СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА
SOLAR POWER PLANT

Изобретение относится к гелеотехнике, в частности к конструкциям солнечных энергетических установок с фотоэлектрическим датчиком слежения за Солнцем, системами азимутального и зенитального поворотов солнечных коллекторов, рефлекторов или фотоэлектрических модулей (солнечных батарей). Данное изобретение относится также к системам автоматического слежения за положением Солнца и предназначено для автоматической ориентации принимающей солнечную энергию плоскости энергоустановки перпендикулярно солнечным лучам.
Общеизвестно, что ориентация солнечных энергоустановок в направлении Солнца обеспечивает увеличение получаемой солнечной энергии такими энергоустановками в течение всего светового дня по сравнению со стационарными солнечными энергоустановками.
Известна солнечная энергоустановка (RU 2280918), которая содержит фотоэлектрические модули, систему слежения за Солнцем, блок управления и привод азимутального поворота фотоэлектрического модуля. Фотоэлектрический модуль разделен на две части продольной перегородкой с отражающими боковыми поверхностями и служит не только приемником солнечной энергии, но и датчиком слежения за положением Солнца. На обратной стороне фотоэлектрического модуля расположен командный датчик в виде фотоэлемента, предназначенный для возврата фотоэлектрического модуля с запада на восток. Основным недостатком данного устройства является невысокая точность слежения за положением Солнца при появлении разности температур между разделенными продольной перегородкой поверхностями фотоэлектрического модуля под влиянием ветра. Также система слежения за Солнцем, реализованная в данной установке, не может быть использована в управлении положением солнечных модулей типа тепловых коллекторов.
Известно также поворотное устройство для солнечного энергомодуля в виде солнечной батареи (RU 2381426), которое относится к системам автоматического слежения за источником света и предназначено для автоматической ориентации плоскости солнечной батареи за источником света (Солнцем) по максимальной ее освещенности. В конструкцию поворотного устройства введен специальный датчик освещенности, устройство обработки сигнала и электронный таймер. 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 солнечной батареи при любом положении Солнца. Электронный таймер через заданные промежутки времени выдает устройству обработки сигнала команду на измерение значений освещенности каждого из двух фотодиодов. При первом измерении после включения питания или в случае, когда знак разности этих значений изменился по сравнению с прошлым измерением, устройство обработки сигнала выключает таймер и подключает напряжение с выхода солнечной батареи к электродвигателю с целью поворота солнечной батареи в сторону более освещенного фотодиода до тех пор, пока не изменится знак разности значений освещенности фотодиодов. После изменения знака разности устройство обработки сигнала выключает электродвигатель и включает таймер. Изобретение позволяет упростить конструкцию системы слежения и уменьшить затраты электроэнергии, потребляемой поворотным устройством. Однако данное устройство обладает большой сложностью обработки сигналов, что приводит к увеличению числа элементов схемы измерения, а значит к снижению надежности его работы. Кроме того, в нем имеется возможность разной степени нагрева фотодиодов (влияние Солнца и ветра), что снижает точность работы всего устройства.
Известна также солнечная энергоустановка (RU 2459156) прототип, содержащая солнечные модули, систему слежения за Солнцем, блок управления, вал и привод азимутального поворота модулей. Кроме поворота модулям необходимо осуществлять и разворот с запада на восток. По данному предложению упомянутая система слежения включает компактный фотоэлектрический датчик положения Солнца, состоящий из каркаса в форме прямой трехгранной призмы. На двух боковых гранях призмы, выполненных под углом 15-25°, размещены фотоэлементы слежения за Солнцем, а на третьей грани установлен командный фотоэлемент разворота модулей с запада на восток.
Система слежения за солнцем, реализованная в прототипе, имеет ряд недостатков. Так в системе слежения имеется возможность перегрева фотоэлементов, так как они постоянно находятся под сильным облучением Солнца. Это ведет к резкому снижению их срока службы. Кроме того, система слежения обладает невысокой точностью работы, что сильно скажется при использовании такой системы слежения за Солнцем в составе солнечных энергоустановок типа концентратор. Неточность работы системы слежения обусловлена тем, что расположенные на двух боковых гранях прямой трехгранной призмы фотоэлементы слежения за Солнцем в номинальном режиме, т.е. при перпендикулярном расположении плоскости модуля к солнечным лучам, равноосвещены, а в случае отклонения Солнца до 10° от перпендикуляра разница в освещенности этих фотоэлементов будет крайне незначительной, что ведет к неустойчивости в работе и нечеткому определению истинного положения Солнца. Так же вследствие разностного нагрева фотоэлементов, находящихся на боковых гранях трехгранной призмы, под влиянием солнца происходит возникновение дополнительных погрешностей в работе системы слежения за Солнцем.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке солнечной энергоустановки, в состав которой входит более простая по функциональному назначению, точная и надежная по работе система слежения за Солнцем.
Для решения поставленной задачи солнечная энергоустановка, 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, включающей в себя два фотоэлектрических модуля, закрепленных на выносной платформе, которая установлена параллельно принимающей солнечную энергию плоскости солнечной энергоустановки, причем 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, а второй фотоэлектрический модуль представляет собой датчик положения Солнца по зениту, в конструкции которого размещены только два фотоэлемента слежения за Солнцем, дополнительно содержит в конструкции каждого фотоэлектрического модуля содержит монтажную площадку, на верхней стороне которой размещены два фотоэлемента, разделенные перегородкой, служащей в свою очередь разделителем направлений освещенности последних и опорой для крепления зеркального цилиндра.
Заявляемое решение отличается от прототипа введением новых элементов и новых связей между элементами, а именно тем, что солнечная энергоустановка дополнительно в конструкции каждого из двух фотоэлектрических модулей содержит монтажную площадку, на верхней стороне которой размещены два фотоэлемента, разделенные перегородкой, служащей в свою очередь разделителем направлений освещенности последних и опорой для крепления зеркального цилиндра. Наличие отличительного существенного признака в совокупности существенных признаков, характеризующих устройство, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Введение в солнечную энергоустановку новой конструкции каждого из двух фотоэлектрических модулей, состоящей из монтажной площадки, на верхней стороне которой размещены два фотоэлемента, разделенные перегородкой, выполняющей функции разделителя направлений освещенности последних и опоры для крепления зеркального цилиндра, приводит как к повышению точности слежения за положением Солнца по азимуту и зениту, так и к надежности работы солнечной энергоустановки. Это обусловлено тем, что режим: работы фотоэлементов, во время движения принимающей солнечную энергию плоскости энергоустановки (слежение за Солнцем), связан с резким переходом: фотоэлементов из режима освещенности в режим не освещенности (тень) и наоборот. Например, при падении солнечных лучей с западной стороны относительно перегородки, фотоэлемент соответствующего направления выходит из тени зеркального цилиндра и подает через систему управления приводами команду на поворот энергоустановки в западную сторону. Как только фотоэлемент снова окажется в тени, команда на поворот энергоустановки прекращается. Когда плоскость энергоустановки устанавливается точно перпендикулярно лучам Солнца, фотоэлементы фотоэлектрического модуля, оказавшись в тени своего зеркального цилиндра, переходят в режим не освещенности (в тень) и управляющие команды от них на поворот энергоустановки прекращаются, приводы системы слежения останавливаются и энергоустановка переходит в положение максимального приема солнечной энергии, что является следствием точной работы системы слежения. Как только Солнце сместится по азимуту или зениту на 1-2°, так сразу соответствующие фотоэлементы, вследствие своего перехода из тени в режим освещенности, подадут сигналы в систему управления приводами на корректировку направленности энергоустановки на Солнце. Этим достигается высокая точность и надежность работы системы слежения за Солнцем. Наличие нового результата, неизвестного в уровне техники, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1, 2 и 3 показан вариант исполнения устройства, который полно характеризует существо предлагаемого изобретения. На фиг.1 представлена схема солнечной энергоустановки. На фиг.2 изображено устройство фотоэлектрического модуля, служащего устройством датчика слежения за Солнцем. На фиг.3 показаны положения фотоэлектрического модуля относительно перемещения Солнца с запада на восток (положения а, б, в) и с востока на запад (положения г, д).
Солнечная энергоустановка, изображенная на фиг.1, состоит из плоскости 1, принимающей солнечную энергию, системы управления 2 приводами азимутального 3 и зенитального 4 поворотов плоскости 1 и разворота ее с запада на восток, валов 5 приводов, системы слежения 6 за Солнцем, содержащей фотоэлектрический модуль 7 слежения за Солнцем по азимуту и фотоэлектрический модуль 8 слежения за Солнцем по зениту.
Основой построения фотоэлектрического модуля 7 слежения за Солнцем по азимуту на фиг.2 является монтажная площадка 9, на верхней стороне которой размещены два фотоэлемента 10 и 11. Между этими элементами установлена разделительная перегородка 12, служащая в свою очередь разделителем направлений освещенности фотоэлементов 10, 11 и кронштейном (опорой) для зеркального цилиндра 13. На нижней (обратной) стороне монтажной площадки 9 установлен командный фотоэлемент 14 разворота солнечной энергоустановки с запада на восток. Модуль 8 имеет аналогичную конструкцию, но без командного фотоэлемента на нижней стороне монтажной площадки.
Принцип работы солнечной энергоустановки поясняется фиг.3. В начале дня на восходе солнца (см. фиг.3, а) командный фотоэлемент 14 разворота солнечной энергоустановки освещается и подает сигнал в систему управления 2 азимутальным приводом 3 на разворот плоскости 1 энергоустановки с запада на восток. В это время фотоэлементы 10 и 11 фотоэлектрических модулей слежения 7 и 8 находятся в тени, так как лучи света не попадают на зеркальные цилиндры 13. Фотоэлемент 10 предназначен для подачи сигнала по управлению движением энергоустановки на запад, фотоэлемент 11 - на восток. По мере разворота плоскости 1 вместе с системой слежения 6 на некоторый угол на восток, лучи света начинают попадать на зеркальный цилиндр 13 модуля 7 (см. фиг.3, б) и отражаться на фотоэлемент 11, который подает сигнал в систему управления 2 на продолжение движения плоскости 1 энергоустановки на восток. При дальнейшем продвижении плоскости 1 на восток лучи Солнца продолжают освещать зеркальный цилиндр 13 и отражаться от него, а так же освещать непосредственно фотоэлемент 11 и не освещать фотоэлемент 10 (см. фиг.3, в). В этом случае фотоэлемент 11 подает сигнал в систему управления на продолжение движения плоскости 1 на восток. При выходе плоскости 1 перпендикулярно солнечным лучам зеркальный цилиндр 13 отражает падающие на него лучи Солнца, фотоэлементы 10 и 11 фотоэлектрического модуля 7 находятся в тени своего зеркального цилиндра (см. фиг.3, г) и система управления прекращает подачу команды на движение плоскости 1. По мере продвижения солнца на запад через некоторое время засвечивается фотоэлемент 10, который подает сигнал в систему управления 2 на движение плоскости 1 на запад, а фотоэлемент 11 продолжает оставаться в тени (см. фиг.3, д). Движение плоскости 1 на запад происходит до тех пор, пока фотоэлемент 10 снова не окажется в тени (см. фиг.3, г). Подобные циклы движения и остановок плоскости 1 энергоустановки осуществляется весь световой день. Ориентация плоскости 1 по зениту с участием фотоэлементов 10 и 11 фотоэлектрического модуля 8 происходит по таймеру в течение 4-х часов в середине дня, когда Солнце находится наиболее близко к зениту. Тогда в утренние и вечерние часы сигналы управления от фотоэлектрического модуля 8 блокируются таймером и не участвуют в работе системы управления приводом 4. Корректировка угла наклона плоскости 1 энергоустановки к положению Солнца в зените происходит в малых пределах в течение времени года.
Так как большую часть времени при работе энергоустановки фотоэлементы 10 и 11 фотоэлектрических модулей 7 и 8 находятся преимущественно в тени, то срок их службы возрастает, что обуславливает повышенную надежность работы энергоустановки.
Данное устройство, выполненное в виде опытного образца, показало высокую точность слежения за положением Солнца по азимуту и зениту за счет резкого перехода режима работы фотоэлементов модулей из режима освещенности в режим не освещенности (тень). Относительная погрешность слежения составляет всего 1-2%.