Автономная мобильная фотоэлектростанция Российский патент 2023 года по МПК H01L31/42 H02S10/40 H02S20/32 

Изобретение автономная мобильная фотоэлектростанция относится к гелиотехнике, в частности к источникам энергии, основанным на принципе преобразования солнечного излучения в электрический ток с помощью фотоэлектрических батарей, и может быть использовано для генерации электроэнергии на удаленных территориях, не имеющих доступа к централизованному электроснабжению.

Известна система позиционирования и слежения за Солнцем концентраторной фотоэнергоустановки (см. патент RU 2579169 C1, G01S 17/66, F24J 2/42, G05D 3/12 от 10.12.2014). Установка содержит платформу с концентраторными каскадными модулями, подсистему азимутального вращения, подсистему зенитального вращения, силовой блок, блок управления положением платформы с блоком памяти, содержащий микроконтроллер, оптический солнечный датчик, фотоприемники которого выполнены в виде каскадных фотопреобразователей, датчик оборотов первого электродвигателя, датчик оборотов второго электродвигателя. Система обеспечивает сопровождение солнечного диска с необходимой точностью независимо от погодных условий и сводит к минимуму собственное потребление энергии за счет исключения срабатывания оптического солнечного датчика при его засветке от светлых пятен в облаках.

Недостатком известной системы позиционирования и слежения за Солнцем концентраторной фотоэнергоустановки является отсутствие мобильности, ввиду устройства системы слежения за движением Солнца, которая требует неподвижности основания конструкции, и невозможности свертывания массива фотоэлектрических батарей, которые будут создавать дополнительное воздушное сопротивление при перемещении на большие расстояния.

Известна портативная система развертывания фотоэлектрических батарей (см. патент US 9046281 B2, H01M 10/44, F24J 2/52 от 02.06.2015). Установка содержит основную раму и массив фотоэлектрических батарей, который соединен с основной рамой, каркас монтажа фотоэлектрических батарей, механизм подъема массива батарей, соединенный с основной рамой, механизм свертывания и развертывания массива фотоэлектрических батарей. Положительный эффект достигается с помощью системы свертывания и развертывания массива фотоэлектрических батарей, которая позволяет компактно размещать массив батарей при пассивной работе и удобно транспортировать установку, а при активной работе значительно увеличить генерацию электроэнергии путем развертывания массива.

Недостатком портативной системы развертывания фотоэлектрических батарей является отсутствие корпуса для защиты массива батарей от механических деформаций при транспортировке. Еще одним недостатком системы является отсутствие системы слежения за движением Солнца, из-за чего значительно снижена эффективность генерации электроэнергии.

Известна мобильная автономная солнечная электростанция (см. патент RU 2544896 C1, H02S 20/10, H02S 10/00 от 22.10.2013). Установка 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 фотоэлектрические батареи, полуцилиндрическая сложная собирающая линза, вал цилиндра, подшипники вала цилиндра, микродвигатель, вентилятор, датчик температуры, блок аккумуляторных батарей, контроллер заряда аккумуляторных батарей, 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 фотоэлектрические батареи, воспринимающие периодическую концентрацию лучей солнечной радиации от полуцилиндрической сложной собирающей линзы. Данная мобильная солнечная электростанция принята за прототип.

Недостатком известной мобильной автономной солнечной электростанции является сложная конструкция зеркальных отражателей и оптических концентраторов, которые подвержены механическим деформациям при транспортировке и при их выходе из строя полностью снижают положительный эффект от данной системы.

В основу настоящего изобретения поставлена задача повышения КПД фотоэлектрических батарей путем применения систем слежения за движением Солнца и гибких зеркальных концентраторов, которые будут находиться в компактном защищенном мобильном корпусе.

Техническим результатом является увеличение генерации электроэнергии с помощью системы позиционирования фотоэлектрических батарей под прямым углом к солнечному излучению для обеспечения номинальных условий работы и системы зеркальных концентраторов для дополнительной интенсификации фотоэлементов батарей солнечным излучением, и обеспечение механической прочности и мобильности изобретения с помощью особой конструкции корпуса.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

На фиг. 1 представлен общий вид и расположение элементов автономной мобильной фотоэлектростанции.

На фиг. 2 представлено сечение А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 представлен общий вид и расположение элементов управления системой и преобразования энергией

На фиг. 4 представлено сечение Б-Б на фиг 3.

На фиг. 5 схематически изображена конструкция стенок корпуса.

На фиг. 6 представлен общий вид автономной мобильной фотоэлектростанции в активной фазе работы на двухосном прицепе сбоку.

На фиг. 7 представлен общий вид автономной мобильной фотоэлектростанции в активной фазе работы на двухосном прицепе спереди.

На фиг. 8 представлен общий вид корпуса автономной мобильной фотоэлектростанции со сложенным массивом батарей сбоку.

На фиг. 9 представлен общий вид корпуса автономной мобильной фотоэлектростанции со сложенным массивом батарей спереди.

Основными элементами электростанции являются: климатический шкаф 1, аккумуляторные батареи 2, серводвигатель 3, зубчато-винтовая передача 4, подшипник упорный 5, зеркальные концентраторы 6, фотоэлектрические батареи 7, электромеханическая телескопическая колонна 8, линейные приводы зеркальных концентраторов 9, хомут 10, линейные приводы подъема фотоэлектрических батарей 11, упорная балка 12, контроллер заряда батарей 13, блок микроконтроллеров 14, электроподогреватель 15, инвертор 16, опорная конструкция 17, крепление конструкции 18, каркасная решетка 19, линейный привод для регулирования угла наклона массива фотоэлектрических батарей 20, опорная треножная конструкция 21, вентиляция активная 22, дверь отсека управления 23, двустворчатые двери отсека фотоэлектрических батарей 24, дверь отсека аккумуляторных батарей 25, розеточный блок 26, фоторезистивные элементы 27, стальной каркас 28, алюминиевая пластина 29, утеплитель 30.

Фотоэлектрические батареи 7 (фиг. 1, 2) генерируют постоянный электрический ток, который заряжает аккумуляторные батареи 2 (фиг. 1) через контроллер заряда 13 (фиг. 3). Инвертор 16 (фиг. 3) трансформирует ток аккумуляторных батарей и транслирует его в сеть к потребителю через розеточный блок 26 (фиг. 9) на корпусе устройства.

Все элементы электростанции смонтированы во влагозащищенном и утепленном корпусе. Основой корпуса электростанции является стальной каркас 28 (фиг. 5). Стенки конструкции выполнены из алюминиевых пластин 29. Внутри каждой стенки проложен утеплитель на основе экструдированного полистирола 30. Корпус разделен на три отсека: отсек блока управления, отсек фотоэлектрических батарей, отсек аккумуляторных батарей. Доступ к каждом отсеку осуществляется с помощью одностворчатых 23, 25 и двухстворчатых 24 дверей (фиг. 8, 9).

Транспортировка солнечной электростанции осуществляется на двухосном автомобильном прицепе для устойчивости конструкции.

В изобретении применяется двухосевая система слежения за движением Солнца в зенитальном и азимутальном направлении и ориентации фотоэлектрических элементов под прямым углом относительно солнечного излучения, и система зеркальных гибких концентраторов, позволяющих интенсифицировать солнечное излучение на фотоэлементах.

Функционирование систем слежения осуществляется тремя линейным приводами 11 и 20 (фиг. 2, 6) - устройствами, предназначенными для поступательного линейного перемещения исполнительных органов рабочих систем, одним серводвигателем и одной телескопической колонной с электрическим приводом. Электромеханическая телескопическая колонна 8 (фиг. 2, 6) отвечает за подъем и опускание фотоэлектрических батарей в момент начала и окончания работы мобильной фотоэлектростанции.

Линейные приводы 11 служат для развертывания и установления массива фотоэлектрических батарей в одной плоскости. Линейный привод 20 (фиг. 3, 6) предназначается для ориентации массива фотоэлектрических батарей 7 в зенитальном направлении под прямым углом к солнечному излучению. Серводвигатель 3 (фиг. 1) предназначен для перемещения массива фотоэлектрических элементов в азимутальном направлении по пути движения Солнца.

Линейные приводы 9, 11, 20 и серводвигатель 3 управляются блоком микроконтроллеров 14 (фиг. 3). Серводвигатель 3 соединен с зубчато-винтовой передачей 4 (фиг. 1), которая монтируется совместно с электромеханической телескопической колонной 8 на платформе, установленной на упорном подшипнике 5 (фиг. 1). Зубчато-винтовая передача 4, серводвигатель 3 и подшипник 5 находятся в защитном кожухе.

Фоторезистивные элементы 27 (фиг. 7), размещаемые на упорной балке 12 (фиг. 2), в количестве шести штук, служат для отслеживания самой яркой точки на небосводе, которой является Солнце. Фоторезистивные элементы 27 соединены с драйвером управления линейных приводов 11 и серводвигателя 3 в блоке микроконтроллеров 14 через вычислительный модуль, и подают сигнал об изменении положения Солнца, что в свою очередь приводит к изменению положения фотоэлектрических батарей в зенитальном и азимутальном направлении для их ориентации под углом 90°.

Адаптивная система зеркальных концентраторов управляется двумя линейными приводами 9 (фиг. 2, 6). Функционирование адаптивной системы управления зеркальными концентраторами основано на совместном взаимодействии датчиков температуры, располагающихся на задней стороне фотоэлектрических батарей, и линейных приводов 9 через автоматизированную систему управления, созданной на базе блока микроконтроллеров 14.

Концевая часть подвижного штока линейных приводов 9 соединена с гибким зеркальным концентратором 6 (фиг. 2, 6), находящимся в ролл-ап системе. Это позволяет регулировать интенсификацию фотоэлектрических элементов, путем контроля длины подвижной части линейного привода.

В качестве материала гибкого зеркального концентратора 6 используется композитный материал, основой которого служит поликарбонатная пленка, на которую наносится алюминиевый слой методом вакуумной металлизации. Следующим слоем выступает ламинирующая пленка на основе полиэстера, содержащая три слоя: слой полиэстера, служащего основой и придающего пленке жесткость и упругость, слой полиэтилена, служащего связующим звеном при ламинировании, слой полимерного клея - низкоплавкого полимера, обладающего адгезивными свойствами.

Поликарбонатная основа не горюча, выдерживает температуры ниже -100°C, химически устойчива к щелочам и кислотам и обладает высокой прочностью.

Полученный материал устанавливается в блок-систему ролл-ап. В основе принципа данной системы лежит роллерный механизм и возвратная пружина, которая выполняет функцию фиксации концентратора в системе, а при его вытягивании стремится вернуть обратно.

При нагревании фотоэлектрических батарей 7 сверх допустимого предела происходит немедленное прекращение работы зеркальных концентраторов 6 путем подачи сигнала от температурного датчика на драйвер управления линейными приводами 9 в блоке микроконтроллеров 14.

Фотоэлектрические батареи 7, зеркальные концентраторы 6 и линейные приводы 9 закреплены совместно на каркасных решетках 19 (фиг. 3), которые соединены через петли с упорной стальной балкой 12 (фиг. 3). Упорная балка 12 закреплена на поворотном механизме, зафиксированном на первой секции электромеханической телескопической колонны 8 с возможностью изменения угла наклона в вертикальной плоскости. Линейный привод 20 (фиг. 3, 6) для регулирования угла наклона фотоэлектрических батарей соединен с опорной треножной конструкцией 21 (фиг. 3), также зафиксированной на первой секции электромеханической телескопической колонны 8. Линейные приводы 11, отвечающие за подъем фотоэлектрических батарей и фиксацию двух батарей в одной плоскости, также смонтированы на опорной треножной конструкции 21.

Установка электронных компонентов, отвечающих за управление и функционирование системы, таких как инвертор 16, контроллер заряда аккумуляторных батарей 13, блок микроконтроллеров 14, осуществляется в климатический шкаф 1 (фиг. 1), утепленный фольгированным утеплителем типа пенофол толщиной 10 мм. Шкаф оснащен активной вентиляцией 22 (фиг. 4), пассивной вентиляцией, электроподогревателем 15 (фиг. 3), термостатом и фильтром для пассивной и активной вентиляции. Это позволит в условиях отрицательных температур функционировать всем электронным компонентам в оптимальных условиях.

Аккумуляторные батареи 2 находятся в отдельном отсеке, также утепленном пенофолом и оборудованном электроподогревом.

Изобретение относится к гелиотехнике. Автономная мобильная фотоэлектростанция содержит две фотоэлектрические батареи, инвертор, фоторезистивные элементы, служащие для отслеживания самой яркой точки на небосводе – Солнца, аккумуляторные батареи, контроллер заряда аккумуляторной батареи, пять линейных приводов двухосевого слежения фотоэлектрических батарей за движением Солнца, два из которых служат для развертывания и установления фотоэлектрических батарей в одной плоскости, три – для ориентации массива фотоэлектрических батарей в зенитальном направлении под прямым углом к солнечному излучению, управляемые одним серводвигателем и одной телескопической колонной с электрическим приводом, климатический шкаф, в котором расположены контроллер заряда аккумуляторных батарей, инвертор и блок микроконтроллеров, отвечающий за работу и управление системой двухосевого слежения фотоэлектрических батарей за движением Солнца и системой гибких зеркальных концентраторов, работа которых прекращается при нагревании фотоэлектрических батарей сверх допустимого, при этом все элементы автономной мобильной фотоэлектростанции расположены в утепленном корпусе. Изобретение позволяет увеличить эффективность генерации электрической энергии в течение светового дня, а компактное устройство элементов системы и возможность свертывать и развертывать массив фотоэлектрических батарей позволяет смонтировать их в одном корпусе и транспортировать автономную мобильную фотоэлектростанцию на двухосном автомобильном прицепе. 9 ил.

Автономная мобильная фотоэлектростанция, содержащая две фотоэлектрические батареи, инвертор, фоторезистивные элементы, служащие для отслеживания самой яркой точки на небосводе – Солнца, аккумуляторные батареи, контроллер заряда аккумуляторной батареи, пять линейных приводов двухосевого слежения фотоэлектрических батарей за движением Солнца, два из которых служат для развертывания и установления фотоэлектрических батарей в одной плоскости, три – для ориентации массива фотоэлектрических батарей в зенитальном направлении под прямым углом к солнечному излучению, управляемые одним серводвигателем и одной телескопической колонной с электрическим приводом, климатический шкаф, в котором расположены контроллер заряда аккумуляторных батарей, инвертор и блок микроконтроллеров, отвечающий за работу и управление системой двухосевого слежения фотоэлектрических батарей за движением Солнца и системой гибких зеркальных концентраторов, работа которых прекращается при нагревании фотоэлектрических батарей сверх допустимого, при этом все элементы автономной мобильной фотоэлектростанции расположены в утепленном корпусе.