Устройство для автоматической ориентации солнечной батареи Российский патент 2024 года по МПК H01L31/42 H02S20/32 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электростанциям, работающим на основе преобразования солнечного излучения в электрическую энергию и может быть использована для увеличения выработки электрической энергии за счёт наилучшей ориентации панели солнечной батареи относительно направления на Солнце.

Известен фотоэлектрический автономный фонарь [RU №169966 U1, опубл. 11.04.2017], выполненный в виде двух симметричных плоских модулей, на одной грани каждого из них расположены солнечные панели, а на другой - светодиодные светильники. При этом фонарь содержит блок управления, соединенный с датчиками ориентации и механизмом поворота модулей за солнцем. Модули жестко соединены горизонтальной штангой, проходящей сквозь механизм поворота, установленный на верху несущей опоры. Механизм поворота содержит привод поворота модулей относительно горизонтальной оси штанги, соединяющей модули, на 90°, и привод поворота модулей вокруг вертикальной оси несущей опоры на 360°.

Недостатком известного аналога является высокая стоимость фотоэлектрического автономного фонаря и повышенное собственное энергопотребление, обусловленное наличием второго электропривода, обеспечивающего поворот солнечной батареи в зенитальной плоскости.

Известно устройство для автоматической ориентации солнечной батареи (СБ) [RU №171448 U1, опубл. 01.06.2017], содержащее солнечную батарею, систему автоматического регулирования, линейный актуатор, неподвижную раму, вспомогательную подвижную раму, три шарнира, имеющие две степени свободы поворотного движения, регулируемую опору, имеющую отверстия по всей длине. При этом СБ прикрепляется на вспомогательную подвижную раму. Вспомогательная подвижная рама присоединяется к неподвижной раме посредством первого шарнира непосредственно, а вторым шарниром через регулируемую опору. Причём первый и второй шарниры образуют ось вращения вспомогательной подвижной рамы с закреплённой на ней СБ. Третий шарнир, прикреплённый к вспомогательной подвижной раме со смещением относительно её оси вращения, через линейный актуатор соединён с неподвижной рамой. При работе устройства автоматической ориентации поворот СБ в азимутальной плоскости осуществляется линейным актуатором, выполняющим роль электромеханического привода, управляемого системой автоматического программного регулирования. Изменение длинны регулируемой опоры приводит к изменению наклона оси вращения вспомогательной подвижной рамы с закреплённой на ней СБ, за счёт чего осуществляется наклон СБ в зенитальной плоскости.

Недостатком известного аналога является повышенная трудоемкость при обслуживании, обусловленная тем, что установка угла наклона оси вращения СБ, при котором обеспечивается прямой угол между осью вращения СБ и направлением на Солнце, должна периодически, с интервалом в несколько дней или десятков дней изменяться обслуживающим персоналом, что не всегда возможно. Кроме того применение линейного актуатора не позволяет обеспечить угол поворота СБ более 180°, что снижает эффективность применения устройства в энергоустановках с СБ, которые установлены в высоких широтах.

Наиболее близким к изобретению техническим решением, принятым в качестве прототипа, является солнечная электростанция [RU №94379 U1, опубл. 20.05.2010], включающая в себя солнечную батарею и вертикальный вал с электроприводом, системы автоматического азимутального и зенитального слежения за солнцем, причем солнечная батарея жестко закреплена на вертикальном валу, а электропривод вала снабжен часовым механизмом с электроконтактной системой в виде часовой стрелки циферблата часового механизма, подающими почасовой сигнал привода вертикального вала азимутального слежения за солнцем, кроме того, зенитальное слежение выполнено в виде наклона вертикального вала в северную сторону.

Недостатком прототипа является повышенная трудоемкость при обслуживании, обусловленная полуавтоматическим режимом работы, так как необходимы периодические действия оператора для обеспечения требуемой ориентации СБ относительно направления на Солнце в зенитальной плоскости, при которой обеспечивается желаемое увеличение мощности, генерируемой СБ. При нахождении солнечной электрической станции в удалённой или труднодоступной местности это невозможно или сопряжено со значительными затратами.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является снижение трудоемкости при обслуживании и повышение эффективности устройства путем осуществления автоматического процесса ориентации панели солнечной батареи фотоэлектрической установки, относительно направления на Солнце в азимутальной и зенитальной плоскостях, обеспечивающее поддержание угла, близкого к нулю градусов, между перпендикуляром к плоскости рабочей поверхности СБ и направлением на Солнце в течение времени нахождения Солнца выше линии горизонта.

Для решения технической проблемы и достижения технического результата предложено устройство для автоматической ориентации солнечной батареи, содержащее опорный щит, наклоняемый щит с первым шарнирным узлом, поворотный вал с узлом крепления солнечной батареи, первый подшипниковый узел, электропривод поворотного вала с блоком программного управления, винт и гайку, объединённые в кинематическую передачу типа «винт-гайка», причём наклоняемый щит соединён с опорным щитом через первый шарнирный узел, обеспечивающий возможность наклона наклоняемого щита относительно опорного, поворотный вал связан с наклоняемым щитом через первый подшипниковый узел, а вал электропривода поворотного вала соединён с поворотным валом. Новым является то, что устройство содержит большую шестерню, малую шестерню, второй подшипниковый узел, второй шарнирный узел, электромагнитную муфту с блоком программного управления, причём большая шестерня соосно соединена с гайкой, гайка соосно соединена со вторым подшипниковым узлом, второй подшипниковый узел прикреплён к наклоняемому щиту, винт, одной из сторон, прикреплён через второй шарнирный узел к опорному щиту и введён в зацепление с гайкой, свободно и соосно проходит через большую шестерню и второй подшипниковый узел, малая шестерня приведена в зацепление с большой шестернёй и соосно прикреплена к электромагнитной муфте, а электромагнитная муфта соосно соединена с поворотным валом.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 схематично изображено устройство для автоматической ориентации солнечной батареи, вид сбоку.

Заявляемое устройство для автоматической ориентации солнечной батареи содержит опорный щит 1, наклоняемый щит 2 с шарнирным узлом 3, поворотный вал 4 с узлом крепления солнечной батареи 5, первый подшипниковый узел 6, электропривод 7 поворотного вала с блоком программного управления 8, винт 9 и гайка 10, объединённые в кинематическую передачу типа «винт-гайка», большая шестерня 11, малая шестерня 12, второй подшипниковый узел 13, второй шарнирный узел 14, электромагнитная муфта 15 с блоком программного управления электромагнитной муфтой 16.

Заявляемое устройство для автоматической ориентации солнечной батареи функционирует следующим образом. 

Ориентация панели СБ в азимутальной плоскости осуществляется как в прототипе, за счёт периодического поворота поворотного вала 4 электроприводом 7, который управляется блоком программного управления 8. Ориентация панели СБ в зенитальной плоскости осуществляется подобно решению из прототипа, за счёт периодического изменения расстояния между опорой винта 9 и гайкой 10 в кинематической передаче типа «винт-гайка». Отличие предлагаемого технического решения от прототипа состоит в том, что периодическое изменение расстояния между опорой винта 9 и гайкой 10 осуществляется не оператором, а автоматически, за счёт периодического подключения гайки 10 кинематической передачи типа «винт-гайка» к поворотному валу 4 через большую шестерню 11 и малую шестерню 12. Такое периодическое подключение осуществляется присоединением малой шестерни 12 к поворотному валу 4 посредством электромагнитной муфты 15, управляемой блоком программного управления электромагнитной муфты 16.

Периодический поворот поворотного вала 4, ориентирующий СБ в азимутальной плоскости, производится электроприводом 7 в течение времени нахождения Солнца выше линии горизонта. После перемещения Солнца ниже линии горизонта, т.е. после заката, электропривод 7, под действием управляющего сигнала блока программного управления 8, поворачивает поворотный вал 4 в противоположном направлении, до тех пор, пока рабочая поверхность СБ не займёт положение, ориентированное на ожидаемую точку пересечения Солнцем линии горизонта на восходе. При этом на интервале времени от дня зимнего солнцестояния до дня летнего солнцестояния периодическое зацепление малой и большой шестерён, приводящее к повороту винта 9 кинематической передачи типа «винт-гайка», производится на интервале времени нахождения Солнца выше линии горизонта, а на интервале времени от дня летнего солнцестояния до дня зимнего солнцестояния периодическое зацепление малой и большой шестерён, т.е. поворот винта 9 кинематической передачи типа «винт-гайка», производится на интервале времени нахождения Солнца ниже линии горизонта. Такое техническое решение позволяет осуществлять реверс направления вращения гайки 10 кинематической передачи типа «винт-гайка», и, как следствие, осуществлять реверсивное изменение угла наклона СБ в зенитальной плоскости.

Программы, по которым функционируют блок программного управления 8 и второй блок программного управления 16, должны учитывать полушарие (южное или северное), широту расположения фотоэлектрической установки, передаточное отношение между большой шестернёй 11 и малой шестернёй 12, шаг резьбы кинематической передачи типа «винт-гайка», геометрические размеры конструкции. При размещении фотоэлектрической установки на местности должна осуществляться её ориентация относительно меридиана (направления юг – север). Крепление СБ к узлу крепления солнечной батареи должно производиться таким образом, чтобы плоскость рабочей поверхность СБ была параллельна оси поворотного вала.

Таким образом, снижается трудоемкость при обслуживании устройства для автоматической ориентации солнечной батареи, повышается эффективность устройства путем осуществления автоматического процесса ориентации панели солнечной батареи фотоэлектрической установки, относительно направления на Солнце в азимутальной и зенитальной плоскостях, обеспечивающее поддержание угла, близкого к нулю градусов, между перпендикуляром к плоскости рабочей поверхности СБ и направлением на Солнце в течение времени нахождения Солнца выше линии горизонта.

Использование: для электростанций, работающих на основе преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, и может быть использована для увеличения выработки электрической энергии за счёт наилучшей ориентации панели солнечной батареи относительно направления на Солнце. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для автоматической ориентации солнечной батареи, содержащее опорный щит, наклоняемый щит с первым шарнирным узлом, поворотный вал с узлом крепления солнечной батареи, первый подшипниковый узел, электропривод поворотного вала с блоком программного управления, винт и гайку, объединённые в кинематическую передачу типа «винт-гайка», причём наклоняемый щит соединён с опорным щитом через первый шарнирный узел, обеспечивающий возможность наклона наклоняемого щита относительно опорного, поворотный вал связан с наклоняемым щитом через первый подшипниковый узел, а вал электропривода поворотного вала соединён с поворотным валом, при этом устройство содержит большую шестерню, малую шестерню, второй подшипниковый узел, второй шарнирный узел, электромагнитную муфту с блоком программного управления, причём большая шестерня соосно соединена с гайкой, гайка соосно соединена со вторым подшипниковым узлом, второй подшипниковый узел прикреплён к наклоняемому щиту, винт, одной из сторон, прикреплён через второй шарнирный узел к опорному щиту и введён в зацепление с гайкой, свободно и соосно проходит через большую шестерню и второй подшипниковый узел, малая шестерня приведена в зацепление с большой шестернёй и соосно прикреплена к электромагнитной муфте, а электромагнитная муфта соосно соединена с поворотным валом. Технический результат: обеспечение возможности повышения эффективности устройства путем осуществления автоматического процесса ориентации панели солнечной батареи фотоэлектрической установки, относительно направления на Солнце в азимутальной и зенитальной плоскостях, обеспечивающее поддержание угла, близкого к нулю градусов, между перпендикуляром к плоскости рабочей поверхности СБ и направлением на Солнце в течение времени нахождения Солнца выше линии горизонта. 1 ил.

Устройство для автоматической ориентации солнечной батареи, содержащее опорный щит, наклоняемый щит с первым шарнирным узлом, поворотный вал с узлом крепления солнечной батареи, первый подшипниковый узел, электропривод поворотного вала с блоком программного управления, винт и гайку, объединённые в кинематическую передачу типа «винт-гайка», причём наклоняемый щит соединён с опорным щитом через первый шарнирный узел, обеспечивающий возможность наклона наклоняемого щита относительно опорного, поворотный вал связан с наклоняемым щитом через первый подшипниковый узел, а вал электропривода поворотного вала соединён с поворотным валом, отличающееся тем, что устройство содержит большую шестерню, малую шестерню, второй подшипниковый узел, второй шарнирный узел, электромагнитную муфту с блоком программного управления, причём большая шестерня соосно соединена с гайкой, гайка соосно соединена со вторым подшипниковым узлом, второй подшипниковый узел прикреплён к наклоняемому щиту, винт, одной из сторон, прикреплён через второй шарнирный узел к опорному щиту и введён в зацепление с гайкой, свободно и соосно проходит через большую шестерню и второй подшипниковый узел, малая шестерня приведена в зацепление с большой шестернёй и соосно прикреплена к электромагнитной муфте, а электромагнитная муфта соосно соединена с поворотным валом.