МОБИЛЬНАЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ

Техническое решение относится к области генерации электрической энергии с использованием фотоэлектрических батарей путем прямого преобразования солнечного света в электрическую энергию, и в частности - к фотоэлектрическим станциям, содержащим гибкие фотоэлектрические солнечные модули, и может быть использовано в качестве переносных систем энергообеспечения, а также в качестве складных мобильных источников энергии, таких как автономные системы электроснабжения малой мощности (до 6 кВт).
К таким системам относятся, как правило, потребители, не имеющие подключения к централизованному электроснабжению:
- Коммуникационные системы (ретрансляторы, мобильные радиосистемы, телефонные сети, автономные системы контроля и управления).
- Сигнальные устройства (системы сигнальных навигационных огней на реках или в море, огней безопасности, устанавливаемых на высотных сооружениях, на железнодорожных путях, автомобильных дорогах).
- Системы удаленного мониторинга (мобильные установки, обеспечивающие питание автономных метеостанций, станций автономного контроля температуры и уровня воды, контроля уровня загрязнения воздуха вблизи промышленных предприятий).
- Системы временного энергоснабжения (обеспечение питания экспедиций в удаленные места, обеспечение электроснабжения в местах стихийных бедствий или временной хозяйственной деятельности).
В тоже время эксплуатация таких систем должна предусматривать удобство эксплуатации и оперативного ремонта в случае технических поломок системы (в частности, возможность простого и оперативного монтажа/демонтажа.
Предлагаемое техническое решение предназначено для использования в составе быстромонтируемых и демонтируемых мобильных фотоэлектрических станций и позволяет облегчить сборку и монтаж таких станций, сохраняя их функциональные возможности.
Известно мобильное фотоэлектрическое зарядное устройство, включающее разборный каркас из горизонтальных и вертикальных полых стоек, и комплект из четырех раскладных фотоэлектрических панелей (солнечных модулей), каждая из которых представляет собой тканевую сумку с шестью карманами, в которые вставлены фотоэлектрические модули.
Карманы сумки оснащены вшитыми металлическими стержнями, которые имеют возможность свободно перемещаться по направляющим канавкам в вертикальных стойках каркаса. Сами модули выполнены на основе фотопреобразователей из аморфного кремния, заламинированных в полимерный пакет, в конструкции которого предусмотрена расположенная с обратной стороны пакета жесткая подложка [1].
Данная конструкция обеспечивает, прежде всего, решение таких задач, как удобство при транспортирования и хранении зарядного устройства.
Однако указанная конструкция имеет существенный недостаток -низкую устойчивость к ветровым нагрузкам (воздушным потокам скоростью более 5 м/с в направлении, перпендикулярном поверхности раскладных фотоэлектрических панелей).
Этот недостаток особенно заметен при расположении устройства на открытых участках местности.
Известна конструкция фотоэлектрической станции, содержащая фотоэлектрические солнечные модули со стеклянным покрытием, закрепленные на металлической или углепластиковой раме. Такая рама является жестким каркасом, который крепится к опорной конструкции, укрепленной в земле или на других поверхностям, обеспечивающей устойчивость всей станции к ветровым нагрузкам и осадкам [2].
В основном такие конструкции применяются к стационарным фотоэлектрическим станциям, эксплуатация которых рассчитана на многие годы.
В случае мобильных систем, применение которых является периодическим, а сами системы должны переводиться в транспортное положение для перемещения в другое местоположение, также возможно применение указанных выше конструкций, однако в этом случае мощность фотоэлектрической станции ограничена по объемным характеристикам транспортного средства и большим весом солнечных модулей.
Наиболее приемлемыми для мобильных систем являются гибкие солнечные модули, которые обладают существенно меньшим весом и не заключаются в раму. Для крепления такие модули содержат либо металлические люверсы, либо встроенные в ламинат металлические полосы с отверстиями [3]. Крепление на каркас таких модулей осуществляется любыми гибкими элементами (веревка, трос) или жесткими приспособлениями (скобы, крючки и т.п.).
Недостатком таких решений является большая трудоемкость и большие затраты времени на проведение монтажных и демонтажных работ, что в некоторых случаях является критическим фактором.
Известна конструкция фотоэлектрической станции, содержащая вертикальную цилиндрическую раму с механизмом вращения на своей вершине, и фотоэлектрические солнечные модули в виде множества пластинчатых фотоэлектрических панелей, которые установлены с возможностью вращения на общей оси рамы и которые могут находиться в раскрытом положении в виде «лепестка» и в сложенном положении в виде пакета, в котором панели расположены друг над другом [4].
Указанная конструкция снабжена устройством слежения за положением солнца, и может изменять площадь соляризации модулей за счет полного или частичного сворачивания панелей - «лепестков», и это может быть эффективно использовано для снижения повышенных ветровых нагрузок на плоскость развернутых панелей станции.
К недостаткам указанной конструкции следует отнести значительный вес конструкции, а также чрезмерную сложность как самой конструкции, так и условий ее эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением является фотоэлектрическая станция с функцией самоочистки солнечных модулей [5].
Фотоэлектрическая станция по этому изобретению содержит гибкие солнечные модули с перфорированными вставками, которые подвешиваются к металлической раме с использованием пружин, что обеспечивает самоочистку модулей в процессе эксплуатации от снежного покрова и корки льда за счет вибрации под воздействием ветровых нагрузок.
Недостатком этого технического решения является сложность монтажа и демонтажа, поскольку приходится крепить каждый модуль с использованием отдельных пружин, к тому же подверженных постоянному атмосферному воздействию. Если применять такую конструкцию к мобильным системам, то вероятность поломки или утери пружин становится очень высокой, а монтаж в условиях плохой погоды мобильной фотоэлектрической станции становится очень затруднительным.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является облегчение монтажа и демонтажа мобильных фотоэлектрических станций, состоящих из гибких солнечных модулей, с сохранением возможности самоочистки от снега и корки льда.
Указанная цель достигается тем, что в фотоэлектрической станции, включающей составленный из верхней и нижней горизонтальных полых труб и боковых вертикальных полых труб металлический каркас и подвешенные к каркасу гибкие солнечные модули, характеризующейся тем, что горизонтальные трубы каркаса содержат крепежные элементы для фиксации модулей, а вертикальные трубы каркаса представляют собой вставленные друг в друга трубы, разделенные пружиной, и имеющие фиксаторы для предотвращения самопроизвольного разделения конструкции каркаса.
Полезная модель поясняется рисунком (фиг. 1), на котором представлен общий вид и отдельные элементы заявляемой конструкции, где:
1- верхняя горизонтальная труба каркаса;
2- нижняя горизонтальная труба каркаса;
3- боковая вертикальная труба каркаса;
3а - верхняя часть боковой вертикальной трубы каркаса;
3б - нижняя часть боковой вертикальной трубы каркаса;
4- фиксирующие элементы каркаса;
5- солнечный модуль;
6- перфорированные металлические пластины солнечного модуля;
7- пружина;
8- перфорированные отверстия в металлической пластине.
Прямоугольный металлический каркас фотоэлектрической станции представляет собой скрепленные между собой верхнюю горизонтальную трубу (1), нижнюю горизонтальную трубу (2) и боковые вертикальные трубы (3), состоящие из верхней (3а) и нижней (3б) частей. Верхняя горизонтальная труба (1) и нижняя горизонтальная труба (2) оснащены фиксирующими элементами (4) в виде грибовидных или другого типа крючков, на которые навешиваются солнечные модули (5), имеющие в своем составе закладные перфорированные металлические пластины (6).
Вертикальные трубы каркаса (3) выполнены из вставленных одна в другую верхней (3а) и нижней (3б) частей боковых вертикальных труб, разделенных пружиной (7), которая фиксируется к плоскому основанию верхней части (3а) боковых вертикальных труб (3). Расстояние между крючками (4) на верхней и нижней трубе каркаса выбирают таким образом, чтобы оно равнялось расстоянию между перфорированными отверстиями (8) в солнечном модуле при распрямленной пружине (7).
Сборка фотоэлектрической станции осуществляется следующим образом: верхняя часть каркаса, включающая верхнюю горизонтальную трубу (1) и скрепленные с ней верхние части (3а) боковых вертикальных труб вставляют в нижнюю часть каркаса, включающую нижнюю горизонтальную трубу (2) и скрепленные с ней нижние части (3б) боковых вертикальных труб. Затем осуществляют навешивание солнечных модулей (5) на верхнюю горизонтальную трубу (1) каркаса. Каркас сжимается, что позволяет закрепить вторую (нижнюю) перфорированную планку (6) солнечных модулей (5) на крючках противоположной стороны каркаса, расположенных на нижней горизонтальной трубе (2). Пружина (7) освобождается и натягивает солнечные модули (5) между верхней и нижней частями каркаса.
При воздействии ветра на поверхность модулей они прогибаются за счет сжатия пружины внутри каркаса, что позволяет конструкции работать на удаление снега и ледяной корки так же, как если бы солнечные модули были подвешены непосредственно через пружины к верхней и нижней трубам каркаса.
Такая конструкция каркаса позволяет перемещать фотоэлектрическую станцию без разборки каркаса, разместив на каркасе сразу несколько солнечных модулей. При разборке фотоэлектрической станции не требуется отсоединять пружины и хранить их отдельно. Также предотвращается возможность потери пружин при монтаже и демонтаже.
Были проведены испытания фотоэлектрической станции по настоящему техническому решению в сравнении с фотоэлектрической станцией по прототипу [4], использующей для подвеса солнечных модулей на каркасе пружинные подвесы.
Результаты испытаний показали, что время, затрачиваемое на монтаж/демонтаж одного фотоэлектрического солнечного модуля при пружинном варианте подвеса модуля на каркасе более чем в 10 раз превышает время, затрачиваемое на монтаж/демонтаж модуля, имеющего элементы фиксации по заявляемому техническому решению.
При испытаниях оценивалась и устойчивость модулей фотоэлектрических станций к ветровым нагрузкам. Фотоэлектрическая станция по заявляемому техническому решению выдерживала ветровую нагрузку более 5 м/с (с локальными порывами ветра до 20 м/с) в течение 5 часов, тогда как в фотоэлектрической станции по прототипу уже при локальных порывах ветра, достигавших 10 м/с, наблюдался частичный срыв модулей с пружинного подвеса.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование для фиксации гибких солнечных модулей на металлическом каркасе пружинящих крепежных элементов, представляющих собой вставленные друг в друга трубы, разделенные пружиной, и имеющие фиксаторы для предотвращения самопроизвольного разделения конструкции каркаса.
Источники информации
1. Патент РФ №2548154 от 10.06.2013 г.
2. Солнечные фотоэлектрические станции (обзор от 03.02.2020 г.);
- URL: https://metallurgist.pro/solnechnye-fotoelektricheskie-stantsii/.
3. Патент РФ №178429 от 21.08.2017 г.
4. Патент РФ №2652095 от 20.01.2014 г.
5. Патент РФ №2558398 от 02.12.2013 г. - прототип.