Плавучий модуль для фотоэлектрических панелей
FLOATING MODULE FOR PHOTOVOLTAIC PANELS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к производству возобновляемой энергии, а именно к устройствам, таким как плавучие солнечные электростанции, а в частности к плавучему модулю, на котором размещается фотоэлектрическая панель, что обеспечивает базирование данной конструкции на водной поверхности. Данные плавучие модули с фотоэлектрической панелью будут использоваться для сборки электростанции.
Уровень техники
В документе (WO 2012139998, H01L31/042, опубл. 18.10.2012) раскрыта плавучая конструкция, которая сама по себе является креплением солнечных панелей. Устройство для поддержки фотоэлектрической панели состоит из герметичной пластиковой оболочки, образующей нижнюю стенку, верхнюю стенку и четыре боковые стенки. Устройство содержит средство для крепления фотоэлектрической панели к указанной верхней стенке пластиковой оболочки.
Недостатком данного аналога является отсутствие системы водного балласта в плавучем модуле. Система водного-бапласта требуется для увеличения стабильности плавучего модуля, для использования на волнах или при перепаде уровня воды и ветре.
Также из уровня техники известна несущая конструкция для фотоэлектрических панелей. US 20170201206 A1, B63B 35/44, опубл. 14.08.2018. Предусмотрена несущая конструкция для фотоэлектрической генерации на воде. Несущая конструкция включает в себя, по меньшей мере, один плавающий кронштейн. Плавающий кронштейн включает в себя плавающую платформу и множество опорных элементов, предусмотренных на верхней поверхности плавающей платформы, между по меньшей мере двумя соседними опорными элементами предусмотрено вентиляционное пространство, посредством чего множество опорных элементов сконфигурировано для закрепления панели фотоэлектрических элементов. Нижняя поверхность панели фотоэлектрических элементов отделена от верхней поверхности плавучей платформы.
Система значительно сложнее конструктивно и состоит из нескольких деталей, тогда как система ХелиоРэк состоит из одного плавучего модуля, который поддерживает фотоэлектрическую панель, что позволяет строить электростанции разной геометрии и производить быструю сборку.
Из уровня техники известно опорное устройство для фотоэлектрической панели. (CN103597737 A, опубл. 19.02. 2014). Опорное устройство для поддержки фотоэлектрической панели состоит из герметичной пластиковой оболочки, образованной нижней стенкой, верхней стенкой и четырьмя боковыми стенками. Устройство содержит средство для крепления фотоэлектрической панели к указанной верхней стенке указанной пластиковой оболочки.
Из уровня техники также известна плавучая фотоэлектрическая система. (WO2018157704 A1, опубл. 07.09.2018). Плавучая фотоэлектрическая система содержит плавучею на поверхности воды коробку. Неподвижно расположенный на верхней поверхности плавучей коробки бескаркасный фотоэлектрический узел (3). Фотоэлектрический узел неподвижно расположен на выступе плавучей коробки и удерживается ограничительными элементами, неподвижно расположенными на верхней поверхности плавучей коробки и распределенные по периметру фотоэлектрического узла.
Недостатком данного аналога является отсутствие системы водного балласта в плавучем модуле. Система водного-балласта требуется для увеличения стабильности плавучего модуля, для использования на волнах или при перепаде уровня воды и ветре.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей заявленного технического решение является создание плавучего модуля для поддержки фотоэлектрических панелей и плавучей солнечной электростанции из упомянутых модулей, с возможностью установки на водной поверхности и с обеспечением возможности выдерживать нагрузки, связанные с волнами морской амплитуды, перепадом уровня воды и ветре, а также задачей заявленного решения является создание плавучих модулей, обеспечивающих удобство транспортировки.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении стабильности плавучего модуля с фотоэлектрическими панелями на водоемах при воздействии на него волн и ветра, а также заключается в повышении прочности изделия.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что  плавучий модуль для фотоэлектрических панелей, содержит:  полое основание, полые опорные элементы, расположенные на основании с образованием с основанием единой внутренней полости, фотоэлектрическую панель, расположенную на опорных элементах под углом к горизонту, при этом во внутренней полости основания установлен полый балластный бак, выполненный с отверстиями для заполнения водой, и сверху бака во внутренней полости основания установлена вставка из вспененного материала, причем нижняя сторона вставки из вспененного материала и соответственно верхняя сторона балластного бака расположена по ватерлинии плавучего модуля.
3
В частном случае реализации заявленного технического решения вставка из вспененного материала выполнена плотностью от 20 до 35 кг/м.
В частном случае реализации заявленного технического решения вставка из вспененного материала выполнена из вспененного полистирола или из вспененного полиэтилена или полиуретана.
В частном случае реализации заявленного технического решения балластный бак выполнен сложной формы, повторяющей внутреннюю форму основания плавучего модуля, при этом нижняя часть балластного бака выполнена по форме, повторяющей форму плавучего модуля в верхней его части.
В частном случае реализации заявленного технического решения фотоэлектрическая панель расположена под углом в 12 или в 17 или в 22 или в 27 или в 32 градуса к горизонту.
В частном случае реализации заявленного технического решения полые опорные элементы расположены на основании с обеспечением вентиляционного пространства между собой и с обеспечением вентиляционного зазора между верхней стенкой основания и тыльной стороной фотоэлектрической панели.
В частном случае реализации заявленного технического решения модуль выполнен с возможностью соединения с по меньшей мере одним аналогичным модулем с образованием системы плавучих модулей, с расположенными на каждом плавучем модуле фотоэлектрическими панелями, соединенными посредством электрических кабелей в электростанцию, при этом электростанция содержит обслуживающие и дополнительные дорожки, соединенные с упомянутым по меньшей мере одним модулем.
В частном случае реализации заявленного технического решения соединение упомянутых дорожек между собой или соединение упомянутых дорожек с по меньшей мере одним модулем и/или соединение модулей между собой выполнено посредством шарнирных соединений, закрепленных винтом, с возможностью поворота шарнирного соединения вокруг оси винта на конструктивном элементе крепления, выполненном на боковых стенках модуля и упомянутых дорожек.
В частном случае реализации заявленного технического решения в каждом винте вдоль центральной оси выполнено сквозное отверстие, при этом через отверстие проложен стальной трос, связывающий упомянутые дорожки и модули, при этом концы троса жестко связаны с якорными линиями.
В частном случае реализации заявленного технического решения верхняя поверхность дорожек выполнена с ребрами жесткости.
В частном случае реализации заявленного технического решения дорожки выполнены с рифленой верхней поверхностью.
В частном случае реализации заявленного технического решения плавучий модуль выполнен из переработанного вторичного сырья или выполнен из смеси первичного и вторичного сырья или из первичного сырья, при этом сырье представляет из себя полиэтилентерефталат, полиэтилен низкого давления, полиэтилен высокого давления, полипропилен.
В частном случае реализации заявленного технического решения дорожки выполнены из переработанного вторичного сырья или выполнен из смеси первичного и вторичного сырья, или из первичного сырья, при этом сырье представляет из себя полиэтилентерефталат, полиэтилен низкого давления, полиэтилен высокого давления, полипропилен.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг.1 – общий вид на плавучий модуль;
Фиг.2 – прямоугольная плавучая солнечная электростанция с двойным рядом солнечных панелей подряд;
Фиг.3 – прямоугольная плавучая солнечная электростанция с одинарным рядом солнечных панелей подряд;
Фиг.4 – плавучая солнечная электростанция со сложной конфигурацией;
Фиг.5 – плавучая солнечная электростанция с площадкой для размещения оборудования;
Фиг.6 – универсальное крепление плавучего модуля;
Фиг.7 – плавучий модуль с элементами крепления фотоэлектрической панели с различным углом наклона к горизонту;
Фиг.8 –  система безопасности солнечной станции;
Фиг.9 – пример штабелирования плавучих моделей при хранении и транспортировке.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 – полые опорные элементы; 2 – полые опорные элементы; 3 – основание плавучего модуля; 4 – балластный бак; 5 – вставка из вспененного материала балластного бака; 6 – кронштейн якорного крепления; 7 – якорная линия; 8 – дополнительная дорожка; 9 – обслуживающая дорожка; 10 – стандартный кронштейн; 11 – увеличенный кронштейн; 12 – стальной трос системы безопасности; 13 – резиновый коннектор; 14 – пластиковый винт.
Осуществление изобретения
Плавучий модуль для фотоэлектрической панели, состоит из основания (3) плавучего модуля, выполненного в виде не замкнутого прямоугольника с открытым дном.  По углам основания в верхней его части расположены четыре полых опорных элемента для крепления фотоэлектрической панели (1 и 2).
Полые опорные элементы (1 и 2) установлены на расстоянии друг от друга, обеспечивающем вентиляционное пространство между ними.
Вентиляционное пространство необходимо для обеспечения возможности охлаждения фотоэлектрической панели, размещенной на упомянутом модуле. Чем ниже температура фотоэлектрической панели, тем выше ее эффективность. Пассивное охлаждение фотоэлектрической панели обеспечивается за счет циркуляции воздуха в зазоре между фотоэлектрической панелью и плавучим модулем.
Полые опорные элементы выполнены возвышающими над основанием (3) плавучего модуля, при этом одна пара опорных элементов выполнена выше, чем вторая пара опорных элементов. Выполнение опорных элементов разной высотой необходимо для создания оптимального наклона к горизонту фотоэлектрической панели - 12 градусов. Данный угол позволяет устанавливать солнечные электростанции в достаточно большом диапазоне широт. Однако при размещении станции ближе к магнитным полюсам Земли, данный угол должен быть скорректирован, для более оптимального ориентирования фотоэлектрической панели на солнце, что позволит повысить выработку электроэнергии.
Возможность корректирования угла наклона фотоэлектрической панели, достигается за счет кронштейнов крепления.
В зависимости от места установки солнечной электростанции и оптимального угла наклона фотоэлектрической панели выбирается стандартный кронштейн (10) или увеличенный кронштейн (11) определенной высоты. Высоты кронштейнов стандартизованы и в зависимости от их высоты, обеспечивают требуемый угол наклона фотоэлектрической панели. Увеличенные кронштейны обеспечивают крепление фотоэлектрической панели с шагом угла наклона 5 градусов. И имеют следующие значения угла наклона фотоэлектрической панели к горизонту: 12 градусов, 17 градусов, 22 градуса, 27 градусов, 32 градуса.
Стабильность плавучего модуля достигается за счет установки во внутрь плавучего модуля - балластного бака (4) и вставки из вспененного материала (5).
Балластный бак (4) представляет собой полый бак, сложной формы с отверстиями для заполнения его водой после опускания плавучего модуля на водную поверхность. Балластный бак (4) выполнен сложной формы, при этом нижняя часть балластного бака (4) выполнена по форме, повторяющей форму плавучего модуля в верхней его части.   Сложная форма нижней части балластного бака (4) обеспечивает возможность транспортировки плавучего модуля в сборе не ухудшая коэффициент штабелирования модулей при транспортировке.
3
Вставка (5) из вспененного материала, изготавливается из вспененного полистирола, также возможно ее изготовление из вспененного полиэтилена или полиуретана, плотностью в пределах от 20 до 35 кг/м, что намного ниже плотности воды. Это позволяет ей обладать положительной плавучестью.
Вставка (5) из вспененного материала устанавливается во внутрь плавучего модуля и поджимается балластным баком (4), который крепиться к стенкам плавучего модуля. Конструктивно нижняя сторона вставки (5) из вспененного материала и соответственно верхняя сторона балластного бака (4) располагается по ватерлинии плавучего модуля, что так же обеспечивает быстрое и однозначное погружение плавучего модуля в воду.
При установке плавучего модуля на водную поверхность, из-за отсутствия в конструкции нижней стенки как таковой, во внутрь плавучего модуля и балластного бака (4) набирается вода, что позволяет сделать конструкцию тяжелее и повысить ее инерционность, соответственно, делает ее более стабильной на волнах, повышает сопротивляемость ее ветровым нагрузкам, стремящимся вытащить плавучий модуль из воды.
Вставка (5) из вспененного материала фиксирует уровень опускания плавучего модуля в воду, не дает воде полностью заполнить пространство плавучего модуля.
Отсутствие в конструкции плавучего модуля нижней стенки как таковой обеспечивает повышение стабильности плавучего модуля с фотоэлектрическими панелями при воздействии на него волн, повышенной сопротивляемости ветровым нагрузкам, а также снижения затрат на транспортировку за счет штабелируемости.
Плавучий модуль выполнен с возможностью соединения с аналогичным модулем с образованием системы плавучих модулей, которая формирует солнечные электростанции различной конфигурации.
Модульность системы достигается за счет дополнительных элементов – обслуживающей дорожки (9) и дополнительной дорожки (8). Применение которых позволят обеспечить доступ технического персонала, а также позволяет собирать солнечные электростанции различной конфигурации. Обслуживающая дорожка (9) - формирует строки в плавучей станции, а дополнительная дорожка (8) - формирует столбцы.
Примеры солнечных электростанций различной конфигурации приведены Фиг.2 – Фиг.5:  на Фиг.2 изображена прямоугольная плавучая солнечная электростанция с двойным рядом солнечных панелей подряд; на Фиг.3 изображена прямоугольная плавучая солнечная электростанция с одинарным рядом солнечных панелей подряд; на Фиг.4 изображена плавучая солнечная электростанция со сложной конфигурацией; на Фиг.5 изображена плавучая солнечная электростанция с площадкой для размещения оборудования. Так же возможна комбинация вышеперечисленных комбинаций и другие варианты сборки.
Элементы системы, а именно: плавучие модули, обслуживающие дорожки (9) и дополнительные дорожки (8) соединяются между собой пластиковыми винтами (14) и резиновыми коннекторами (13). Резиновый коннектор оставляет не большую степень свободы между элементами системы, которая позволяет распределять и частично поглощать нагрузки от внешних воздействий на систему. Что существенно сказывается на стабильность системы.
Резиновые коннекторы (13) выполнены в виде быстроразъемных шарнирных соединений. На всех торцах дорожек и на боковых стенках плавучего модуля расположены конструктивные элементы соединения. Резиновые коннекторы посредством винтов (14) закрепляются с возможностью вращения вокруг оси винта (14) в конструктивных элементах соединения. Данное соединение обеспечивает быстрое разъединение и соединение в случае необходимости.
Однако, в существующих плавучих солнечных электростанциях возможно разрушение всей станции при выходе из строя только одного элемента крепления. Вышедшей из строя элемент вызывает цепную реакцию, которая прекращается только при снятии внешнего воздействия (штормовой ветер и др.) так как по отдельности элементы системы не могут сопротивляться внешнему воздействию, что может привести к полному разрушению плавучей солнечной электростанции.
Защиту от разрушения плавучей солнечной электростанции позволяет обеспечить конструкция пластиковых винтов (14), которые помимо основной функции (соединения между собой элементов системы) позволяют использовать их для защиты солнечной электростанции от разрушения.
Внутри каждого из винтов выполнено отверстие, при соединении элементов системы в ряд, отверстия в винтах находятся напротив друг друга, через отверстия продевается стальной трос (12), на всю ширину станции, концы стального троса жестко связываются с якорными линиями (7). При выходе из строя элемента крепления, цепная реакция доходит до элементов, связанных тросом, и останавливается, предотвращая разрушение плавучей солнечной электростанции. Расположение тросов (ряды или столбцы) и частота их расположения может быть совершенно различной и выбирается из места установки плавучей солнечной электростанции и требований по безопасности плавучей солнечной электростанции.
Надёжное и универсальное крепление плавучего модуля достигается следующей конструкцией кронштейнов крепления (6).
Кронштейн крепления (6) присоединяется к существующим крепежным элементам системы, находящимся на дорожках или плавучем модуле через винт (14), что позволяет равномерно распределять нагрузку от якорной линии, а так же размещать точки крепления по всему периметру плавучей солнечной электростанции. Якорная линия (7) может быть присоединена к одному или нескольким крепежным элементам на обслуживающей дорожке (9), дополнительной дорожке (8) или плавучем модуле в зависимости от предполагаемых нагрузок от внешних воздействий на плавучую солнечную электростанцию. Присоединение якорных линий к нескольким точкам крепления позволяет равномерно распределять нагрузки, испытываемые системой от внешних воздействий. Это позволяет защитить плавучую станцию от разрушения, локализовав возможное разрушение плавучей станции при воздействии на нее экстремальных внешних воздействий.
Упомянутые дорожки выполнены с внутренней полостью, обеспечивающей положительную плавучесть и выполнены в виде единого конструктивного элемента.
В варианте реализации заявленного изобретения верхняя поверхность дорожек выполнена с ребрами жесткости. Ребра жёсткости на верхней поверхности дорожек необходимы для исключения прогиба и разрушения дорожек при обслуживании сотрудниками плавучей электростанции.
Плавучие модули с установленными на них фотоэлектрическими панелями соединены друг с другом с образованием системы плавучих модулей. Фотоэлектрические панели снабжены разъемом для подключения фотоэлектрических панелей между собой. Фотоэлектрические панели соединены в единую солнечную электростанцию посредством электрических кабелей. При этом плавучие модули обеспечивают положительную плавучесть образованной электростанции.
Данная плавучая электростанция выполнена с возможностью базирования на воде и выработки фотоэлектрическими панелями, размещенными на плавучих модулях, электроэнергии. Количество плавучих модулей с фотоэлектрическими панелями одной электростанции зависит от необходимой проектной мощности.
Один плавучий модуль содержит одну фотоэлектрическую панель, мощностью, например 280-550 Вт. Мощность фотоэлектрических панелей может быть различна.
Конструкция плавучего модуля обеспечивает стабильность электростанции из-за системы водного балласта, гибких соединительных элементов и якорных линий. Фотоэлектрическая панель, размещенная на плавучем модуле, имеет более эффективную выработку электроэнергии, т.к. станция находится на воде, что уже повышает эффективность выработки электроэнергии по сравнению с базированием на суше (около 10-13%), и за счет зазора под панелью осуществляется дополнительное охлаждение фотоэлектрической панели по сравнению с известными из уровня техники по плавучим модулям.
Конструкция плавучего модуля обеспечивает возможность транспортировки указанных плавучих модулей путем складывания их друг на друга, что значительно экономит пространство.
Работает устройство следующим образом:
Плавучий модуль с установленной на нем фотоэлектрической панелью помещается на воду, открывается клапан на плавучем модуле, прикладывается нагрузка, позволяющая опустить плавучий модуль на заданную глубину, и модуль погружается в воду на требуемую глубину, клапан контроля высоты закрывается, и вода остается внутри модуля, что придает вес и стабильность всей системе. Отдельные Элементы станции собираются между собой – образуя плавучую солнечную станцию необходимой конфигурации и требуемой мощности. Плавучая станция располагается на воде, электрические кабели с нее выводятся на берег, где подключаются к системе потребления электричества.