СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SOLAR POWER PLANT

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение как в солнечных электростанциях, так и в качестве энергетической установки индивидуального пользования.
Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием солнечных элементов, оптических концентраторов и специальных опорно-поворотных устройств, оснащенных датчиками положения Солнца и электроприводами, является одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников.
Известна солнечная энергетическая установка (см. патент RU №2270964, МПК F24J 2/16, опубликован 27.02.2006), включающая гелиоэнергетический модуль для преобразования электромагнитного излучения и систему его ориентации. Гелиоэнергетический модуль для преобразования принимаемого электромагнитного излучения включает порядно расположенные на опорной поверхности несущей конструкции солнечные панели прямоугольной формы с боковыми отражателями, смонтированными наклонно к фоточувствительной поверхности панелей в междурядных промежутках последних. В систему ориентации, включающую блок слежения, связанный выходом с несущей конструкцией, первый фотоэлектрический датчик, введен второй фотоэлектрический датчик, подключенный выходом ко второму входу, предусмотренному на блоке слежения. Первый фотоэлектрический датчик оптически сопряжен своим входом с источником преобразуемого электромагнитного излучения, а выходом подключен к первому входу блока слежения. Первый и второй фотоэлектрические датчики смонтированы под боковыми отражателями одной из солнечных панелей зеркально-симметрично относительно продольной оси симметрии последней.
Известная солнечная энергетическая установка имеет большую парусность, а также не обеспечивает высокую кратность концентрирования солнечного излучения, преобразуемого фотоэлементами.
Известна солнечная энергетическая установка с вертикальными панелями (см. международная заявка №WO 2007091287, МПК H01L 31/042, опубликована 16.08.2007). Установка включает опорную башню в виде треугольной или пятиугольной рамы, на боковой стороне которой установлена панель из фотоэлектрических преобразователей. Башня, снабженная системой вращения вокруг горизонтальной оси, установлена на круге, снабженном приводом и вращающимся вокруг вертикальной оси. Система вращения вокруг горизонтальной оси включает две дуговые зубчатые планки, закрепленные на круговом цилиндрическом основании опорной башни, входящие в зацепление с шестернями, закрепленными на горизонтальной оси привода.
Недостатком известной установки является то обстоятельство, что панель из фотоэлектрических преобразователей испытывает значительную ветровую нагрузку.
2
Известна солнечная энергетическая установка IHCPV (см. "Оценка стоимости интегрированной высококонцентраторной фотовольтаики для крупномасштабных применений, связанных с сетями централизованного электроснабжения"; Материалы 25-й конференции специалистов по фотовольтаике Американского института инженеров по электротехнике и электронике, Вашингтон; 13-17 мая 1996, с.1373-1376). Данная солнечная энергетическая установка содержит солнечную батарею с линзами Френеля и принимающими излучение фотоэлектрическими преобразователями, размещенную на механической поддерживающей системе и оснащенную системой ориентации батареи на Солнце. Солнечная батарея состоит из 168 линз Френеля и соответствующих им фотоэлектрических преобразователей. Линзы Френеля и фотоэлектрические преобразователи размещены в прямоугольной перфорированной металлической раме площадью 159 м, обладающей возможностью двухосевого механического перемещения, которая установлена на строго вертикальной несущей стойке, жестко зафиксированной в грунте. Несущая рама солнечной батареи оснащена системой ориентации на Солнце. В двухосевой следящей системе используется двигатель для азимутального поворота и механизм с винтовым домкратом для вертикального вращения. Двигатель может поворачивать систему на ±180° относительно южного направления и на 90° по вертикали. Контроль за слежением осуществляется при помощи системы автоматического регулирования с разомкнутым контуром. Микропроцессор рассчитывает направление на Солнце, используя астрономическое время и широту местности, и соответственно ориентирует следящую систему. Следящая система сохраняет верное положение при помощи датчиков Холла, закрепленных на оси мотора азимутального и вертикального приводов. Считая число оборотов мотора относительно известного нулевого положения и данные параметров привода, система контроля может ориентировать следящую систему на Солнце с точностью 0,05°.
Известная солнечная энергетическая установка подвергается относительно большим ветровым нагрузкам из-за солнечной батареи, представленной в виде монолитной панели больших габаритов. Кроме этого, солнечная фотоэлектрическая установка IHCPV имеет довольно сложную конструкцию, а технология монтажа требует больших трудозатрат вследствие необходимости обеспечения жесткой и строго вертикальной фиксации в грунте несущего столба механической поддерживающей системы.
Известна солнечная энергетическая установка (см. патент RU №2286517, МПК F24J 2/42, опубликован 27.10.2006), совпадающая с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Установка-прототип содержит солнечную батарею из концентраторных фотоэлектрических модулей, размещенных на механической системе ориентации концентраторных фотоэлектрических модулей на Солнце, содержащей привод азимутального вращения, привод зенитального вращения и устройство контроля положения Солнца, имеющее подсистемы зенитального и азимутального слежения. Механическая система ориентации образована двумя рамами - базовой и подвешенной. Базовая рама установлена с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, опираясь на подстилающую поверхность с помощью колес, одно из которых снабжено электроприводом. Подвешенная рама установлена с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси от электропривода. Солнечная батарея состоит из модулей с солнечными концентраторами, расположенных на подвешенной раме в виде ступеней. Система ориентации батареи содержит основной и дополнительный датчики положения Солнца. Основной датчик 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. Четыре другие фотоэлемента расположены таким же образом по внутренним сторонам экрана и образуют каналы точного наведения. Дополнительный датчик состоит из трех фотоэлементов каскадного типа, подключенных к азимутальному каналу. 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.
Известная фотоэлектрическая установка имеет относительно простую конструкцию, высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электричество за счет использования линз Френеля в качестве концентраторов, однако расположение модулей с солнечными концентраторами на подвешенной раме в виде ступеней может привести к повышенным ветровым нагрузкам на установку.
Задачей заявляемого технического решения являлась разработка фотоэнергетической установки, имеющей уменьшенные ветровые нагрузки при сохранении упрощенной конструкции и высокой эффективности преобразования солнечной энергии в электричество.
Поставленная задача решается тем, что солнечная фотоэнергетическая установка включает солнечную батарею из концентраторных фотоэлектрических модулей, размещенных на механической системе ориентации концентраторных фотоэлектрических модулей на Солнце в виде горизонтальной рамной конструкции, содержащей привод азимутального вращения и приводы зенитального вращения. Солнечная фотоэнергетическая установка снабжена устройством контроля положения Солнца, имеющим каналы зенитального и азимутального слежения. Механическая система поддерживает перпендикулярное положение солнечной батареи к направлению на Солнце. Концентраторные фотоэлектрические модули расположены на механической системе параллельными рядами вплотную друг к другу в каждом ряду, при этом горизонтальное расстояние d между соседними рядами концентраторных фотоэлектрических модулей удовлетворяет соотношению, см:
h≤d≤h/sin(22,6-0,2*φ),
где h - вертикальный размер модуля, см;
φ - географическая широта места расположения установки, град.
1
Разность h высот предыдущего и последующего рядов концентраторных фотоэлектрических модулей удовлетворяет соотношению, см:
1
0≤h≤h.
Привод азимутального слежения является общим для всех модулей. Каждый ряд концентраторных фотоэлектрических модулей может быть снабжен индивидуальным приводом зенитального вращения. Привод зенитального вращения может быть общим по меньшей мере для двух рядов концентраторных фотоэлектрических модулей.
Горизонтальное расстояние d между рядами модулей должно быть равно или больше вертикального размера модуля h, т.к. расположение рядов на меньшем расстоянии сделает невозможным ориентирование модулей перпендикулярно солнечным лучам в случае, если Солнце находится в зените. В то же время горизонтальное расстояние d между рядами модулей должно быть меньше h/sin(22,6-0,2*φ), где φ - географическая широта места расположения установки в градусах. Расположение рядов на большем расстоянии, чем h/sin(22,6-0,2*φ) приведет к неоправданному увеличению размеров установки, не приводящему к заметному увеличению эффективности преобразования. Каждый последующий ряд модулей расположен не ниже предыдущего ряда модулей, т.к. в противном случае часть линзовой поверхности каждого последующего ряда будет затеняться предыдущим рядом модулей. Каждый последующий ряд модулей не возвышается над предыдущим рядом на величину, большую вертикального размера модуля h. Если ряды модулей будут возвышаться друг над другом на величину, большую размера модуля h, то установка станет громоздкой и менее ветроустойчивой.
Определение положения модулей с привязкой к географической широте местности позволяет добиваться наилучшего сочетания высокой эффективности преобразования солнечного излучения и хорошей ветроустойчивости не зависимо от того, в какой точке планеты используется данная фотоэнергетическая установка.
Заявляемая фотоэнергетическая установка поясняется чертежами, где
на фиг.1 показан первый вариант заявляемой фотоэнергетической установки (вид сбоку);
на фиг.2 показан второй вариант заявляемой фотоэнергетической установки (вид сбоку);
на фиг.3 изображен вид спереди на первый вариант заявляемой фотоэнергетической установки.
Заявляемая солнечная фотоэнергетическая установка (см. фиг.1-3) включает солнечную батарею 1, размещенную на механической системе 2 ориентации концентраторных фотоэлектрических модулей 3 на Солнце в виде горизонтальной рамной конструкции 4. Концентраторные фотоэлектрические модули 3 расположены на механической системе 2 параллельными рядами 5 вплотную друг к другу в каждом ряду. Каждый модуль 3 батареи 1 включает панель 6 гелиоконцентраторов и панель 7 фотоэлементов. Механическая система 2 ориентации концентраторных фотоэлектрических модулей 3 на Солнце поддерживает перпендикулярное положение солнечной батареи 1 к направлению на Солнце и оснащена устройством 8 контроля положения Солнца. Система ориентации 2 включает приводы 9 зенитального вращения, привод 10 азимутального вращения, управляемые устройством 8 контроля положения Солнца. В качестве устройства 8 контроля положения Солнца может быть использовано любое известное устройство такого же назначения, например устройство контроля положения Солнца, описанное в патенте RU №2286517. Механическая система 2 с помощью рамной конструкции 4 обеспечивает поддержку модулей 3, зенитальное вращение рядов 5, например, с помощью вращающихся осей 11, соединенных приводами 9 зенитального вращения. Рамная конструкция 4 опирается на подстилающую поверхность 12, например, с помощью колес 13, одно из которых соединено с приводом 10 азимутального вращения.
Механическая система 2 ориентации концентраторных фотоэлектрических модулей 3 на Солнце фотоэнергетической установки с устройством 8 контроля положения Солнца ориентирует модули 3 таким образом, чтобы расположить панель 6 гелиоконцентраторов перпендикулярно солнечным лучам. Вырабатываемая модулями 3 электроэнергия подается внешнему потребителю или накопителю электроэнергии.
Заявляемая солнечная фотоэнергетическая установка позволяет расширить область применения фотоэнергетических установок за счет их расположения на поверхностях, хорошо освещаемых Солнцем, но с сильными порывами ветра, например на крышах промышленных и жилых объектов или в прибрежных зонах.