УСТАНОВКА СЛЕЖЕНИЯ ЗА СОЛНЦЕМ И СПОСОБ ЕЕ ОРИЕНТАЦИИ
SUN TRACKING UNIT AND METHOD OF ITS ORIENTATION

3
5
Изобретения относятся к устройствам солнечной энергетики и способам их расположения и ориентации и могут найти применение при конструировании и изготовлении установок с фотоэлектрическими батареями, требующими двухосного слежения за Солнцем. В частности, к таким установкам относятся солнечные энергоустановки, использующие каскадные наногетероструктурные фотопреобразователи на основе соединений АВ с концентраторами солнечной энергии.
Известна установка слежения за Солнцем (см. патент US 10103685, МПК H02S 20/30, H02S 20/32; F24S 50/20, опубл. 16.10.2018), содержащая, по меньшей мере, двухосную систему слежения за Солнцем, массив фотоэлектрических модулей, ориентированных по направлению на Солнце в течение дня, причем система слежения включает в себя две рамы, каждая из которых поддерживает половину из массива фотоэлектрических модулей. Первичная ось вращения расположена горизонтально и приводится в движение линейным актуатором, расположенным вертикально за счет цепной передачи, с механизмом натяжения цепи. Вторичные оси вращения расположены перпендикулярно первичной оси на рамах, поддерживающих солнечные панели, и приводятся в движение при помощи линейного актуатора, соединенного единой тягой с рычагами на рамах.
Недостатками известной установки слежения за Солнцем являются повышенный люфт в первичной оси вращения из-за использования цепного привода с натяжителем цепи и ускоренный износ приводных механизмов вторичной оси вращения, из-за постоянной подстройки угла наклона вторичной оси в течение всего дня.
Известен способ ориентации фотоэлектрических панелей в солнечной электрической установке (см. патент RU 2640795, МПК H02S 10/00, опубликован 12.01.2018), состоящий из установки панелей рядами друг за другом. Ряды панелей размещают параллельно друг другу длинными торцами, а плоскостями - перпендикулярно или с максимально большим углом к направлению солнечных лучей в данном районе и с технологическим интервалом между рядами. Технологический интервал между рядами устанавливают таким, чтобы тень от предыдущего ряда панелей солнечных батарей при оптимальной высоте Солнца не накрывала последующего ряда. Технологический интервал внутри рядов между панелями устанавливают не более (0,1-0,15)L, где L - длина панели солнечной батареи. По высоте панели располагают над поверхностью земли, равной среднему росту обслуживающего персонала (1,6-2,0) м.
Недостатком известного способа ориентации фотоэлектрических панелей в солнечной электрической установке является фиксированное расположение солнечных панелей, что для плоских панелей приводит к потере вырабатываемой мощности в часы, когда панель ориентирована не перпендикулярно направлению на Солнце.
Известна установка слежения за Солнцем (см. патент US 8469022, МПК F24J 2/52, опубликован 25.06.2013) включающая солнечную панель, к двум концам которой через шарнирное соединение прикреплены подвижные рамы ножничного типа, снабженные независимым средством привода и установленные на неподвижном основании, а также блок управления. Слежение за Солнцем обеспечивается подъемом или опусканием концов солнечной панели при подаче соответствующих сигналов от блока управления.
Недостатком известной установки является сложная система привода, состоящая из большого числа подвижных элементов, что снижает долговечность и надежность работы устройства. Из-за особенностей конструкции установки часть времени в утренние и вечерние часы устройство не в состоянии следить за Солнцем, что приводит к снижению эффективности системы.
Известен способ ориентации установки слежения за Солнцем (см. заявка WO 2016193612, МПК F24J 2/40; F24J 2/54 опубликован 08.12.2016), который включает наблюдение за изменением во времени облачного покрова, определение изменения во времени оптимального угла наклона установки, на основе наблюдаемого облачного покрова, прогнозирование будущего изменения облачного покрова на основе ранее наблюдаемого изменения облачного покрова, расчет будущего изменения оптимального угла наклона установки на основе прогноза будущего изменения облачного покрова, управление ориентацией установки на основе более раннего изменения оптимального угла наклона и на основе будущего изменения оптимального угла наклона.
Недостатками известного способа ориентации установки слежения за Солнцем являются недостаточное для эффективного использования солнечного излучения управление только по одной оси, а также дополнительный расход электроэнергии из-за избыточного движения установки в условиях облачности.
Известна установка слежения за Солнцем (см. патент RU 2354896, МПК F24J 2/42, опубликован 10.05.2007), содержащая подсистему азимутального вращения и подсистему зенитального вращения. Подсистема азимутального вращения выполнена в виде неподвижного основания с трубой, на которую с помощью конического подшипника навешена вторая труба большего диаметра. Нижний конец этой трубы заканчивается двуплечим рычагом, на одном конце которого закреплен первый редуктор на валу первого привода. Ведомой шестерней первого редуктора является горизонтальный диск с рифленой поверхностью, закрепленный на неподвижном основании. На верхнем конце трубы закреплена горизонтальная труба, на которой с возможностью вращения установлена подсистема зенитального вращения, выполненная в виде пространственной рамы с прикрепленными снизу к раме двумя вертикальными секторами с цепями по торцам, выполняющими функцию ведомой шестерни второго редуктора, закрепленного на валу второго привода. Для ограничения предельных углов в этой конструкции используют концевые выключатели, расположенные непосредственно как на горизонтальном диске, так и на вертикальном секторе.
Недостатком известной установки является необходимость изменения положения азимутальных и зенитальных выключателей. Другим недостатком являются большие предельные значения зенитального угла (до 90 угловых градусов), что приводит к большим затратам электроэнергии и быстрому износу зенитального электропривода.
Известен способ ориентации установки слежения за Солнцем (см. заявка WO 2017105171, МПК F24S 50/20, H02S 20/32, опубл. 22.06.2017), состоящей из регулируемой опорной конструкции, панели солнечных батарей, мобильного устройства, которое содержит акселерометр, магнитометр и приемник GPS, а также крепеж мобильного устройства, который установлен на солнечной панели, где мобильное устройство передачи данных выполняет процедуру, которая получает текущую широту и использует ее для вычисления правильного угла ориентации установки для максимизации среднего производства электроэнергии за год или за сезон, указывая оптимальное положение панели по направлению и наклону.
Недостатками известного способа ориентации установки слежения за Солнцем являются большая погрешность показаний магнитометра при наличии поблизости металлических конструкций и токопроводящих линий, а также невозможность определения точного положения Солнца, из-за отсутствия фоточувствительного элемента.
Известна установка слежения за Солнцем (см. патент US 9027545, МПК F24J 2/54, опубл. 12.05.2015), совпадающая с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Установка-прототип содержит промежуточную раму, снабженную первым приводом и установленную с возможностью вращения посредством первых цилиндрических шарниров на двух стойках, прикрепленных к основанию, раму солнечных панелей, снабженную вторым приводом и прикрепленную с возможностью вращения к промежуточной раме посредством опор со вторыми цилиндрическими шарнирами, и блок управления, входами соединенный интерфейсами со спутниковой системой навигации, электронным высотомером и электронным компасом, а первым и вторым выходами подключенный соответственно к первому и второму приводам. Оси первых цилиндрических шарниров лежат в плоскостях, ортогональных осям вторых цилиндрических шарниров.
Недостатком известной установки слежения за Солнцем является усложненная система управления движением промежуточной рамы и рамы солнечных панелей, приводящая к большому углу поворота солнечных панелей в плоскости эклиптики, что создает повышенный расход энергии при слежении за Солнцем.
Известен способ ориентации установки слежения за Солнцем (см. патент US 9027545, МПК F24J 2/54, опубл. 12.05.2015), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип ориентации установки слежения за Солнцем содержит промежуточную раму, установленную с возможностью вращения посредством первых цилиндрических шарниров, и раму солнечных панелей, прикрепленную с возможностью вращения к промежуточной раме посредством опор со вторыми цилиндрическими шарнирами, оси которых и оси первых цилиндрических шарниров лежат в ортогональных плоскостях, характеризующийся тем, что определяют направления сторон света в месте расположения установки на местности и оси первых цилиндрических шарниров промежуточной рамы устанавливают в направлении восток-запад.
Недостатком известного способа ориентации установки слежения за Солнцем значительная величина угла поворота установки в направлении, перпендикулярном плоскости эклиптики, что приводит к повышенному потреблению электроэнергии и сокращению срока службы установки.
Задачей настоящего изобретения являлась разработка установки слежения за Солнцем и способа ее ориентации, которые бы требовали меньшего потребления электроэнергии и обеспечивали бы увеличение срока службы установки.
Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.
В части устройства поставленная задача решается тем, что установка слежения за Солнцем включает промежуточную раму, снабженную первым приводом и установленную с возможностью вращения посредством первых цилиндрических шарниров на двух стойках, прикрепленных к основанию, раму солнечных панелей, снабженную вторым приводом и прикрепленную с возможностью вращения к промежуточной раме посредством опоры со вторым цилиндрическим шарниром, ось которого лежит в плоскости, ортогональной осям первых цилиндрических шарниров, и блок управления, подключенный первым и вторым выходами соответственно к первому и второму приводам. Новым в установке является то, что промежуточная рама выполнена в виде круглой цилиндрической балки, служащей осью второго цилиндрического шарнира опоры, рама солнечных панелей прикреплена к опоре посредством первого цилиндрического шарнира и снабжена первым оптическим солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца в плоскости эклиптики, и вторым солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца в плоскости, проходящей через ось Земли и место локализации установки, а одна из стоек снабжена механизмом ее вертикального возвратно-поступательного перемещения. Первый и второй оптические солнечные датчики соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления.
Механизм вертикального возвратно-поступательного перемещения стойки может быть выполнен в виде верхнего и нижнего фланцев, соединенных резьбовыми штангами с гайками, при этом верхний фланец закреплен на нижнем конце стойки, а нижний фланец закреплен на основании.
Первый оптический солнечный датчик может быть выполнен в виде двух фотодетекторов, разделенных вертикальным экраном.
Второй оптический солнечный датчик может быть выполнен в виде двух фотодетекторов, разделенных горизонтальным экраном.
Снабжение одной из стоек механизмом ее вертикального возвратно-поступательного перемещения позволяет устанавливать промежуточную раму в виде круглой цилиндрической балки под углом, равным географической широте места размещения установки. Такое расположение промежуточной рамы обеспечивает слежение за Солнцем в течение дня, которое осуществляется по сигналу первого оптического солнечного датчика вращением опоры рамы солнечных панелей с постоянной скоростью, что сводит к минимуму количество стартов и остановок системы, во время которых происходит повышенный износ механических частей привода и повышенное энергопотребление, и вращением рамы солнечных панелей вокруг оси первого шарнира осуществлять по сигналу второго оптического солнечного датчика со средним угловым диапазоном вращения, равным 0,26 углового градуса в сутки, что снижает энергопотребление установки.
В части способа поставленная задача решается тем, что способ ориентации установки слежения за Солнцем, содержащей промежуточную раму в виде круглой цилиндрической балки, установленную с возможностью вращения посредством первых цилиндрических шарниров, и раму солнечных панелей, прикрепленную с возможностью вращения к промежуточной раме посредством опоры с первым и вторым цилиндрическими шарнирами, у которых оси лежат в ортогональных плоскостях, заключающийся в том, что определяют направления сторон света в месте расположения установки на местности и оси первых цилиндрических шарниров промежуточной рамы устанавливают в направлении восток-запад. Новым в способе является то, что промежуточную раму в виде круглой цилиндрической балки устанавливают под углом к горизонтали, равным географической широте места расположения установки.
Способ ориентации описанной выше установки позволяет слежение за Солнцем в течение дня производить вращением опоры рамы солнечных панелей с постоянной скоростью, что сводит к минимуму количество стартов и остановок системы, во время которых происходит повышенный износ механических частей привода и повышенное энергопотребление, а движение рамы солнечных панелей вокруг оси первого шарнира осуществлять только несколько раз, благодаря малой скорости изменения ее угла наклона - 23,45° за 90 дней.
Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 показан вид установки слежения за Солнцем по направлению с востока на запад с установленными солнечными панелями;
на фиг. 2 показан вид установки слежения за Солнцем по направлению с юга на север со снятыми солнечными панелями;
на фиг. 3 показан вид устройства сверху с юго-востока на северо-запад со снятыми солнечными панелями.
Установка слежения за Солнцем (фиг. 1 - фиг. 3) включает промежуточную раму в виде круглой цилиндрической балки 1, устанавливаемую по направлению юг-север, один конец балки 1 закреплен через первый цилиндрический шарнир 2 на стойке 3, нижний торец которой зафиксирован на неподвижном основании 4, другой конец балки 1 закреплен через первый цилиндрический шарнир 5 на стойке 6, закрепленной на основании 4 через механизм 8 вертикального возвратно-поступательного перемещения стойки 6, причем высоту механизма 8 устанавливают таким образом, чтобы балка 1 была наклонена под углом к горизонту, равным географической широте места расположения установки. Механизм 8 выполнен в виде верхнего фланца 9 и нижнего фланца 10, соединенных резьбовыми штангами 11 с гайками 12 (фиг. 3), при этом верхний фланец 9 (фиг. 1) закреплен на нижнем конце стойки 6, а нижний фланец 10 закреплен на основании 4. Рама 13 солнечных панелей 14 и 15 прикреплена с возможностью вращения посредством первого цилиндрического шарнира 16 к опоре 17. Опора 17, в свою очередь, прикреплена с возможностью вращения к промежуточной раме в виде балки 1 посредством второго цилиндрического шарнира 18, осью которого является балка 1. Ось второго цилиндрического шарнира 18 лежит в плоскости, ортогональной осям первых цилиндрических шарниров 2, 5 и 16. Балка 1 снабжена первым приводом 19 для вращения опоры 17 вокруг оси 20 балки 1 с диапазоном вращения +/-180 градусов. Рама 13 снабжена вторым приводом 21 для ее вращения вокруг оси 22 со средним угловым диапазоном вращения равным 0,26 углового градуса в сутки. Максимальный угол поворота рамы 13 вокруг оси 22 составляет ±23,45 угловых градусов. «Нулевой» угол и максимальная скорость вращения рамы 13 имеют место в дни весеннего и осеннего равноденствия, когда центр Солнца в своем видимом движении по эклиптике пересекает небесный экватор. В этом положении плоскость солнечных панелей 14 и 15 находится под углом к горизонту, равным широте места расположения установки. Изменение углового положения рамы 13 на 23,45 угловых градусов происходит за 90 суток. При этом максимальный разворот рамы 13 на 23,45 угловых градусов имеет место в дни летнего и зимнего солнцестояния. Такая величина изменения наклона солнечных панелей 14 и 15 позволяет скомпенсировать годовое изменения угла наклона оси Земли на ±23,45 угловых градуса по отношению к Солнцу и поддерживать положение плоскости солнечных панелей 14 и 15 перпендикулярным к направлению на Солнце в течение светового дня при вращении опоры 17 с угловой скоростью равной одному обороту в сутки. Малая величина скорости вращения рамы 13 (в среднем 0,26 углового градуса в сутки) обеспечивает экономию электроэнергии и увеличение ресурса работы установки. На раме 13 установлены: первый оптический солнечный датчик 23 и второй оптический солнечный датчик 24. Датчик 23 выполнен чувствительным к смещению Солнца на небосводе в плоскости эклиптики, сигнал от датчика 23 запускает первым привод 19. Первый оптический солнечный датчик 23 может быть выполнен, например, в виде двух фотодетекторов, разделенных вертикальным экраном. Датчик 24, запускающий привод 21, выполнен чувствительным к смещению Солнца в плоскости, проходящей через ось Земли и место расположения установки. Оптический солнечный датчик 24 может быть выполнен, например, в виде двух фотодетекторов, разделенных горизонтальным экраном. На опоре 17 установлен блок 25 управления, подключенный первым и вторым выходами соответственно к первому приводу 19 и второму приводу 21. Первый и второй оптические солнечные датчики 23, 24 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 25 управления.
При восходе Солнца по сигналу оптического солнечного датчика 23 блок 25 управления включает первый привода 19 вращения опоры 17, разворачивая ее в положение, при котором фоточувствительная фронтальная поверхность солнечных панелей 14 и 15 перпендикулярна направлению на Солнце. При угловом диапазоне вращения опоры 17 в течение светового дня, установленном равным одному обороту в сутки, обеспечивается отслеживание положения Солнца на небосводе даже в моменты затенения Солнца облаками. Для компенсации смещения солнечного диска на небосводе в плоскости, проходящей через ось Земли и место расположения установки, рама 13 вторым приводом 21 вращается вокруг оси 22 со средним угловым диапазоном вращения равным 0,26 углового градуса в сутки. Необходимая точность слежения за Солнцем составляет 0,15 углового градуса, что соответствует смещению солнечного диска на небосводе на угол, равный 30% углового размера солнечного диска на небосводе. Для обеспечения заданной точности слежения за Солнцем необходимо в среднем только однократное срабатывание датчика 21 в течение 12-ти часового солнечного дня. При этом наибольшая частота срабатывания датчика 21 имеет место в дни весеннего и осеннего равноденствия. В момент захода Солнца за горизонт первый привод 19 по сигналу блока 25 переводит положение опоры 17 в режим «ночного сна». При этом «ночной» уход солнечного диска на небосводе в направлении, перпендикулярном плоскости эклиптики, составляет в среднем всего 0,13 углового градуса.
а
Способ ориентации установки слежения за Солнцем, содержащей промежуточную раму в виде круглой цилиндрической балки 1, установленную с возможностью вращения посредством первых цилиндрических шарниров 2, 5 и раму 13 солнечных панелей, прикрепленную с возможностью вращения к балке 1 посредством опоры 7 с первым и вторым цилиндрическими шарнирами 16 и 18, у которых оси лежат в ортогональных плоскостях, заключается в следующем. Определяют направления сторон света в месте расположения установки на местности. Основание 4 устанавливают так, чтобы оси первых цилиндрических шарниров 2, 5 стоек 3, 6 были расположены в направлении восток-запад. Определяют широту расположения установки (например, она равна N градусов северной широты). Высоту стойки 6 регулируют с помощью резьбовых штанг 11 таким образом, чтобы круглая цилиндрическая балка 1, направленная на север, располагалась под углом =N к горизонту.
Пример 1. Место локализации установки слежения за Солнцем - район города Ялта, расположенный на широте 44°30' к горизонту. Круглую цилиндрическую балку установки слежения за Солнцем устанавливают в направлении юг-север под углом 44°30' к горизонту. Такое расположение балки обеспечивает ее примерную параллельность оси Земли. Установка расположена на южном склоне крыши здания, имеющем наклон около 45 угловых градусов к горизонту. При таком расположении балки обеспечивается ее примерная параллельность крыше здания, что хорошо с точки зрения архитектуры, улучшает аэродинамические характеристики солнечной установки, снижая ветровую нагрузку на раму с солнечными панелями, тем самым улучшая точность слежения за Солнцем.
Пример 2. Место локализации установки слежения за Солнцем - южный склон возвышенности, расположенный в районе Сочи на широте 43° северной широты. Круглую цилиндрическую балку установки слежения за Солнцем располагают по направлению юг-север под углом 43° к горизонту на южном склоне возвышенности, имеющем уклон под углом порядка 40 угловых градусов к горизонту, что обеспечивает параллельность балки подстилающей поверхности. Такое место расположения установки уменьшает ветровую нагрузку на раму с солнечными панелями, увеличивая точность слежения за Солнцем, уменьшает потребление электроэнергии приводом и позволяет использовать землю, непригодную для ведения сельскохозяйственной деятельности, что, в свою очередь, обеспечивает снижение стоимости солнечной электроэнергии.
Таким образом, настоящая установка слежения за Солнцем характеризуется значительным уменьшением ежедневного необходимого смещения положения солнечных панелей в направлении, перпендикулярном плоскости эклиптики, что способствует улучшению точности отслеживания положения Солнца, снижению необходимой мощности и потребления электроэнергии системой слежения за Солнцем и увеличению надежности и ресурса работы установки.