УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИ

Настоящая полезная модель относится к солнечной энергетике и может быть использована для мониторинга и контроля состояния поверхности солнечных панелей, вырабатывающих электроэнергию для питания частных и промышленных зданий.
Большинство панелей разработаны с целью правильной эксплуатации в течение длительного времени, однако их производительность сокращается в зависимости от условий окружающей среды и в особенности деградация панелей связана с состоянием поверхности панелей, нуждающаяся в постоянном мониторинге. Солнечные панели, установленные на открытом воздухе, подвергаются воздействию пыли, которая оказывает негативное влияние на работу солнечных панелей. Пыль оседает как непосредственно на солнечных фотоэлектрических панелях, блокируя генерирующий слой от попадания солнечных лучей, так и экранирует солнечное излучение в воздухе, отражая лучи. Атмосферные отложения (снег, изморозь и т.д.) и природные отложения (к примеру, птичий помет) затеняют фрагменты солнечных панелей, что также приводит к снижению эффективности их работы, к перегреву солнечных панелей и выводу из рабочего состояния. Как показали проведенные исследования (см. R.Е.Cabanillas, Н.Munguia "Dust accumulation effect on efficiency of Si photovoltaic modules" Journal of renewable energy and sustainable energy, v.3, 043114, 2011), потеря максимальной мощности за период исследования для модулей на основе аморфного кремния составила 8-13% и 4-7% на основе моно- и поликристаллического кремния.
Использование самоочищающихся технологий или сбрасывание каскадным электростатическим полем (например, см. М.Mani, R.Pillai. Impact of dust on Solar photovoltaic (PV) performance: Research status, challenges and recommendations, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14, 2010, рр.3124-3131) требуют вмешательства в технологию производства солнечных батарей, а постоянная промывка поверхности панелей водой является экономически затратным средством, особенно в регионах с нехваткой водных ресурсов, в связи с чем возникает необходимость точно фиксировать время, когда надо произвести промывку водой.
Известно устройство мониторинга запыленности атмосферы (см. патент US 7442119, МПК F24С 15/20, опубликован 28.10.2008), включающий лазер, фотодетектор, компаратор и блок управления. При наличии пути лазерного луча, испускаемого лазером устройства загрязнения воздуха или флуктуаций плотности воздуха, он преломляется, дифрагирует, отклоняется и/или рассеивается. В результате устройство фиксируют изменения по сравнению с выходной мощностью лазера устройства. Эти изменения, а также частота колебания мощности зависит от количества загрязнения воздуха и/или изменения градиента плотности воздуха, связанного с загрязнением.
Использование лазера является экономически и технически выгодным решением. К недостаткам известного устройства следует отнести то, что он определяет концентрацию пыли только в воздухе, что однозначно не отражает состояние запыленности солнечных панелей.
Известно устройство мониторинга состояния поверхности стеклянной панели (см. заявка ЕР 0249031, МПК В60S 1/603; G01N 21/94, опубликована 16.12.1987) состоящее из рассеивающего диска, излучателя, приемника оптического излучения, компаратора и блока управления. Когда диск находится в чистом состоянии, испускаемый свет от излучателя проходит через стекло диска, и только малая отраженная часть светового излучения отражается на границе стекло/воздух и попадает на фотодетектор. Компаратор сравнивает сигнал от фотодетектора с заданным уровнем сигнала. Если увеличивается количество частиц пыли (грязи), располагающиеся на внешней стороне диска, то увеличивается доля отраженного света, попадающего на фотодетектор. При достижении заданного уровня сигнала, блок управления запускает устройство очистки.
Недостаток известного устройства заключается в том, что фотоприемник регистрируют не только полезный сигнал, но и рассеянный свет, причем при разных освещенностях показания фотоприемника при одинаковом пылеотложении могут отличаться, оптический контроль пылеотложения напрямую не связан с энергетическими параметрами солнечных панелей, изменение оптических характеристик не отражает однозначно проценты потерь мощности и требует для перевода в энергетические величины решения сложной многофакторной задачи.
Известно устройство мониторинга состояния поверхности солнечной панели (см. заявка КR 100957624, МПК G08С 17/00, опубликована 13.05.2010) включающее датчик солнечной радиации, датчик температуры поверхности солнечной панели, датчик электрического тока, генерируемого солнечной панелью, компаратор и блок управления. Устройство измеряет генерируемый солнечной панелью электрический ток, сравнивает его с эталонным значением тока, генерируемого солнечной панелью с чистой поверхностью при соответствующей величине солнечной радиации и температуре поверхности солнечной панели, и выдает команду на очистку панели при достижении порогового значения соотношения этих токов.
Недостатком известного устройства является опосредованная информация о запыленности поверхности солнечной панели, так как не учитывается ряд других важных параметров, определяющих эффективность работы солнечной панели.
Известно устройство мониторинга состояния поверхности солнечной панели (см. патент КR 100888395, МПК А47L 1/02, опубликован 13.03.2009), совпадающее с настоящей полезной моделью по наибольшему числу признаков и принятый в качестве прототипа. Устройство-прототип включает измерительный модуль, эталонный модуль, компаратор и блок управления. Измерительный модуль включает блок измерения значения мощности, генерируемой основной солнечной панелью. Эталонный модуль включает контрольную солнечную панель с чистой поверхностью и датчики параметров метеоусловий. Для исключения потерь вырабатываемой электроэнергии, не связанных с загрязнением поверхности, проводят измерение метеоусловий (солнечной радиации, скорости и направления ветра; облачности; концентрации пыли в атмосфере воздуха, количества осадков, положения солнца на небосклоне), на основе которых вводят поправки в эталонное значение электроэнергии. Величину мощности, генерируемой контрольной солнечной панелью, сравнивают с величиной мощности, генерируемой основной солнечной панелью, и при превышении заданного порогового отношения подают сигнал на очистку поверхности основной солнечной панели.
К недостаткам устройства-прототипа относится сложность определения эталонного значения, которое оценивается с учетом ряда параметров
метеоусловий, а также необходимость использования крупногабаритной контрольной солнечной панели для измерения вырабатываемой эталонной мощности.
Задачей заявляемого технического решения является разработка такого устройства мониторинга состояния поверхности солнечной панели, которое бы имело более простую, чем прототип, конструкцию и в то же время обеспечивало получение достоверных сведений о состоянии загрязнения поверхности солнечной панели.
Поставленная задача решается тем, что устройство мониторинга состояния поверхности солнечной панели содержит измерительный модуль, эталонный модуль, дифференциальный усилитель компаратор и блок управления. Измерительный модуль выполнен в виде первого фотоэлемента с фронтальной поверхностью, закрытой стеклянной пластиной. Эталонный модуль выполнен в виде корпуса, закрытого крышкой с окном, в корпусе размещена подпружиненная стопка чистых стеклянных пластин с механизмом поочередной их подачи в виде шагового двигателя с толкателем, а против окна крышки установлен второй фотоэлемент с фронтальной поверхностью, закрытой стеклянной пластиной, периодически заменяемой чистой пластиной из упомянутой стопки чистых стеклянных пластин. Первый и второй фотоэлементы имеют одинаковые рабочие параметры и характеристики, и подключены через дифференциальный усилитель соответственно к первому и второму входам компаратора, который, в свою очередь, подключен к блоку управления.
Новым в устройстве является:
- выполнение измерительного модуля в виде первого фотоэлемента с фронтальной поверхностью, закрытой стеклянной пластиной;
- выполнение эталонного модуля в виде корпуса, закрытого крышкой с окном, за которым установлен второй фотоэлемент с фронтальной поверхностью, закрытой стеклянной пластиной, периодически заменяемой чистой пластиной из размещенной в корпусе подпружиненной стопки чистых стеклянных пластин путем их поочередной подачи механизмов в идее шагового двигателя с толкателем. При этом первый и второй фотоэлементы имеют одинаковые рабочие параметры и характеристики.
Настоящая полезная модель поясняется чертежом, где
на фиг. 1 изображен общий вид настоящего устройства мониторинга состояния поверхности солнечной панели, закрепленного на солнечной энергоустановке;
на фиг. 2 показан в разрезе эталонный модуль настоящего устройства;
на фиг. 3 показан в разрезе измерительной модуль настоящего устройства;
на фиг. 4 изображена принципиальная электрическая схема настоящего устройства.
2
Настоящее устройство мониторинга состояния поверхности солнечной панели (см. фиг. 1-фиг. 3) измерительный модуль 1, эталонный модуль 2, дифференциальный усилитель (ДУ) 3, компаратор (К) 4 и блок (БУ) 5 управления (см. фиг. 4). Измерительный модуль 1 выполнен в виде первого фотоэлемента б (ФЭ), например, размером 10x10 мм толщиной 150 мкм, с фронтальной поверхностью, закрытой стеклянной пластиной 7, размещенный, например, в защитном кожухе 8. Эталонный модуль 2 содержит корпус 9, закрытый крышкой 10 с окном 11. В корпусе 9 размещена подпружиненная пружинами 12 стопка чистых стеклянных пластин 7 с механизмом поочередной их подачи в виде шагового двигателя 13 с гибким толкателем 14, а против окна
11 крышки 10 установлен второй фотоэлемент б с фронтальной поверхностью, закрытой стеклянной пластиной 7, периодически заменяемой чистой пластиной 7 из упомянутой стопки чистых стеклянных пластин 7. Загрязненная стеклянная пластина 7 сбрасывается в отделение 15 корпуса 9. Первый и второй фотоэлементы б имеют одинаковые рабочие параметры и характеристики, и подключены через ДУ 3 соответственно к первому и второму входам К 4, который, в свою очередь, подключен к БУ 5. Обычно ДУ 3, К 4 и БУ 5 подключены к блоку питания (БП) 16. Настоящее устройство мониторинга закрепляют на солнечной энергоустановке 17, которая может состоять из одной или нескольких солнечных панелей 18 (на фиг. 1 изображены две солнечные панели 18). Конструкция устройства мониторинга состояния поверхности солнечной панели предполагает нахождение двух фотоэлементов б в момент измерения при одинаковых условиях (температура, уровень солнечной инсоляции, влажность и т.д.) для исключения влияния текущих метеоусловий на величину фотоЭДС обоих фотоэлементов 6.
Настоящее устройство мониторинга состояния поверхности солнечной панели функционирует следующим образом.
Устройство устанавливают на одну из солнечных панелей 18. Желательно, чтобы при этом фронтальные поверхности фотоэлементов 6 были параллельны поверхности солнечных панелей 18 для исключения влияния текущих метеоусловий. На шаговый двигатель 13 подается серия импульсов для выдвижения гибкого толкателя 14, который подает чистое стекло 7 к фотоэлементу 6, устанавливая его над фронтальной поверхностью фотоэлемента 6. Подают электропитание от БП 16 на ДУ 3, К 4 и БУ 5. Сигналы от фотоэлементов б измерительного модуля 1 и эталонного модуля 2 усиливаются ДУ 3 и поступают на К 4, который сравнивает эти сигналы, подавая сигнал сравнения на БУ 5. Периодически включается шаговый двигатель 12 для выдвижения гибкого толкателя 14, который подает очередное чистое стекло 7 из стопки с целью замены загрязненного стекла 7, которое сбрасывается в отделение 15 корпуса 9. Далее импульсами обратного хода шагового двигателя 13 гибкий толкатель 14 возвращается в исходное положение, при этом пружины
12 подают всю стопку чистых стеклянных пластин 7 вверх. При достижении сигнала сравнения величины порогового значения, соответствующей допустимой величине загрязнения поверхности солнечных панелей 18, БУ5 вырабатывает сигнал для очистки (промывки) поверхности солнечных панелей 18 и стекла фотоэлемента 6 измерительного модуля 1. Далее повторяется цикл описанных выше операций.
3
2
Пример. Был изготовлен экспериментальный образец настоящего устройства мониторинга состояния поверхности солнечной панели. В конструкции экспериментального образца были использованы идентичные плоские фотоэлементы размерами 25 х75х150 мкм с микросхемой 36x95 мм. Фотоэлементы имели равные выходные энергетические характеристики, но у одного из них фоточувствительная поверхность сохранялась чистой, путем периодической смены защитного стекла, а у другого фотоэлемента защитное стекло не менялось до момента достижения критической запыленности. Для исключения накопления электростатических зарядов на фоточувствительном фотоэлементе и предотвращении притяжения мелких частиц (пыли) стекла были одинаковыми по составу материала. Конструкция образца обеспечивала нахождение двух фотоэлементов в момент измерения при одинаковых условиях (температура, уровень солнечной инсоляции, влажность и т.д.) для исключения влияния текущих метеоусловий на величину фото-ЭДС обоих фотоэлементов. Были проведены испытания работы устройств в реальных условиях эксплуатации
2
солнечных панелей на открытом воздухе. Измерения проводили в ясную солнечную погоду при уровне солнечной инсоляции около 800 Вт/м. Очищение стекла фотоэлемента измерительного модуля происходило при наступлении запыления атмосферной пылью при достижении разницы сигналов фотоэлементов в 10 %. Вырабатываемая мощность чистого фотоэлемента в момент проведения эксперимента, составляла 7,5 Вт/час, и порог срабатывания для очистки составлял 6,75 Вт/час соответственно. В ходе эксперимента было установлено время для очистки солнечных панелей, которое составило 10 дней. Таким образом, простое по конструкции и незначительное по стоимости устройство обеспечивает получение достоверных сведений о состоянии загрязнения поверхности солнечной панели.