УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

Полезная модель относится к системам автоматического регулирования, поддерживающим ориентацию солнечных батарей, и может быть использована в системах автономного электроснабжения на основе фотоэлектрических модулей для увеличения эффективности преобразования солнечного света в электроэнергию.
Известна автономная система электроснабжения на основе солнечной фотоэлектрической установки [патент РФ №2479910, кл. H02J 7/35, F24J 2/00, H01L 31/00, 14.10.2011], содержащая замкнутую цепь из последовательно соединенных солнечной фотоэлектрической установки, контроллера заряда-разряда, блока аккумуляторных батарей, инвертора, блока сбора и обработки данных, потребителя мощности. Система электроснабжения приводов слежения за Солнцем представляет замкнутую цепь из последовательно соединенных солнечной фотоэлектрической установки, контроллера заряда-разряда, блока аккумуляторных батарей, блока управления системой электропитания двигателей, блоков питания и управления приводов двигателей, двигателей слежения за положением Солнца в азимутальной и зенитальной плоскостях.
Основным недостатком такой конструкции является малая энергоэффективность из-за наличия второго электродвигателя зенитального поворота солнечной батареи, на один из которых действует увеличенная нагрузка из-за наличия рычага, удерживающего солнечную батарею.
Известна солнечная энергоустановка [патент РФ №2459156, кл. F24J 2/40, 06.12.2010], система слежения которой включает компактный фотоэлектрический датчик положения Солнца, состоящий из каркаса в форме прямой трехгранной призмы, на двух боковых гранях которой размещены фотоэлементы слежения за Солнцем, а на третьей грани установлен командный фотоэлемент разворота модулей с запада на восток. В течение светового дня фотоэлементы слежения на гранях датчика выдают командные сигналы для блока управления приводом азимутального поворота солнечного модуля, который при этом разворачивается в направлении солнца с помощью вала.
Известна также солнечная энергоустановка [патент РФ №2548244, кл. F24J 2/54, 06.05.2013], содержащая принимающую солнечную энергию плоскость, систему управления приводами азимутального и зенитального поворотов плоскости и разворота ее с запада на восток, валы приводов, систему слежения за Солнцем. Система слежения включает в себя два фотоэлектрических модуля, закрепленных на выносной платформе, которая установлена параллельно принимающей солнечную энергию плоскости энергоустановки. Первый фотоэлектрический модуль представляет собой датчик положения Солнца по азимуту, в конструкции которого размещены два фотоэлемента слежения за Солнцем и командный фотоэлемент разворота принимающей солнечную энергию плоскости солнечной энергоустановки с запада на восток. Второй фотоэлектрический модуль представляет собой датчик положения Солнца по зениту, содержащий два фотоэлемента слежения за Солнцем.
Известно поворотное устройство для солнечного энергомодуля [патент РФ №2381426, кл. F24J 2/54, 25.10.2007], в конструкцию которого введен датчик освещенности, устройство обработки сигнала и электронный таймер, причем датчик освещенности включает в себя два фотодиода, закрепленных на несущей пластине, установленной параллельно плоскости солнечной батареи, и отражатель, представляющий собой пластину с белой матовой поверхностью, установленную параллельно оси вращения батареи и перпендикулярно ее плоскости таким образом, чтобы не попадать в тень батареи при любом положении Солнца.
Недостатком таких конструкций является наличие активного датчика слежения за Солнцем, что уменьшает надежность системы, в связи с возможностью его загрязнения. Также возможна нестабильная работа в пасмурную погоду или при затенении окружающими предметами.
Известна установка для ориентации фотоэлектрической батареи на Солнце [патент РФ №2377474, кл. F24J 2/54, 27.12.2009], содержащая платформу, на которой размещена прямоугольная консоль для закрепления фотоэлектрической батареи и система слежения за Солнцем, включающая подсистему азимутального вращения и подсистему зенитального вращения, платформа выполнена в виде пространственной рамы, подсистема азимутального вращения выполнена в виде горизонтального кольцевого основания, опирающегося, по меньшей мере, на три разнесенных по окружности ролика, закрепленных на платформе, по меньшей мере, один из которых является ведущим роликом с приводом, а подсистема зенитального вращения и прямоугольная консоль для закрепления фотоэлектрической батареи установлены с возможностью вращения в вертикальной плоскости на горизонтальной оси, закрепленной на вершине пирамидальной рамы, прикрепленной к горизонтальному кольцевому основанию.
Недостатком вышеописанного аналога является большая занимаемая площадь и сложность конструкции.
Наиболее близкой к предлагаемой конструкции является устройство для автоматической ориентации солнечных батарей [патент РФ №2516511, кл. G05D 13/00, G05B 13/00, 05.12.2011], содержащее систему автоматического регулирования, состоящую из солнечной батареи, датчика обратной связи и электромеханического привода.
Описанное устройство принято за прототип полезной модели.
Недостатки прототипа:
- сложность изготовления и настройки устройства из-за наличия концевых и путевого выключателей, активных фотодатчиков и второго электропривода;
- малая энергоэффективность из-за наличия второго электродвигателя зенитального поворота солнечной батареи;
- малая надежность из-за наличия датчиков освещенности, загрязнение или запыление которых приводят к нарушению правильной работы системы слежения за Солнцем.
Задачи полезной модели:
- упрощение конструкции устройства автоматической ориентации солнечных батарей;
- повышение вероятности безотказной работы устройства.
Технический результат - повышение энергоэффективности фотоэлектрического преобразования энергии при наименьшем расходе электроэнергии на осуществление поворота солнечных батарей.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство для автоматической ориентации солнечных батарей, содержащее систему автоматического регулирования, состоящую из солнечной батареи, датчика обратной связи и электромеханического привода, согласно полезной модели на неподвижной раме, на которую при помощи шарниров, имеющих две степени свободы поворотного движения, напрямую и через регулируемую опору, имеющую отверстия по всей длине, закреплена вспомогательная подвижная рама, на которой установлена, по крайней мере, одна солнечная батарея, причем в качестве электромеханического привода для поворота подвижной рамы использован линейный актуатор, закрепленный с одной стороны шарниром, имеющим две степени свободы поворотного движения, к тыльной стороне подвижной рамы, а с другой гибким соединением к неподвижной раме, система автоматического регулирования выполнена в виде блока управления на основе микроконтроллера, кроме того, имеет систему обратной связи на основе датчика положения линейного актуатора и солнечной батареи, одновременно выполняющую функцию датчика освещенности, при этом регулируемая опора, имеющая первый конец и второй конец, закреплена первым концом при помощи шарнира, имеющего две степени свободы поворотного движения, к тыльной стороне подвижной рамы и вторым концом разъемным соединением через одно из отверстий - к неподвижной раме.
Кроме того, датчик положения может быть выполнен в виде инкрементного энкодера.
Кроме того, устройство может содержать параллельно две и более солнечные батареи.
Кроме того, устройство может иметь блок резервного питания электродвигателя линейного актуатора.
Кроме того, на регулируемой опоре может быть закреплена стойка для птиц.
Упрощение конструкции достигается путем уменьшения активных узлов системы слежения за Солнцем: отсутствуют датчики для определения положения Солнца относительно установки, и используется один механический привод. Рама выполнена без использования различных роликов, колес и ременных передач.
Существо полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен общий вид устройства.
Устройство состоит из неподвижной рамы 1 на которой при помощи шарниров 2, 3 и 4, имеющих две степени свободы поворотного движения, закреплена вспомогательная подвижная рама 5 с установенной на ней солнечной батареей, электрически связанной с блоком управления 6, линейным актуатором 7 и схемой заряда аккумуляторных батарей солнечной электростанции. Для обеспечения подвижности линейный актуатор 7 закреплен гибким соединением 8 к раме и шарниром 3 к тыльной стороне подвижной рамы 5. В линейном актуаторе 7 установлен датчик положения, который на чертеже не показан. Регулируемая опора 9 закреплена разъемным соединением 10 к неподвижной раме 1 и шарниром 2 к тыльной стороне подвижной рамы. Электромеханический привод для изменения азимутального угла подвижной рамы 5 выполнен в виде линейного актуатора 7. Регулируемая опора 9, имеющая отверстия по всей длине, предназначена для ручного изменения и фиксирования разъемным соединением зенитального угла подвижной рамы 5.
Устройство работает следующим образом. Солнечная батарея одновременно с преобразованием солнечного света в электроэнергию работают и в качестве датчика освещенности. Блок управления 6 на основе микроконтроллера имеет в составе настраиваемые часы реального времени. Перед вводом устройства в эксплуатацию проводят необходимую настройку основных параметров, на основе которых микроконтроллер проводит вычисления даты, времени и географических координат места установки устройства. Через определенные настраиваемые промежутки времени микроконтроллер проводит вычисление значения угла, на который необходимо повернуть подвижную раму 5, и затем, при необходимости, подает сигнал на включение линейного актуатора 7. В качестве обратной связи выступает датчик положения, установленный в линейном актуаторе 7. При условии освещенности солнечной батареи линейный актуатор 7 поворачивает подвижную раму 5 по азимуту в сторону Солнца каждые 30 мин. При отсутствии необходимого уровня освещенности поворот подвижной рамы 5 осуществляется четыре раза в день в крайние и среднее положения. Это необходимо для исключения ошибки определения освещенности в пасмурные дни и в случаях, когда солнечные лучи не освещают лицевую поверхность солнечной батареи. Для учета сезонных изменений зенитного угла Солнца по всей длине регулируемой опоры 9 имеются отверстия для крепления к неподвижной раме 1. Оперативный персонал при плановых осмотрах или ремонтах устанавливает регулируемую опору 9 на указанную в инструкции высоту. Также для учета изменения длины от гибкого крепления 8 линейного актуатора 7 до подвижной рамы 5 при изменении высоты регулируемой опоры 9 на неподвижной раме 1 имеются отверстия.
Итак, заявляемая полезная модель позволяет упростить конструкцию, повысить энергоэффективность и надежность системы слежения за Солнцем.