СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области солнечной энергетики, в частности, к концентрирующим солнечным фотоэлектрическим установкам, предназначенным для получения электрической и тепловой энергии.
Ближайшим аналогом полезной модели является солнечная энергетическая установка (патент на изобретение RU 2286517 «Солнечная фотоэлектрическая установка», МПК F24J 2/42), содержащая солнечную батарею с линзами Френеля и принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями, размещенную на механической системе, поддерживающей перпендикулярное положение солнечной батареи к направлению на Солнце и оснащенной системой ориентации солнечной батареи на Солнце, отличающаяся тем, что поддерживающая механическая система образована двумя рамами - базовой и подвешенной, из которых базовая рама установлена с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, опираясь на подстилающую поверхность с помощью колес, одно из которых снабжено электроприводом, а подвешенная рама установлена с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси от электропривода, при этом сама солнечная батарея состоит из концентрирующих модулей, расположенных на подвешенной раме в виде ступеней, а система ориентации батареи содержит основной и дополнительный датчики положения Солнца, основной из которых состоит из затеняющего экрана с отверстием и восьми фотоэлементов каскадного типа, четыре из которых размещены справа, слева, сверху и снизу по наружным сторонам экрана и образуют каналы азимутального и зенитального грубого наведения, вырабатывающие электрические сигналы при изменении положения Солнца, а четыре другие фотоэлемента расположены таким же образом по внутренним сторонам экрана и образуют каналы точного наведения, упомянутый дополнительный датчик состоит из трех фотоэлементов каскадного типа, подключенных к азимутальному каналу, два из которых направлены налево и направо по отношению к основному датчику, а третий - в противоположную сторону, и полярность его подключения меняется при прохождении направления Юг-Север, при этом сигнал на включение электропривода колеса базовой рамы подается от фотоэлементов азимутального канала, а сигнал на включение электропривода подвешенной рамы подается от фотоэлементов зенитального канала.
Признаками ближайшего аналога, совпадающими с существенными признаками полезной модели, является наличие в солнечной энергетической установке солнечной батареи, состоящей из концентрирующих модулей с линзами Френеля и принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями, системы ориентации солнечной батареи на солнце, включающей систему управления электроприводами, механической системы, поддерживающей перпендикулярное положение солнечной батареи к направлению на солнце, включающей базовую раму, установленную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси при помощи опорных колес, по меньшей мере одно из которых снабжено электроприводом.
Техническим результатом полезной модели является повышение технологичности производства и монтажа элементов солнечной энергоустановки за счет упрощения конструкции и небольшого размера модулей, уменьшение ветровой нагрузки на элементы солнечной энергетической установки за счет расположения всех модулей на небольшой высоте, снижение затрат энергии на слежение за солнцем за счет применения шаговых двигателей, рельсовой поворотной системы и снижения ветровой нагрузки, повышение точности и стабильности слежения за солнцем за счет применения зубчатой дорожки, расширение функциональных возможностей, за счет введения системы утилизации тепловой энергии.
Ближайший аналог имеет следующие недостатки, препятствующие получению указанного технического результата полезной модели. Базовая рама опирается с помощью колес непосредственно на подстилающую поверхность, что не обеспечивает экономичную и стабильную работу системы азимутальной ориентации из-за трения и отсутствия жесткой привязки базовой рамы к подстилающей поверхности. Также ввиду каскадного расположения модулей на подвешенной раме возрастает высота конструкции, что ведет к увеличению ветровой нагрузки. Кроме этого, установка не утилизирует полезную тепловую энергию, которая выделяется при освещении фотоэлементов концентрированным солнечным светом.
В основу полезной модели поставлена техническая задача усовершенствования конструкции ближайшего аналога, которое позволит обеспечить повышение точности и стабильности слежения за солнцем, упрощение конструкции и повышение технологичности производства и монтажа элементов солнечной энергетической установки, снижение ветровой нагрузки на опорные конструкции солнечной энергетической установки, обеспечение совместной выработки электрической и тепловой энергии в солнечной энергетической установке.
Поставленная техническая задача решается тем, что солнечная энергетическая установка, включающая солнечную батарею, состоящую из концентрирующих модулей с линзами Френеля и принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями, систему ориентации солнечной батареи на солнце, включающую систему управления электроприводами, механическую систему, поддерживающую перпендикулярное положение солнечной батареи к направлению на солнце, включающую базовую раму, установленную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси при помощи опорных колес, по меньшей мере одно из которых снабжено электроприводом, согласно полезной модели солнечная энергетическая установка дополнительно содержит опорную горизонтальную платформу с установленным на ней кольцевым рельсом, кольцевой рельс оснащен зубчатой дорожкой, базовая рама установлена при помощи опорных колес на кольцевой рельс, опорные колеса дополнительно оснащены зубчатыми колесами, обеспечивающими взаимодействие с зубчатой дорожкой кольцевого рельса, электропривод опорных колес выполнен в виде шагового электродвигателя с редуктором, для уменьшения единичного шага поворота базовой рамы, базовая рама дополнительно содержит жестко соединенные с ней горизонтально ориентированные поперечные несущие рейки, на обоих концах каждой поперечной несущей рейки установлены вертикальные стойки, в верхней части каждой вертикальной стойки выполнен подшипниковый узел, и по меньшей мере одна из вертикальных стоек каждой поперечной несущей рейки снабжена электроприводом, выполненным в виде шагового электродвигателя с редуктором, для уменьшения единичного шага углового перемещения солнечной батареи, солнечная батарея состоит из концентрирующих модулей, объединенных в горизонтально ориентированные ряды, выполненные с возможностью углового перемещения относительно своих горизонтальных осей, размещенные над каждой поперечной несущей рейкой базовой рамы, каждый ряд образован соединенными между собой, при помощи стыковых подушек и резьбового соединения, концентрирующими модулями, крайние в каждом ряду концентрирующие модули дополнительно содержат несущие трубки, выполненные с возможностью фиксации в подшипниковых узлах вертикальных стоек, несущие трубки снабжены зубчатыми колесами, для взаимодействия с электроприводами на вертикальных стойках, каждый ряд концентрирующих модулей содержит охлаждающую трубку с циркулирующим теплоносителем, расположенную на прямой линии, проходящей через фокусы линз Френеля каждого концентрирующего модуля, фотоэлектрический преобразователь каждого концентрирующего модуля, расположенный в фокусе линзы Френеля, закреплен на охлаждающей трубке с циркулирующим теплоносителем, охлаждающие трубки каждого ряда концентрирующих модулей связаны между собой гибкими полимерными трубками.
Между совокупностью существенных признаков полезной модели и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь. Совокупность существенных признаков полезной модели является необходимым и достаточным условием для достижения технического результата. Выполнение солнечной энергетической установки, содержащей опорную горизонтальную платформу с установленным на ней кольцевым рельсом, оснащенным зубчатой дорожкой, выполнение базовой рамы, установленной на кольцевой рельс при помощи опорных колес, оснащенных зубчатыми колесами, обеспечивающими взаимодействие с зубчатой дорожкой кольцевого рельса, и выполнение электропривода опорных колес в виде шагового электродвигателя с редуктором, позволяющим уменьшить единичный шаг поворота базовой рамы, позволит снизить затраты энергии на слежение за солнцем за счет применения шаговых двигателей рельсовой поворотной системы, повысить точность и стабильность слежения за солнцем. Выполнение солнечной батареи, состоящей из концентрирующих модулей, расположенных на базовой раме в виде горизонтально ориентированных рядов, выполненных с возможностью углового перемещения относительно своих горизонтальных осей, выполнение каждого ряда концентрирующих модулей, образованного соединенными между собой при помощи стыковых подушек и резьбового соединения концентрирующих модулей, выполнение базовой рамы, содержащей жестко соединенные с ней горизонтально ориентированные поперечные несущие рейки, расположенные под каждым рядом концентрирующих модулей, при этом на краях несущих реек дополнительно установлены вертикальные стойки, а в верхней части каждой вертикальной стойки выполнен подшипниковый узел, и по меньшей мере одна из вертикальных стоек каждой поперечной несущей рейки дополнительно снабжена электроприводом, выполненном в виде шагового электродвигателя с редуктором, а крайние в каждом ряду концентрирующие модули дополнительно содержат несущие трубки, выполненные с возможностью фиксации в подшипниковых узлах вертикальных стоек, и выполнение несущих трубок, снабженных зубчатыми колесами, обеспечивающих взаимодействие с электроприводами на вертикальных стойках и позволяющих осуществлять угловое перемещение рядов концентрирующих модулей, позволит уменьшить ветровую нагрузку на элементы солнечной энергетической установки за счет расположения всех концентрирующих модулей на небольшой высоте, снизить затраты энергии на слежение за солнцем и повысить точность слежения за солнцем за счет применения шаговых двигателей с редукторами. Выполнение каждого ряда концентрирующих модулей, содержащим охлаждающую трубку с циркулирующим теплоносителем, расположенную на прямой линии, проходящей через фокусы линз Френеля каждого концентрирующего модуля, и размещение фотоэлектрического преобразователя каждого концентрирующего модуля в фокусе линзы Френеля и выполнение его закрепленным на охлаждающей трубке с циркулирующим теплоносителем, при этом выполнение охлаждающих трубок каждого ряда концентрирующих модулей, связанными между собой гибкими полимерными трубками, позволит расширить функциональные возможности, за счет утилизации тепловой энергии.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где показаны: на фиг. 1 - общий вид солнечной энергетической установки в аксонометрии; на фиг. 2 - основные элементов рельсовой поворотной системы в аксонометрии; на фиг. 3 - опорно-приводной механизм рельсовой поворотной системы в аксонометрии; на фиг. 4 - модуль солнечной энергоустановки в аксонометрии; на фиг. 5 - геометрическая схема ряда концентрирующих модулей.
Солнечная энергетическая установка содержит солнечную батарею, состоящую из концентрирующих модулей 1 с линзами Френеля 2 и принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями 3, систему ориентации солнечной батареи на солнце, включающую систему управления электроприводами (на фигурах не показана), механическую систему, поддерживающую перпендикулярное положение солнечной батареи к направлению на солнце, включающую базовую раму 4, установленную с возможностью вращения вокруг вертикальной оси при помощи опорных колес 5, по меньшей мере одно из которых снабжено электроприводом 6, солнечная энергетическая установка дополнительно содержит опорную горизонтальную платформу 7 с установленным на ней кольцевым рельсом 8, кольцевой рельс 8 оснащен зубчатой дорожкой 9, базовая рама 4 установлена при помощи опорных колес 5 на кольцевой рельс 8, опорные колеса 5 дополнительно оснащены зубчатыми колесами 10, обеспечивающими взаимодействие с зубчатой дорожкой 9 кольцевого рельса 8, электропривод 6 опорных колес 5 выполнен в виде шагового электродвигателя с редуктором, для уменьшения единичного шага поворота базовой рамы 4, базовая рама 4 дополнительно содержит жестко соединенные с ней горизонтально ориентированные поперечные несущие рейки 11, на обоих концах каждой поперечной несущей рейки 11 установлены вертикальные стойки 12, в верхней части каждой вертикальной стойки 12 выполнен подшипниковый узел 13, и, по меньшей мере одна из вертикальных стоек 12 каждой поперечной несущей рейки 11 снабжена электроприводом 14, выполненном в виде шагового электродвигателя с редуктором, для уменьшения единичного шага углового перемещения солнечной батареи, солнечная батарея состоит из концентрирующих модулей 1, объединенных в горизонтально ориентированные ряды 15, выполненные с возможностью углового перемещения относительно своих горизонтальных осей 16, размещенные над каждой поперечной несущей рейкой 11 базовой рамы 4, каждый ряд 15 образован соединенными между собой, при помощи стыковых подушек 17 и резьбового соединения 18, концентрирующих модулей 1, крайние в каждом ряду концентрирующие модули дополнительно содержат несущие трубки 19, выполненные с возможностью фиксации в подшипниковом узле 13 вертикальных стоек 12, несущие трубки 19 снабжены зубчатыми колесами 20, для взаимодействия с электроприводами 14 на вертикальных стойках 12, каждый ряд 15 концентрирующих модулей 1 содержит охлаждающую трубку 21 с циркулирующим теплоносителем, расположенную на прямой линии 22, проходящей через фокусы 23 линз Френеля 2 каждого концентрирующего модуля 1, фотоэлектрический преобразователь 3 каждого концентрирующего модуля 1, расположенный в фокусе 23 линзы Френеля 2, закреплен на охлаждающей трубке 21 с циркулирующим теплоносителем, охлаждающие трубки 21 каждого ряда 15 концентрирующих модулей 1 связаны между собой гибкими полимерными трубками 24.
Солнечная энергетическая установка работает следующим образом. Солнечный свет падает на линзы Френеля 2 концентрирующих модулей 1, где происходит его оптическая концентрация. В фокусе линзы Френеля 2 фотоэлектрический преобразователь 3 преобразует часть падающего света в электроэнергию, остальная энергия расходуется на нагрев фотоэлектрического преобразователя 3, а также отражается. Теплоноситель, циркулирующий по охлаждающим трубкам 21 концентрирующих модулей 1 и гибким полимерным трубкам 24, связывающих концентрирующие модули 1 между собой, отводит теплоту для последующей утилизации от фотоэлектрических преобразователей 3, обеспечивая улучшение их выходных характеристик, вследствие отсутствия перегрева. Для постоянного попадания солнечного света в фокус 23 концентрирующих модулей 1 в системе управления электроприводами (на фигурах не показана) происходит расчет положения солнца в зависимости от времени, даты и географического положения, после чего система управления электроприводами (на фигурах не показана) осуществляет ориентацию концентрирующих модулей 1 в зависимости от положения солнца: по азимутальному углу - за счет поворота базовой рамы 4 с помощью электропривода 6 и опорных колес 5 с зубчатыми колесами 10, - а по зенитному углу - за счет наклона рядов 15 концентрирующих модулей 1 под действием электроприводов 14 взаимодействующих с зубчатыми колесами 20 несущих трубок 19.