ИНТЕГРИРОВАННАЯ СОЛНЕЧНО-ВЕТРОВАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА

Полезная модель относится к гелио- и ветроэнергетике, в частности, к интегрированным энергоустановкам, применяемым, например, в системах автономного электроснабжения удаленных потребителей.
В настоящее время все большее внимание обращается на использование солнечной энергии в энергетике. Солнечная фотоэнергетика рассматривается как один из важнейших альтернативных источников энергии. Более двух миллиардов людей в мире не имеют доступа к централизованному снабжению электричеством, хотя большинство из них живет в солнечном поясе Земли. Централизованная система снабжения электроэнергией не выгодна в районах, отдаленных от традиционных источников электроэнергии, и ее организация требует огромных капитальных вложений. Этот фактор особенно важен для стран, занимающих большую территорию. Электрическая энергия является ключом для повышения уровня жизни в районах, не имеющих снабжения электричеством, и солнечная энергия оказывается предпочтительным децентрализованным источником энергии в этих районах, благодаря ее практически неограниченному ресурсу. Современный мировой рынок фотоэнергетики является быстро развивающимся сегментом мировой экономики с возрастающим темпом роста. Одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников является преобразование энергии ветра и энергии солнечного излучения с помощью единой интегрированной солнечно-ветровой энергоустановки.
Известна гелиоветровая энергетическая установка, содержащая ветроагрегат, электрогенератор которого установлен на вертикальном стволе, одну горизонтальную и две боковые солнечные батареи, связанные между собой поворотными шарнирами и подпружиненные с обоих концов,
хвостовую балку с ручным приводом и аккумулятор. Балка прикреплена к тыльной части электрогенератора на подвижном шарнире, солнечные батареи прикреплены на шарнирах к верхней части балки (см. RU, Патент №2187693, F03D 9/00, 2002).
Ручная установка солнечных батарей на определенный угол в зависимости от времени года и солнцестояния снижает эксплуатационные и энергетические характеристики установки.
Известна ветровая энергоустановка, включающая ветроагрегат с электрогенератором и установленные на опоре ветроагрегата панели солнечных батарей (см. заявка US №2007/0182161, F03D 9/00, 09.08.2007).
Недостатком конструкции является отсутствие системы слежения за положением Солнца.
Известен источник энергии для удаленных потребителей, содержащий в своем составе солнечные модули и ветроэлектрогенератор (см. заявка US №2007/0132433, G05F 1/00, 14.01.2007).
Недостатком известного источника является отсутствие системы слежения солнечных модулей за положением Солнца, что снижает эффективность работы источника.
Известна солнечная энергетическая установка, содержащая в своем составе ветряной ротор с электрогенератором и панели солнечных батарей (см. заявка DE №102005000710, F03G 6/04, 2006).
В известной установке панели солнечных батарей установлены неподвижно, что отрицательно сказывается на эффективности работы установки.
Известна ветровая и солнечная энергетическая установка, содержащая в своем составе ветряные роторы, расположенные вблизи специальных ветровых туннелей в здании, и панели солнечных батарей, установленные консольно по периметру здания (см. US, Патент №7172386, F03D 3/02, 06.02.2007).
Конструкция известной энергетической установки чрезмерно громоздка, а эффективность неподвижных панелей солнечных батарей недостаточна высока.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является интегрированная энергоустановка, содержащая солнечную электрогенерирующую установку, включающую солнечную батарею с фотоэлектрическими преобразователями, ветроагрегат с электрогенератором, кислородно-водородный топливный элемент, преобразователи напряжения, систему контроля и управления и инвертор, формирующий выходное напряжение для потребителя (см. US, Патент №7000395, F01B 23/08, 2006).
Использованная в известной энергоустановке система контроля и управления позволяет оптимизировать функционирование энергоустановки и генерировать максимальную энергию. В то же время в энергоустановке отсутствует возможность увеличения энергосъема с помощью ориентации солнечных батарей на Солнце, что снижает ее КПД.
Задачей заявляемого технического решения является создание интегрированной солнечно-ветровой энергоустановки с увеличенным КПД.
Поставленная задача решается тем, что интегрированная солнечно-ветровая энергоустановка содержит солнечную электрогенерирующую установку, включающую, по меньшей мере, одну солнечную батарею, по меньшей мере, из одного фотоэлектрического модуля с гетероструктурными каскадными фотоэлектрическими преобразователями и концентраторами солнечного излучения, установленную на систему ориентации на солнце, ветроагрегат с электрогенератором, первый преобразователь напряжения, преобразующий постоянное напряжение в постоянное напряжение, второй преобразователь напряжения, преобразующий переменное напряжение в постоянное напряжение, накопитель электроэнергии, систему коммутации и управления и инвертор, формирующий выходное напряжение для потребителя, причем выход солнечной батареи соединен с
входом первого преобразователя напряжения, выход электрогенератора подключен к входу второго преобразователя напряжения, выходы первого и второго преобразователей напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами системы коммутации и управления, первый выход которой подключен к накопителю электроэнергии, а второй выход соединен с входом инвертора.
Снабжение солнечной батареи интегрированной солнечно-ветровой энергоустановки системой ориентации на Солнце позволяет значительно увеличить мощность энергоустановки при той же площади солнечных батарей, а следовательно, увеличить ее КПД. Система ориентации на Солнце может иметь любую известную конструкцию, например, такую, которая использована в патенте РФ №47497, F24J 2/42, опубликованном в 2005 году.
В состав энергоустановки входит солнечная батарея, содержащая один или несколько фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения, и которая, кроме того, может содержать одну или несколько плоских панелей фотоэлектрических преобразователей без концентраторов солнечного излучения.
В солнечной батарее применяются гетероструктурные каскадные фотоэлектрические преобразователи и, кроме того, могут быть применены кремниевые фотоэлектрические преобразователи.
В энергоустановке в качестве ветроагрегата может быть применена ветротурбина с вертикальной осью и низкооборотный генератор с управляемой модуляцией магнитной проводимости, а также ветротурбина с горизонтальной осью.
В качестве накопителя электроэнергии может быть применена электрохимическая аккумуляторная батарея, или другой накопитель, использующий обратимое преобразование и хранение энергии в другом ее виде.
Заявляемая интегрированная солнечно-ветровая энергоустановка поясняется чертежами, где:
на фиг.1 приведена структура интегрированной солнечно-ветровой энергоустановки с автоматически ориентируемыми солнечными батареями;
на фиг.2 схематически изображен вид сбоку на один из вариантов солнечной батареи с фотоэлектрическими преобразователями и системой их ориентации на Солнце;
на фиг.3 приведен вид спереди на солнечную батарею, изображенную на фиг.2;
на фиг.4 показан один из вариантов фотоэлектрического модуля с концентраторами солнечного излучения;
на фиг.5 приведен другой вариант фотоэлектрического модуля с концентраторами солнечного излучения.
Интегрированная солнечно-ветровая энергоустановка (см. фиг.1) содержит солнечную электрогенерирующую установку 1, включающую солнечную батарею 2 с фотоэлектрическими преобразователями и системой 3 ориентации на Солнце, ветроагрегат в виде ветротурбины 4 с электрогенератором 5, первый преобразователь 6, преобразующий постоянный ток в постоянный ток, второй преобразователь 7, преобразующий переменный ток в постоянный ток, накопитель 8 электроэнергии, например, в виде аккумуляторной батареи, систему 9 коммутации и управления и инвертор 10, формирующий выходное напряжение для потребителя 11. Солнечная батарея 2 соединена с входом первого преобразователя 6 напряжения, выход электрогенератора 5 подключен к входу второго преобразователя 7 напряжения. Выход первого преобразователя 6 подключен к первому входу системы 9 коммутации и управления, а выход второго преобразователя 7 напряжения соединен со вторым входом системы 9 коммутации и управления. Первый выход системы 9 коммутации и управления подключен к накопителю 8 электроэнергии, а второй выход соединен с входом инвертора 10. Солнечная электрогенерирующая установка 1 (см. фиг.2, фиг.3) может быть снабжена монтажной платформой 12, на которой могут
также размещаться и другие блоки энергоустановки. Солнечная батарея 2 представляет собой совокупность одинаково ориентированных фотоэлектрических модулей 13, закрепленных на системе 3 ориентации на Солнце. Два из возможных вариантов фотоэлектрических модулей 13 показаны на фиг.4, фиг.5. Фотоэлектрический модуль 13 содержит выполненные из силикатного стекла боковые стенки 14, тыльную панель 15 и монолитную фронтальную панель 16, на тыльной поверхности которой путем литья под давлением сформированы соприкасающиеся друг с другом первичные оптические концентраторы. На фронтальной поверхности панели 16 сформировано тонкопленочное просветляющее (антиотражающее) покрытие. Первичные оптические концентраторы могут быть выполнены, например, в форме квадратных плоско-выпуклых линз 17 (см. фиг.4) или, например, в форме правильных шестиугольных линз Френеля 18 (см. фиг.5). Вторичные оптические концентраторы могут быть выполнены, например, в виде фоконов 19, установленных меньшим основанием на светочувствительных поверхностях фотоэлектрических преобразователей 20 с теплоотводящими элементами-основаниями 21, размещенных на фронтальной поверхности тыльной панели 15 соосно соответствующим первичным оптическим концентраторам. В качестве фотоэлектрических преобразователей использованы гетероструктурные каскадные фотоэлектрические преобразователи. Дополнительно солнечная батарея 2 может содержать кремниевые фотоэлектрические преобразователи и/или одну или несколько плоских панелей фотоэлектрических преобразователей без концентраторов солнечного излучения.
Интегрированная солнечно-ветровая энергоустановка работает следующим образом. Система 3 ориентирует солнечную батарею 2 на центр солнечного диска с необходимой точностью, что достигается за счет прецизионного перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В движение система 3 может приводиться различными способами, например, с помощью электродвигателей, питаемых от накопителя 8 электроэнергии
(аккумуляторной батареи). Вращение и ориентация осуществляются по программе, учитывающей географическую точку расположения солнечной батареи 2 и местное время, и с помощью встроенного фотоэлектрического датчика ориентации по направлению потока солнечного излучения. Прямое солнечное излучение, проходящее через фронтальную панель 16 фотоэлектрического модуля 13 по нормали к ее поверхности, фокусируется с помощью первичных и вторичных оптических концентраторов на поверхности фотоэлектрических преобразователей 20. Фотоэлектрические преобразователи 20 преобразуют энергию квантов солнечного света в электрическую, создавая разность потенциалов на своих контактах. Параллельно-последовательная коммутация фотоэлектрических преобразователей 20 в фотоэлектрическом модуле 13 обеспечивает достижение разности потенциалов на выходных клеммах фотоэлектрического модуля 13, оптимальной для функционирования последующей электрической схемы. Отдельные фотоэлектрические модули 13 соединяются электрически последовательно в одинаковые группы для увеличения напряжения на общем выходе каждой группы, группы модулей 13 соединяются электрически параллельно в батарею для суммирования токов, генерируемых в группах модулей 13. Постоянный ток, вырабатываемый солнечной батареей 2, преобразуется в постоянный ток в первом преобразователе 6, который выполняет функцию зарядного устройства и может работать либо в режиме источника тока требуемой величины для подзарядки накопителя 8 электроэнергии, либо в режиме источника напряжения в случае заряженного накопителя 8 электроэнергии. Ветер, воздействуя на лопасти ветротурбины, заставляет вращаться ветротурбину, вал которой вращает ротор электрогенератора 5, в котором вырабатывается переменный ток. Этот ток поступает в преобразователь 7, преобразующий его в постоянный. Преобразователь 7 выполняет функции выпрямителя и зарядного устройства, которое может работать либо в режиме источника тока требуемой величины для подзарядки накопителя 8 электроэнергии, либо в режиме источника напряжения в случае
заряженного накопителя 8 электроэнергии. После преобразователей 6 и 7 постоянные токи поступают в систему 9 коммутации и управления и используются для питания выходного инвертора 10, а также, при необходимости, для подзарядки накопителя 8 электроэнергии. Выходной инвертор 10 преобразует постоянный ток в ток, имеющий характеристики, требующиеся потребителю электроэнергии, например, в переменный ток с частотой 50 Гц и действующим напряжением 220 В.
В случае, если первичной мощности улавливаемого солнечного излучения и ветра с учетом коэффициентов преобразования достаточно для питания нагрузки потребителя электроэнергии и, при необходимости, для подзарядки накопителя электроэнергии (аккумуляторной батареи), осуществляется полное электроснабжение потребителя 11 и подзарядка накопителя 8 за счет излишков вырабатываемой электроэнергии. В случае, если первичная мощность понижается и становится, с учетом коэффициентов преобразования, равна мощности, потребляемой нагрузкой потребителя 11, подзарядка накопителя 8 электроэнергии приостанавливается. В случае, если первичной мощности с учетом коэффициентов преобразования недостаточно для питания нагрузки потребителя 11, недостающая мощность компенсируется за счет накопителя 8 электроэнергии, отдающего потребителю 11 накопленную электроэнергию. В случае разрядки накопителя 8 электроэнергии до минимально возможного уровня, потребитель 11 отключается от интегрированной солнечно-ветровой энергоустановки и за счет поступающей первичной мощности, недостаточной для питания нагрузки потребителя 11, начинается зарядка накопителя 8 до определенного уровня энергоемкости, после достижения которого потребитель 11 снова может быть подключен к энергоустановке.