СОЛНЕЧНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ Российский патент 2023 года по МПК H02S10/30 F24S90/00 

Изобретение относится к солнечной фотоэнергетике, к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, и может найти применение как в мощных солнечных электростанциях, так и в качестве фотоэлектрической энергоустановки индивидуального пользования.

Известна солнечно-энергетическая станция (см. WO 2018153233, МПК F24S 23/70; F24S 50/20; H02S 10/10, опубл. 30.08.2018), которая включает систему слежения за Солнцем башенного типа, зеркальные концентраторы и фотоэлектрический модуль. Система слежения за Солнцем включает опору, отражатель, неподвижно расположенный на опоре, модуль определения уровня солнечной иррадиации и контроллер, подключенный к системе слежения, к модулю определения солнечной освещенности и связанный с ним, и используемый для контроля работы системы слежения.

Недостатком известной солнечно-энергетической станции является низкая степень надежности и защищенности работы станции, так как регулировка работы солнечных батарей, системы слежения и других составных частей станции осуществляется единым контроллером.

Известна солнечно-энергетическая станция (см. WO 2012176168, МПК Н02М 3/156, H01L 31/042, H02J 3/38, опубл. 27.12.2012), включающая массив фотоэлектрических модулей, соединенных в цепочки и подключенных к центральному преобразователю. По меньшей мере, в одной из цепочек фотоэлектрические преобразователи в составе модуля снабжены системой автоматического управления для регулировки выходного напряжения и тока. Фотоэлектрические модули могут быть снабжены оптическими концентраторами.

Недостатком известной солнечно-энергетической станции является малая мощность, так как происходит преобразование только концентрированного излучения при использовании концентраторных модулей, либо неконцентрированного излучения с низкой эффективностью при использовании пленарных неконцентраторных модулей.

Известна солнечно-энергетическая станция (см. US9074915, МПК H02J 1/00, H01L 31/02, G01D 4/00, опубл. 07.07.2015), включающая фотоэлектрические модули, соединенные в последовательные сборки и образующие фотоэлектрический генератор, один или несколько конвертеров для DC/AC преобразования тока. Каждый фотоэлектрический модуль снабжен защитным байпасным диодом для увеличения надежности работы станции и подключен шиной данных к единому контроллеру для передачи данных работы модуля. Модули подключены к защитным устройствам и блокирующим диодам.

Известная солнечно-энергетическая станция не обеспечивает согласование токов последовательно соединенных фотоэлектрических модулей и независимое их отключение, что ведет к снижению вырабатываемой солнечно-энергетической станцией мощности.

Известна солнечно-энергетическая станция (см. RU 2612670, МПК H02S 10/30, H01L 31/042, опубл. 13.03.2017), включающая фотоэлектрические модули, концентраторы солнечного излучения, систему слежения и фотоприемники в фокальной области каждого концентратора, установленные в прозрачной для солнечного излучения оболочке. Прозрачная оболочка содержит гомогенизатор концентрированного солнечного излучения из набора плоских тонких пластин из оптически прозрачного материала. Размеры поперечного сечения гомогенизатора соизмеримы с размерами рабочей поверхности фотоприемника. Ширина каждой пластины равна расстоянию между токоотводами, а произведение толщины пластин на их количество определяет размер гомогенизатора вдоль плоскости р-n переходов диодных структур, а длина гомогенизатора в 2-10 раз больше размеров рабочей поверхности фотоприемника. Фотоприемники снабжены устройством для отвода тепла, выполненным в виде тонких пластин из теплопроводящего материала, присоединенных к токоподводам фотоприемников.

Недостатком известной солнечно-энергетической станции является низкая мощность при преобразовании только концентрированного солнечного излучения, а также низкая степень надежности и защищенности станции за счет отсутствия подключения фотоэлектрических модулей к индивидуальным системам автоматического управления.

Известна солнечно-энергетическая станция (см. JP2015090946, МПК H01L 31/042, опубл. 11.05.2015), включающая концентраторный фотоэлектрический модуль, неконцентраторный фотоэлектрический модуль, устройства регулирования напряжения для согласования выходного напряжения от концентраторного модуля и для согласования выходного напряжения от неконцентраторного модуля, блок накопления электрической энергии с устройством регулирования напряжения, несущую конструкцию, оснащенную системой слежения за Солнцем.

Недостатками известной солнечно-энергетической станции являются использование отдельных концентраторных и планарных модулей, что ведет к увеличению массо-габаритных параметров станции, усложнению конструкции и снижению удельной мощности станции в целом, а также дополнительные потери мощности из-за параллельного подключения планарных и концентраторных модулей.

Наиболее близкой к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является солнечно-энергетическая станция (см. RU2382953 МПК F24J 2/42, опубл. 27.02.2010), принятая за прототип. Станция-прототип содержит, по меньшей мере, один или более фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения, размещенных на несущей конструкции, оснащенной системой слежения за Солнцем, принимающие излучение концентраторные и пленарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи, блок накопления электрической энергии, распределительно-преобразовательное устройство, циркуляционные контуры теплопередачи для охлаждения фотоэлектрических преобразователей и получения тепла, единую систему преобразования энергии с автоматическим управлением. При этом концентраторы солнечного излучения являются зеркальными, концентраторные фотоэлектрические преобразователи расположены в фокусе зеркальных концентраторов, пленарные неконцентраторные фотоэлектрические преобразователи установлены в центральной зоне входной апертуры зеркальных концентраторов.

Недостатком известной солнечно-энергетической станции является низкая удельная мощность станции, обусловленная установкой планарных неконцентраторных фотоэлектрических преобразователей только над нерабочей центральной областью зеркальных концентраторов, а также отсутствие возможности преобразования рассеянного излучения, отраженного от земной поверхности (альбедо). Управление станцией осуществляется единой системой преобразования энергии с автоматическим управлением, что приводит к существенному снижению защищенности и надежности станции в целом, а также к снижению вырабатываемой мощности при затенении, деградации или выходе из строя одного или более фотоэлектрических модуля. При последовательном соединении фотоэлектрических модулей в составе солнечно-энергетической станции необходимо обеспечивать условие согласования отдельных модулей и фотоэлектрических преобразователей по параметрам вырабатываемого тока. Соответственно при затенении или деградации одного или более фотоэлектрических модулей или, составляющих их фотоэлектрических преобразователей, происходит полное или частичное отключение их из работы станции, что ведет к существенному снижению вырабатываемой мощности. Кроме того, ухудшение работы одного фотоэлектрического преобразователя или модуля влияет на величину вырабатываемой мощности станции в целом, ввиду условия согласования последовательно соединенных модулей по току. При выходе из строя или физическом разрушении одного или более модулей, или составных его частей возможен сбой в работе станции в целом, ее отключение, возникновение аварийной ситуации.

Задачей заявляемого технического решения является создание солнечно-энергетической станции, обладающей увеличенной удельной мощностью, повышенной защищенностью и надежностью системы в целом, и соответственно увеличенным сроком эксплуатации.

Поставленная задача достигается тем, что солнечно-энергетическая станция включает, по меньшей мере, один фотоэлектрический модуль с концентраторами солнечного излучения, размещенными на несущей конструкции, оснащенной системой слежения за Солнцем, принимающие излучение концентраторные и пленарный неконцентраторный фотоэлектрические преобразователи, блок накопления электрической энергии, распределительно-преобразовательное устройство, циркуляционные контуры теплопередачи для охлаждения фотоэлектрических преобразователей и получения тепла, систему преобразования энергии с автоматическим управлением. Новизной настоящего технического решения является то, что планарный неконцентраторный фотоэлектрический преобразователь обладает двусторонней фоточувствительностью, множество концентраторных фотоэлектрических преобразователей расположены на поверхности планарного неконцентраторного фотоэлектрического преобразователя в фокусе концентраторов солнечного излучения, выполненных на основе собирающих линз. При этом концентраторные и планарный неконцентраторный фотоэлектрические преобразователи независимо подключены к индивидуальным системам преобразования энергии с автоматическим управлением, преобразующими генерируемую энергию, с отслеживанием точки максимальной мощности, для выдачи потребителям по силовой цепи, подключенной к блоку накопления электрической энергии и распределительно-преобразовательному устройству, при этом все индивидуальные системы преобразования энергии с автоматическим управлением соединены по шине данных и подключены к устройству сбора и анализа параметров работы станции.

Выполнение планарного неконцентраторного фотоэлектрического преобразователя с двусторонней фоточувствительностью обеспечивает преобразование рассеянного излучения, отраженного от земной поверхности и других объектов (альбедо).

Выполнение фотоэлектрического модуля путем расположения множества концентраторных фотоэлектрических преобразователей на поверхности планарного неконцентраторного фотоэлектрического преобразователя в фокусе концентраторов солнечного излучения, выполненных на основе собирающих линз, обеспечивает эффективное использование всей фотоприемной площади станции. Концентрированное солнечное излучение преобразуется концентраторными фотоэлектрическими преобразователями, выполненными, например, на основе каскадных гетероструктур А3В5, с высокой эффективностью. Рассеянное солнечное излучение преобразуется пленарным неконцентраторным фотоэлектрическим преобразователем, расположенным под концентраторными преобразователями.

Независимое подключение планарного неконцентраторного фотоэлектрического преобразователя и множества концентраторных фотоэлектрических преобразователей в составе фотоэлектрического модуля и солнечно-энергетической станции в целом к индивидуальным системам преобразования энергии с автоматическим управлением обеспечивает увеличение вырабатываемой мощности, а также надежности и защищенности станции в целом, энерговыработку станции не ограничивает условие согласования цепочек фотоэлектрических преобразователей по вырабатываемому току. При затенении или деградации отдельного фотоэлектрического преобразователя или целиком цепочки фотоэлектрических преобразователей с индивидуальной системой преобразования энергии с автоматическим управлением не происходит их отключения от работы станции. При этом происходит снижение вырабатываемой мощности только отдельной цепочки. Однако остаточная вырабатываемая мощность при затенении может достигать 20-30%, и индивидуальная система с автоматическим управлением осуществляет распределение полученной электроэнергии либо в блок накопления электрической энергии, либо, при наличии подключенной нагрузки, на распределительно-преобразовательное устройство. Таким образом, не происходит потеря вырабатываемой мощности при затенении.

На фиг. 1-3 указаны: 1 - фотоэлектрический модуль, 2 - концентратор солнечного излучения, 3 - планарный фотоэлектрический преобразователь, 4 - концентраторный фотоэлектрический преобразователь, 5 - теплоотводящее основание, 6 - индивидуальная система преобразования энергии с автоматическим управлением, 7 - несущая конструкция, 8 - система слежения за Солнцем, 9 - блок накопления электрической энергии, 10 - распределительно-преобразовательное устройство, 11 - устройство согласования напряжения, 12 - циркуляционные контуры теплопередачи, 13 - цепочка концентраторных фотоэлектрических преобразователей, 14 - цепочка неконцентраторных фотоэлектрических преобразователе, 15 - силовая цепь, 16 - шина данных, 17 -устройство сбора и анализа параметров работы станции, 18 - термодатчик, 19 -цепь управления насосом, 20 - насос, 21 - цепь заряда блока накопления электрической энергии, 22 - нагрузка (потребитель).

Солнечно-энергетическая станция включает один или более фотоэлектрических модулей 1 с концентраторами 2 солнечного излучения, состоящими из множества собирающих линз, например, выполненных из линз Френеля (фиг. 1). Фотоэлектрический модуль 1 включает, по меньшей мере, один планарный неконцентраторный фотоэлектрический преобразователь 3 с двусторонней фоточувствительностью и множество концентраторных фотоэлектрических преобразователей 4, например, выполненных на основе каскадных АЗВ5 гетероструктур, смонтированных на теплоотводящие основания 5, например, из керамических пластин, и расположенных на поверхности планарного неконцентраторного фотоэлектрического преобразователя 3. Концентраторные фотоэлектрические преобразователи 4 в составе одного модуля 1 и, по меньшей мере, один планарный неконцентраторный фотоэлектрический преобразователь 3 независимо подключены к индивидуальным системам 6 преобразования энергии с автоматическим управлением (фиг. 2). Таким образом, солнечно-энергетическая станция включает, по меньшей мере, один или более фотоэлектрических модулей 1, размещенных на несущей конструкции 7, оснащенной системой 8 слежения за Солнцем (фиг. 3), например, на основе сбалансированных по току фотодатчиков, определяющих направление системы слежения. Индивидуальные системы 6 преобразования энергии с автоматическим управлением подключены к внешним устройствам: блоку 9 накопления электрической энергии и распределительно-преобразовательному устройству 10, через устройство 11 согласования напряжения. Непосредственно к фотоэлектрическим модулям 1 подключены циркуляционные контуры 12 теплопередачи для охлаждения фотоэлектрических преобразователей 3 и 4 и получения тепла. Индивидуальная система 6 преобразования энергии с автоматическим управлением является контроллером соответствующей единичной цепочки 13, 14, преобразующим генерируемую энергию, с отслеживанием точки максимальной мощности, для выдачи потребителям по силовой цепи 15. Силовая цепь 15 служит для передачи энергии от фотоэлектрических преобразователей 3, 4 к месту ее потребления (блоку 9 накопления электрической энергии, распределительно-преобразовательному устройству 10). Цепочки 13 концентраторных фотоэлектрических преобразователей 4 в составе одного модуля 1 и цепочки 14 планарного фотоэлектрического преобразователя 3 подключены независимо к индивидуальным системам 6 преобразования энергии с автоматическим управлением. Системы 6 соединены с блоком 9 накопления электрической энергии через силовую цепь 15 и шину 16 данных и, соответственно, устройство 11 согласования напряжения. Станция включает также устройство 17 сбора и анализа параметров работы станции, термодатчик 18 циркуляционных контуров 12 теплопередачи, цепь 19 управления насосом 20. Устройство 11 согласования напряжения преобразует вырабатываемое фотоэлектрическими модулями напряжение в напряжение, необходимое для блока 9 накопления энергии, по цепи 21 заряда блока 9 накопления энергии.

Солнечно-энергетическая станция работает следующим образом. Солнечное излучение собирается концентраторами 2, выполненными, например, на основе линз Френеля, и фокусируется на концентраторные фотоэлектрические преобразователи 4, выполненные, например, на основе каскадных гетероструктур А3В5. Планарный неконцентраторный фотоэлектрический преобразователь 3 с двусторонней фоточувствительностью преобразует рассеянное атмосферой (диффузное) солнечное излучение, падающее на его фронтальную поверхность, а также рассеянное при отражении от земной поверхности или других объектов излучение (альбедо), падающее на его тыльную поверхность. В зависимости от мощности солнечно-энергетической станции количество фотоэлектрических модулей 1 может варьироваться, также как и количество планарных фотоэлектрических преобразователей 3 и концентраторных фотоэлектрических преобразователей 4 в модуле 1. Ввиду автономности работы отдельных цепочек 13, 14 соответственно фотоэлектрических преобразователей 4, 3 нет необходимости соблюдать условия согласования их по току и напряжению. Соединение цепочек 13, 14 фотоэлектрических преобразователей 4, 3 выполнено через системы 6 преобразования энергии с автоматическим управлением по шинам 16 данных для автоматического согласования вырабатываемого каждой цепочкой 13, 14 тока и напряжения. Также шины 16 данных используют для передачи данных о текущей энерговыработке и состоянии фотоэлектрических модулей 1 на устройство 17 сбора и анализа параметров работы станции, которое выполняет контроль работы фотоэлектрических модулей 1; фиксирует показатели датчиков системы 8 слежения за Солнцем и осуществляет управление работой системы 8 слежения за Солнцем; измеряет температуру циркуляционных контуров 12 с помощью термодатчика 18, и осуществляет контроль их работы через цепь 19 управления насосом 20, которая регулирует отвод тепла от фотоэлектрических преобразователей 3, 4 и выполняет распределение теплопотребления. Устройство 11 согласования напряжения преобразует напряжение силовой цепи в напряжение, необходимое для блока 9 накопления энергии, по цепи 21 заряда блока 9 накопления энергии. Накопление вырабатываемой фотоэлектрическими модулями энергии в данных блоках осуществляется при отсутствии подключенной нагрузки 22. При этом при подключении внешней нагрузки 22 системы 6 преобразования энергии с автоматическим управлением выполняют перераспределение вырабатываемой энергии либо непосредственно с фотоэлектрического модуля 1, либо из блока 9 накопления энергии на распределительно-преобразовательное устройство 10.

Результатом технического решения стало создание солнечно-энергетической станции повышенной удельной мощности, обладающей большей защищенностью и надежностью, с увеличенным сроком эксплуатации.

Изобретение относится к солнечной фотоэнергетике, к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, и может найти применение как в мощных солнечных электростанциях, так и в качестве фотоэлектрической энергоустановки индивидуального пользования. Солнечно-энергетическая станция включает фотоэлектрический модуль 1 с концентраторами солнечного излучения и с принимающими излучение пленарным фотоэлектрическим преобразователем с двусторонней фоточувствительностью и множеством концентраторных фотоэлектрических преобразователей, размещенные на несущей конструкции 7, оснащенной системой 8 слежения за Солнцем. При этом пленарные и концентраторные фотоэлектрические преобразователи независимо подключены к индивидуальным системам преобразования энергии с автоматическим управлением, подключенной к блоку накопления электрической энергии, распределительно-преобразовательному устройству и к устройству сбора и анализа параметров работы станции. Результатом технического решения стало создание солнечно-энергетической станции повышенной удельной мощности, обладающей большей защищенностью и надежностью, с увеличенным сроком эксплуатации. 3 ил.

Солнечно-энергетическая станция, включающая, по меньшей мере, один фотоэлектрический модуль с концентраторами солнечного излучения, размещенными на несущей конструкции, оснащенной системой слежения за Солнцем, принимающие излучение концентраторные и пленарный неконцентраторный фотоэлектрические преобразователи, блок накопления электрической энергии, распределительно-преобразовательное устройство, циркуляционные контуры теплопередачи для охлаждения фотоэлектрических преобразователей и получения тепла, систему преобразования энергии с автоматическим управлением, отличающаяся тем, что пленарный неконцентраторный фотоэлектрический преобразователь выполнен с двусторонней фоточувствительностью, множество концентраторных фотоэлектрических преобразователей расположены на поверхности планарного неконцентраторного фотоэлектрического преобразователя в фокусе концентраторов солнечного излучения, выполненных на основе собирающих линз, при этом концентраторные и пленарный неконцентраторный фотоэлектрические преобразователи независимо подключены к индивидуальным системам преобразования энергии с автоматическим управлением, преобразующими генерируемую энергию, с отслеживанием точки максимальной мощности, для выдачи потребителям по силовой цепи, подключенной к блоку накопления электрической энергии и распределительно-преобразовательному устройству, при этом все индивидуальные системы преобразования энергии с автоматическим управлением соединены по шине данных и подключены к устройству сбора и анализа параметров работы станции.