Способ ориентации на Солнце панелей солнечной энергии, закрываемых от неблагоприятных воздействий внешней среды при пыльной буре, и устройство для его осуществления
METHOD OF ORIENTATION TO THE SUN OF SOLAR PANELS CLOSED FROM UNFAVORABLE EFFECTS OF ENVIRONMENT DURING DUST STORM, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области гелиотехники, в частности, к способам и устройствам солнечной энергии с ориентацией на Солнце, стойким к неблагоприятным воздействиям внешней среды при пыльной буре и другим погодным воздействиям, таким как снег, град, сильный ветер.
Известен солнечный модуль (см. патент №2652095, опубликован 03.03.2017 г.), который состоит из множества пластинчатых солнечных панелей, которые с возможностью вращения установлены на общей оси между первым положением, в котором они, в основном, конгруэнтно располагаются (с зазором) друг над другом, и вторым положением, в котором они в раскрытом положении располагаются на расстоянии, рядом друг с другом. У каждых двух смежных друг с другом солнечных панелей имеется концевой участок, по меньшей мере, с одним захватным элементом, который обеспечивает раскрытие (для ориентации) и закрытие лепестков панелей (сворачивание путем сдвига друг над другом при воздействии на них, к примеру, во время грозы, ударов молнии, града или при сильном дожде).
Недостатком такого модуля является сложность конструкции и очень высокая себестоимость производства, а также возможность попадания пыли при пыльной буре на подвижные сложные трущиеся поверхности, на чувствительную поверхность верхнего лепестка и на поверхности других лепестков через зазоры между лепестками панелей в условиях пыльной бури, как в первом, так и во втором положении панелей, что приводит к потере работоспособности панелей и снижению общей надежности модуля (даже после многократных чисток панелей).
Известен способ очистки солнечных панелей [заявка WO №2010107491, F24J 2/461, 23.09.2010], основанный на нагревании током по отдельным нитям образовавшегося снежного покрова на поверхности солнечной панели. При этом выполняют нагрев, и происходит таяние осадков в виде снега и льда. Недостатком способа является его неэффективность при других воздействиях, например, пыльной бури, что приводит к потере работоспособности панелей, так как требуется их очистка от пыли, что в свою очередь снижает надежность панелей.
Также известен способ размещения панелей солнечных батарей (см. патент RU 2285209, F24J 2/00, опубликован 10.10.2006 г.), согласно которому панели солнечных батарей располагают рядами друг за другом параллельно и длинными торцами друг к другу, а плоскостями -перпендикулярно или с максимально большим углом к направлению солнечных лучей в данном районе с технологическим интервалом между рядами, таким образом, чтобы тень от предыдущего ряда панелей при оптимальной высоте Солнца не накрывала последующего ряда, а технологический интервал внутри рядов между панелями устанавливают не более 0,1…0,15 длины панели, причем по высоте панели располагают над поверхностью земли, равной среднему росту обслуживающего персонала. Недостатком известного способа является низкая эффективность его применения в отдельных климатических зонах после воздействия на панели неблагоприятных климатических факторов, таких как, например, пыльная буря или налипание снега на панели при работе на открытой местности. Это требует очистки панелей от выпадающих осадков из-за потери работоспособности панелей, что приводит к снижению надежности панелей.
Известен способ ориентации на Солнце приемного устройства солнечной энергии и преобразования ее в другие виды энергии (см. патент на изобретение F24S 30/00, ru 2716361 от 25.06.2019 г.). Согласно известному способу, ориентацию на Солнце поверхности зоны чувствительности приемного устройства выполняют на открытой местности за счет поворотов на пошаговый угол в начале отдельных последовательных промежутков времени. При этом направление центральной оси зоны чувствительности приемного устройства выставляют впереди направления на Солнце путем порота поверхности на один пошаговый угол вокруг оси приемного устройства.
Недостатком способа является низкая эффективность работы на открытой местности приемного устройства в отдельных климатических зонах после воздействия на поверхность зоны чувствительности неблагоприятных климатических факторов и погодных воздействий таких, как пыльная буря, осадки, например, крупный град. Это приводит к повреждениям или разрушениям, чаще всего, хрупкой поверхности зоны чувствительности панелей приемного устройства. Налипающий слой снега, закрывающий доступ солнечного излучения к поверхности зоны чувствительности, также приводит к продолжительной потере работоспособности панелей, к снижению надежности устройства.
Известен способ концентрации солнечной энергии и устройство для его осуществления (см. патент RU 2342606 от 27.08.2008 г.). Способ концентрации солнечной энергии до высоких температур включает переотражения светового потока и концентрацию его на теплоприемнике с использованием световода. Устройство расположено на стойке и состоит из концентратора с устройством слежения за Солнцем, абсорбера и световода. Недостатком способа и устройства для его осуществления является низкая надежность работы этого устройства в случае неблагоприятных воздействий внешней среды при пыльной буре.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого способа является способ и устройство для вращения панелей солнечных батарей (см. Патент RU 2474768, F24J 2/54, опубликован 10.02.2013 г.). Согласно известному способу, вращение панелей солнечных батарей в световой отрезок времени включает в себя поступление воды из резервуара в рабочую емкость, давящую на устройство с ограничителями, которые регулируют понижение емкости, при этом барабан вращается и разворачивает панели солнечных батарей вокруг своей оси вращения для ориентации на Солнце. Таким способом осуществляют ориентацию панелей с поверхностью зоны чувствительности, при которой в рабочем положении ось зоны чувствительности поверхности, по сути, выставляют впереди направления на Солнце путем одновременного поворота каждой панели с помощью привода на один пошаговый угол, например, по азимуту. При этом величина пошагового угла определяется параметрами зоны чувствительности панели. В конце светового дня приводом панели возвращают в исходное положение и на следующие сутки повторяют суточный цикл ориентации. Устройство для вращения панелей солнечных батарей содержит панели, стойки с осями вращения для ориентации панелей их поверхностью зоны чувствительности на Солнце с помощью привода, который выполнен в виде резервуара с водой со стоком, рабочую емкость, установленную на устройстве с ограничителями, которая связана при помощи троса с барабаном и панелями солнечных батарей.
Недостатком этого способа и устройства является потеря работоспособности устройства после воздействия на него, например, пыльной бури при работе на открытой местности из-за осевшего слоя пыли на чувствительные поверхности панели или потеря ориентации панелей на Солнце из-за сильного ветра. Это приводит к снижению надежности панелей в случае неблагоприятного воздействия окружающей среды при пыльной буре.
Задача заключается в повышении надежности способа и сохранении работоспособности устройства солнечной энергии за счет закрывания поверхностей зоны чувствительности панелей от внешней среды в случае неблагоприятных воздействий на них пыльной бури и других погодных воздействий, приводящих к временной или постоянной потере работоспособности.
Технический результат предложенных способа и устройства ориентации на Солнце заключается в повышении надежности способа и сохранении работоспособности устройства с панелями солнечной энергии в случае неблагоприятных воздействий окружающей среды при пыльной буре.
Сущность предлагаемого способа состоит в том, что способ ориентации на Солнце панелей солнечной энергии, закрываемых от неблагоприятных воздействий внешней среды при пыльной (песчаной) буре, включает в себя ориентацию панели приема и преобразования солнечной энергии с поверхностью зоны чувствительности, при которой ось зоны чувствительности вышеуказанной поверхности выставляют впереди направления на Солнце путем поворотов панели вокруг оси вращения стойки с помощью привода на один пошаговый угол.
При этом повороты одновременно двух панелей в раскрытом положении для приема и преобразования солнечной энергии выполняют соосно с помощью реверсивного привода вокруг оси вращения стойки. Причем поверхности с одинаковыми контурами по форме и размерам устанавливают симметрично относительно оси вращения стойки и размещают в одной плоскости, которую располагают параллельно оси вращения стойки.
В случае начала пыльной бури поверхности панелей закрывают от неблагоприятных воздействий внешней среды путем поворота с помощью привода одной панели к другой до упора плоскостью ее наружного контура в плоскость наружного контура другой панели. При таком положении поверхностей, закрытом от внешней среды, панели удерживают неподвижными друг относительно друга и стойки до окончания вышеназванных воздействий после совместного поворота панелей по ветру и расположения их в направлении плоскости наименьшего сопротивления пыльной буре. А затем поворотами с помощью привода панели возвращают в раскрытое положение для приема и преобразования поверхностями солнечной энергии в светлое время.
Совокупность признаков заявленного способа, составляющих вышеприведенную сущность изобретения, обеспечивает достижение вышеуказанного технического результата при воплощении этого способа в заявленном устройстве.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого устройства является устройство для вращения панелей солнечных батарей (см. Патент RU 2474768, F24J 2/54, опубликован 10.02.2013 г.).
Сущность предлагаемого устройства ориентации на Солнце панелей солнечной энергии, закрываемых от неблагоприятных воздействий внешней среды при пыльной (песчаной) буре, заключается в том, что устройство содержит панель солнечной энергии с поверхностью зоны чувствительности, стойку с осью вращения для ориентации панели ее осью зоны чувствительности в направлении на Солнце и привод поворотов панели вокруг оси вращения на пошаговые углы.
При этом одна панель неподвижно закреплена своей стороной вдоль образующей на одной полуоси, которая соосно установлена на оси вращения стойки с возможностью поворота, а вторая панель закреплена так же на другой полуоси и установлена так же соосно на полуось первой панели снаружи с возможностью поворота.
Причем контуры вышеуказанных поверхностей имеют одинаковую форму и размеры, а поверхности в раскрытом положении панелей для приема и преобразования солнечной энергии установлены симметрично относительно оси вращения стойки и размещены в одной плоскости, которая расположена параллельно оси вращения стойки.
На конце стойки расположен привод, содержащий реверсивный двигатель, вал которого для передачи вращения к панелям постоянно соединен с одной полуосью и муфту удерживания полуосей от вращения, содержащую два фиксатора со штоками.
Один фиксатор неподвижно закреплен на стойке с возможностью удерживать своим штоком одну из полуосей от вращения вокруг оси стойки, как в угловых крайних, так и в промежуточных положениях этой полуоси через каждый пошаговый угол при ориентации панелей на Солнце.
Второй фиксатор неподвижно закреплен на одной из полуосей с возможностью соединять (отсоединять) другую полуось с первой полуосью для передачи вращения от вала и удерживать своим штоком полуоси от взаимного вращения в раскрытом положении и в закрытом положении панелей в случае неблагоприятных воздействий пыльной бури, при которой поверхность одной панели путем поворота закрыта от внешней среды поверхностью другой панели при упоре плоскости наружного контура ее панели в плоскость наружного контура другой панели при пыльной буре.
Совокупность признаков заявленного устройства, составляющая вышеприведенную сущность изобретения, обеспечивает достижение вышеуказанного технического результата.
Фиг. 1 - Общий вид предлагаемого устройства. Фиг. 2 - Поперечное сечение устройства в раскрытом положении панелей при ориентации на Солнце. Фиг. 3 - Поперечное сечение устройства в закрытом положении панелей от неблагоприятного воздействия окружающей среды.
Позициями на схемах фиг. 1, 2 и 3 обозначены: 1 - стойка; 2 - панель; 3 - поверхность; 4 - панель; 5 - поверхность; 6 - полуось; 7 - полуось; 8 - двигатель; 9 - шатун; 10 - фиксатор; 11 - фиксатор; 12 - кожух.
Устройство представлено на схеме фиг. 1. Устройство состоит из стойки 1, панели 2 с поверхностью 3 зоны ее чувствительности, панели 4 с поверхностью 5 зоны чувствительности и привода. Привод для ориентации панелей на Солнце и поворота панелей для их защиты (сохранности) от неблагоприятного воздействия внешней среды при пыльной буре расположен на стойке 1. Все повороты панелей при ориентации, закрывании их от воздействий пылевой бури и открывании, разворотах по направлению ветра, и возврат в рабочее положение выполняются одним и тем же приводом.
Одна панель 2 неподвижно закреплена своей стороной вдоль образующей на одной полуоси 6, которая соосно установлена на оси вращения стойки 1 с возможностью поворота (по азимуту или по высоте - в соответствии с расположением оси вращения на местности), а вторая панель 4 закреплена так же на другой полуоси 7 и установлена так же соосно на полуось 6 снаружи с возможностью поворота. При этом контуры А и В вышеуказанных поверхностей 3 и 5 имеют одинаковую форму и размеры, поверхности в раскрытом положении панелей 2 и 4 для приема солнечной энергии установлены симметрично относительно оси вращения стойки и размещены в одной плоскости С (см. Фиг. 2), которая расположена параллельно оси вращения стойки. На стойке 1 расположен привод, содержащий реверсивный двигатель 8, вал которого кинематически с помощью шатуна 9 постоянно соединен, например, с одной ведущей полуосью 6, и муфту удерживания полуосей, содержащую два фиксатора 10 и 11 со штоками.
Причем один фиксатор 10 неподвижно закреплен на стойке 1 с возможностью удержания своим выдвинутым штоком полуоси 7 от вращения вокруг оси стойки, как в крайних, развернутых друг от друга, например, на угол не менее 180 градусов, так и в промежуточных угловых положениях этой полуоси 7 через каждый, например, пошаговый угол D. А второй фиксатор 11 неподвижно закреплен в поперечном пазу Е, определяющем крайние положения панелей для ориентации и выполненном в стойке 1, на полуоси 7 с возможностью удержания своим штоком полуосей 6 и 7 от вращения друг относительно друга в раскрытом положении (см. фиг. 2) и в закрытом положении (см. фиг. 3), панелей. В закрытом положении панелей при пыльной буре поверхность 5 путем поворота принадлежащей ей панели 4 закрыта от внешней среды поверхностью 3 (принадлежащей панели 2) при упоре плоскости наружного контура F панели 2 в плоскость наружного контура G панели 4. Наружные контуры F и G выполнены плотно прилегающими друг к другу, что исключает проникновение пыли на поверхности 3 и 5.
Полуось 6, например, для уменьшения трения установлена с возможностью вращения на подшипниках Н и J, а полуось 7 - на подшипниках К и L. Сверху привод закрыт от воздействий внешней среды кожухом 12 (не показан на фиг. 2 и 3), который опирается на опорный выступ стойки 1. Этот опорный выступ и другие опорные выступы показаны на фиг. 1 условно и могут быть получены (на трубе) любым способом, например, сваркой.
Стрелками на фиг. 2 условно показано направление солнечного излучения в рабочем положении устройства. Пропорции на фиг. 1, 2 и 3 не соблюдены для наглядности схем.
Предлагаемые способ и устройство осуществляют в следующей последовательности.
Стойка 1 установлена на открытой местности. При установке устройства на местности выполнено ориентирование стойки 1 относительно южного направления, например, по азимуту таким образом, что поверхности зон чувствительности 3 и 5 с одинаковыми контурами А и В направлены на Солнце в начале ориентации (см. фиг. 2). Для этого они расположены в плоскости С симметрично относительно оси вращения стойки и соосно установлены своими панелями 2 и 4 на полуосях 6 и 7. При этом полуось 7 удерживается от вращения штоком фиксатора 10, а обе полуоси 6 и 7 удерживаются от вращения друг относительно друга штоком фиксатора 11. В начале ориентации перед пуском устройства в работу оси зон чувствительности поверхностей 3 и 5 установлены в направлении на Солнце (см. фиг. 2).
Для ориентации панелей на Солнце после пуска устройства в работу оси зон чувствительности поверхности 3 и 5 выставляют (например, по азимуту) впереди направления на Солнце путем одновременного поворота панелей 2 и 4 вокруг оси вращения стойки 1 с помощью привода на каждый пошаговый угол D через определенные промежутки времени, например, до крайнего углового положения полуоси 6 при ориентации панелей по азимуту (см. фиг. 2), определяемого величиной паза Е в стойке 1, предназначенного, например, для расположения фиксатора 11. На схеме фиг. 2 условно выделен один пошаговый угол D.
В случае начала пылной бури, которая может произойти при любом положении устройства установленного на местности, например, в момент перед пуском, которому соответствует положение устройства, показанное на фиг. 3, где поверхности 3 и 5 путем поворота панелей закрыты от неблагоприятных воздействий внешней среды (в виде сильного ветра и пыли, песка). При этом с помощью муфты, полуось 7 удерживается от вращения выдвинутым штоком из корпуса фиксатора 10, а полуось 6 освобождена штоком фиксатора 11 от удержания с полуосью 7 (за счет втягивания штока в корпус фиксатора 11). После этого двигатель 8 реверсным движением своего вала (то есть обратным движением относительно направления вращения при ориентации панелей на Солнце) поворачивает посредством вращения одной полуоси 6 панель 2 с помощью шатуна 9 до упора плоскостью наружного контура F в плоскость наружного контура G другой панели 4. В таком закрытом положении поверхностей 3 и 5 от внешней среды панели 2 и 4, путем уже совместного поворота по направлению ветра (вокруг оси вращения стойки 1) с помощью привода, располагают в направлении, близком (принимая во внимание вероятную переменчивость направления ветра при буре) к плоскости наименьшего сопротивления закрытых панелей пыльной бури (по парусности). Это соответствует, например, положению устройства, показанному на фиг. 3. В дальнейшем панели удерживаются муфтой неподвижными друг относительно друга и стойки до окончания вышеназванных воздействий. Направление ветра штормовой силы при пыльной буре показано отдельной стрелкой условно. После окончания внешнего воздействия, поворотами в обратном порядке с помощью привода панели возвращают в раскрытое положение (см. фиг. 2) для приема и преобразования поверхностями 3 и 5 солнечной энергии в светлое время.
Заявленное устройство имеет простую конструкцию, эффективно и надежно в эксплуатации, обеспечивает ориентацию панелей на Солнце вокруг оси вращения стойки на местности и, после закрывания поверхностей зоны чувствительности солнечных панелей от окружающей среды в случае начала пыльной бури, других подобных неблагоприятных погодных воздействий и после поворота и удерживания закрытых панелей в направлении плоскости наименьшего сопротивления напору ветра, обеспечивает повышение стойкости устройства к неблагоприятным воздействиям, то есть - сохранение работоспособности панелей и этим исключает затраты на восстановление и ремонт устройства после окончания таких неблагоприятных воздействий.