МОБИЛЬНАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
MOBILE SOLAR POWER STATION

Изобретение относится к классу возобновляемых источников первичного электропитания. Электростанция, с точки зрения эксплуатационных потребительских качеств, используется для обеспечения жизнедеятельности целых подразделений, небольших лагерей, временных расположений или мобильных пунктов зарядки аккумуляторных батарей (АБ) в полевых условиях и предназначена:
- для энергообеспечения:
постов, нарядов и застав Пограничной Службы ФСБ, специальных структурных подразделений Внутренних Войск МВД, войсковых подразделений Российской Армии, спасателей и специалистов МЧС России и представителей других силовых ведомств;
геологов-изыскателей, строителей-первопроходцев, альпинистов-спасателей, нефтяников и газовиков, специалистов по обслуживанию магистральных электросетей и трубопроводных систем, представителей оленеводства и отгонного животноводства, рыбаков, охотников-промысловиков и представителей иных областей, чья трудовая деятельность происходит на территориях, не обеспеченных централизованным и местным электропитанием;
- для электропитания:
телефонов мобильной и космической связи, переносных радиостанций, ретрансляторов, телевизионных приемников, раций, компьютеров, ноутбуков, осветительных приборов, систем ночного видения и других электронных устройств с рабочими напряжениями от 1,5 до 24 B;
- в качестве резервного электропитания:
для систем бесперебойной работы при отключении централизованных и местных электрических сетей;
- для зарядки аккумуляторных батарей с номинальным напряжением 12 B;
- для зарядки различных типов и видов малогабаритных аккумуляторов широкого применения.
По климатическому исполнению электростанция соответствуют группе УХЛ4 (умеренно-холодный климат) по ГОСТ 15150-69 при температуре окружающей среды от минус 30 до плюс 50°C для автономного источника питания и от минус 40 до плюс 50°C для солнечных батарей.
Из уровня техники известна мобильная солнечная электростанция, взятая в качестве ближайшего аналога и содержащая корпус в виде герметичного чемодана с размещенными внутри корпуса лицевой панелью, выносной раскладной солнечной батареей и автономным источником питания с аккумуляторной батареей, выполненным с возможностью контроля заряда и защиты аккумуляторной батареи (RU 2256976).
К недостаткам известной электростанции можно отнести недостаточные функциональные возможности и, в частности, невозможность выполнять функцию зарядного устройства.
Задачей изобретения является создание мобильной солнечной электростанции с максимальными функциональными возможностями, позволяющей в любых полевых условиях не только являться источником питания для широкого класса приборов, но и выполнять функцию зарядного устройства для многих современных приборов.
Поставленная задача решается тем, что мобильная солнечная электростанция, содержащая, по меньшей мере, одну раскладную солнечную батарею, автономный источник питания с аккумуляторной батареей, выполненный с возможностью контроля заряда и защиты аккумуляторной батареи, дополнительно содержит фотоэлектрическую станцию, в состав которой включен комплект из четырех раскладных солнечных батарей, каждая из которых выполнена на основе фотопреобразователей из трехкаскадного аморфного кремния, заламинированных в полимерный влагонепроницаемый материал; автономный источник питания размещен в герметичном кейсе и содержит аккумуляторную батарею из четырех литий-ионных аккумуляторов, устройство заряда и защиты с автоматическим ограничением напряжения заряда и подключенный к ним блок контроля и управления, обеспечивающий защиту аккумуляторной батареи от глубокого разряда; при этом мобильная солнечная электростанция дополнительно содержит подключенные к автономному источнику питания сетевое зарядное устройство, повышающий и понижающий адаптеры напряжения, а также зарядное устройство для малогабаритных аккумуляторов.
В предпочтительных вариантах исполнения автономный источник питания содержит подключенный к устройству заряда и защиты индикатор с табло индикации, указанные фотоэлектрическая станция и автономный источник питания разнесены за счет коммутации их с помощью соединительного кабеля, а каждая солнечная батарея выполнена в виде шести последовательно соединенных солнечных элементов. Предпочтительно также, что электростанция содержит зарядное устройство для Li-Ion аккумуляторов типоразмера 18650, преобразователь напряжения с 12 вольт на 5 вольт с двумя гнездами USB и тройник гнезда автомобильного прикуривателя. При этом автономный источник питания также содержит два универсальных гнезда автомобильного прикуривателя, соединенных с устройством заряда и защиты, для подключения: указанных понижающего и повышающего адаптеров напряжения; указанного зарядного устройства для малогабаритных аккумуляторов; указанного зарядного устройства для Li-Ion аккумуляторов типоразмера 18650; указанного преобразователя напряжения с 12 вольт на 5 вольт; указанного тройника гнезда автомобильного прикуривателя; и иного внешнего оборудования, снабженного штекером автомобильного прикуривателя.
Предпочтительно, чтобы фотоэлектрическая станция была снабжена стойкой для размещения на ней указанного комплекта из четырех раскладных солнечных батарей и транспортировочным кейсом.
В конкретном варианте исполнения изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена мобильная солнечная электростанция, на фиг.2 - ее блок-схема, а на фиг.3 - фотоэлектрическая станция с комплектом солнечных батарей на стойке.
Согласно фиг.2, мобильная солнечная электростанция содержит размещенный в герметичном кейсе автономный источник питания 1, фотоэлектрическую станцию 2 с комплектом 3 из четырех раскладных солнечных батарей, сетевое зарядное устройство 4, понижающий адаптер напряжения 5, повышающий адаптер напряжения 6, зарядное устройство для малогабаритных аккумуляторов 7, зарядное устройство для Li-Ion аккумуляторов 8 типоразмера 18650, преобразователь напряжения с 12 вольт на 5 вольт 9 с двумя гнездами USB, тройник гнезда автомобильного прикуривателя 10, два универсальных соединительных кабеля 11 (АИП-РКр и АИП-РКш), светодиодный аккумуляторный светильник 12 и светодиодный сигнально-осветительный аккумуляторный фонарь 13.
Солнечные батареи (СБ) выполнены на основе фотопреобразователей из трехкаскадного аморфного кремния БCA-6/L-30, заламинированных в полимерный влагонепроницаемый материал. Батарея выполнена в виде шести последовательно соединенных солнечных элементов. Заламинированные фотопреобразователи не боятся ударов и изгибов. Применение батареи данного типа позволяет решать вопрос использования оптимальных условий эксплуатации в режиме преобразования солнечной энергии в электрическую. За счет коммутации фотоэлектрической станции 2 с автономным источником питания 1 через соединительный кабель 14, а также учитывая конструктивные возможности фотоэлектрической станции изменять ориентацию плоскости солнечных батарей в пространстве, в момент заряда от Солнца солнечные батареи в составе фотоэлектрической станции могут быть расположены под прямыми солнечными лучами (самое эффективное размещение с точки зрения генерации солнечной энергии), при этом автономный источник питания 1 и подключенная к нему нагрузка могут располагаться в комфортных условиях эксплуатации. Тот же эффект присутствует при эксплуатации электростанции в зимний период времени при низких температурах. В этом случае СБ, находясь вне помещения, спокойно переносит эксплуатацию в условиях до минус 40°C, а автономный источник питания 1 и подключенная аппаратура могут находиться в более комфортных температурных режимах там, где находится и их пользователь.
Автономный источник питания 1 содержит аккумуляторную батарею 15 из четырех литий-ионных аккумуляторов суммарной энергоемкостью 1150 Вт·ч, устройство заряда и защиты 16 с автоматическим ограничением напряжения заряда и подключенный к батарее 15 и устройству 16 блок контроля и управления 17, обеспечивающий защиту аккумуляторной батареи от глубокого разряда. Блок 17 выполняет контроль за напряжением на каждом аккумуляторе и в выработке сигнала на выравнивание дисбаланса между аккумуляторами, что позволяет оптимизировать условия работы аккумуляторной батареи и существенно продлить реальный срок эксплуатации аккумуляторов. Автономный источник питания 1 предназначен для накопления электроэнергии от солнечной батареи, а также дает возможность заряда аккумуляторной батареи от электросети 220B (50 Гц) с использованием сетевого зарядного устройства 4. Устройство заряда и защиты 16 автоматически защищает автономный источник питания от перегрузки.
Для предоставления пользователю количественной информации о величинах тока заряда от солнечной батареи (что позволяет по максимальному значению тока наиболее оптимально разместить солнечную батарею под солнечными лучами), тока и напряжения нагрузки, емкости аккумуляторной батареи в % по отношению к номинальному значению (позволяющей более рационально определять возможность суммарного значения мощности подключаемой нагрузки и предполагаемого времени ее работы) автономный источник питания 1 содержит соответствующий индикатор с табло индикации 18, подключенный к устройству заряда и защиты 16.
Для включения и выключения электростанции автономный источник питания 1 снабжен выведенной на лицевую панель кнопкой «ВКЛ/ОТКЛ» 19, подключенной к аккумуляторной батарее 15 и устройству заряда и защиты 16, а для индикации значения тока заряда аккумуляторной батареи он снабжен также выведенной на лицевую панель кнопкой «ТОК СБ» 20, подключенной к устройству заряда и защиты 16.
Для подключения сетевого зарядного устройства при заряде аккумуляторной батареи от электросети 220B (50 Гц) автономный источник питания 1 снабжен выведенным на лицевую панель гнездом «СЕТЕВОЕ ЗУ» 21, соединенным с сетевым зарядным устройством 4 и устройством заряда и защиты 16, а для подключения фотоэлектрической станции 2 при заряде аккумуляторной батареи он снабжен также выведенным на лицевую панель гнездом «СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ» 22, соединенным с фотоэлектрической станцией 2 и устройством заряда и защиты 16.
Автономный источник питания 1 также содержит два выведенных на лицевую панель и соединенных с устройством 16 универсальных гнезда 23 автомобильного прикуривателя для подключения: адаптеров напряжения 5 и 6; зарядного устройства для малогабаритных аккумуляторов 7; зарядного устройства для Li-Ion аккумуляторов 8; преобразователя напряжения 9; тройника гнезда автомобильного прикуривателя 10; двух универсальных соединительных кабелей 11; и иного внешнего оборудования, снабженного штекером автомобильного прикуривателя и по своим параметрам согласующегося с характеристиками электростанции.
Фотоэлектрическая станция 2 снабжена стойкой 24 для размещения на ней указанного комплекта из четырех раскладных солнечных батарей и транспортировочным кейсом 25.
Принцип работы электростанции основан на прямом преобразовании солнечной энергии в электрическую, накоплении ее в аккумуляторной батарее с дальнейшим расходованием этой энергии для питания электрических, электронных, осветительных и других устройств.
При включении электростанции кнопкой 19 включается подсветка кнопки, на разъемах секции ВЫХОД (НАГРУЗКА) появляется напряжение 12 вольт, включается индикация на лицевой панели. При нажатии на кнопку «ТОК СБ» 20 включается подсветка кнопки, на табло индикации появляется значение тока заряда: при заряде аккумуляторной батареи от солнечной батареи - значение тока СБ, а при заряде аккумуляторной батареи от сетевого зарядного устройства - значение тока от сетевого зарядного устройства.
Тройник гнезда прикуривателя 10 предназначен для увеличения количества подключенных приборов-потребителей, снабженных штекером автомобильного прикуривателя.
Понижающий адаптер напряжения 5 служит для питания приборов-потребителей с рабочим напряжением от 1,5 до 12 вольт, а повышающий адаптер напряжения 6 служит для питания приборов-потребителей с рабочим напряжением от 12 до 24 вольт.
Преобразователь напряжения 9 с 12 на 5 вольт с двумя гнездами USB служит для преобразования базового напряжения электростанции 12 вольт в напряжение 5 вольт и для одновременного подключения двух единиц нагрузки.
При разработке, проектировании и изготовлении электростанции были применены следующие оригинальные решения:
- Конструкция фотоэлектрической станции, включающая в себя четыре солнечные батареи, изготовленные на основе фотопреобразователей из трехкаскадного аморфного кремния, позволяет фиксировать плоскости солнечных батарей в пространстве, что дает возможность как в течение светового дня, так и в различные сезонные периоды (весна-осень, лето, зима) подобрать оптимальный угол падения солнечных лучей, соответствующий наивысшей степени генерации квантов света в электрический ток.
- Использование в качестве накопителя энергии Литий-ионных аккумуляторов при соединении их в батарею под управлением специальным электронным блоком позволило впервые в практике эксплуатации мобильных солнечных электростанций выйти на минусовые режимы эксплуатации изделий, расширив диапазон работы изделия с бывшего: от 0°C до +40°C, на новый: от - 30°C до +50°C. Использование в настоящей электростанции аккумуляторной батареи большой энергоемкости (1150 Вт·ч) позволяет гарантированно обеспечить электропитанием подключаемую мобильную нагрузку не только в световой день, но и в периоды отсутствия инсоляции.
- Использование в качестве коммуникаторов стандартных разъемов типа «USB» и «Автомобильный прикуриватель», а также обеспечение возможности подключения к ним нагрузки по потреблению тока до 10 ампер позволило расширить спектр подключаемой аппаратуры практически до всей существующей, входящей в разряд мобильных изделий.
- Разработка табло индикации и включение его в конструкцию автономного источника питания позволило пользователю,
во-первых, по информации о величине: тока нагрузки, заряда аккумулятора и напряжения на клеммах АБ - наиболее оптимально и эффективно расходовать энергию накопленную в аккумуляторе,
во-вторых, по показаниям величины тока заряда солнечной батареи расположить последнюю в пространстве таким образом, чтобы солнечные лучи составляли с площадью СБ угол, близкий к 90° - наиболее эффективный режим для генерации квантов света в электрический ток.
- Введение в комплектации электростанции повышающего и понижающего адаптера позволяет изделию предоставлять электропитание в диапазонах напряжения от 1,5 до 24 вольт, перекрывающего все требуемые параметры для потребительской аппаратуры, входящей в сегмент мобильных систем.
- Введение в комплектацию зарядного устройства для малогабаритных аккумуляторов расширило возможности электростанции, от осуществления просто электропитания потребителей до зарядки аккумуляторов, входящих в их конструкцию (Li-Ion: (3,7-3,8 B), (4,2-4,3 B), (8,4-8,6 B) - 900 mA, Ni-MH/Ni-Cd: АА и AAA 2×1.4 B - 900 mА, 9 B - 100 mА), от встроенной в автономный источник питания аккумуляторной батареи.