Результат интеллектуальной деятельности: СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Изобретение относится к солнечным электростанциям, в том числе к переносным, 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÷43), 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.

Недостатками станции являются 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 РФ №2230395, БИ №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.

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

Прототипом является солнечная электростанция (патент RU 2298860 C2), 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 солнечной электростанции, включающей в себя раму, в которой установлен вертикальный вал с шестеренчатым реверсным приводом азимутального поворота, а на его верхнем конце установлен горизонтальный вал с системой автоматики вращения с зенитальным отслеживанием солнца продольной осью кронштейна, посредством которого на нем установлена панель с солнечными батареями, систему автоматики азимутального привода слежения за солнцем и разворота вертикального вала с запада на восток в начало слежения за солнцем при его восходе, панель с солнечными батареями выполнена с защитным упаковочным прямоугольным ящиком с четырьмя крышками, соответственно верхняя первая, вторая, третья, четвертая крышки сверху в закрытом положении, каждая из которых выполнена в виде дополнительной панели с солнечными батареями и своим одним ребром установлена посредством соответствующих шарниров на верхних ребрах соответственно левой, правой, задней и передней стенок ящика с его дном. Причем каждое предыдущее из перечисленных ребер стенок выполнено на более высоком уровне по сравнению с последующим для закрытия дополнительных панелей в виде колоды карт рабочими поверхностями солнечных батарей вниз и с возможностью их раскрытия, а также удержания посредством выполненных в районах шарниров подпружиненных застежек в горизонтальном положении параллельно дну ящика и рабочими поверхностями солнечных батарей со стороны солнца. Основная панель с солнечными батареями жестко закреплена на внутренней поверхности дна ящика рабочей поверхностью наружу, посредством которого она установлена на кронштейн, конец которого сопряженно вставлен с применением выполненной на нем подпружиненной двухпозиционной застежки в граненую изнутри муфту, выполненную в центральной части снаружи дна ящика. Дополнительная панель, как и другие дополнительные панели, выполнена с аналогичной себе дополнительной панелью, которая в сложенном состоянии своей рабочей поверхностью параллельно обращена к ее рабочей поверхности и своим ребром посредством шарнира соединена с ребром дополнительной панели с противоположной стороны ее шарнира, а в районах указанных шарниров на ней выполнены подпружиненные застежки для фиксации ее положения относительно дополнительной панели соответственно при сложенном и раскрытом положениях. Панели с солнечными батареями выполнены из сотопанелей. Панели с солнечными батареями выполнены из композиционных материалов, например, углепластика.

Суть технического решения представлена на чертежах:

Фиг.1. Общий вид солнечной электростанции.

Фиг.2. Основная и дополнительные сотопанели с солнечными батареями, упакованные в ящике.

Фиг.3. Дополнительная панель и ее дополнительная аналогичная панель в раскрытом рабочем состоянии.

Фиг.4. Вид на рабочие поверхности раскрытых дополнительных и основной панелей.

Фиг.5. Вид на рабочие поверхности раскрытых дополнительных и аналогичных им панелей, и основной панелей.

Солнечная электростанция включает в себя раму 1, в которой установлен вертикальный вал 2 с шестеренчатым реверсным приводом 3 азимутального поворота, а на его верхнем конце установлен горизонтальный вал 4 с системой автоматики вращения с зенитальным отслеживанием солнца продольной осью кронштейна 5, посредством которого на нем установлена панель 6 с солнечными батареями 7, систему автоматики азимутального привода слежения за солнцем и разворота вертикального вала 2 с запада на восток в начало слежения за солнцем при его восходе. Панель 6 солнечными батареями 7 выполнена с защитным упаковочным прямоугольным ящиком с четырьмя крышками 8, 11, соответственно верхняя первая, вторая, третья четвертая сверху в закрытом положении, каждая из которых выполнена в виде дополнительной панели с солнечными батареями 7 и своим одним ребром установлена посредством соответствующих шарниров 12, 15 на верхних ребрах соответственно левой 16, правой 17, задней 18 и передней 19 стенок ящика с его дном 20, причем каждое предыдущее из перечисленных ребер стенок выполнено на более высоком уровне по сравнению с последующим для закрытия дополнительных панелей 8, 11 в виде колоды карт рабочими поверхностями солнечных батарей 7 вниз и с возможностью их раскрытия, а также удержания посредством выполненных в районах шарниров подпружиненных застежек 21, 24 в горизонтальном положении параллельно дну 20 ящика с направленными вверх в сторону солнца рабочими поверхностями солнечных батарей 7, а основная панель 6 с солнечными батареями 7 жестко закреплена на внутренней поверхности дна 20 ящика рабочей поверхностью наружу и, посредством которого она установлена на кронштейн 5, конец которого сопряжено вставлен с применением выполненной на нем подпружиненной двухпозиционной застежки 25 в граненую изнутри муфту 26, выполненную в центральной части снаружи дна 20 ящика. Дополнительная панелей 8, как и другие дополнительные панели 9, 11, выполнена с дополнительной аналогичной себе панелью 27, показанной на чертежах и которая в сложенном состоянии своей рабочей поверхностью параллельно обращена к ее рабочей поверхности и своим ребром посредством шарнира 28 соединена с ребром дополнительной панели 8 с противоположной стороны ее шарнира 12, а в районах указанных шарниров на ней выполнены подпружиненные застежки 29, 30 для фиксации ее положения относительно дополнительной панели 8 соответственно при сложенном и раскрытом положениях. Панели 6, 8, 11, 27 с солнечными батареями 7 выполнены из сотопанелей. Панели 6, 8, 11, 27 с солнечными батареями 7 выполнены из композиционных материалов, например, углепластика.

Электростанция работает следующим образом.

После установки рамы 1 на место работы станции, на кронштейн 5 устанавливают ящик со сложенными дополнительными панелями 8÷11 с солнечными батареями 7 и основной панелью 6. Установку ящика осуществляют сопряженным соединением граненой изнутри муфты 26 с концом кронштейна 5. При этом осуществляют фиксацию их соединения посредством подпружиненной двухпозиционной (застегнуто, расстегнуто) застежки 25.

Затем выполняют раскрытие его крышек - дополнительных панелей 8÷11 в их рабочее положение и фиксацию их в раскрытом положении с помощью подпружиненных застежек 21÷24. В раскрытом рабочем положении дополнительные панели расположены параллельно основной, закрепленной на дне ящика панели, и их солнечные батареи находятся со стороны солнца.

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 угол 45°. В этом случае происходит увеличение угла падения солнечных лучей на землю по синусоидальной кривой с максимальным углом (освещенностью) 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.

Для зенитального отслеживания солнца продольной осью кронштейна 5, один конец которого жестко закреплен на горизонтальном валу 4, а на другом его конце установлен ящик с раскрытыми дополнительными панелями 8÷11 и основной панелью 6 ортогонально продольной кронштейна 5, станция выполнена с применением механической связи зинитального вращения горизонтального вала по синусоиде в пределах угла поворота (0÷45)° для средних широт России в зависимости от автоматического азимутального вращения вертикального вала. Взаимодействуя с синусоидальным пазом горизонтального кольца, горизонтальный вал осуществляет поворот, например, на (20÷45)° в одну или другую сторону при движении по пазу, соответственно утро-полдень-вечер, чем обеспечивается зенитальное слежение за солнцем солнечных батарей станции.

Азимутальное отслеживание солнечными панелями 6, 8÷11 с солнечными батареями 7, движение солнца 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 зенитальная и азимутальная самоориентация станции.

Сориентированные на солнечные лучи под прямым углом солнечные батареи 7 панелей 6, 8÷11 вырабатывают электрическую энергию постоянного напряжения, которую подключают к потребителю, а избыточную электроэнергию подключают на зарядку аккумулятора для использования ее потребителем в ночное время или при пасмурной погоде, когда выработка электроэнергии солнечными батареями ограничена.

Таким образом, в предложенном устройстве достигнуто кратное повышение эффективности получения электроэнергии (см. фиг.4, 5), что стало практически возможным благодаря тому, что основная панель 6 с солнечными батареями 7 выполнена с защитным упаковочным прямоугольным ящиком с четырьмя крышками (дополнительными панелями) 8÷11 и другими необходимыми для этого элементами новизны, указанными в формуле изобретения. Тем самым значительно повышена относительная мощность электроэнергии, вырабатываемая станцией на единицу ее массы. При этом повышена надежность эксплуатации станции путем обеспечения более благоприятных условий эксплуатации панелей солнечных батарей путем применения защитного упаковочного ящика от воздействия на них прогнозируемых неблагоприятных природных условий (пыльных ветров, снегопадов, бурь, низких температур и т.п.). Упаковочный ящик позволяет не только увеличивать рабочую площадь солнечных батарей, но легко и быстро устанавливать его на раму станции и раскрывать панели солнечных батарей для их работы и также легко и быстро упаковывать панели в ящик и сохранить солнечные батареи от неблагоприятных климатических условий переносом его в помещение или закрытием его вместе с рамой защитным брезентом или пленкой.

Для дополнительного повышения относительной эффективной мощности, вырабатываемой станцией на единицу ее массы, в ней каждая дополнительная панель, начиная с первой сверху панели 8, как и другие дополнительные панели 9÷11, выполнена с дополнительной аналогичной ей панелью 27, которая в сложенном состоянии своей рабочей поверхностью параллельно обращена к рабочей поверхности своей дополнительной панели 8 и своим ребром посредством шарнира 28 соединена с ребром дополнительной панели 8 с противоположной стороны ее шарнира 12, а в районах указанных шарниров на ней выполнены подпружиненные застежки 29, 30 для фиксации ее положения относительно дополнительной панели 8 соответственно при сложенном и раскрытом положениях.

При этом подготовка к работе станции отличается от вышеописанной лишь тем, что необходимо после раскрытия дополнительных панелей 8÷11 еще раскрыть их четыре аналогичные панели типа панели 27, на которых также применены подпружиненные застежки (см. фиг.3) для их фиксации в сложенном и раскрытом положении относительно соответствующих дополнительных панелей. Применение застежек позволяет не только обеспечить необходимую жесткость станции в рабочем положении и тем самым не только повысить надежность ее работы при порывах ветра, но и удобно раскрывать и складывать панели при их упаковке в ящик и сохранять их от воздействия неблагоприятных погодных условий с целью повышения надежности эксплуатации станции в целом. С этой же целью панели 6, 8÷11, 27, как и аналогичные другие три панели (на чертежах не показаны) типа панели 27, выполнены из сотопанелей или из композиционных материалов, например углепластика, которые обладают повышенной прочностью и легкостью.

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