Результат интеллектуальной деятельности: ПОРТАТИВНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Изобретение относится к портативным переносным солнечным электростанциям, предназначенным для преобразования солнечной лучистой энергии в электрическую как в солнечную погоду, так и в пасмурную.

Известна солнечная электростанция (Р.Р. Апариси, Б.А. Гарф. «Использование солнечной энергии». М., стр. 39¸4З.), включающая в себя вертикальный вал с приводом азимутального поворота, на котором закреплена площадка, а на верхнем конце упомянутого вала, выше площадки установлен горизонтальный вал с приводом зенитального поворота, на котором закреплена солнечная фотобатарея, снабженная системой автоматики зенитального и азимутального привода слежения за солнцем, включающая в себя командные фотоэлементы малоточных реле и исполнительных реле приводов реверсивных двигателей.

Недостатком станции является низкая надежность в условиях переменной или временной облачности, невозможность автоматической установки в рабочее положение утром. Это объясняется тем, что следящее устройство выполнено на фотоэлементах, размещенных в трубке. При несколько минутной облачности, при отсутствии солнечного луча, это устройство не действует, а после облачности солнечный луч в трубку устройства уже не попадает, и станция больше не ориентируется по солнцу - наступает отказ. При переменной облачности за день это может произойти сотни раз. Даже в солнечную погоду с наступлением ночи станция «смотрит» на закат. Станция не может автоматически разворачиваться навстречу солнцу, для этого требуется ручная наводка.

Известна солнечная электростанция (патент RU №2230395, Б.И. №16, 2004 г. «Солнечная электростанция»), содержащая раму, в которой установлен вертикальный вал с приводом азимутального поворота, а на его верхнем конце установлен горизонтальный вал с системой автоматики зенитального поворота, на котором закреплена солнечная фотобатарея, снабженная системой автоматики азимутального привода слежения за солнцем и разворота с запада на восток.

Недостатком указанного устройства является высокая металлоемкость, сложность конструкции и электрической системы автоматики, что ведет к снижению надежности электростанции, снижению производимой ею эффективной мощности электроэнергии (мощности электроэнергии, отнесенной на единицу массы станции).

Прототипом выбрана солнечная электростанция (патент RU 2298860 С2), включающая в себя раму, в которой установлен вертикальный вал с приводом азимутального поворота, а на его верхнем конце установлен горизонтальный вал с системой автоматики зенитального поворота, на котором закреплена солнечная фотобатарея, снабженная системой автоматики азимутального привода слежения за солнцем и разворота станции с запада на восток; система автоматики зенитального поворота выполнена в виде горизонтального кольца, жестко закрепленного в упомянутой раме, внутри кольца выполнен один синусоидальный паз, горизонтальный вал по концам снабжен симметричными эксцентриковыми поводками, которые входят в синусоидальный паз, при этом паз выполнен так, что его амплитуда меньше радиуса вала, чтобы эксцентриковые поводки отклонялись на угол 45° в одну или другую сторону по пазу.

Недостатком прототипа является ограниченная площадь применяемой всего лишь одной панели солнечных батарей, что приводит к снижению относительной эффективной мощности электроэнергии, производимой станцией. Кроме того, солнечная батарея не имеет защитного упаковочного ящика для ее защиты от внешних неблагоприятных климатических условий (снега, бурана и т.п.), что ведет к снижению надежности электростанции.

Задачи изобретения - повышение надежности и эффективности работы солнечной электростанции (повышение относительной мощности получаемой электроэнергии, приходящейся на единицу массы станции).

Поставленные задачи решены за счет того, что в предложенной переносной портативной солнечной электростанции, состоящей из рамы, в которой установлен вертикальный вал с шестеренчатым реверсным приводом азимутального поворота; системы автоматики азимутального привода слежения за солнцем и разворота вертикального вала с запада на восток в начало слежения за солнцем при его восходе; панели с солнечными батареями, установленной на кронштейне зенитального поворота, соединенном с верхним концом вертикального вала посредством шарнира, выполненного с ручным или автоматическим приводом, кабельных разъемов и пульта управления:

1) дополнительно введены панели с солнечными батареями, образующие в собранном виде защитный упаковочный ящик, и панели, установленные внутри ящика, при этом солнечные батареи, образующие ящик, обращены своими рабочими поверхностями внутрь ящика;

2) панели, находящиеся внутри ящика, выполнены выдвижными, уложены горизонтально в стопы с обращенными вверх рабочими поверхностями солнечных батарей;

3) кабельные разъемы и пульт управления выполнены снаружи передней стенки ящика;

4) панели выполнены из композиционных материалов, например из углепластика.

Предложенное техническое решение представлено на чертежах.

Фиг. 1. Общий вид портативной солнечной электростанции.

Фиг. 2. Вид спереди защитного прямоугольного ящика с упакованными

раскрывающимися и выдвижными дополнительными панелями при снятой его

передней стенке.

Фиг. 3. Вид спереди защитного прямоугольного ящика с раскрытыми раскрывающимися и выдвижными дополнительными панелями при снятой его передней стенке.

Фиг. 4. Вид на рабочие поверхности со стороны солнца на раскрытые дополнительные раскрывающиеся и выдвижные панели с солнечными батареями.

Фиг. 5. Вид сбоку на приводные колеса механизмов выдвижения (задвижения) панелей с солнечными батареями.

Фиг. 6. Общий вид устройства натяжения троса механизма выдвижения (задвижения) панелей с солнечными батареями.

Портативная солнечная электростанция состоит из рамы 1, в которой установлен вертикальный вал 2 с шестеренчатым реверсным приводом 3 азимутального поворота, системы автоматики азимутального привода слежения за солнцем и разворота вертикального вала 2 с запада на восток в начало слежения за солнцем при его восходе, кронштейна 6 зенитального поворота, соединенного с верхним концом вертикального вала 2 посредством шарнира 7, выполненного с ручным 8 или автоматическим приводом 9, кабельных разъемов 10 и пульта управления 11; панелей с солнечными батареями 5, образующих в собранном виде прямоугольный защитный упаковочный ящик, установленный на кронштейне 6 ответной частью своего дополнительного дна 43.

Защитный упаковочный ящик с обращенными внутрь его рабочими поверхностями солнечных батарей 5 состоит из левой 4 и правой 15 частей дна, образующих единое основное дно, жесткозакрепленное с дополнительным дном 43; крышки 13 с дополнительными раскрывающимися панелями в виде боковых правой 12 и левой 14 стенок; передней 16 и задней 17 стенок. Боковые стенки 12 и 14 ящика верхними ребрами выполнены соединенными посредством шарниров 18, 19 с соответствующими ребрами крышки 13, заднее ребро которой соединено своим шарниром 20 с верхним ребром задней стенки 17 ящика с возможностью их раскрытия и фиксации для работы в горизонтальном положении в плоскости, параллельной плоскости дна 4, 15 ящика, и с рабочими поверхностями раскрывающихся панелей 12, 13, 14 со стороны солнца. Солнечная электростанция также снабжена двумя стопами (в виде «колоды карт») выдвижных панелей 21, 22, 23 и 24, 25, 26, установленными горизонтально внутри ящика соответственно над левой частью дна 4 и правой частью дна 15 рабочими поверхностями своих солнечных батарей 5 вверх. Переднее и заднее ребра верхней выдвижной панели 23 левой стопы выполнены с продольными пазами 27 и 28 для взаимодействия с соответствующими рейками 29 и 30, выполненными на соседней второй сверху выдвижной панели 22 для выдвижения указанной верхней панели 23 влево (обратного задвижения) параллельно соседней нижней выдвижной панели 22 и с возможностью фиксации ее в крайнем выдвинутом положении с частичным перекрытием их концевых участков. Каждая соседняя пара выдвижных дополнительных панелей, продолжая сверху вниз со второй 22 и третей 21 и до самого низа левой стопы, выполнена аналогично предшествующей паре панелей 23, 22 с их соответствующими взаимодействующими пазами и рейками 31, 32 и 33, 34, 35, 36 и 37, 38 и с возможностью выдвижения каждой верхней панели относительно нижней и фиксации ее в крайнем выдвинутом положении с частичным перекрытием их концевых участков. Выдвижные панели правой стопы 24, 25, 26 выполнены конструктивно аналогичными выдвижным панелям 21, 22, 23 левой стопы, с той лишь разницей, что они выполнены с возможностью их выдвижения в противоположном направлении. Механизм выдвижения панелей 21, 22, 23 левой стопы выполнен с применением приводного колеса 39 с осью вращения 40, с ручным приводом 41 или с управляемым электроприводом 42, установленным в пространстве между левой и правой частями 4 и 15 дна ящика и дополнительным дном 43, выполненным параллельно указанным левой и правой частям 4 и 15 и жестко соединенным с ними посредством четырех угловых стоек 44 с образованием пространства между ними и закрепленным на одном из них или одновременно на обоих и с возможностью вращения указанного приводного колеса 39 в обе стороны, с применением натянутого троса 45, проходящего по замкнутому контуру в последовательности через конусообразный желоб 46, выполненный по периметру приводного колеса 39 с зажимом троса 45 противоположными стенками желоба 46 для исключения проскальзывания при вращении приводного колеса 39 и с входом и выходом троса 45 в желоб 46 приводного колеса 39 соответственно сверху и снизу, и с охватом его по желобу 46 более чем в половину оборота, или более одного оборота, выполненному в последнем случае винтообразным и далее с заходом троса снизу на ролик 47, выполненный на левом краю переднего ребра дна 4 с выступом над его верхней поверхностью для упора в него ролика 48, выполненного на правом краю переднего ребра на второй снизу панели 21 левой стопы с выступом его ниже ее нижней поверхности и с заходом на него троса снизу - с заходом троса снизу на ролик 49, выполненного на левом краю переднего ребра второй снизу панели 21 левой стопы с выступом его над ее верхней поверхностью для упора в него ролика 50, выполненного на правом краю переднего ребра третьей снизу панели 22, левой стопы и выступающим ниже ее нижней поверхности и с заходом на него троса снизу - с заходом троса снизу на ролик 51, выполненного на левом краю переднего ребра третьей снизу панели 22 левой стопы и выступающим над ее верхней поверхностью для упора в него ролика 52, выполненного на правом краю переднего ребра четвертой снизу панели 23 левой стопы и выступающим ниже ее нижней поверхности и с заходом на него троса снизу - через ролик 53, жестко закрепленный на левом торце четвертой снизу панели 23 и выполненный в качестве устройства натяжения концов 54, 55 троса 45, проходящих через соответствующие его отверстия 56, 57 и зажатые в них болтами 58, 59 - далее через верхний ролик 60, выполненный совместно подпружиненным на сближение с противоположно горизонтальным выполненным аналогичным роликом 61 на верхнем торце вертикальной перегородке 62 ящика, разделяющей его на левую и правую части, соответственно для левой и правой стоп панелей - через нижний ролик 63, выполненный на нижнем конце указанной перегородки 62 и далее с возвратом троса 45 на приводное колесо 39, выполненное лежащим в той же плоскости, что и указанные все ролики. Причем фиксация каждой максимально выдвинутой панели 21, 22, 23, относительно их соответствующих соседних панелей до упоров их соответствующих роликов осуществляется усилием натяжения троса 45. Механизм выдвижения панелей 24, 25, 26 правой стопы выполнен аналогично указанному механизму выдвижения панелей 21, 22, 23 левой стопы, с той лишь разницей, что трос 64 правой стопы панелей выполнен со своим приводным колесом 65, аналогичным указанному приводному колесу 39 левой стопы панелей и жестко установленным с ним на одной оси 40. Причем трос 64 механизма выдвижения панелей правой стопы выполнен с заходом и выходом его на свое приводное колесо 65 соответственно сверху и снизу. В средней части дополнительного дна 43 ящика снаружи выполнена установочная муфта 66 с внутренними гранями, сопряженными с наружными гранями конца кронштейна 6 зенитального поворота. Сопряжение указанных внутренних и наружных граней выполнено с возможностью фиксирования посредством подпружиненной защелки 67. Механизмы выдвижения панелей 21, 22, 23 и 24, 25, 26 соответственно левой и правой стоп выполнены зарезервированными со стороны их задних краев панелей, с приводными колесами 68, 69, жестко закрепленными на выполненном удлиненном валу основных приводных колес 39, 65. Кабельные разъемы 10 и пульт управления 11 выполнены снаружи передней стенки 16 ящика. Панели 4, 12, 13, 14, 15, 21, 22, 23, 24, 25, 26 выполнены из сотопанелей. Панели 4, 12, 13, 14, 15, 21, 22, 23, 24, 25, 26 выполнены из композиционных материалов, например из углепластика.

Портативная переносная электростанция работает следующим образом.

После установки рамы 1 на место работы станции на ее кронштейн 6 зенитального поворота, соединенный с верхним концом вертикального вала 2 посредством шарнира 7, выполненного с ручным 8 или автоматическим приводом 9, устанавливают защитный упаковочный ящик, состоящий из основного дна, состоящего из левой 4 и правой 15 частей с солнечными батареями 5; крышки 13 с дополнительными раскрывающимися панелями левой боковой стенки 12 и правой боковой стенки 14, причем левая часть дна 4 выполнена за одно с правой частью дна 15, передней 16 и задней 17 стенками.

Установку ящика на кронштейн 6 осуществляют средней частью дополнительного дна 43 ящика, снаружи которого снизу в центральной его части выполнена установочная муфта 66 с внутренними гранями, сопряженными с наружными гранями конца кронштейна 6 зенитального поворота. Сопряжение указанных внутренних и наружных граней выполнено с возможностью фиксирования посредством выполненной подпружиненной защелки 67.

После установки ящика на раму 1 вручную раскрывают дополнительные панели 12, 13, 14, выполненные соединенными посредством шарниров 18, 19 с соответствующими ребрами крышки 13, заднее ребро которой соединено своим шарниром 20 с верхним ребром задней стенки 17 ящика. Раскрытие и фиксацию панелей 12, 13, 14 для работы осуществляют в горизонтальной плоскости, параллельной плоскости дна 4, 15 ящика, с рабочими поверхностями солнечных батарей 5, обращенными вверх к солнцу. Фиксацию панелей 12, 13, 14 (на чертеже не показано) осуществляют подпружиненными защелками, выполненными аналогичными указанной защелке 67.

Затем выдвигают две стопы выдвижных панелей 21, 22, 23 и 24, 25, 26, установленные горизонтально внутри ящика соответственно над левой частью дна 4 и правой частью дна 15 своими солнечными батареями 5 вверх. Переднее и заднее ребра верхней выдвижной панели 23 левой стопы выполнены с продольными пазами 27 и 28 для взаимодействия с соответствующими рейками 29 и 30, выполненными на соседней второй сверху выдвижной панели 22 для выдвижения указанной верхней панели 23 влево (и для обратного задвижения) параллельно соседней нижней выдвижной панели 22 и с возможностью фиксации ее в крайнем выдвинутом положении с частичным перекрытием их концевых участков. Каждая соседняя пара выдвижных дополнительных панелей, продолжая сверху вниз со второй 22 и третей 21 и до самого низа левой стопы, выполнена аналогично предшествующей паре панелей 23, 22 с их соответствующими взаимодействующими пазами и рейками 31, 32 и 33, 34, 35, 36 и 37, 38 и с возможностью выдвижения каждой верхней панели относительно нижней и фиксации ее в крайнем выдвинутом положении с частичным перекрытием их концевых участков. Выдвижные панели правой стопы 24, 25, 26 выполнены конструктивно аналогичными выдвижным панелям 21, 22, 23 левой стопы, с той лишь разницей, что они выполнены с возможностью их выдвижения в противоположном направлении. Механизм выдвижения панелей 21, 22, 23 левой стопы выполнен с применением приводного колеса 39 с осью вращения 40, с ручным приводом 41 или с управляемым электроприводом 42, установленными в пространстве между левой и правой частями 4 и 15 дна ящика и дополнительным дном 43, выполненным параллельно левой и правой частям дна 4 и 15 и жестко соединенным с ними посредством четырех угловых стоек 44 с образованием пространства между ними и закрепленным на одном из них или одновременно на обоих и с возможностью вращения указанного приводного колеса 39 в обе стороны, с применением натянутого троса 45, проходящего по замкнутому контуру в последовательности через конусообразный желоб 46, выполненный по периметру приводного колеса 39 с зажимом троса 45 противоположными стенками желоба 46 для исключения проскальзывания при вращении приводного колеса 39 и с входом и выходом троса 45 в желоб 46 приводного колеса 39 соответственно сверху и снизу, и с охватом его по желобу 46 более чем в половину оборота, или более одного оборота, выполненному в последнем случае винтообразным и далее с заходом троса снизу на ролик 47, выполненный на левом краю переднего ребра дна 4 с выступом над верхней поверхностью дна 4 для упора в него ролика 48, выполненного на правом краю переднего ребра на второй снизу панели 21 левой стопы с выступом его ниже нижней поверхности панели 21, на которой он установлен и с заходом на него троса снизу - с заходом троса снизу на ролик 49, выполненный на левом краю переднего ребра второй снизу панели 21 левой стопы с выступом его над ее верхней поверхностью для упора в него ролика 50, выполненного на правом краю переднего ребра третьей снизу панели 22, левой стопы и выступающим ниже ее нижней поверхности и с заходом на него троса снизу - с заходом троса снизу на ролик 51, выполненный на левом краю переднего ребра третьей снизу панели 22 левой стопы и выступающим над ее верхней поверхностью для упора его в ролик 52, выполненного на правом краю переднего ребра четвертой снизу панели 23 левой стопы и выступающим ниже ее нижней поверхности и с заходом на него троса снизу - через ролик 53, жестко закрепленный на левом торце четвертой снизу панели 23 и выполненный в качестве устройства натяжения концов 54, 55 троса 45, проходящих через соответствующие его отверстия 56, 57 и зажатые в них болтами 58, 59 - далее через верхний ролик 60, выполненный совместно подпружиненным на сближение с противоположно горизонтальным выполненным аналогичным роликом 61 на верхнем торце вертикальной перегородке 62 ящика, разделяющей его на левую и правую части, соответственно для левой и правой стоп панелей - через нижний ролик 63, выполненный на нижнем конце указанной перегородки 62 и далее с возвратом троса 45 на приводное колесо 39, выполненное лежащим в той же плоскости, что и указанные все ролики. Причем фиксация каждой максимально выдвинутой панели 21, 22, 23 относительно соседней до упоров их соответствующих роликов осуществляется усилием натяжения троса 45.

Механизм выдвижения панелей 24, 25, 26 правой стопы выполнен аналогично указанному механизму выдвижения панелей 21, 22, 23 левой стопы, с той лишь разницей, что трос 64 правой стопы панелей выполнен со своим приводным колесом 65, аналогичным указанному приводному колесу 39 левой стопы панелей и жестко установленным с ним на одной оси 40. Причем трос 64 механизма выдвижения панелей правой стопы выполнен с заходом и выходом его на свое приводное колесо 65 соответственно сверху и снизу.

Одновременное выдвижение или задвижение панелей левой и правой стоп осуществляют вращением соответственно против или по часовой стрелке приводных колес 39 и 65. Стрелками на приводном колесе 39 и на тросах 45 и 64 обозначены соответствующие направления их движений.

После раскрытия и выдвижения всех панелей в рабочее положение посредством пульта управления 11 (для обеспечения удобства и надежности управления работой солнечной электростанции, выполненного с кабельными разъемами 10 снаружи передней стенки 16 ящика) в автоматическую работу включают вертикальный вал 2 с шестеренчатым реверсным приводом 3 азимутального поворота, систему автоматики азимутального привода слежения за солнцем и разворота вертикального вала 2 с запада на восток в начало слежения за солнцем при его восходе, а также кронштейн 6 автоматического зенитального поворота солнечных батарей на солнце, соединенный с верхним концом вертикального вала 2 посредством шарнира 7, в случае его выполнения с автоматическим приводом 9. В связи с производственной спецификой предприятия, обладающего высокой технологией управления трансформируемыми конструкциями КА по сигналам различных датчиков, в том числе солнечных, предполагается собственная разработка автоматической зенитальной ориентации панелей на солнце в отличие от прототипа. Для упрощенного варианта небольшой солнечной электростанции, для загородного отдыха при снижении ее стоимости, уменьшении вырабатываемой мощности при снижении массы и габаритных размеров, предполагается также ее выпуск с ручным управлением 8 зенитальной ориентацией солнечных батарей на солнце, например, установкой на неизменный оптимально средний зенитальный угол кронштейна 6 под углом к горизонту (40¸45)°C.

Демонтаж станции и упаковка панелей солнечных батарей осуществляют в обратном порядке ее установки в рабочее положение.

С утра начинается зенитальное и азимутальное перемещение солнца в течение дня от востока до запада и от горизонта до максимального подъема над ним, например, на средний угол 45°. В этом случае происходит увеличение угла падения солнечных лучей на землю по синусоидальной кривой с максимальным углом (освещенности) в середине дня. Для ориентации панелей солнечных батарей с обеспечением их максимальной освещенности солнечными лучами и получения максимальной электроэнергии, станция снабжена заимствованной с прототипа системой автоматики азимутального привода слежения за солнцем с применением фотоэлементов (датчиков положения солнца) *и разворота вертикального вала 2 с запада на восток в начало слежения за солнцем при его восходе.

Азимутальное отслеживание всеми раскрытыми и выдвинутыми в рабочее положение панелями 4, 12, 13, 14, 15, 21, 22, 23, 24, 25, 26 с их солнечными батареями 5 с обеспечением максимального солнечного миделя в данном направлении в течение дня осуществляется работой системы автоматики азимутального привода слежения за солнцем и разворота вертикального вала 2 с запада на восток в начало слежения за солнцем при его восходе с применением фотодатчиков положения солнца.

Во всей цепи питания работы привода поворота 3 вертикального вала соответственно включены концевые выключатели, исключающие аварийные ситуации в работе электросхем, а также возможные срабатывания в ночное время от случайных источников света, например фар автомобилей, прожекторов и др.

Релейные схемы собраны на электронных реле. Круговой поворот станции исключен путем применения ряда контактных колец. Таким образом, обеспечивается круглосуточная азимутальная самоориентация станции.

Сориентированные на солнечные лучи под прямым углом солнечные батареи 5 всех раскрытых панелей вырабатывают электрическую энергию постоянного напряжения, которую подключают к потребителю, а избыточную электроэнергию подключают на зарядку аккумулятора, например, автомобильного, для использования ее потребителем в ночное время или при пасмурной погоде, когда выработка электроэнергии солнечными батареями ограничена.

В предложенном устройстве достигнуто повышение надежности его работы за счет:

1) обеспечения защиты панелей с солнечными батареями от неблагоприятных погодных воздействий на них (пыльных ветров, бурь, низких температур, мокрого снегопада) путем применения съемного защитного упаковочного ящика;

2) простого и оригинального решения фиксации выдвижных панелей путем упора их при выдвинутом положении роликами соседних панелей с одной стороны, а с другой - за счет натяжения троса;

3) простого и надежного механизма натяжения тросов и обеспечения их подпружинивания роликами в процессе работы выдвижного механизма;

4) применения устройства зажима тросов в конусообразных желобах приводных колес от их проскальзывания;

5) применение подпружиненных защелок простой и надежной конструкции с двумя фиксируемыми положениями (зафиксировано, не зафиксировано), удобными в эксплуатации;

6) резервирования роликов на задних ребрах выдвижных панелей. Это исключает перекосные напряжения в процессе работы выдвижного механизма и тем самым повышает надежность работы устройства;

7) выполнения панелей из сотопанелей или из композиционных материалов, например из углепластика, что обеспечивает их легкость и повышенную прочность (надежность).

Выполнение съемного защитного упаковочного ящика из панелей солнечных батарей и применение дополнительных выдвижных панелей с солнечными батареями позволило в разы увеличить мощность получаемой электроэнергии по сравнению с прототипом на той же самой его рамной основе и автоматики вращения панелей с обеспечением максимального солнечного миделя для работы солнечных батарей. Тем самым достигнута эффективность работы солнечной электростанции (повышение относительной мощности получаемой электроэнергии, приходящейся на единицу массы станции).

Предложенное изобретение в настоящее время находится на стадии подготовки к изготовлению действующего опытного образца с перспективой запуска его в серийное производство.