СОЛНЕЧНАЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА
SOLAR PHOTOVOLTAIC POWER PLANT

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к солнечным энергетическим устройствам, предназначенным для выработки электроэнергии путем фотоэлектрического преобразования солнечной энергии на лунной поверхности.
При использовании солнечных энергетических устройств в условиях космического пространства, охлаждение каскадных солнечных элементов осуществляется только радиационным способом, так как при отсутствии воздушной атмосферы не может быть задействован механизм конвекционного переноса тепла. Отвод тепла от солнечных энергетическим систем при установке на поверхности Луны усложняется, поскольку в течение лунного дня происходит разогрев открытой лунной поверхности Солнцем до температуры более 120°С, что значительно снижает эффективность отвода тепла от солнечных элементов в открытое пространство.
Известно солнечное энергетическое устройство (см. RU 2230396, МПК H01L 31/042, опубл. 10.06.2004), состоящее из плоских панелей в виде каркаса и натянутого на него сетеполотна, разделенного на ячейки, в которых размещены модули. Модули содержат фотоэлектрические преобразователи прямоугольной формы, коммутационные металлические шины, защитные стеклянные пластины, подложку, элементы крепления модуля к сетеполотну и шунтирующие диоды. Стеклянные пластины покрывают во взаимно перпендикулярных направлениях несколько фотоэлектрических преобразователей и образуют цельные блоки. Края блоков соединены подложкой в виде полос, в промежутках между фотоэлектрическими преобразователями смежных блоков размещены объемные изгибы-компенсаторы в шинах. Элементы крепления, шунтирующие диоды и шины, вблизи краев модуля установлены на наружной поверхности стеклянных пластин на тыльной стороне модуля. Элементы крепления выполнены в виде площадки со стержнем, при этом площадка соединена со стеклянной пластиной, а конец стержня пропущен через сетеполотно и загнут на нить сетеполотна.
Известное солнечное энергетическое устройство имеет низкий удельный энергосъем вследствие значительного разогрева фотоэлектрических преобразователей.
Известно фотоэлектрическое устройство (см. US 20110017875, МПК B64G 1/44, HOIL 31/042, опубл. 27.01.2011), содержащее несущую конструкцию космического аппарата, на которой закреплена панель концентраторных фотоэлектрических элементов, включающая в себя множество линз Френеля, направляющих свет на панель фотоэлектрических преобразователей, термически подключенных к центральной несущей конструкции через тепловую трубу. Тепловая труба обеспечивает передачу генрируемого тепла от панели фотоэлектрических преобразователей и рассеяние его на радиаторе тепловой трубы и элементах несущей конструкции.
Недостатком известного фотоэлектрического устройства является низкий удельный энергосъем.
Известно солнечное фотоэлектрическое устройство (см. WO 2018148796, МПК H01L 31/0525, H02S 40/44, H02S 40/42, опубл. 23.08.2018), содержащее фотоэлектрическую солнечную панель, в которой каждый фотоэлектрический преобразователь установлен на радиатор теплоотвода и подключен к первому контуру охлаждения. В первом контуре охлаждения происходит перенос тепла охлаждающей жидкостью от радиаторов в первый теплообменник с помощью насоса низкого давления. В первом теплообменнике происходит передача тепла во второй контур охлаждения. Охлаждение жидкости первого контура происходит за счет энергии парообразования при кипении теплоносителя второго контура, циркуляция которого производится с помощью насоса высокого давления. Во втором контуре происходит перенос тепла и передача его в третьем теплообменнике в емкость с водой при конденсации паров теплоносителя второго контура.
Известное солнечное фотоэлектрическое устройство обладает высокой производительностью при переносе тепловых потоков, но имеет сложную конструкцию и ее применение на лунных станциях в условиях большого перепада температур не представляется возможным.
Известна солнечная фотоэлектрическая установка (см. RU 2286517, МПК F24J 2/42, опубл. 27.10.2006), включающая солнечную батарею, набранную из концентраторных фотоэлектрических модулей с прямоугольными корпусами, содержащих фотоэлектрические преобразователи, находящиеся в фокусах линз Френеля, размещенную на механической системе ориентации на Солнце, содержащей приводы зенитального и азимутального вращения, снабженные шаговыми мотор-редукторами, систему слежения, оснащенную датчиками положения Солнца. Механическая система включает две рамы - базовую, вращающуюся вокруг вертикальной оси и подвешенную, с закрепленными концентраторными фотоэлектрическими модулями, обеспечивающую поворот вокруг горизонтальной оси.
Известная солнечная фотоэлектрическая установка имеет недостаточную общую энергоэффективность вследствие большой площади нефотоактивной области фотоэлектрической установки и неэффективную систему отвода тепла, что не обеспечивает возможность использования фотоэлектрической установки на Луне.
Известна фотоэлектрическая энергетическая система (см. US 8242350, МПК H01L 31/042, F24J 2/10 опубл. 24.08.2012), включающая множество фотоэлектрических концентраторных модулей, собранных в двухмерном массиве, где каждый фотоэлектрический концентраторный модуль содержит корпус, имеющий основание и боковые стенки, соединенные с основанием и механизм перемещения, который может поворачивать и перемещать фотоэлектрический концентраторный модуль вокруг двух осей относительно монтажной плиты, чтобы обеспечить максимальный прием падающего солнечного света для каждого фотоэлектрического элемента концентраторного модуля.
Недостатком известной фотоэлектрической энергетической системы является сложность устройства слежения за Солнцем, обеспечивающего поворот вокруг двух осей и перемещение каждого фотоэлектрического концентраторного модуля, и, как следствие этого, низкая надежность конструкции, а также недостаточно эффективная система отвода тепла от солнечных элементов.
Известна фотоэлектрическая энергогенерирующая станция (см. CN 106100558, МПК H02S 20/32, H02S 40/22, опубл. 11.09.2016), которая содержит опору и корпус для крепления групп фотоэлектрических концентраторных модулей для преобразования солнечной энергии в электрическую. Каждый фотоэлектрический концентраторный модуль в группе содержит чип фотоэлектрического элемента, над чипом фотоэлектрического элемента установлен объемный фокон и линза Френеля для фокусировки света на чипе фотоэлектрического элемента. Каждая группа фотоэлектрических концентраторных модулей содержит механизм фокусировки, позволяющий поворачивать группу модулей по двум осям для осуществления ориентации модулей на Солнце.
Недостатками известной фотоэлектрической энергогенерирующей станции при размещении ее на поверхности Луны является недостаточно эффективная система отвода тепла и усложненная система управления движением корпуса фотоэлектрических концетраторных модулей, приводящая к большому углу поворота фотоэлектрических концентраторных модулей в плоскости перпендикулярной эклиптики, что создает повышенный расход энергии при слежении за Солнцем и приводит к сокращению срока службы станции.
Известна солнечная фотоэлектрическая станция (см. RU 2764866, МПК H01L 31/00, H01L3 1/041, H02S 20/30, опубл. 21.01.2022), включающая промежуточную раму, выполненную в виде круглой цилиндрической балки, снабженную приводом, оптическим солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца в плоскости эклиптики, и установленную с возможностью вращения в вертикальной плоскости посредством первых цилиндрических шарниров на двух стойках, прикрепленных к основанию, одна из которых снабжена механизмом ее вертикального возвратно-поступательного перемещения, раму солнечных элементов, прикрепленную к промежуточной раме и блок управления. Промежуточная рама установлена с возможностью вращения приводом вокруг своей оси посредством вторых цилиндрических шарниров, ортогонально закрепленных на первых цилиндрических шарнирах, рама солнечных элементов установлена параллельно оси вращения промежуточной рамы и снабжена концентраторами солнечного излучения, в фокусе которых установлены солнечные элементы, выполненные в виде прямоугольников. Оси первых цилиндрических шарниров промежуточной рамы устанавливают в направлении восток-запад и промежуточную раму устанавливают под углом к горизонтали, равным географической широте места расположения установки, а одна из стоек снабжена механизмом ее вертикального возвратно-поступательного перемещения.
Недостатком солнечной фотоэлектрической станции является отсутствие эффективной системы отвода тепла от солнечных элементов, снижающего эффективность преобразования солнечного излучения в электричество из-за разогрева элементов при работе на поверхности Луны в условиях вакуума.
Известна солнечная фотоэнергоустановка, (см. RU 2767718, МПК H01L 31/042, H02S 20/32, опубл. 18.03.2022), совпадающая с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Солнечная фотоэнергоустановка содержит вертикальную полую цилиндрическую опору, вал с первым приводом, коаксиально установленный с возможностью вращения в полости цилиндрической опоры, раму со вторым приводом и с оптическим солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца, установленную на верхнем вала посредством цилиндрического шарнира, ось которого ортогональна оси вала, и закрепленную на раме солнечную батарею с концентраторами солнечного излучения, в фокусе которых установлены на теплоотводящем основании фотоэлектрические преобразователи. Вал выполнен из материала с повышенной теплопроводностью, вертикальная полая цилиндрическая опора выполнена составной с возможностью частичного погружения в грунт места установки, нижний участок цилиндрической опоры выполнен из материала с повышенной теплопроводностью, а наружная поверхность участка вала, выступающего из верхнего торца цилиндрической опоры, и наружная поверхность участка цилиндрической опоры, не погружаемого в грунт, выполнены светоотражающими.
Недостатками известной солнечной фотоэнергоустановки являются сложность устройства слежения за Солнцем, обеспечивающего поворот солнечной батареи вокруг двух осей и, как следствие этого, низкая надежность конструкции, а также недостаточно эффективная система охлаждения фотоэлектрических преобразователей, отвода тепла от которых определяется теплопроводностью большого числа элементов конструкции, за счет чего возникают большие градиенты температуры между фотоэлектрическими преобразователями, расположенными вблизи цилиндрического шарнира и на краю теплоотводящего основания.
Задачей настоящего изобретения являлась разработка солнечной фотоэлектрической энергоустановки для размещения на поверхности Луны, обеспечивающей эффективное преобразование солнечного излучения в электрическую энергию и получение высокого удельного энергосъема за счет эффективного отвода тепла от фотоэлектрической батареи в условиях длительной работы энергоустановки на поверхности Луны.
Поставленная задача решается тем, что солнечная фотоэлектрическая энергоустановка включает полую цилиндрическую опору, вал, коаксиально установленный в полости цилиндрической опоры, раму с приводом и с оптическим солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца, установленную на верхнем торце вала посредством цилиндрического шарнира, в котором ось стержня шарнира ортогональна оси вала, и закрепленную на раме солнечную батарею на теплоотводящем основании. Цилиндрическая опора выполнена с возможностью частичного погружения в грунт места установки энергоустановки наружная поверхность участка цилиндрической опоры, не погружаемого в грунт, выполнена светоотражающей. Новым в энергоустановке является то, что теплоотводящее основание выполнено полым, верхние части цилиндрической опоры и вала изогнуты под углом ϕ к их вертикальным частям, равным селенографической широте в месте установки энергоустановки, ось стержня цилиндрического шарнира расположена в плоскости изгиба оси вала, стержень цилиндрического шарнира снабжен каналами для прохода входного и выходного трубопроводов, к боковым сторонам теплоотводящего основания прикреплены экраны со светоотражающей внешней поверхностью, нижние части цилиндрической опоры и вала снабжены горизонтальным полым теплопроводным основанием, заглубляемым в лунный грунт на глубину (1,2-1,7) м, при этом полость теплоотводящего основания соединена снабженным насосом входным и выходным трубопроводами, проходящими через каналы стержня цилиндрического шарнира, с полостью горизонтального теплопроводного основания.
Вал, теплоотводящее основание и горизонтальное теплопроводное основание могут быть выполнены из меди или алюминиевого сплава.
Расположение вала и цилиндрической опоры вертикально к лунному горизонту в месте установки энергоустановки, которую при этом разворачивают так, что верхняя часть вала и цилиндрической опоры оказываются изогнутыми в направлении Юг-Север под углом ϕ к вертикальной части вала и цилиндрической опоры, равным селенографической широте в месте лунного базирования энергоустановки, и ось стержня шарнира при этом устанавливается в направлении Юг-Север, обеспечивают параллельность осей вращения солнечной батареи и Луны. Вращение солнечной батареи вокруг оси, параллельной оси вращения Луны, со скоростью один оборот за один сидерический (звездный) месяц в направлении, противоположном направлению вращения Луны вокруг своей оси, обеспечивает сохранение ориентации солнечной батареи на Солнце в течение лунных дней всего срока эксплуатации станции.
Специфика размещения солнечных установок на Луне такова, что их изготовление производится на Земле для электроснабжения лунной станции, координаты которой уже известны. Для обеспечения требуемой электрической мощности при работе станции, вокруг нее может быть установлено необходимое количество энергоустановок с одинаковым заданным значением угла ϕ изгиба верхней части штанги. При этом в установленных энергоустановках отклонения значений угла ϕ от значения селенографической широты базирования, приводящие к отклонению направления лучей подающего солнечного излучения от нормали к фотоприемным поверхностям солнечных батарей, будут незначительными. Так, например, при перемещении энергоустановки по поверхности Луны от расчетной точки базирования в меридианальном направлении на расстояние 10 километров, максимальные значения отклонений направления падения солнечных лучей от нормали не превышают ±20 угловых минут. Эти отклонения существенно меньше отклонений направления падения солнечных лучей за счет отклонения оси вращения Луны от нормали к плоскости эклиптики
В течение лунного дня происходит разогрев открытой лунной поверхности Солнцем до температуры более 120°С, но при этом температура лунных пород, залегающих на глубине более (0,8-1,2) м, постоянна и равна минус 35°С. При работе солнечной фотоэлектрической энергоустановки на поверхности Луны для отвода тепла от закрепленной на раме на теплоотводящем основании солнечной батареи, внутренние полости теплоотводящего основания, горизонтального теплопроводного основания и входного и выходного трубопроводов заполняют охлаждающей жидкостью с температурой замерзания ниже минус 40-50°С.
Снабжение нижних частей цилиндрической опоры и вала горизонтальным полым теплопроводным основанием, заглубляемым в лунный грунт на глубину (1,2-1,7) м, и соединение полости теплоотводящего основания с полостью горизонтального теплопроводного основания входным и выходным трубопроводами, один из которых снабжен насосом, осуществляющим принудительный приток упомянутой охлаждающей жидкости из-под поверхности Луны к теплоотводящему основанию с закрепленной солнечной батареей, обеспечивают отвод тепла от солнечной батареи, передачу тепла к горизонтальному теплопроводному основанию полой цилиндрической опоры и вала и рассеяние его в лунном грунте. Для обеспечения максимальной эффективности передачи тепла в лунный грунт, необходимо, чтобы вся поверхность горизонтального теплопроводного основания находилась на глубине более 1,2 м при температуре лунного грунта минус 35°С. Размещение горизонтального теплопроводного основания на глубине менее 1,2 м при более высокой температуре приповерхностного слоя лунного грунта снижает эффективность рассеяния тепла в лунном грунте. Увеличение глубины размещения горизонтального теплопроводного основания более 1,7 м приводит к неоправданному увеличению расхода материалов и массы конструкции без увеличения эффективности передачи тепла в лунный грунт.
Снабжение стержня цилиндрического шарнира каналами для прохода входного и выходного трубопроводов обеспечивает подачу охлаждающей жидкости в полость теплоотводящего основания в любом положении солнечной батареи при вращении рамы с закрепленной на теплоотводящем основании солнечной батареей вокруг оси стержня цилиндрического шарнира в процессе ориентации солнечной батареи на Солнце.
Выбор охлаждающей жидкости с температурой замерзания ниже минус 40-50°С обеспечивает прокачку охлаждающей жидкости в трубопроводах, размещенных в лунном грунте при температуре минус 35°С, и перенос тепла охлаждающей жидкостью от теплоотводящего основания в лунный грунт при работе энергоустановки в течение лунных дней всего срока эксплуатации станции. В качестве охлаждающей жидкости может быть использован водный раствор этилового спирта, температура замерзания которого изменяется от минус 40°С до минус 110°С при увеличении концентрации спирта от 70% до 96%.
Прикрепление экранов со светоотражающей внешней поверхностью к боковым сторонам теплоотводящего основания уменьшает радиационный нагрев внутренних и внешних элементов конструкции энергоустановки и теплоотводящего основания с установленной солнечной батареей за счет частичного затенения от рассеянного теплового излучения от лунной поверхности, разогреваемой Солнцем в течение лунного дня до температуры более 120°С. Благодаря такому затенению снижается рабочая температура солнечных элементов и увеличивается КПД солнечной батареи.
Выполнение вала, теплоотводящего основания и горизонтального теплопроводного основания из меди или алюминиевого сплава, повышает эффективность теплоотвода от солнечной батареи, поскольку эти элементы являются параллельным каналом передачи тепла от солнечных элементов в лунный грунт. Изготовление этих элементов из конструкционных материалов с теплопроводностью превышающей 170 Вт/м⋅град приводит к снижению рабочей температуры солнечных элементов и увеличивает КПД солнечной батареи.
Сущность настоящего технического решения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 приведен в продольном разрезе общий вид солнечной фотоэлектрической энергоустановки, включающей солнечную батарею;
на фиг. 2 показано поперечное сечение цилиндрической опоры солнечной фотоэлектрической энергоустановки.
Настоящая солнечная фотоэлектрическая энергоустановка (см. фиг. 1 - фиг. 2) содержит полую цилиндрическую опору 1, вал 2, коаксиально установленный в полости цилиндрической опоры 1, раму 3 с приводом 4 и с оптическим солнечным датчиком 5, чувствительным к смещению Солнца, установленную на верхнем торце вала 2 посредством цилиндрического шарнира 6, ось 7 стержня 8 шарнира 6 ортогональна оси 9 вала 2, и закрепленную на раме 3 солнечную батарею 10, установленную на полом теплоотводящем основании 11. Цилиндрическая опора 1 выполнена с возможностью частичного погружения в грунт 12 места установки энергоустановки. Верхняя часть 13 цилиндрической опоры 1 и верхняя часть 14 вала 2 изогнуты под углом φ к их вертикальным частям, равным селенографической широте в месте установки энергоустановки. Ось 7 стержня 8 цилиндрического шарнира 6 расположена в плоскости изгиба оси 9 вала 2. Стержень 8 цилиндрического шарнира 6 снабжен каналами 15, 16 для прохода входного трубопровода 17, снабженного насосом 18 и выходного трубопровода 19. К боковым сторонам теплоотводящего основания 11 прикреплены экраны 20, 21, 22 со светоотражающей внешней поверхностью. Нижние части цилиндрической опоры 1 и вала 2 снабжены горизонтальным полым теплопроводным основанием 23, заглубляемым в лунный грунт 12, при этом полость 24 теплоотводящего основания 11 соединена снабженным насосом 18 входным трубопроводом 17 и выходным трубопроводом 19, проходящими через каналы 15, 16 стержня 8 цилиндрического шарнира 6, с полостью 25 горизонтального теплопроводного основания 23. При этом вал 2, теплоотводящее основание 11 и горизонтальное теплопроводное основание 23 могут быть выполнены из меди или алюминиевого сплава.
Для работы солнечной фотоэлектрической энергоустановки горизонтальное теплопроводное основание 23 заглубляют в лунный грунт 12 на глубину 1,2-1,7 м в месте базирования энергоустановки, полую цилиндрическую опору 1 устанавливают вертикально к лунному горизонту, верхнюю часть 13 цилиндрической опоры 1, изогнутую под углом ϕ к ее вертикальной части, равным селенографической широте в месте лунного базирования энергоустановки, ориентируют в направлении Юг-Север так, что при установке энергоустановки в северном лунном полушарии верхний конец оси 7 стержня 8 шарнира 6 ориентирован на лунный север, а в южном лунном полушарии верхний конец оси 7 стержня 8 шарнира 6 ориентирован на лунный юг. При такой ориентации ось 7 вращения закрепленной на раме 3 солнечной батареи 10 устанавливается параллельно оси вращения Луны. Внутренние полости 24, 25 теплоотводящего основания 11, горизонтального теплопроводного основания 23 и входного трубопровода 17 и выходного трубопровода 19 заполняют охлаждающей жидкостью с температурой замерзания ниже минус 40-50°С.
При работе солнечной фотоэлектрической энергоустановки с помощью электропривода 4 в соответствии с сигналами оптического солнечного датчика 5, фотоприемная поверхность солнечной батареи 10 ориентируется перпендикулярно солнечным лучам. Фотоэлектрические преобразователи солнечной батареи 10 преобразуют энергию квантов света в электроэнергию. Вырабатываемую энергоустановкой электроэнергию подают к внешнему потребителю или накопителю энергии. Электроприводом 4 обеспечивается вращение батареи 10 вокруг оси 7 стержня 8 шарнира 6 в направлении, противоположном направлению вращения Луны вокруг своей оси и сохранение перпендикулярности фотоприемной поверхности солнечным лучам. Тепло, выделяемое при работе фотоэлектрических преобразователей солнечной батареи 10, передается в теплоотводящее основание 11 с охлаждающей жидкостью в полости 24 теплоотводящего основания 11 и переносится охлаждающей жидкостью, прокачиваемой насосом 18 через трубопроводы 17, 19 в горизонтальное теплопроводное основание 23, заглубленное на глубину 1,2-1,7 м в лунный грунт 12, имеющий температуру минус 35°С. От горизонтального теплопроводного основания 23 тепло переходит в лунный грунт 12 и рассеивается в нем. Установка экранов 20, 21, 22 со светоотражающей внешней поверхностью на боковых сторонах теплоотводящего основания 11 обеспечивает уменьшение дополнительного разогрева верхней части фотоэлектрической энергоустановки прямым солнечным излучением и тепловым излучением от разогретой поверхности Луны, снижает тепловые потери и повышает эффективность отвода тепла от солнечной батареи 10.
Таким образом, использование настоящего изобретения обеспечивает для солнечной фотоэлектрической энергоустановки, размещенной на поверхности Луны, наиболее простую схему ориентации и слежения за Солнцем при вращении солнечной батареи вокруг одной оси, параллельной оси вращения Луны, что обеспечивает повышение надежности при использовании энергоустановки в условиях длительной автономной работы на поверхности Луны, а также, независимо от температуры лунной поверхности, позволяет отводить тепло и поддерживать оптимальную температуру солнечной батареи, что повышает эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию с высоким удельным энергосъемом в течение лунных дней всего срока службы энергоустановки.