СОЛНЕЧНАЯ ФОТОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
SOLAR PHOTO POWER PLANT

Изобретение относится к солнечной энергетике, а именно к солнечным энергетическим системам, предназначенным для выработки электроэнергии путем фотоэлектрического преобразования солнечной энергии на поверхности Луны.
Эффективность преобразования солнечной энергии в значительной степени зависит от поддержания оптимального температурного режима работы фотоэлектрических преобразователей. При использовании солнечных энергетических устройств в условиях космического пространства, охлаждение 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 приводит к дополнительному разогреву элементов конструкции энергоустановки и снижает эффективность отвода тепла от солнечных элементов в открытое пространство.
Известна солнечная фотоэлектрическая станция (см. RU2764866, МПК H01L 31/042, H02S 20/30, H02S 20/32, 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. Солнечная фотоэлектрическая станция включает также раму солнечных элементов, прикрепленную к промежуточной раме, блок управления, подключенный входом к оптическому солнечному датчику, а выходом к приводу. 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 с длинной стороной, параллельной оси круглой цилиндрической балки, при этом длина d и ширина h прямоугольников удовлетворяет определенным соотношениям.
Недостатком известной солнечной фотоэлектрической станции при ее эксплуатации на поверхности Луны является недостаточно эффективная система отвода тепла, затрудняющая поддержание рабочей температуры солнечных элементов, уменьшающая эффективность преобразования солнечного излучения и приводящая к сокращению их срока службы.
Известна солнечная фотоэлектрическая установка (см. патент RU2715901, МПК H02S20/30, H01L31/042, опубл. 04.03.2020), включающая промежуточную раму, снабженную первым приводом и установленную с возможностью вращения посредством первых цилиндрических шарниров на двух стойках, прикрепленных к основанию, раму солнечных панелей, снабженную вторым приводом и прикрепленную с возможностью вращения к промежуточной раме посредством опоры со вторым цилиндрическим шарниром, ось которого лежит в плоскости, ортогональной осям первых цилиндрических шарниров. Фотоэлектрическая установка также включает блок управления, подключенный первым и вторым выходами соответственно к первому и второму приводам. Промежуточная рама выполнена в виде круглой цилиндрической балки, служащей осью второго цилиндрического шарнира опоры. Рама солнечных панелей прикреплена к опоре посредством первого цилиндрического шарнира и снабжена первым оптическим солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца в плоскости эклиптики, и вторым солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца в плоскости, проходящей через ось Земли и место локализации установки. Одна из стоек снабжена механизмом ее вертикального возвратно-поступательного перемещения.
Недостатками известной солнечной фотоэлектрической установки при размещении ее на поверхности Луны является усложненная система управления движением рамы солнечных элементов, приводящая к большому углу поворота солнечных панелей в плоскости перпендикулярной эклиптики, что создает повышенный расход энергии при слежении за Солнцем и приводит к сокращению срока службы установки, а также неэффективная система отвода тепла.
Известна солнечная фотоэлектрическая установка (см. патент US9027545, МПК F24J 2/54, опубл. 12.05.2015), содержащая промежуточную раму, снабженную первым приводом и установленную с возможностью вращения посредством первых цилиндрических шарниров на двух стойках, прикрепленных к основанию, раму солнечных панелей, снабженную вторым приводом и прикрепленную с возможностью вращения к промежуточной раме посредством опор со вторыми цилиндрическими шарнирами, и блок управления, входами соединенный интерфейсами со спутниковой системой навигации, электронным высотомером и электронным компасом, а первым и вторым выходами подключенный соответственно к первому и второму приводам. Оси первых цилиндрических шарниров лежат в плоскостях, ортогональных осям вторых цилиндрических шарниров.
В известной солнечной фотоэлектрической установке применена усложненная система управления движением промежуточной рамы и рамы солнечных панелей, приводящая к большому углу поворота солнечных панелей в плоскости эклиптики, что создает повышенный расход энергии при слежении за Солнцем.
Известна солнечная фотоэлектрическая установка (см. патент US10103685, МПК H02S 20/30, H02S 20/32; F24S 50/20, опубл. 16.10.2018), содержащая, по меньшей мере, двухосную систему слежения за Солнцем, массив фотоэлектрических модулей, ориентированных по направлению на Солнце в течение дня, причем система слежения включает в себя две рамы, каждая из которых поддерживает половину из массива фотоэлектрических модулей. Первичная ось вращения расположена горизонтально и приводится в движение линейным актуатором, расположенным вертикально за счет цепной передачи, с механизмом натяжения цепи. Вторичные оси вращения расположены перпендикулярно первичной оси на рамах, поддерживающих солнечные панели, и приводятся в движение при помощи линейного актуатора, соединенного единой тягой с рычагами на рамах.
Недостатками известной солнечной фотоэлектрической установки являются значительный люфт в первичной оси вращения из-за использования цепного привода с натяжителем цепи и ускоренный износ приводных механизмов вторичной оси вращения, из-за постоянной подстройки угла наклона вторичной оси в течение дня.
Известна солнечная фотоэлектрическая установка (см. патент US8469022, МПК F24J 2/52, опубликован 25.06.2013) включающая солнечную панель, к двум концам которой через шарнирное соединение прикреплены подвижные рамы ножничного типа, снабженные независимым средством привода и установленные на неподвижном основании, а также блок управления. Слежение за Солнцем обеспечивается подъемом или опусканием концов солнечной панели при подаче соответствующих сигналов от блока управления.
В известной фотоэлектрической установке применена сложная система привода, состоящая из большого числа подвижных элементов, что снижает долговечность и надежность работы устройства. Из-за особенностей конструкции установки часть времени в утренние и вечерние часы устройство не в состоянии следить за Солнцем, что приводит к снижению эффективности системы.
Известна солнечная фотоэлектростанция (см. RU2767718, 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 фотоэлектростанция содержит вертикальную полую цилиндрическую опору, вал с первым приводом и упорным подшипником, 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 торце 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, верхний участок цилиндрической опоры выполнен из теплоизолирующего материала 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 фотоэлектростанции 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, отвод тепла от которых определяется теплопроводностью большого числа элементов конструкции, за счет чего возникают большие градиенты температуры между фотоэлектрическими преобразователями и элементами рассеяния тепла.
Задачей настоящего изобретения являлась разработка солнечной фотоэлектростанции для размещения на поверхности Луны, обеспечивающей эффективное преобразование солнечного излучения в электрическую энергию и получение высокого удельного энергосъема за счет эффективного отвода тепла и стабилизации рабочей температуры фотоэлектрической батареи в условиях длительной работы фотоэлектростанции на поверхности Луны.
Поставленная задача решается тем, что солнечная фотоэлектростанция включающая полую цилиндрическую опору, вал с приводом и упорным подшипником, установленным с возможностью вращения в полости цилиндрической опоры, солнечную батарею с концентратором солнечного излучения на теплоотводящем основании, установленную на верхнем торце вала, при этом цилиндрическая опора выполнена с возможностью частичного погружения в грунт места установки фотоэлектростанции на Луне. Новым в фотоэлектростанции является то, что вал выполнен полым, оптическая ось солнечной батареи установлена ортогонально оси вала, теплоотводящее основание снабжено тепловой трубой, горячая часть тепловой трубы примыкает к теплоотводящему основанию, а холодная часть тепловой трубы, снабженная радиатором теплообмена, расположена в полости теплообменника, размещенного на верхнем торце вала, полость теплообменника через систему коаксиальных каналов, снабженных насосом, установленным в полом вале, соединена с расширительным резервуаром, выполненным из материала с высокой теплопроводностью, прикрепленным к нижней части цилиндрической опоры через герметичное уплотнение.
Расширительный резервуар может быть выполнен из меди или алюминиевого сплава.
Установка горячей части тепловой трубы примыкающей к теплоотводящему основанию обеспечивает отвод тепла от солнечной батареи и стабилизацию ее температуры, размещение радиатора теплообмена холодной части тепловой трубы в полости теплообменника обеспечивает передачу тепла тепловой трубой в полость теплообменника. Соединение полости теплообменника через систему коаксиальных каналов с расширительным резервуаром, осуществление насосом принудительного перетока теплоносителя из расширительного резервуара к радиатору теплообмена, и заглубление в лунный грунт на глубину, установленную в диапазоне от 1,0 до 1,6 м, нижнего конца цилиндрической опоры с примыкающим к нижней части расширительным резервуаром обеспечивают перенос тепла теплоносителем от радиатора теплообмена в расширительный резервуар и рассеяние его в лунном грунте поверхностью расширительного резервуара.
Установка герметичного уплотнения между нижней частью цилиндрической опоры и расширительным резервуаром обеспечивает герметичность внутренних полостей теплообменника, вала и расширительного резервуара при заполнении их теплоносителем для осуществления переноса тепла от радиатора теплообмена в расширительный резервуар. Установка между наружной цилиндрической поверхностью полого вала и концом полой цилиндрической опоры герметичного уплотнения обеспечивает герметичность внутренних полостей теплообменника, вала и расширительного резервуара при вращении вала в полости цилиндрической опоры.
Выполнение расширительного резервуара из материалов с высокой теплопроводностью - меди или алюминиевого сплава, повышает эффективность передачи тепла в лунный грунт.
Для обеспечения максимальной эффективности передачи тепла в лунный грунт, необходимо, чтобы вся поверхность расширительного резервуара находилась на глубине более 1,0 м при температуре лунного грунта минус 35°С. Размещение нижнего конца цилиндрической опоры на глубине менее 1,0 м при более высокой температуре приповерхностного слоя лунного грунта снижает эффективность рассеяния тепла в лунном грунте. Увеличение глубины размещения нижнего конца цилиндрической опоры более 1,6 м приводит к неоправданному увеличению расхода материалов и массы конструкции без увеличения эффективности передачи тепла в лунный грунт.
Выбор теплоносителя с температурой замерзания ниже минус 40-50°С обеспечивает прокачку теплоносителя по системе коаксиальных каналов, снабженных насосом, установленным в полом вале, в расширительный резервуар, размещенный в лунном грунте при температуре минус 35°С, и перенос тепла от теплоотводящего основания в лунный грунт при работе энергоустановки в течение лунных дней всего срока эксплуатации станции. В качестве теплоносителя 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%.
Сущность настоящего технического решения поясняется чертежом, где приведен в продольном разрезе общий вид солнечной фотоэлектростанции.
Настоящая солнечная фотоэлектростанция (см. чертеж) содержит полую цилиндрическую опору 1, полый вал 2 с приводом 3 и упорным подшипником 4, установленный с возможностью вращения в полости цилиндрической опоры 1, солнечную батарею 5 с концентратором солнечного излучения на теплоотводящем основании 6, установленную на верхнем торце полого вала 2. Цилиндрическая опора 1 выполнена с возможностью частичного погружения в грунт 7 места установки фотоэлектростанции на Луне. Оптическая ось 8 солнечной батареи 5 установлена ортогонально оси 9 полого вала 2. К теплоотводящему основанию 6 примыкает горячая часть тепловой трубы 10, а холодная часть тепловой трубы 10, снабженная радиатором 11 теплообмена, расположена в полости теплообменника 12, размещенного на верхнем торце полого вала 2. Полость теплообменника 12 через систему коаксиальных каналов 13, 14, снабженных насосом 15, размещенным в полости вала 2, соединена с расширительным резервуаром 16, выполненным из материала с высокой теплопроводностью, установленным примыкающим к нижней части 17 полой цилиндрической опоры 1 через герметичное уплотнение 18. Между наружной цилиндрической поверхностью полого вала 2 и концом полой цилиндрической опоры 1 установлено герметичное уплотнение 19. При этом расширительный резервуар 16 может быть выполнен из меди или из алюминиевого сплава.
При размещении солнечной фотоэлектростанции на поверхности Луны нижнюю часть полой цилиндрической опоры 1 с коаксиально установленным полым валом 2 и с примыкающим к нижней части полой цилиндрической опоры 1 расширительным резервуаром 16 устанавливают в лунном грунте 7 наклоненной к лунному горизонту 20 под углом<р, равным селенографической широте места базирования станции на Луне, с наклоном в сторону лунного Севера при базировании станции в северном лунном полушарии и с наклоном в сторону лунного Юга при базировании станции в южном лунном полушарии. При установке оптической оси 8 солнечной батареи 5 ортогонально оси 9 полого вала 2, вращение полого вала 2 с установленной на его верхнем торце солнечной батареей 5 происходит вокруг оси 9, параллельной оси вращения Луны, со скоростью один оборот за один сидерический (звездный) месяц в направлении, противоположном направлению вращения Луны вокруг своей оси, что обеспечивает сохранение ориентации солнечной батареи 5 на Солнце в течение лунных дней всего срока эксплуатации станции. При этом глубина W размещения нижней части 17 цилиндрической опоры 1 с расширительным резервуаром 16 в лунном грунте 7 устанавливается в диапазоне от 1,0 до 1,6 м. 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 (0,8-1,0) м, практически постоянна и равна минус 35°С. При работе солнечной фотоэлектростанции на поверхности Луны для отвода тепла внутренние полости теплообменника 12, расширительного резервуара 16 и каналы 13, 14 заполняют теплоносителем с температурой замерзания ниже минус (40-50)°С. Тепло, отводимое тепловой трубой 10 с радиатором 11 от теплоотводящего основания 6 солнечной батареи 5, установленной на верхнем торце полого вала 2, теплоносителем по каналу 13 насосом 15 переносится к расширительному резервуару 16 и рассеивается в лунном грунте. Охлажденный в расширительном резервуаре 16 теплоноситель по каналу 14, коаксиальному каналу 13, поступает в полость теплообменника 12, охлаждая радиатор 11 тепловой трубы 10.
Использование настоящего изобретения позволяет, независимо от температуры лунной поверхности, понизить и стабилизировать температуру фотоэлектрических преобразователей солнечной батареи в течение лунного дня до оптимального значения для максимальной эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию и обеспечивает получение высокого удельного энергосъема в условиях длительной автономной работы солнечной фотоэлектростанции на поверхности Луны.