СОЛНЕЧНАЯ ФОТОЭНЕРГОУСТАНОВКА
SOLAR PHOTO ENERGY APPARATUS

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, в отсутствии атмосферы, обеспечивающей достаточную тепловую конвекцию, отвод тепла от солнечных элементов может происходить только за счет лучеиспускания. Отвод тепла от солнечных элементов при установке на поверхности Луны усложняется, поскольку в течение лунного дня происходит разогрев открытой лунной поверхности Солнцем до температуры 120°C, что значительно снижает возможность рассеяния тепла в открытое пространство.
Известна солнечная батарея (см. патент RU2230396, МПК H01L 31/042, опубликован 10.06.2004), состоящая 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.
Известная солнечная батарея имеет низкий удельный энергосъем и неэффективный отвод тепла от фотоэлектрических преобразователей.
Известно фотоэлектрическое устройство (см. заявка US20110017875, МПК B64G 1/44, HOIL 31/042, опубликована 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 радиатор тепловой трубы. Тепловая труба обеспечивает передачу отработанного 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. заявка WO2018148796, МПК H01L 31/0525, H02S 40/44, H02S 40/42, опубликована 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. патент RU2286517 МПК F24J 2/42, опубликован 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 недостаточно эффективную систему отвода тепла, обеспечивающую работу концентраторных фотоэлектрических модулей только в условиях земной атмосферы.
Известна солнечная фотоэнергоустановка (см. патент US7381886, МПК H01L 31/0232, опубликован 03.06.2008), 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. На верхнем торце вала установлена посредством цилиндрического шарнира, ось которого ортогональна оси вала, рама со вторым приводом и с оптическим солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца. На раме закреплена солнечная батарея с концентраторами солнечного излучения, в фокусе которых установлены на теплоотводящем основании фотоэлектрические преобразователи. Солнечная батарея, установленная на раме, содержит массив концентрирующих излучение линз Френеля и множество многокаскадных полупроводниковых солнечных элементов на основе полупроводниковых соединений А3В5.
Известная наземная солнечная система имеет недостаточно эффективную систему отвода и рассеяния тепла от полупроводниковых солнечных элементов солнечной батареи в условиях работы на поверхности Луны.
Задачей настоящего технического решения является разработка солнечной фотоэнергоустановки, которая бы обеспечивала эффективный отвод тепла от теплоотводящего основания фотоэлектрических преобразователей в условиях длительной автономной работы фотоэнергоустановки на поверхности Луны.
Поставленная задача решается тем, что 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 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. Новым в солнечной фотоэнергоустановке является то, что 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 верхний участок цилиндрической опоры выполнен из теплоизолирующего материала, во внутренней поверхности цилиндрической опоры выполнена кольцевая цилиндрическая проточка, а наружная поверхность участка вала, выступающего из верхнего торца цилиндрической опоры, и наружная поверхность участка цилиндрической опоры, не погружаемого в грунт, выполнены светоотражающими.
В фотоэнергоустановке вал может быть выполнен из меди или из алюминиевого сплава.
Нижний торец вала фотоэнергоустановки может быть снабжен упорным подшипником.
Нижний участок цилиндрической опоры может быть выполнен из меди или из алюминиевого сплава.
Верхний участок цилиндрической опоры может быть выполнен из углепластика.
Наружная поверхность участка вала, выступающего из верхнего торца цилиндрической опоры, и наружная поверхность участка цилиндрической опоры, не погружаемого в грунт, могут быть покрыты алюминиевой фольгой с зеркально отражающей поверхностью.
На наружную поверхность участка вала, выступающего из верхнего торца цилиндрической опоры, и на наружную поверхность участка цилиндрической опоры, не погружаемого в грунт, может быть нанесен слой зеркально отполированного серебра.
Верхний участок цилиндрической опоры может быть снабжен кольцевым опорным выступом.
В течение лунного дня происходит разогрев открытой лунной поверхности Солнцем до температуры 120°C, но при этом температура лунных пород, залегающих на глубине более 1 м, постоянна и равна минус 35°C.
Размещение нижнего конца вала и нижнего участка цилиндрической опоры в глубине лунного грунта оптимально на глубине (2,0-2,5) м. Оптимальная длина нижнего участка цилиндрической опоры составляет (0,5-1,0) м. Такие параметры солнечной фотоэнергоустановки обеспечивают передачу тепла за счет градиента температур от нагретой поверхности вала и нижнего участка цилиндрической опоры в лунный грунт и рассеяние его в лунном грунте. При этом вал выполняет функцию теплопровода при передаче тепла от теплоотводящего основания солнечной батареи в лунный грунт. Для уменьшения тепловых потерь передачи тепла в лунный грунт, вал и нижний участок цилиндрической опоры выполнены из материала с повышенной теплопроводностью (желательно не менее 170 Вт/м⋅град; уменьшение теплопроводности конструкционных материалов ниже указанной величины приводит к неоправданному увеличению массогабаритных параметров элементов конструкции для сохранения теплопередающих характеристик), например, из меди или из алюминиевого сплава. Для обеспечения максимальной эффективности передачи тепла в лунный грунт, необходимо, чтобы вся поверхность нижнего участка цилиндрической опоры находилась на глубине более 1 метра при постоянной температуре лунного грунта минус 35°C. При увеличении длины нижнего участка цилиндрической опоры более 1 метра верхняя часть поверхности нижнего участка цилиндрической опоры может оказаться на глубине менее 1 метра при более высокой температуре лунного грунта, что снижает эффективности передачи тепла в лунный грунт. Уменьшение длины нижнего участка цилиндрической опоры менее 0,5 метра приводит к уменьшению площади поверхности нижнего участка цилиндрической опоры и снижению эффективности рассеяния тепла в лунном грунте. При уменьшении глубины размещения нижнего конца вала и нижнего участка цилиндрической опоры в лунном грунте менее 2 метров, верхняя часть поверхности части нижнего участка цилиндрической опоры может оказаться при более высокой температуре лунного грунта, что снижает эффективности передачи тепла в лунный грунт. Увеличение глубины размещения нижнего конца вала более 2,5 метров приводит к неоправданному увеличению расхода материалов и массы конструкции при сохранении неизменной эффективности передачи тепла в лунный фунт. Наружная поверхность участка вала, выступающего из верхнего торца цилиндрической опоры, и наружная поверхность участка цилиндрической опоры, не погружаемого в грунт, выполнены с высоким коэффициентом отражения рассеянного солнечного излучения и теплового излучения разогретой лунной поверхности для уменьшения дополнительного нагрева вала, передающего тепло от теплоотводящего основания солнечной батареи в лунный грунт. Выполнение верхнего участка цилиндрической опоры из теплоизолирующего материала уменьшает дополнительный нагрев вала от верхних разогретых слоев лунного грунта. Выполнение во внутренней поверхности цилиндрической опоры кольцевой цилиндрической проточки, образующей зазор между валом и внутренней поверхностью цилиндрической опоры, в условиях отсутствия атмосферы на Луне снижает передачу тепла и уменьшает дополнительный нагрев вала от верхних разогретых слоев лунного грунта.
Сущность настоящего технического решения поясняется чертежом, где приведен в продольном разрезе общий вид солнечной фотоэнергоустановки.
Настоящая солнечная фотоэнергоустановка содержит солнечную батарею 1 с концентраторами 2 солнечного излучения и фотоэлектрическими преобразователями 3 на теплоотводящем основании 4, размещенную на электромеханической системе ориентации солнечной батареи 1 на Солнце 5. Электромеханическая система ориентации включает: составную вертикальную полую цилиндрическую опору 6, состоящую из верхнего участка 7 и нижнего участка 8, вал 9, снабженный первым приводом 10, и раму 11, снабженную вторым приводом 12 и оптическим солнечным датчиком 13 слежения по двум координатам за положением Солнца 5 для вращения вала 9 и рамы 11 и поддержания положения солнечной батареи 1 ортогональной солнечному свету. Вал 9, коаксиально установлен с возможностью вращения в полости цилиндрической опоры 6. Рама 11 установлена на верхнем торце вала 9 посредством цилиндрического шарнира 14, ось которого ортогональна оси вала 9. На раме 11 закреплено теплоотводящее основание 4 солнечной батареи 1. Вал 9 выполнен из материала с повышенной теплопроводностью, например, из меди или из алюминиевого сплава. Нижний торец вала 9 снабжен упорным подшипником 15. Вертикальная полая цилиндрическая опора 6 выполнена с возможностью частичного погружения в лунный грунт места установки. Нижний участок 8 цилиндрической опоры 6 выполнен из материала с повышенной теплопроводностью, например, из меди или из алюминиевого сплава. Верхний участок 7 цилиндрической опоры 6 выполнен из теплоизолирующего материала, например из углепластика. Во внутренней поверхности цилиндрической опоры 6 выполнена кольцевая цилиндрическая проточка 16. Наружная поверхность участка вала 9, выступающего из верхнего торца цилиндрической опоры 6, и наружная поверхность участка 7 цилиндрической опоры 6, не погружаемого в грунт, выполнены светоотражающими, например, покрыты алюминиевой фольгой с зеркально отражающей поверхностью или на них нанесен слой зеркально отполированного серебра. Верхний участок 7 цилиндрической опоры 9 снабжен кольцевым опорным выступом 17, для чего у верхнего участка 7 выполнена проточка 18. Опорный выступ 17 зафиксирован кольцом 19.
При размещении солнечной фотоэнергоустановки на поверхности Луны производят бурение лунного грунта перпендикулярно поверхности на глубину (2,0-2,5) м, и в пробуренную скважину устанавливают (до упора о лунный грунт опорного выступа 17) цилиндрическую опору 6 с валом 9 и закрепленной на верхнем конце вала 9 солнечной батареей 1.
При работе солнечной фотоэнергоустановки концентраторы 2 солнечного излучения, установленные на солнечной батарее 1, ориентированной электромеханической системой ориентации перпендикулярно солнечным лучам, концентрируют солнечный свет и фокусируют его на светочувствительных поверхностях фотоэлектрических преобразователей 3. Фотоэлектрические преобразователи 3 преобразуют энергию квантов света в электроэнергию. Вырабатываемую установкой электроэнергию подают к внешнему потребителю или накопителю энергии. Тепло, выделяемое при работе фотоэлектрических преобразователей 3, передается через теплоотводящее основание 4 и цилиндрический шарнир 14 на вал 9, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью. Через нижнюю часть вращающегося вала 9, имеющего тепловой контакт с нижний участком 8 цилиндрической опоры 6, соприкасающимся с лунным грунтом, имеющим температуру минус 35°C, тепло переходит в лунный грунт и рассеивается в нем. Покрытие наружной поверхности участка вала 9, выступающего из верхнего торца цилиндрической опоры 6, наружной поверхности участка 7 цилиндрической опоры 6, не погружаемого в грунт, и наружной поверхности кольцевого опорного выступа 17 алюминиевой фольгой с зеркально отражающей поверхностью или слоем зеркально отполированного серебра, а также выполнение верхнего участка 7 цилиндрической опоры 6 из теплоизолирующего материала уменьшают дополнительный разогрев верхней части вала 9 от теплового излучения разогретой поверхности Луны, снижают тепловые потери и повышают эффективность отвода тепла от фотоэлектрических преобразователей 3.
Использование настоящего изобретения позволяет, независимо от температуры лунной поверхности, понизить температуру фотоэлектрических преобразователей до значений, близких к оптимальным значениям, что повышает эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию и обеспечивает получения высокого удельного энергосъема в течение лунного дня, в условиях длительной автономной работы на поверхности Луны.