ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ

Техническое решение относится к области солнечной энергетики, в частности к фотоэлектрическим станциям, содержащим гибкие фотоэлектрические 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 имеющих 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).
- Водонасосные установки (автономные системы, применяемые для подъема питьевой воды из скважин и колодцев, для ирригационных целей в сельском хозяйстве).
Поскольку такие системы подвержены повышенному воздействию климатических факторов (особенно ветровым нагрузкам), их, как правило, дополнительно оснащают крепежными элементами, обеспечивающими надежную фиксацию модулей на несущем каркасе (раме).
В тоже время эксплуатация таких систем должна предусматривать удобство эксплуатации и оперативного ремонта в случае технических поломок системы (в частности, возможность простого и оперативного демонтажа фотоэлектрических модулей).
Известна конструкция солнечной фотоэлектрической станции, содержащей фотоэлектрические модули и опорную конструкцию, отличающаяся тем, что опорная конструкция выполнена в виде переносного сборно-разборного жилища, приближающегося к полусферической форме и представляющего собой каркас с натянутым на него полотном тента, при этом фотоэлектрические модули расположены на наружной поверхности тента и прикреплены к ней с помощью «липучек», при этом фотоэлектрические модули прикреплены таким образом, что их оси совмещены с ребрами жесткости каркаса [1].
Недостатком такой конструкции является невысокая надежность крепления модулей при использовании фиксирующих элементов на основе «липучек», особенно при ветровых нагрузках, действующих на отрыв модуля от плоскости фиксации.
Известна фотоэлектрическая станция, содержащая фотоэлектрические модули и опорную конструкцию (каркас), отличающаяся тем, что фотоприемная поверхность модулей выполнена гофрированной или имеет форму лент, натянутых между элементами каркаса, в которой все элементы, работающие на растяжение, выполнены в виде продольных и поперечных струн, а элементы, работающие на сжатие, выполнены из стержней, упирающихся одним концом в разжимной узел, а другим - в перекрестье продольных и поперечных струн, образую пространственную ферму, причем фотоэлектрические модули крепятся к продольным или поперечным струнам с помощью клиновых запоров, а модули ленточного типа пришнуровываются к струнам [2].
К недостаткам данной конструкции следует отнести:
- перегруженность вспомогательными конструктивными элементами (в частности элементами, регулирующими натяжение струн), существенно замедляющих процессы сборки и монтажа самой системы;
- усложненный процесс замены модуля (в случае использования крепления методом пришнуровывания).
Известна также фотоэлектрическая станция для морского применения, включающий раму (каркас), фотоэлектрический усиленный модуль, содержащий в качестве элемента усиления тонкий металлических лист толщиной ~3,0 мм с отверстиями, расположенный с обратной стороны модуля, причем отверстия упрочнены запрессованными в них металлическими полыми заклепками (люверсами), количество которых, как правило, не превышает 6 шт., а фиксация модуля на раме осуществляется резьбовыми элементами (гайками) на металлических шпильках, продетых через люверсы [3].
В последних моделях таких фотоэлектрических модулей в качестве элемента усиления используют более легкие алюминиевые сэндвич-панели.
К недостаткам подобной конструкции следует отнести повышенный вес модуля, обусловленный наличием в качестве элемента усиления металлического листа, и невозможность оперативного монтажа/демонтажа модуля вследствие повышенной жесткости крепления модулей винтовыми парами.
Также известна мобильная фотоэлектрическая станция, включающая разборный каркас из горизонтальных и вертикальных полых стоек, и комплект из четырех раскладных фотоэлектрических панелей, 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 [4].
Данная конструкция обеспечивает, прежде всего, решение таких задач, как удобство при транспортирования и хранении станции.
Однако конструкция имеет при этом существенный недостаток -низкую устойчивость к ветровым нагрузкам (воздушным потокам скоростью более 5 м/с в направлении, перпендикулярном поверхности раскладных фотоэлектрических панелей).
Наиболее близким к данному техническом у решению является фотоэлектрическая станция, включающая фотоэлектрический гибкий модуль, содержащий элементы усиления в виде перфорированной металлической ленты с отверстиями, раму в виде скрепленных между собой вертикальных и горизонтальных металлических труб и содержащих элементы фиксации модуля в виде пружин для подвеса модуля на раме [5].
Фотоэлектрические модули подвешиваются за элементы усиления на пружинах на раме. Элементы усиления модулей представляют собой металлическую ленту с отверстиями. Закрепление элементов усиления в плоскости модуля осуществляется методом ламинирования при процессе изготовления модуля.
За счет подвеса модулей на пружинах обеспечиваются постоянные колебания и возможность изгиба модулей одновременно в нескольких направлениях за счет упругих деформаций, что, прежде всего, увеличивает вероятность самоочистки поверхности модуля.
Основной недостаток, присущий указанному техническому решению - это невысокая надежность фиксации модулей на рамы и низкая оперативность при монтаже/демонтаже модулей.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является надежность фиксации модуля на раме при обеспечении возможности оперативного демонтажа модуля с рамы.
Это достигается за счет того, что в фотоэлектрической станции, включающей фотоэлектрический гибкий модуль, содержащий элементы усиления в виде перфорированной металлической полосы с отверстиями, раму в виде скрепленных между собой вертикальных и горизонтальных металлических труб и содержащих элементы фиксации модуля, характеризующейся тем, что в качестве элементов фиксации используют размещенные на вертикальных трубах металлические цилиндрические столбики, оснащенные шляпками в виде шарового сегмента, а модуль на раме располагают таким образом, что цилиндрические столбики оказываются продетым через отверстия элементов усиления модуля так, что шляпки столбиков оказываются расположенными над поверхностью модуля, причем фиксация модуля обеспечивается за счет продольного смещения располагаемого на столбиках замкового элемента, представляющего собой металлическую полосу с перфорацией в виде отверстий с продолговатым овальным вырезом.
Конструкция используемого в заявляемой полезной модели фотоэлектрического гибкого модуля с элементами усиления в виде заламинированной в структуру модуля перфорированной металлической ленты с отверстиями поясняется фиг. 1, где:
1 - верхняя несущая пленка;
2 - верхняя скрепляющая пленка;
3 - армирующий слой;
4 - промежуточная скрепляющая пленка;
5 - цепочки солнечных элементов;
6 - нижняя скрепляющая пленка;
7 - нижняя несущая пленка;
8 - элементы усиления модуля (перфорированные металлические ленты);
9 - отверстия ленты под элементы фиксации;
10 - технологические отверстия ленты.
Технология изготовления подобного модуля и обоснование размерных параметров элементов его конструкции подробно представлены в [6].
На монтажном столе раскладывают нижнюю несущую пленку 7 - пленку полиэтилентерефталата «PYE. На нее сверху укладывают нижнюю скрепляющую пленку 6 из полиэтиленметакрилата.
Поверх этого пакета укладывают распаянную цепочку солнечных элементов 5, а коммутирующие шины распаянной цепочки элементов выводят на обратную поверхность пленки 7 через просеченные в сформированном пакете отверстия диаметром 4÷5 мм.
Вдоль длинных кромок цепочки элементов 5 укладывают элементы усиления 8, представляющие собой отрезки металлической перфорированной ленты.
Поверх распаянной цепочки солнечных элементов 5 с уложенными двумя перфорированными металлическими лентами (усиливающими элементами) 8 последовательно укладывают промежуточную скрепляющую пленку 4, сверху - армирующий слой 3, представляющий собой сетку из стеклоткани с ячейкой 5×5 мм, образованными нитями толщиной 0,2÷0,3 мм, затем - верхнюю скрепляющую пленку 2, и завершают формирование пакета укладкой верхнего слоя несущей пленки 1.
Приготовленный таким образом пакет (слоистую заготовку) помещают в ламинатор, где происходит спекание заготовки пакета пленок (формирование ламината).
На заключительной стадии процесса формирования модуля осуществляют просечку ламината в местах расположения отверстий 9, в результате чего получают вдоль вертикальных сторон модуля цепочки сквозных отверстий 9.
Толщина изготовленного таким образом ламината (фотоэлектрического усиленного гибкого модуля) составляет около 4,0 мм, что определяется суммой толщин составляющих ламинат слоев (пленок):
- толщина верхней 1 и нижней 7 несущих пленок составляет суммарно ~0,6 мм;
- толщина верхней скрепляющей пленки 2 составляет ~0,4 мм. Аналогичную толщину (~0,4 мм) имеет промежуточная скрепляющая пленка 4;
- расположенные на нижней скрепляющей пленке 6 перфорированные ленты 8 толщиной 0,7 мм и сама пленка 6 (толщина 0,4 мм) дают суммарную толщину ~1,1 мм;
- толщина армирующей сетки 3 составляет ~1,0 мм, что определяется ее толщиной в узлах пересечения нитей сетки.
Перфорированная лента 8 сформирована вдоль вертикальных сторон модуля. Отверстия 9 ленты имеют диаметр 8,5 мм, отверстия 10 имеют диаметр 4 мм.
Отверстия 10 являются технологическим, и их наличие обуславливается только обеспечением более высокой надежности фиксации ленты нижней 6 и промежуточной 4 скрепляющими пленками.
Диаметр отверстий 9 ленты 8,5 мм выбран из соображений обеспечения крепления на элементах крепежа (цилиндрических металлический столбиках со шляпкой, диаметр которой чуть меньше диаметра отверстий в перфорированной ленте). Столбики, диаметр шляпки которых менее 8,5 мм, оказываются технологически неприемлемыми, т.к. не обеспечивают требуемую надежность фиксации модуля.
1
Лента имеет ширину L=20,0 мм (ширина выбрана из соображений минимизации использования полезной площади ленты с целью увеличения надежности фиксации ее плоскости скрепляющими пленками).
1
Ленте шириной L=20,0 мм соответствует толщина, равная 0,70 мм.
2
Шаг чередования L отверстий 9 в данных типах лент составляет 28,0 мм, что обеспечивает оптимальное количество чередующихся крепежных отверстий в модуле при ламинировании ленты.
Выбранные соотношения параметров перфорированной ленты (ширина, толщина, диаметры и расположение отверстий) являются стандартизованными величинами для используемой стальной ленты (модель CLP1M-LP-20-1, производитель - фирма «IEK», и модель ЛСП 20×0,7, производитель - фирма «ЮМА»).
Толщина изготовленного таким образом ламината (фотоэлектрического усиленного гибкого модуля) не превышает 4,0 мм.
Элементы узла фиксации и сам процесс фиксации такого гибкого модуля на раме поясняются фиг. 2, где:
11 - цилиндрические столбики;
12 - шляпка;
13 - вертикальная труба рамы;
14 - ламинат (фотоэлектрический модуль с элементами усиления);
15 - замковый элемент;
16 - отверстие замкового элемента;
17 - овальный вырез отверстия замкового элемента;
18 - гайка.
Металлические цилиндрические столбики 11, оснащенные шляпками 12 в виде шарового сегмента, размещаемые на вертикальных металлических трубах 13 рамы - это винты с полукруглой головкой (ГОСТ 1473-80) с резьбой М4 и длиной до 50 мм, закрепленные на раме 13 посредством ввинчивания в резьбовые отверстия, торцы которых закреплены гайками 18. Диаметр шляпки винта составляет соответственно 7,0 мм.
Фотоэлектрический модуль (ламинат) 14, конструкция которого предусматривает расположенные вдоль вертикальных сторон модуля элементы усиления 8 (фиг. 1), располагают на столбиках 11 так, что он оказывается надетым на столбики 11, и их шляпки 12 оказываются продетыми через отверстия 9 модуля.
Замковый элемент 15, представляющий собой металлическую полосу с отверстиями 16 с овальными вырезами 17, надвигают на столбики 11 так, что отверстия в ламинате 14 располагаются симметрично отверстиям 9 модуля. При небольшом вертикальном сдвиге замкового элемента 15 относительно плоскости модуля элементы 11 входят в овальный вырез 17 отверстия 16 замкового элемента, что обеспечивает фиксацию ленты между плоскостью модуля и шляпками 12.
Были проведены испытания фотоэлектрической станции по настоящему техническому решению в сравнении с фотоэлектрической станцией, использующей в качестве элементов фиксации модуля пружинный подвес [5].
Результаты испытаний показали, что время, затрачиваемое на монтаж/демонтаж одного фотоэлектрического гибкого модуля при пружинном варианте фиксации модуля на раме 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.
Испытания показали, что фотоэлектрическая станция, имеющая в своем составе гибкие усиленные модули и раму, оснащенную элементами фиксации на основе металлических цилиндрических столбиков со шляпками в виде шарового сегмента и имеющая замковые элементы в виде металлической полосы с перфорацией в виде отверстий, имеющих продолговатый овальный вырез, обеспечивает надежную фиксацию модуля на раме при обеспечении возможности оперативного демонтажа модуля с рамы.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование для фиксации фотоэлектрических гибких модулей на раме металлических цилиндрических столбиков со шляпками в виде шарового сегмента, причем фиксацию модулей на раме осуществляют за счет продольного смещения располагаемого на столбиках замкового элемента, представляющего собой металлическую полосу с перфорацией в виде отверстий с продолговатым овальным вырезом.
Источники информации.
1. Патент РФ №2 371 641 от 09.07.2008 г.
2. Патент РФ №2 127 008 от 27.02.1999 г.
3. Solar Panels for Boats - https://www.greenmatch.co.uk/solar-energy/solar-panels/solar-panels-for-boats.
4. Патент РФ №2548154 от 10.06.2013 г.
5. Патент РФ №2558398 от 02.12.2013 г. (прототип).
6. Патент РФ №178429 от 21.08.2017 г.