МОБИЛЬНАЯ АВТОНОМНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2015 года по МПК H02S20/10 H02S10/00 

Изобретение Мобильная автономная солнечная электростанция (далее МАСЭС) предназначена для снабжения электроэнергией боевых позиций и командных пунктов ракетно-артиллерийских подразделений, пограничных застав, блокпостов и других удаленных объектов полевого базирования различного назначения. МАСЭС относится к области возобновляемых источников энергии и, в частности, предназначена для получения электроэнергии от воздействия солнечной радиации на фотоэлектронные модули. Известен патент RU 95900 U1, H01L 31/042 от 10.07.2010 Солнечная электростанция [1], включающая в себя вал с приводом азимутального поворота, на котором закреплена солнечная батарея, снабженная системой автоматики азимутального поворота, а с обратной стороны установлена система автоматического разворота электростанции с запада на восток, отличающаяся тем, что солнечная батарея закреплена на горизонтальном валу под углом к плоскости горизонта, равным максимальному зенитальному углу солнца в полдень, при этом активная поверхность солнечной батареи направлена на солнце, а вал размещен на стойках, высота которых соответствует, по крайней мере, половине ширины солнечной батареи. Недостатком данного патента является наличие системы автоматического азимутального поворота электростанции с запада на восток, что усложняет конструкцию. Кроме того, из-за отсутствия системы охлаждения солнечных батарей существует возможность их нагрева до 70°C и более, что приводит к снижению эффективности выработки электроэнергии солнечными батареями. Известно изобретение RU 2476783 C1, F24J 2/42, F24J 2/10, от 27.02.2013 Солнечная энергетическая установка [2], содержащая: солнечную батарею, набранную из концентраторных фотоэлектрических модулей, размещенных на механической системе ориентации на Солнце, содержащей приводы зенитального и азимутального вращения, снабженные шаговыми мотор-редукторами, линейные фотоприемники, находящиеся в фокусах цилиндрических линз Френеля, а по бокам длинной стороны фотоприемников, вплотную к ним, под углом расположены отражатели, микропроцессоры, служащие для управления приводами и содержащие информацию о географической широте местонахождения установки, а также электронные часы, снабженные календарем, по сигналам которых через равные промежутки времени включаются шаговые мотор-редукторы, поворачивающие солнечную батарею на зенитальные и азимутальные углы в соответствии с уравнением движения Солнца на небосводе, при этом величины достигнутых зенитальных и азимутальных углов определяются с помощью соответствующих датчиков, и их значения сравниваются со значениями, полученными из уравнения движения Солнца на текущий момент времени. Основным недостатком изобретения является сложность конструкции и перегруженность электронными устройствами, что снижает надежность и увеличивает стоимость Солнечной энергетической установки. Известно также изобретение Модуль солнечной электростанции патент RU 2437036 C1, F24J 2/42, F24J 2/54 от 20.12.2011 [3], содержащий параболоцилиндрический концентратор солнечной энергии, несущую конструкцию с фотоэлектрическим датчиком и фотоэлектрическим преобразователем, расположенным по фокусной линии параболоцилиндрического концентратора, и поворотный механизм с возможностью поворота вокруг оси на угол не менее 180°, вход которого соединен с выходом фотоэлектрического датчика. Поворотный механизм соединен с затеняющей пластиной, имеющей форму и размеры входа параболоцилиндрического концентратора и снабженной отверстиями, равномерно расположенными по всей плоскости пластины, а ось поворотного механизма расположена в плоскости входа параболоцилиндрического концентратора. При этом отношение суммарной площади отверстий на затеняющей пластине к площади входа параболоцилиндрического концентратора может быть равно коэффициенту концентрации солнечного излучения. Изобретение позволяет увеличить надежность и кпд фотоэлектрических преобразователей благодаря исключению перегрева. Известно также изобретение RU 2431787 C1, F24J 2/42, F24J 2/06 от 20.12.2011 Солнечная электростанция [4], содержащая концентратор, выполненный в виде линейной одноосной концентрирующей системы, систему слежения и фотоприемник с p-n переходами в фокальной области, фотоприемник выполнен в виде одной или более секций твердотельной матрицы из последовательно коммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и с p-n переходами, плоскости которых параллельны двум из четырех боковых граней матрицы, и имеет защитное прозрачное покрытие на двух рабочих поверхностях матрицы, которые перпендикулярны плоскости p-n переходов, оптическая ось и фокальная плоскость концентратора перпендикулярна плоскости p-n переходов приемника, фотоприемник установлен в прозрачной цилиндрической оболочке вдоль ее оси и снабжен устройством для прокачки охлаждающей жидкости через прозрачную цилиндрическую оболочку и теплообменником для отвода теплоты, а плоскости p-n переходов перпендикулярны оси цилиндрической оболочки. Недостатком данной конструкции является невозможность ее использования в мобильном варианте исполнения, сложность конструкций слежения за Солнцем и системы охлаждения. Известна конструкция конусной солнечной батареи, созданная инженерами компании Nectar Design и V3 Spin Cell [5], собранная из двух независимых конусов внутреннего и внешнего. На поверхности вращающегося внутреннего конуса расположены солнечные ячейки. Внешний же конус неподвижен и покрыт трубчатыми линзами, которые предназначены для концентрации пучка солнечного света, чтобы достичь максимальной эффективности каждой ячейки. В обычной практике применение линз вызвало бы перегрев и быстрый выход из строя солнечных элементов, но благодаря их постоянному вращению подобная ситуация абсолютно исключена. Так, температура фотоэлементов не превышает 35°C, что не выходит за рамки допустимых пределов. Отметим, что вращающийся конус парит в магнитном поле и тратит для поддержания движения немного генерируемой им самим электроэнергии. Управляет скоростью движения и другими параметрами системы электронная схема, точность которой также способствует получению максимального эффекта от всей системы [5]. Основным недостатком рассмотренного изобретения является неприспособленность конструкции V3 Spin Cell к установке на одноосном прицепе и использованию по назначению в процессе транспортирования. Из уровня техники также известен Автономный мобильный комплекс жизнеобеспечения [6], патент на полезную модель RU 74348, B60P 3/00 от 26.06.2008, состоящий из мобильного транспортного средства или выполненный на базе грузового прицепа, содержащий насос для закачки воды, заборный шланг, очистные фильтры, отличающийся тем, что дополнительно содержит не менее одного ветрогенератора и/или мобильную солнечную электростанцию, не менее одного аккумулятора, выполненного с возможностью накапливать электрическую энергию от ветрогенератора и/или солнечной электростанции. Основным недостатком Автономного мобильного комплекса жизнеобеспечения является зависимость солнечной электростанции от угла положения Солнца над горизонтом, а также не учтен тот факт, что аккумуляторная батарея имеет ограничения на возможность накапливать электроэнергию, поэтому зарядка аккумуляторных батарей должна быть контролируемой во избежание их выхода из строя. Известна Мобильная солнечная электростанция [7], патент на изобретение SU 1670055, E04B 1/343, E04/02 от 15.08.1991, содержащая контейнерный модуль из подвижно соединенных вдоль ребра блоков 2 и 3, образованных из треугольных призм со смежными гранями 6 в виде параболоцилиндрических концентраторов, телескопических стоек 8 с возможностью поворота относительно горизонтальной оси в режиме слежения за солнцем и гелиоприемников линейного типа, закрепленных на телескопических стойках. В транспортном положении гелиоприемники расположены между параболоцилиндрическими концентраторами. В рабочем положении концентраторы установлены на южную сторону. Недостатком данного изобретения является сложность конструкции при приведении ее в рабочее положение и наличие устройства для слежения за Солнцем, вероятно стоимость производства и эксплуатации также будет высокой. В качестве прототипа принято изобретение [5] как наиболее близкое по сути и способу выработки электроэнергии ФЭМ под воздействием лучей солнечной радиации. Технический результат заявленного изобретения МАСЭС, отличающий его от цитированных прототипа и аналогов, достигается следующими инженерными решениями: с целью обеспечению мобильности световодная труба размещена на одноосном прицепе; использование квадратной в поперечном сечении световодной трубы, ширина которой равна поперечному размеру кузова одноосного прицепа. Указанное решает задачу максимально увеличить площадь приема лучей солнечной радиации; применение оптически активного купола обеспечивает максимальный сбор и направление лучей солнечной радиации в квадратную световодную трубу независимо от угла солнцестояния; с целью дополнительной концентрации лучей солнечной радиации на поверхность четырехгранного оптически активного купола в его основании закреплен параболический круговой отражатель, который на 25-35% увеличивает эффективность использования лучей солнечной радиации для выработки электрической энергии, причем образующая параболического кругового отражателя в поперечном сечении имеет вид параболы; использование в конструкции МАСЭС полуцилиндрической сложной собирающей линзы, размещенной внутри квадратной световодной трубы в нижней ее части с целью увеличения плотности лучей солнечной радиации, воздействующих на ФЭМ, которые расположены на внешней поверхности вращающегося цилиндра, причем поверхность его размещена на фокусных линиях полуцилиндрической сложной собирающей линзы.

Кроме того, применение полуцилиндрической сложной собирающей линзы вместо указанного в прототипе Nectar Design и V3 Spin Cell [5] неподвижного конуса с трубчатыми линзами увеличивает площадь поверхности, воспринимающей солнечную радиацию, а вместо указанного в прототипе Nectar Design и V3 Spin Cell[5] вращающегося конуса с расположенными на его поверхности солнечными ячейками в представленном изобретении используется вращающийся цилиндр с расположенными на его поверхности ФЭМ, что также увеличивает площадь поверхности, воспринимающей солнечную радиацию от полуцилиндрической сложной собирающей линзы; организацией принудительной автоматической воздушной вентиляции пространства под поверхностью вращающегося цилиндра с целью охлаждения ФЭМ, расположенных на его поверхности; наличие датчика температуры обеспечивает нормальный режим и долговечность эксплуатации ФЭМ; наличие прочного корпуса, выполненного из стеклопластика и защищающего МАСЭС от воздействия внешней среды. Конструкция МАСЭС и его составные части показаны на следующих рисунках. На фигуре 1 изображен общий вид МАСЭС сбоку. На фигуре 2 изображен общий вид МАСЭС сверху. На фигуре 3 изображен общий вид МАСЭС сбоку в разрезе, а также показана схема хода и воздействия лучей солнечной радиации на ФЭМ. На фигуре 4 изображен вид МАСЭС по стрелке А-А (поперечный разрез). На фигуре 5 показан вид секторных плоско-выпуклых линз. На фигуре 6 приведена общая схема управления технологией выработки электроэнергии. МАСЭС содержит следующие составные части. Одноосный автомобильный прицеп 1, на котором размещен цельнометаллический кузов 2, в передней и задней частях которого имеются входное 3 и выходное 4 вентиляционные отверстия цельнометаллического кузова (фигуры 1, 2), причем входное 3 вентиляционное отверстие имеет воздушный фильтр 5. Входная 6 и выходная 7 воздушные трубы (фигуры 1, 2), на концах которых установлены стандартные уплотнения (не показаны). Четырехгранный оптически активный купол 8, включающий горизонтальную плоско-выпуклую линзу 9 и круговую составную конусную плоско-выпуклую линзу 10, которая, в свою очередь, состоит из сопряженных между собой секторных плоско-выпуклых линз 11. Внутри оптически активного купола 8 в его основании расположена рассеивающая линза 12. К основанию оптически активного купола 8 снаружи крепится параболический круговой отражатель 13, в нижней части которого имеются отверстия для слива дождевой воды 14. Четырехгранную световодную трубу 15. Внутренняя зеркальная поверхность 16 четырехгранной световодной трубы 15, в верхней части которой находится верхний квадратный обод 17, служащий для соединения оптически активного купола 8 и параболического кругового отражателя 13 с верхней частью четырехгранной световодной трубы 15. Сложная полуцилиндрическая линза 18 имеет продольные двояковыпуклые собирающие линзы 19, встроенные вдоль сложной полуцилиндрической линзы 18 на расстоянии, равном ширине продольных двояковыпуклых собирающих линз 19. Полка 20, служащая для крепления сложной полуцилиндрической линзы 18 к стенкам четырехгранной световодной трубы 15. Вращающийся цилиндр 21, на внешней поверхности которого расположены фотоэлектрические модули (ФЭМ) 22 (Фигуры 3, 4). Датчик температуры 23 ФЭМ 22 (Фигура 3). Вал 24 вращающегося цилиндра 21. Подшипники качения 25 вала 24 вращающегося цилиндра 21. Приводной электродвигатель постоянного тока (ПЭДПТ) 26 с регулятором скорости вращения, устанавливаемый в положение min или в положение max, причем вал 24 вращающегося цилиндра 21 неподвижно соединен с валом приводного электродвигателя постоянного тока 26 (Фигура 4). Вентиляционные отверстия - соответственно входное 27 и выходное 28 четырехгранной световодной трубы 15, причем эти отверстия расположены на уровне нижнего края вращающегося цилиндра 21 (фигура 3). Вытяжной электрический вентилятор 29, размещенный в выходном вентиляционном отверстии 28. Нижний четырехгранный обод 30, служащий для крепления четырехгранной световодной трубы 15 к днищу одноосного автомобильного прицепа 1. Блок аккумуляторных батарей (БАКБ) 31, размещенный в передней части цельнометаллического кузова 2. Контроллер заряда-разряда (КЗР) 32, БАКБ 31, Инвертор (ИНВ) 33, пульт управления (ПУ) 34 МАСЭС (фигура 3), размещенные в передней части цельнометаллического кузова 2. МАСЭС функционирует следующим образом. Лучи солнечной радиации попадают на оптически активный купол 8, проходят через горизонтальную плоско-выпуклую линзу 9, параллельными пучками попадают на рассеивающую линзу 12. Одновременно эти лучи также проходят через круговые конусные плоско-выпуклые линзы 10, которые состоят из сопряженных между собой секторных плоско-выпуклых линз 11 и далее параллельными пучками попадают на рассеивающую линзу 12 (Фигура 3). Лучи солнечной радиации также одновременно попадают на параболический круговой отражатель 13, который направляет отраженные лучи на оптически активный купол 8, тем самым увеличивается интенсивность солнечной радиации. Собранные оптически активным куполом 8 лучи солнечной радиации с помощью рассеивающей линзы 12 под острым углом попадают на внутреннюю зеркальную поверхность 16 четырехгранной световодной трубы 15 и без возможности обратного отражения достигают поверхности сложной полуцилиндрической линзы 18 (фигура 4). Таким образом, система из оптически активного купола 8, параболического кругового отражателя 13 и рассеивающей линзы 12 обеспечивает прием и подачу лучей солнечной радиации через четырехгранную световодную трубу 15 на поверхность сложной полуцилиндрической линзы 18 независимо от угла солнцестояния над горизонтом (фигуры 3, 4). Лучи солнечной радиации проходят через сложную полуцилиндрическую линзу 18 и с помощью продольных двояковыпуклых собирающих линз 19 формируют на поверхности вращающегося цилиндра 21 фокусные линии лучей солнечной радиации высокой плотности. Расположенные на поверхности вращающегося цилиндра 21 фотоэлектрические модули (ФЭМ) 22, находясь на фокусной линии, при вращении цилиндра 21 периодически воспринимают воздействие лучей солнечной радиации высокой плотности, в результате чего ФЭМ 22 максимально эффективно вырабатывают электрический ток. Причем вращение цилиндра 21 осуществляется с помощью приводного электродвигателя постоянного тока 26 (ПЭДПТ). Следует отметить, что с целью повышения эффективности выработки ФЭМ 22 электрического тока в пасмурную погоду регулятор скорости вращения приводного электродвигателя постоянного тока 26 устанавливается в положение min. Выработанный ФЭМ 22 электрический ток по проводам через ПУ 34 поступает на вход контролера заряда-разряда 32, выход заряда-разряда 32 подключен к БАКБ 31, который, в свою очередь, подключен к инвертору 33. Инвертор 33 преобразует постоянный ток в переменный ток 220B 50 Гц, Подключение потребителей электроэнергии осуществляется с пульта управления 34 (фигура 5). Организация принудительной автоматической воздушной вентиляции пространства под поверхностью вращающегося цилиндра с целью охлаждения ФЭМ 22 осуществляется следующим образом.

При достижении температуры поверхности ФЭМ 22 более чем 40°С датчик температуры 23 через ПУ 34 подключает вытяжной электрический вентилятор (ВЭВ) 29, установленный на выходном отверстии 28 четырехгранной световодной трубы 15 к БАКБ 31 (фигура 3). Работающий вытяжной электрический вентилятор 29 втягивает наружный воздух через воздушный фильтр 5, установленный на входном вентиляционном отверстии 3 цельнометаллического кузова 2, входную воздушную трубу 6, соединяющую входное вентиляционное отверстие 3 с входным вентиляционным отверстием 27 четырехгранной световодной трубы 15. Вытяжной электрический вентилятор (ВЭВ) 29, установленный на выходном отверстии 28 подает воздух из пространства под вращающимся цилиндром 21 в выходную воздушную трубу 7, соединенную с выходным отверстием 4 цельнометаллического кузова 2. Следует отметить, что охлаждение ФЭМ обеспечивается при надежной герметизации входной 6 и выходной 7 воздушных труб. Таким образом, происходит охлаждение ФЭМ 22, расположенных на поверхности вращающегося цилиндра 21, что обеспечивает надежную работу МАСЭС по выработке экологически чистой электроэнергии.

Литература

1. Солнечная электростанция, патент RU 95900 U1 H01L 31/042 от 10.07.2010.

2. Солнечная энергетическая установка, патент на изобретение RU 2476783 C1, F24J 2/42, F24J 2/10, от 27.02.2013.

3. Модуль солнечной электростанции, патент на изобретение RU 2437036 C1, F24J 2/42, F24J 2/54 от 20.12.2011.

4. Солнечная электростанция, патент на изобретение RU 2431787 C1, F24J 2/42, F24J 2/06 от 20.12.2011.

5. Конусная солнечная батарея, компании Nectar Design и V3 Spin Cell. Портал infuture.ru. компании Nectar Design, Гаджеты и технологии, http://24Gadget.Ru: http://24gadget.ru/rss.xm, http://tecvesti.ru/rss.xml; новости технологий RSS, а также канал сервера INFUTURE.RU http://www.http://infuture.ru.rss.php.

6. Автономный мобильный комплекс жизнеобеспечения, патент на полезную модель RU 74348, B60P 3/00 от 26.06.2008.

7. Мобильная солнечная электростанция, патент на изобретение SU 1670055, E04B 1/343, E04/02 от 15.08.1991

Мобильная автономная солнечная электростанция (МАСЭС) предназначена для снабжения электроэнергией боевых позиций и командных пунктов ракетно-артиллерийских подразделений, пограничных застав, блокпостов и других удаленных объектов полевого базирования различного назначения. МАСЭС относится к области возобновляемых источников энергии и, в частности, предназначена для получения электроэнергии от воздействия солнечной радиации на фотоэлектронные модули (ФЭМ). МАСЭС содержит: одноосный прицеп, на котором размещена квадратная в поперечном сечении световодная труба; четырехгранный оптически активный купол; криволинейный отражатель лучей солнечной радиации; вращающийся цилиндр, на образующей которого размещены ФЭМ, полуцилиндрическая сложная собирающая линза; вал цилиндра; подшипники вала цилиндра; микродвигатель; вентилятор; датчик температуры; блок аккумуляторных батарей (БАКБ); контроллер заряда-разряда (КЗР); инвертор. Положительный эффект достигается за счет сбора лучей солнечной радиации независимо от угла солнцестояния четырехгранным оптически активным куполом; дополнительной концентрации лучей криволинейным отражателем на поверхность четырехгранного оптически активного купола; транспортировки лучей солнечной радиации от четырехгранного оптически активного купола по квадратной световодной трубе на полуцилиндрическую сложную собирающую линзу; вращения цилиндра, на образующей поверхности которого размещены ФЭМ, воспринимающие периодическую концентрацию лучей солнечной радиации от полуцилиндрической сложной собирающей линзы. Технический результат: устойчивое получение электроэнергии от солнечной радиации без применения приборов слежения за солнцем, повышение надежности и эффективности выработки электроэнергии. 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Мобильная автономная солнечная электростанция (МАСЭС) содержит одноосный автомобильный прицеп, цельнометаллический кузов, входную и выходную воздушные трубы, оптически активный купол, включающий горизонтальную плоско-выпуклую линзу и круговую конусную плоско-выпуклую линзу, параболический круговой отражатель, образующая которого в поперечном сечении имеет вид параболы, четырехгранную световодную трубу с внутренней зеркальной поверхностью, рассеивающую линзу, сложную полуцилиндрическую линзу, которая имеет продольные двояковыпуклые собирающие линзы, встроенные вдоль сложной полуцилиндрической линзы на расстоянии, равном ширине продольных двояковыпуклых собирающих линз, полки для крепления сложной полуцилиндрической линзы, вращающийся цилиндр, на внешней поверхности которого расположены фотоэлектрические модули, датчик температуры фотоэлектрических модулей, вал вращающегося цилиндра, приводной электродвигатель постоянного тока с регулятором скорости вращения, устанавливаемый в положение min или в положение max, входное и выходное вентиляционные отверстия четырехгранной световодной трубы, вытяжной электрический вентилятор, размещенный в выходном вентиляционном отверстии четырехгранной световодной трубы.

2. Мобильная автономная солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что в передней и задней частях цельнометаллического кузова имеются входное и выходное вентиляционные отверстия.

3. Мобильная автономная солнечная электростанция по п.2, отличающаяся тем, что входное вентиляционное отверстие цельнометаллического кузова имеет воздушный фильтр.

4. Мобильная автономная солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что круговая конусная плоско-выпуклая линза состоит из сопряженных между собой секторных плоско-выпуклых линз.

5. Мобильная автономная солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что к основанию оптически активного купола снаружи крепится параболический круговой отражатель.

6. Мобильная автономная солнечная электростанция по п.1,. отличающаяся тем, что параболический круговой отражатель в нижней части имеет отверстия для слива дождевой воды.

7. Мобильная автономная солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что рассеивающая линза установлена в основании оптически активного купола.

8. Мобильная автономная солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что верхний квадратный обод служит для соединения оптически активного купола и параболического кругового отражателя с верхней частью четырехгранной световодной трубы.

9. Мобильная автономная солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что вал вращающегося цилиндра имеет подшипники качения.

10. Мобильная автономная солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что вал вращающегося цилиндра неподвижно соединен с валом приводного электродвигателя постоянного тока.

11. Мобильная автономная солнечная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что вентиляционные отверстия четырехгранной световодной трубы расположены на уровне нижнего края вращающийся цилиндра.

12. Мобильная автономная солнечная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что входная и выходная воздушные трубы соединены с входным и выходным отверстиями световодной трубы.

13. Мобильная автономная солнечная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что блок аккумуляторных батарей размещен в передней части цельнометаллического кузова, а контроллер заряда-разряда, блок аккумуляторных батарей, инвертор и пульт управления МАСЭС размещены в задней части цельнометаллического кузова.