СОЛНЕЧНАЯ КОНЦЕНТРАТОРНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2023 года по МПК H01L31/41 

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности, к солнечным энергетическим системам, предназначенным для выработки электроэнергии в околоземном космическом пространстве. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения является одним из наиболее эффективных методов получения электрической энергии от Солнца в космическом пространстве при использовании высокоэффективных каскадных солнечных элементов при условии их размещения на космических аппаратах, имеющих системы ориентации солнечной батареи на Солнце.

Известна концентраторная солнечная батарея (см. US 20110017875, МПК B64G 1/44, HOIL 31/042, опубл. 27.01.2011), содержащая несущую конструкцию космического аппарата, на которой закреплена панель концентраторных фотоэлектрических элементов, включающая в себя множество отражателей Френеля, направляющих свет на панель фотоэлектрических элементов, термически подключенных к центральной несущей конструкции через радиатор тепловой трубы. Тепловая труба обеспечивает передачу тепла от панели фотоэлектрических элементов и рассеяние его на радиаторе тепловой трубы и элементах несущей конструкция.

Известное фотоэлектрическое устройство имеет низкий удельный энергосъем из-за отсутствия системы слежения за Солнцем панели фотоэлектрических элементов.

Известна солнечная фотоэлектрическая установка (см. RU 2286517 МПК 7 F24J 2/42, опубл. 27.10.2006), включающая солнечную батарею, набранную из концентраторных фотоэлектрических модулей с прямоугольными корпусами, содержащих фотоэлектрические преобразователи, находящиеся в фокусах линз Френеля, размещенную на механической системе ориентации на Солнце, содержащей приводы зенитального и азимутального вращения, снабженные шаговыми мотор-редукторами, систему слежения, оснащенную датчиками положения Солнца. Механическая система включает две рамы - базовую, вращающуюся вокруг вертикальной оси и подвешенную, с закрепленными концентраторными фотоэлектрическими модулями, обеспечивающую поворот вокруг горизонтальной оси.

Известная солнечная фотоэлектрическая установка имеет недостаточную общую энергоэффективность вследствие большой площади нефотоактивной области фотоэлектрической установки, недостаточно эффективную систему отвода тепла и значительный объем батареи, что обеспечивает эффективную работу концентраторных фотоэлектрических модулей только в наземных условиях.

Известен теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения (см. RU 2554674, МПК H01L 31/054, опубл. 27.06.2015), включающий асимметричный параболоцилиндрический концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейчатый фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль оси. Линейчатый ФЭП снабжен устройством протока теплоносителя. Форма отражающей поверхности концентратора X(Y) определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности ФЭП, выполненного в виде линейки из коммутированных ФЭП и расположенного под углом к миделю концентратора.

Изобретение обеспечивает работу теплофотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерное освещение ФЭП, получение на одном ФЭП технически приемлемого напряжения, нагрев проточного теплоносителя и повышение КПД преобразования. Недостатками известного теплофотоэлектрического модуля являются необходимость организации теплоотвода путем циркуляции теплоносителя, а также малая компактность модуля при отсутствии конструкции складывания модуля для его транспортировки, что ведет к увеличению массово-габаритных параметров модуля при его базировании на космическом летательном аппарате.

Известна концентраторная солнечная энергетическая установка (см. RU 2740437, МПК H01L 31/02, опубл. 14.01.2021), включающая ряд концентраторных фотоэлектрических модулей с корпусами прямоугольной или квадратной формы с отбортовками для прикрепления силиконом-герметиком панелей из линз Френеля и с ФЭП, размещенными в фокусах линз Френеля. При этом концентраторная солнечная энергетическая установка установлена на механической системе ориентации на Солнце, содержащей приводы зенитального и азимутального вращения и систему слежения, оснащенную датчиками положения Солнца. Концентраторные фотоэлектрические модули сопряжены внахлест отбортовками по высоте в шахматном порядке. При этом в крайнем ряду концентраторных фотоэлектрических модулей и в рядах концентраторных фотоэлектрических модулей, параллельных крайнему ряду, отбортовки соседних вдоль ряда концентраторных фотоэлектрических модулей сопряжены внахлест вплотную. В рядах концентраторных модулей, перпендикулярных этому крайнему ряду, отбортовки соседних вдоль ряда концентраторных фотоэлектрических модулей отстоят по высоте друг от друга на расстоянии, по меньшей мере, равном суммарной толщине отбортовки, силикона-герметика и панели из линз Френеля.

Недостатком известной концентраторной солнечной энергетической установки является недостаточная компактность установки, следствием чего усложняется и удорожается ее транспортировка в космос, что не позволяет использовать солнечную энергетическую установку на космическом аппарате.

Известен складной теплофотоэлектрический концентраторный модуль (см. RU 193323, МПК H02S 10/40, H02S 30/20, F24H 1/06, H02S 40/44, опубл. 24.10.2019), содержащий концентратор параболоцилиндрического типа, двусторонние ФЭП, расположенные в фотоприемнике, и теплоноситель. Концентратор выполнен складным, оснащен цилиндрическими шарнирами для складывания и стойками с отверстиями для ФЭП. Модуль в сложенном состоянии обладает функцией защиты двусторонних ФЭП, а его профиль обеспечивает освещенность одной или одновременно двух приемных поверхностей ФЭП с возможностью ее регулирования. Фотоприемник может располагаться как один, так и совместно со вторым фотоприемником. Корпус фотоприемника выполнен металлическим, имеет комбинированные полости для различных функций, обеспечивающий своей структурой полости для теплоносителя с входом и выходом, с возможностью непосредственного теплосъема и теплоизоляции теплоносителя. Двусторонние ФЭП имеют p-n-переходы, параллельные потоку концентрированного солнечного излучения. Теплоизоляция теплоносителя и двусторонних ФЭП выполнена с обеих сторон, теплоноситель омывает непосредственно загерметизированные двусторонние ФЭП, защитные функции которых обеспечивают прозрачные закаленные стекла.

Известный концентраторный модуль имеет недостаточную жесткость конструкции концентратора, наличие стыка между складными элементами концентратора приводит к возрастанию оптических потерь при концентрировании солнечного излучения на фотоприемник. Так же выбранное размещение ФЭП ведет к смещению фокуса концентратора вниз, к снижению равномерности углового распределения и к увеличению коэффициента отражения солнечного излучения.

Известна концентраторная солнечная батарея (см. US 9322963 МПК G02B 5/10, H01L 31/054, H02S 20/00, F24J 2/14, F24J 2/52, F24J 2/54, опубл. 26.04.2016), Известная концентраторная солнечная батарея включает основание, оснащенное вращательным элементом, параболоцилиндрические концентраторы с зеркальной передней поверхностью отражения, установленные на основании, цилиндрические направляющие которых параллельны основанию и друг другу, линейные цепочки ФЭП, установленные на верхней кромке тыльной стороны каждого последующего концентратора в фокальной линии каждого предыдущего концентратора. При этом сечение каждого параболоцилиндрического концентратора, перпендикулярное цилиндрическим направляющим, является половиной параболы. Тыльная поверхность первого концентратора и тыльная поверхность второго концентратора обращены к вращательному элементу, а фронтальные поверхности первого и второго концентраторов обращены в разные стороны, так что центр равновесия находится на вращательном элементе.

Недостатком концентраторной солнечной батареи являются повышенные массово-габаритные параметры солнечной батареи за счет расположения вращательного элемента на светоприемной области батареи, кроме того отсутствие складной конструкции затрудняет и удорожает доставку батареи в космос и размещение батареи на космическом летательном аппарате.

Известна солнечная концентраторная батарея (см. US 6111190, МПК H01L 31/045, H01L 31/052, B64G 1/44, F24J 2/36, B64G 1/50, опубл. 29.08.2000) на основе надувных концентраторных модулей с линзами Френеля. Модуль для известной батареи состоит из гибкой линзы Френеля, гибких сторон и задней поверхности, совместно охватывающих объем полости, которая может быть заполнена газом низкого давления для развертывания концентраторной батареи на орбите. Задняя поверхность поддерживает приемник/преобразователь энергии, расположенный в фокальной области линзы Френеля. Кроме того, задняя поверхность может служить излучателем отработанного тепла. Перед развертыванием спущенную гибкую линзу и боковины складывают на задней поверхности с образованием плоской малообъемной упаковки для эффективного запуска в космос. Фотоэлектрические концентраторные модули с использованием надувной линзы легче по сравнению с другими модулями.

Существенным недостатком известной надувной концентраторной батареи является низкий КПД вследствие низкого оптического качества линзы Френеля и низкого оптического КПД надувной линзы.

Известна солнечная концентраторная батарея (см. US 6075200, МПК H01L 31/052, H01L 31/0232, B64G 1/22, F24J 2/08, B64G 1/44, опубл. 13.06.2000), совпадающая с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Солнечная концентраторная батарея включает складной корпус с устройством его развертывания, в складном корпусе размещены панель линз Френеля и параллельная ей фотогенерирующая панель с солнечными элементами, расположенными в фокусах линз Френеля на фронтальной поверхности фотогенерирующей панели, тыльная сторона которой закреплена на системе ориентации на Солнце. Панель линз Френеля выполнена гибкой и прикреплена к концевым опорам корпуса, при этом концевые опоры растягивают панель линз Френеля для сохранения ее правильного положения и формы в космосе. Корпус включает в себя средства для развертывания панель линз Френеля в космосе. Перед развертыванием гибкая панель линз Френеля и концевые опоры корпуса складываются в плоскую малогабаритную упаковку при запуске в космос.

Недостатком известной солнечной концентраторной батареи-прототипа являются низкий КПД и недостаточная жесткость складной конструкции, приводящая к расфокусировке линз Френеля.

Задачей настоящего технического решения являлась разработка солнечной концентраторной батареи, которая бы имела увеличенный КПД и повышенную жесткость конструкции батареи.

Поставленная задача решается тем, что солнечная концентраторная батарея включает складной корпус с устройством его развертывания, размещенные в складном корпусе панель линз Френеля и параллельная ей фотогенерирующая панель с солнечными элементами, расположенными в фокусах линз Френеля на фронтальной поверхности фотогенерирующей панели, тыльная сторона которой закреплена на системе ориентации на Солнце.

Новым в солнечной концентраторной батарее является то, что складной корпус содержит две соосные линейные винтовые передачи, винты которой с гайками выполнены соответственно с левой и правой резьбой, а ось винтов расположена параллельно плоскостям панелей, между винтами установлен электродвигатель с осью вала, являющейся продолжением оси винтов и выполненный с возможностью разнонаправленного вращения винтов, к каждой гайке посредством цилиндрических шарниров прикреплены концы двух стоек одинаковой длины, противоположные концы которых присоединены посредством цилиндрических шарниров соответственно к панели линз Френеля и к фотогенерирующей панели, оси цилиндрических шарниров установлены параллельными друг другу и плоскостям панелей и перпендикулярными оси винтов, на концах винтов, противолежащих электродвигателю, закреплены ограничители крайнего положения гаек, соответствующего полному раскрытию батареи, снабженные концевыми выключателями электропитания электродвигателя, при этом к противолежащим торцам электродвигателя прикреплены две соосные рейки, параллельные оси винтов, пропущенные через отверстия в гайках и доходящие до ограничителей крайнего положения гаек.

Солнечные элементы фотогенерирующей панели могут быть выполнены в виде каскадных солнечных элементов.

Стойки и рейки могут быть выполнены в виде трубок.

Диаметр отверстий в гайках может превышать диаметр трубок не более, чем на 0,1 мм).

Настоящая солнечная концентраторная батарея обеспечивает высокую эффективность и существенное (более чем в 5 раз) уменьшение габаритных размеров батареи в сложенном (транспортном) состоянии, что, в свою очередь, существенно уменьшает стоимость доставки батареи в космос.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 показан вид сбоку на солнечную концентраторную батарею в полураскрытом состоянии;

на фиг. 2 приведен вид сбоку на солнечную концентраторную батарею в упакованном транспортном состоянии;

на фиг. 3 изображен вид сбоку на солнечную концентраторную батарею в раскрытом активированном состоянии;

на фиг. 4 показан вид сверху на фрагмент солнечной концентраторной батареи с 4-мя линзами Френеля).

Солнечная концентраторная батарея (фиг. 1 - фиг. 4) включает панель 1 линз Френеля, параллельную ей фотогенерирующую панель 2 с каскадными солнечными элементами 3,4, расположенными в фокусах линз Френеля на фронтальной поверхности фотогенерирующей панели 2, тыльная сторона которой закреплена на системе ориентации на Солнце (на чертеже не показана), и конструкцию корпуса 5 батареи, соединяющую панели 1, 2, Конструкция корпуса 5 батареи содержит две соосные линейные винтовые передачи с общей осью 6 винтов 7, 8, установленных параллельно плоскостям панелей 1, 2 на одинаковом расстоянии от панелей 1, 2, Между винтами 7, 8 установлен электродвигатель 9 с осью 10 вала 11, являющейся продолжением оси 6 винтов 7, 8, выполненный с возможностью вращения винтов 7, 8, один из которых выполнен с правой резьбой, а другой с левой резьбой. Две гайки 12, 13, установленные по одной на винтах 7, 8 с двух сторон от электродвигателя 9, выполненные с возможностью движения от электродвигателя при вращении вала 11 электродвигателя 9 и двух винтов 7, 8, на каждой гайке 12 и 13 через цилиндрические шарниры 14, 15, 16, 17 установлены по две стойки 18, 19, 20, 21, выполненные, например, в виде трубок одинаковой длины h, предпочтительно равной h=(F-R)/2, где F - фокусное расстояние линзы Френеля, R - расстояние между концами стоек 18, 19, 20, 21 на каждой гайке 12 и 13 в раскрытой батарее, W - длина вала двигателя. Противоположные концы стоек 18, 19, 20,21 соединены через другие цилиндрические шарниры 22, 23, 24, 25 с линзовой и фотогенерирующей панелями 1, 2, при этом оси всех шарниров установлены параллельными друг другу и плоскостям панелей 1, 2 и перпендикулярными осям винтов 7, 8. Расстояние Η между местами соединения стоек 18, 19, 20, 21 на линзовой и фотогенерирующей панелях 1, 2 установлены одинаковыми и, предпочтительно, равными H=2h+W, где W - длина вала 11 электродвигателя 9. Выполнение условия H=2h+W обеспечивает максимально плотную упаковку батареи в транспортном состоянии, что, в свою очередь, обеспечивает минимальный размер складного корпуса батареи при заданных габаритах батареи в раскрытом состоянии в космосе. Винты 7,8 с каждой стороны от электродвигателя 9 выполнены одинаковой длины равной длине h стоек 18, 19, 20, 21. На торцах винтов 7, 8, противоположных электродвигателю 9, установлены ограничители 26,27 крайнего положения гаек 12 и 13, соответствующего полному раскрытию батареи, при этом ограничители 26, 27 снабжены концевыми выключателями 28, 29 электрического питания электродвигателя 9. К электродвигателю 9 с каждой его торцевой стороны жестко прикреплены две рейки 30, 31 длиной, равной длине винтов 7, 8, выполненные, например, в виде соосных трубок с осью, установленной параллельной оси 6 винтов 7, 8, и проходящими сквозь отверстия в гайках 12 и 13 с диаметром отверстий, превышающим диаметр реек 30, 31 не более чем на 0,1 мм. Назначением реек 30,31 и кинематической пары «рейка-гайка» является фиксация положения корпуса электродвигателя 9 относительно основания солнечной батареи, т.е. противодействие крутящему моменту, приложенному к корпусу работающего двигателя.

Солнечная концентраторная батарея работает следующим образом. В упакованном транспортном состоянии (фиг. 2) гайки 12 и 13 на винтах 7 и 8 установлены прилегающими к электродвигателю 9. Стойки 18, 19, 20, 21 установлены прилегающими к винтам 7 и 8 (фиг. 2). Панель 1 линз Френеля и фотогенерирующая панель 2 установлены прилегающими к стойкам 18, 19, 20, 21. В таком положении объем, занимаемый батареей на транспортном корабле, приблизительно в 5 раз меньше объема батареи после ее раскрытия в космосе. В упакованном транспортном состоянии (фиг. 2) перед запуском в космос батарею крепят основанием фотоенерирующей панели 2 к системе ориентации на Солнце. После выхода космического аппарата в космос и снятия защитного кожуха осуществляется ориентация батареи на Солнце, после чего включается электродвигатель 9, что сопровождается началом вращения винтов 7 и 8, и поступательного движения гаек 12 и 13 вдоль винтов 7 и 8 в противоположных направлениях от электродвигателя 9. При вращении вала электродвигателя 9 и винтов 7 и 8 по часовой стрелке (при положении наблюдателя справа) правая гайка 13 с правой резьбой движется от электродвигателя 9 вправо (фиг. 1, 2), а левая гайка 12 с левой резьбой движется влево от электродвигателя 9. При этом гайки 12 и 13 движутся вдоль реек 30, 31 (фиг. 1), проходящих сквозь отверстия в гайках 12 и 13 с диаметром отверстий, превышающим диаметр реек не более, чем на 0,1 мм, что обеспечивает строго параллельное движение гаек 12 и 13 с возможностью использования смазки трущихся поверхностей. Функцией кинематической пары «рейка-гайка» является фиксация положения электродвигателя 9 относительно основания солнечной батареи, т.е. противодействия крутящему моменту, приложенному к корпусу работающего электродвигателя 9, обеспечивающего вращение винтов 7 и 8 и поступательного движения гаек 12 и 13. Такое движение гаек 12 и 13 обеспечивает движение стоек 14, 15, 16, 17 (фиг. 1-фиг. 2), что приводит к движению панелей 1, 2 солнечной батареи в направлениях, перпендикулярных плоскостям панелей 1, 2: панель 1 линз Френеля поднимается вверх, а электрогенерирующая панель 2 опускается вниз (фиг. 1-фиг. 2). Такое движение панелей 1, происходит до момента соприкосновения гаек 12, 13 (фиг. 3) с концевыми выключателями 28, 29 (фиг. 3), приводящему к выключению электродвигателя 9 и полному раскрытию батареи, при котором стойки 18, 19, 20, 21 могут быть приведены в положение, перпендикулярное плоскостям панелей 1, 2 (фиг. 3), а солнечные элементы 3, 4 располагаются в фокусах линз Френеля (фиг. 3).

Пример. Была изготовлена солнечная концентраторная батарея с габаритными размерами: площадь 210 мм × 210 мм, толщина в раскрытом (активном) состоянии - 180 мм. Батарея включала 4 линзы Френеля с размерами 100 мм × 100 мм каждая. Параллельно ей была установлена фотогенерирующая панель с размером 210 мм × 210 мм с каскадными солнечными элементами, расположенными в фокусах линз Френеля на расстоянии 174 мм. Корпус батареи содержал две соосные линейные винтовые передачи с винтами диаметром 10 мм и длиной 80 мм, установленными параллельно плоскостям панелей на одинаковом расстоянии равном 82 мм от панелей. Между винтами был установлен электродвигатель с осью вала двигателя, являющейся продолжением оси винтов, один из которых выполнен с правой резьбой, а другой с левой резьбой. На каждой гайке через цилиндрические шарниры были установлены по две стойки, выполненные в виде трубок диаметром 5 мм, одинаковой длины 80 мм. Противоположные концы стоек соединены через другие цилиндрические шарниры с линзовой и фотогенерирующей панелями. Расстояния между местами соединения стоек на линзовой и фотогенерирующей панелях были установлены равными 190 мм. На торцах винтов, противоположных двигателю, были установлены ограничители крайнего положения гаек. Ограничители были снабжены концевыми выключателями электропитания электродвигателя. К двигателю с каждой его торцевой стороны жестко прикреплены две рейки длиной 80 мм и диаметром 4 мм, выполненные в виде соосных трубок с осями, установленными параллельными оси винтов и проходящими сквозь отверстия в гайках с диаметром отверстий 4,1 мм. В упакованном транспортном состоянии толщина батареи составляла 26 мм, что приблизительно в 7 раз меньше толщины батареи в активном состоянии, что пропорционально снижает затраты на доставку батареи в космос.

Солнечная концентраторная батарея включает панель (1) линз Френеля, фотогенерирующую панель(2) с каскадными солнечными элементами (3, 4), две соосные линейные винтовые передачи с осью винтов (7, 8), установленной параллельно плоскостям панелей (1, 2), электродвигатель (9) с осью вала двигателя, являющейся продолжением осей винтов (7, 8), один из которых выполнен с правой резьбой, а другой с левой резьбой так, что две гайки (12, 13), установленные по одной на винтах (7, 8), имеют возможность движения от электродвигателя (9). На каждой гайке (12, 13) через цилиндрические шарниры установлены по две стойки (18, 19, 20, 21), противоположные концы которых соединены через цилиндрические шарниры с линзовой и фотогенерирующей панелями (1, 2). Солнечная концентраторная батарея имеет увеличенный КПД и повышенную жесткость конструкции батареи. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

1. Солнечная концентраторная батарея, включающая складной корпус с устройством его развертывания, размещенные в складном корпусе панель линз Френеля и параллельная ей фотогенерирующая панель с солнечными элементами, расположенными в фокусах линз Френеля на фронтальной поверхности фотогенерирующей панели, тыльная сторона которой закреплена на системе ориентации на Солнце, отличающаяся тем, что складной корпус содержит две соосные линейные винтовые передачи, винты которых с гайками выполнены соответственно с левой и правой резьбой, а ось винтов расположена параллельно плоскости панели линз Френеля, между винтами установлен электродвигатель с осью вала, являющейся продолжением оси винтов и выполненный с возможностью разнонаправленного вращения винтов, к каждой гайке посредством цилиндрических шарниров прикреплены концы двух стоек одинаковой длины, противоположные концы которых присоединены посредством цилиндрических шарниров соответственно к панели линз Френеля и фотогенерирующей панели, оси цилиндрических шарниров установлены параллельными друг другу и плоскостям панелей и перпендикулярными оси винтов, на концах винтов, противолежащих электродвигателю, закреплены ограничители крайнего положения гаек, соответствующего полному раскрытию батареи, снабженные концевыми выключателями электропитания электродвигателя, при этом к противолежащим торцам электродвигателя прикреплены две соосные рейки, параллельные оси винтов, пропущенные через отверстия в гайках и доходящие до ограничителей крайнего положения гаек.

2. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что солнечные элементы фотогенерирующей панели выполнены в виде каскадных солнечных элементов.

3. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что стойки и рейки выполнены в виде трубок.

4. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр отверстий в гайках превышает диаметр трубок не более, чем на 0,1 мм.