таким образом, дает в результате импульс 50 мА, имеющий длительность 300 мкс. Схема 100 защиты от воровства предоставлена для поддержания тока постоянным в том смысле, что если число панелей на секцию уменьшают, длительность импульса автоматически увеличивают, но максимальный ток остается постоянным. Предпочтительно, как проиллюстрировано на фиг.2, использованный трансформатор Т соединен в конфигурации, известной в упомянутой области техники как “обратный ход”, и это, по сути, дает возможность регулирования тока, описанного выше.

Импульсы могут быть посланы с предварительно установленной частотой (например, один импульс каждую секунду) или с произвольными интервалами времени.

Электрически соединенная на выходе секции 2 система 100 защиты от воровства содержит детектор сигнала, предпочтительно оптрон ОР, способный контролировать наличие импульса переменного тока на выходе секции 2. Предпочтительно имеется один оптрон ОР на секцию 2 (следовательно, для N секций указаны N оптронов ОР1, …, OPN). В настоящем изобретении могут быть применимы другие детекторы импульсов, известные в данной области техники, такие как, например, трансформатор измерения силы тока или шунтирующий резистор.

Оптрон ОР питают источником постоянного тока, таким как, например, батарея Vcc. Предпочтительно, батарею Vcc перезаряжают, в то время как работает фотоэлектрический генератор 2а (т.е. когда последний облучают).

Когда светодиод оптрона ОР принял импульс тока, транзистор оптрона передает соответствующий сигнал.

Система 100 защиты от воровства также содержит устройство 25 управления, например микропроцессор, в который посылают сигналы из оптронов ОР1, …, OPN.

Система 100 защиты от воровства сконфигурирована таким образом, что когда предварительно установленное число импульсов, выведенных секцией 2, не принимают оптроном, причем это предварительно установленное число является параметром, который является изменяемым и конфигурируемым через устройство 25 управления, посылают тревожную сигнализацию устройством 25 управления в систему мониторинга электростанции 1 посредством средства тревожной сигнализации (не представлено). На фиг.2 представлена стрелка F, выходящая из устройства 25 управления, и она указывает передачу сигнала тревоги в систему мониторинга. Средство тревожной сигнализации выбирают и конфигурируют таким образом, чтобы посылать сигнал в соответствии с типом применимой системы мониторинга, причем система мониторинга является самой изменяемой по типу.

Система 100 защиты от воровства, описанная в настоящей заявке, выборочно может быть соединена даже со стандартным блоком управления тревожной сигнализацией/защитой от проникновения, известным в упомянутой области техники, для регулирования и отображения сигнала из тревожной сигнализации наиболее подходящим способом. Например, тревожная сигнализация может быть передана в систему мониторинга электростанции посредством контакта 20 реле прерывателя или через асинхронное последовательное соединение MODBUS (т.е. интерфейс RS485, не представлен).

Из схемы фиг.2 понятно, что на выходе оптрона ОР также отсутствует импульс, если напряжение Vcc равно нулю, например, вследствие неисправности. Кроме того, сигнал тревоги также посылают, когда имеется преднамеренное повреждение оборудования, или когда реле 20 не было деактивировано.

Таким образом, настоящее изобретение выполняет предложенные цели, достигая многочисленных преимуществ относительно упомянутого предшествующего уровня техники.

В частности, может быть использована относительно недорогая система защиты от воровства, чтобы постоянно осуществлять мониторинг наличия или отсутствия всех модулей в каждой секции.

Другие источники энергии не использованы, поскольку система защиты от воровства питается запасенной энергией из фотоэлектрического генератора.

Можно соединять систему защиты от воровства изобретения с системами управления защитой от воровства/защитой от проникновения, которые являются коммерчески доступными в настоящее время.

Настоящее изобретение относится к солнечному преобразователю, способному преобразовывать постоянный ток из солнечных панелей или других систем для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, и к электростанции для преобразования солнечной энергии в электрическую. Электростанция для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию содержит фотоэлектрический генератор, включающий в себя, по меньшей мере, одну секцию фотоэлектрических модулей (М), генератор импульсов, способный посылать электрические импульсы на вход секции, содержащий генератор переменного сигнала и трансформатор, соединенный в конфигурации обратного хода, детектор (ОР) сигнала, расположенный на выходе секции и способный обнаруживать на выходе секции наличие сигнала, который является функцией электрических импульсов на входе, и средство тревожной сигнализации, соединенное с детектором сигнала и способное генерировать тревожную сигнализацию в случае, когда на выходе секции отсутствует сигнал. Техническим результатом является создание надежной, имеющей малое потребление энергии и способной работать в любое время системы защиты от воровства элементов в солнечной электростанции и преобразователе. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электростанция (1) для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию, содержащая
фотоэлектрический генератор (2а), включающий в себя, по меньшей мере, одну секцию (2) фотоэлектрических модулей (М),
генератор (31) импульсов, способный посылать электрические импульсы на вход, по меньшей мере, одной секции (2),
детектор (ОР) сигнала, расположенный на выходе секции (2) и способный обнаруживать на выходе секции (2) наличие сигнала, который является функцией электрических импульсов на входе, и
средство тревожной сигнализации, соединенное с детектором (ОР) сигнала и способное генерировать тревожную сигнализацию в случае, когда на выходе секции (2) отсутствует сигнал,
причем генератор (31) импульсов содержит генератор (16) переменного сигнала и трансформатор (Т), причем генератор (16) переменного сигнала электрически соединен с первой обмоткой (L1) трансформатора (Т), а секция (2) электрически соединена со второй обмоткой (L2) трансформатора (Т), при этом трансформатор (Т) соединен в конфигурации обратного хода.

2. Электростанция (1) по п.1, в которой электрические импульсы на входе секции (2) являются постоянными импульсами тока фиксированной энергии.

3. Электростанция (1) по п.1 или 2, в которой электрические импульсы посылают с предварительно установленной частотой.

4. Электростанция (1) по п.1 или 2, в которой электрические импульсы посылают с произвольными интервалами времени.

5. Электростанция (1) по п.1, в которой детектор (ОР) сигнала содержит устройство оптрона.

6. Электростанция (1) по п.1, содержащая систему (12, 13) мониторинга, в которую посылают тревожную сигнализацию, сгенерированную средством тревожной сигнализации, и средство связи между системой мониторинга и средством тревожной сигнализации, содержащее последовательное соединение.

7. Преобразователь (3а) для преобразования постоянного тока из фотоэлектрического генератора (2а) в переменный ток, содержащий, по меньшей мере, одну секцию (2) фотоэлектрических модулей (М) и включающий в себя систему (100) защиты от воровства, имеющий
генератор (31) импульсов, способный посылать электрические импульсы на вход, по меньшей мере, одной секции (2),
детектор (ОР) сигнала, расположенный на выходе секции (2) и способный обнаруживать на выходе секции (2) наличие сигнала, который является функцией электрических импульсов на входе, и
средство тревожной сигнализации, соединенное с детектором (ОР) сигнала и способное генерировать тревожную сигнализацию в случае, когда на выходе секции отсутствует сигнал, причем генератор (31) импульсов содержит генератор (16) переменного сигнала и трансформатор (Т), причем генератор переменного сигнала (16) электрически соединен с первой обмоткой (L1) трансформатора (Т), а секция (2) электрически соединена со второй обмоткой (L2) трансформатора (Т), при этом трансформатор (Т) соединен в конфигурации обратного хода.

8. Преобразователь (3а) по п.7, в котором электрические импульсы на выходе секции (2) являются постоянными импульсами тока фиксированной энергии.

9. Преобразователь (3а) по п.7 или 8, в котором электрические импульсы посылают с предварительно установленной частотой.

10. Преобразователь (3а) по п.7 или 8, в котором электрические импульсы посылают с произвольными интервалами времени.

11. Преобразователь (3а) по п.7, в котором детектор (ОР) сигнала содержит устройство оптрона.

12. Преобразователь (3а) по п.7, содержащий систему (12, 13) мониторинга, в которую посылают тревожную сигнализацию, сгенерированную средством тревожной сигнализации, и средство связи между системой мониторинга и средством тревожной сигнализации, содержащее последовательное соединение.