СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
SOLAR POWER PLANT

Изобретение относится к солнечным фотоэлектрическим системам, а именно к устройствам для перемещения и ориентирования солнечных фотобатарей и может быть использовано для преобразования лучистой солнечной энергии в электрическую, как в солнечную погоду, так и в пасмурную.
Известна солнечная фотоэнергоустановка [RU 2476957 С1, МПК H01L 31/00 (2006.01), H01L 23/32 (2006.01), F16M 11/06 (2006.01), опубл. 27.02.2013], содержащая концентраторные фотоэлектрические модули. Система ориентации концентраторных фотоэлектрических модулей на солнце выполнена в виде горизонтальной балки с параллельными консолями. Консоли эквидистантно установлены на горизонтальной балке с возможностью осевого вращения. Проксимальные концы консолей снабжены шкивами ременной передачи. Шкивы вращаются синхронно с помощью электроприводов, которые закреплены на горизонтальной балке.
Наличие двух электроприводов усложняет конструкцию этого устройства. При таком расположении фотоэлектрических модулей происходит затенение соседних пластин, что является нерациональным, следовательно, уменьшается КПД всего устройства. Ременная передача, установленная на шкивах, делает конструкцию менее надежной.
Известна фотоэнергоустановка [RU 2354896 С1, МПК F24J 2/42 (2006.01), опубл. 10.05.2009], которая содержит подсистему азимутального вращения и подсистему зенитального вращения. Подсистема азимутального вращения выполнена в виде неподвижной стойки, которая установлена на торце стойки посредством упорного подшипника и снабженная на нижнем конце горизонтальным двуплечим рычагом. На одном плече рыча закреплен привод подсистемы азимутального вращения с горизонтальной шестерней. На горизонтальной оси установлена подсистема зенитального вращения. Подсистема выполнена в виде пространственной рамы с размещенными на ней в виде ступеней концентраторными фотоэлектрическими модулями. Фотоэлектрические модули прикреплены снизу к раме двумя вертикальными секторами с рифлеными круговыми торцовыми поверхностями, сопряженными с вертикальными шестернями привода подсистемы зенитального вращения, установленными, соответственно, на первом и втором плечах упомянутого горизонтального рычага. Рифленая часть торцовой поверхности горизонтального диска выполнена в виде закрепленного по торцу отрезка роликовой цепи.
Установка обладает высокой металлоемкостью и сложной конструкцией системы слежения за солнцем, что ведет к снижению эффективности устройства в целом.
Известна солнечная электростанция [RU 2280918 С1, МПК H01L 31/042 (2006.01), F24J 2/54 (2006.01), опубл. 27.07.2006], выбранная в качестве прототипа, содержащая вертикальный вал с приводом азимутального поворота, на котором закреплена солнечная фотобатарея, которая снабжена системой автоматики азимутального привода слежения за солнцем. С обратной стороны солнечной фотобатареи в обратную сторону азимутального слежения установлен командный фотоэлемент. Командный фотоэлемент имеет в составе поляризованные малоточные и исполнительные реле реверсивного привода. Солнечная фотобатарея закреплена под углом к плоскости горизонта, равным половине максимального зенитального угла солнца и разделена на две равные части, между которыми закреплена вертикальная пластина, преимущественно с отражающей поверхностью. Одноименные фазы половин солнечной фотобатареи встречно включены на обмотку малоточного поляризованного реле с разделительными диодами после обмотки реле реверсивного привода.
Использование привода азимутального поворота для слежения за положением солнца делает конструкцию электростанции малоэффективной и энергозатратной.
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение надежности солнечной электростанции.
Солнечная электростанция, также как в прототипе, содержит основание, на котором на опорном подшипнике установлен вертикальный вал с рамой. На верхнем конце вертикального вала установлена радиальная муфта, на которой закреплена солнечная фотобатарея, закрепленная под углом к плоскости горизонта, равным половине максимального зенитального угла солнца и разделенная на две равные части, между которыми закреплена вертикальная пластина, преимущественно с отражающей поверхностью. На нижнем конце вала установлено зубчатое колесо. С обратной стороны солнечной фотобатареи, на каждой ее части соответственно установлен свой фотоэлемент, которые полюсами «минус» подключены к анодам соответствующих диодов. Катоды диодов подключены к соответствующим реостатам, которые выведены на общую линию «минус». Между встречными полюсами фотоэлементов включен вольтметр, параллельно которому подключена обмотка малоточного поляризованного реле с нейтральным якорем. На боковые контакты реле подключены обмотки исполнительных реле, которые выведены на общую линию «плюс». К общей линии «плюс» подключены два концевых выключателя. Между линиями «плюс» и «минус» подключен аккумулятор. От аккумулятора к потребителю выведены клеммы.
Согласно изобретению параллельно вертикальному валу на основании установлена опора, на которой закреплен подшипник. В подшипнике размещен горизонтальный вал, на котором в сторону вертикального вала установлено второе зубчатое колесо. Над вторым зубчатым колесом на вертикальном валу свободно размещен Г-образный кронштейн через отверстие на его конце. Сверху на Г-образном кронштейне закреплен магнит. Стопорная часть Г-образного кронштейна, направленная вниз, расположена над вторым зубчатым колесом с возможностью фиксации его вращения. Один конец возвратной пружины закреплен на основании, а другой закреплен на свободном конце горизонтального вала. На основании под вторым зубчатым колесом закреплен бистабильный магнит. Над Г-образным кронштейном на вертикальном валу жестко закреплена планка, на нижней стороне которой закреплен соленоид. Первый концевой выключатель соединен с бистабильным магнитом. Второй концевой выключатель соединен с соленоидом. К «плюсу» аккумулятора подключен ключ, который соединен с соленоидом, а к «минусу» аккумулятора подключены бистабильный магнит и соленоид.
Использование бистабильного магнита позволяет производить азимутальный поворот фотобатареи без использования электрического двигателя, как в прототипе, что делает солнечную электростанцию более надежной и эффективной, снизить металлоемкость, упростить систему автоматики слежения за солнцем.
На фиг. 1 представлен общий вид солнечной электростанции На фиг. 2 показана электрическая схема солнечной электростанции. Солнечная электростанция содержит основание 1, на котором закреплен опорный подшипник 2, на котором размещен вертикальный вал 3. На валу 3, в его нижней части, жестко закреплено зубчатое колесо 4. На основании 1, параллельно вертикальному валу 3, установлена опора 5, на которой закреплен подшипник 6, в котором размещен горизонтальный вал 7. На конце горизонтального вала 7, направленного в сторону вертикального вала 3, жестко закреплено зубчатое колесо 8. На вертикальном валу 3, над первым зубчатым колесом 4, свободно размещен через отверстие на его конце Г-образный кронштейн 9. Сверху, на Г-образном кронштейне 9 закреплен магнит 10.
Стопорная часть Г-образного кронштейна 9, направленная вниз, расположена над вторым зубчатым колесом 8 с возможностью фиксации его вращения. Один конец возвратной пружины 11 закреплен на основании 1, а другой - на свободном конце горизонтального вала 7. На основании 1, под вторым зубчатым колесом 8, закреплен бистабильный магнит 12, с возможностью взаимодействия с зубчатым колесом 8 через шток 13. На вертикальном валу 3, над Г-образным кронштейном 9, закреплена планка 14, на нижней стороне которой закреплен соленоид 15 так, что он расположен над магнитом 10.
В верхней части вертикального вала 3 установлена радиальная муфта 16, на которой жестко закреплена солнечная фотобатарея [ГОСТ Р51597-2000] под углом к плоскости горизонта, равным половине максимального зенитального угла солнца и разделенная продольной перегородкой 17 на две равные части 18 и 19. Продольная перегородка 17 выполнена с отражающим покрытием.
Конструктивные элементы, расположенные между муфтой 16 и основанием 1, накрыты рамой 20.
С обратной стороны солнечной фотобатареи, на каждой ее части 18 и 19 соответственно установлены фотоэлементы 21 и 22, каждый из которых полюсом «минус» подключен к аноду соответствующего диода 23 и 24. Катод каждого диода 23 и 24 подключен к соответствующему реостату 25 и 26. Реостаты 25 и 26 выведены на общую линию «минус». Между встречными полюсами фотоэлементов 21 и 22 включен вольтметр 27, параллельно которому подключена обмотка малоточного поляризованного реле 28 с нейтральным якорем. Якорь реле 28 замыкает его нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакты. На боковые контакты реле 28 подключены обмотки исполнительных реле 29 и 30, которые выведены на общую линию «плюс». К якорю исполнительного реле 29 подключен первый концевой выключатель 31, контакт которого подключен к бистабильному магниту 12 К якорю исполнительного реле 30 подключен второй концевой выключатель 32, контакт которого подключен к соленоиду 15.
К «плюсу» аккумулятора 33 подключен ключ 34, который соединен с соленоидом 15. К «минусу» аккумулятора 33 подключены бистабильный магнит 12 и соленоид 15. От аккумулятора 33 выведены клеммы 35 к потребителю.
В качестве исполнительных реле 29 и 30 могут быть использованы реле типа SRD24VDC-SL-C. Может быть использован бистабильный магнит, с постоянным магнитом типа D11-ML 24V.
Солнечная электростанция работает следующим образом. При азимутальном падении солнечных лучей на солнечную фотобатарею, параллельно плоскости продольной перегородки 17, обе ее части 18 и 19 находятся в равной освещенности. Обе части 18 и 19 фотобатареи вырабатывают электрический ток равных потенциалов, фазы которых соединены электрически. На выходе солнечной электростанции станции потенциалы суммируются.
По мере азимутального перемещения солнца, от восхода до заката, солнечные лучи начинают освещать первую половину 18 фотобатареи, поверхность которой отражает солнечные лучи на поверхность одной части 18 солнечной фотобатареи, тем самым усиливая ее активность. В тоже время пластина 17 отбрасывает тень и затеняет другую, вторую часть 19 солнечной фотобатареи, активность которой по выработке электрического тока снижается.
Между фазами фотоэлементов 21 и 22 появляется постоянно возрастающая разность потенциалов. В частности, эта разница появляется на линии «минус» фотоэлементов 21 и 22, выравнивание которых не происходит благодаря диодам 23, и 24, установленным на каждой фазе до их соединения. Разность потенциалов начинает выравниваться через обмотку малоточного реле 28. Реле 28 срабатывает, его якорь замыкается на первый контакт и ставит под ток исполнительное реле 29. Исполнительное реле 29 срабатывает, замыкая свой нормально разомкнутый контакт, то есть замыкается на фазу «плюс» через нормально замкнутые контакты первого концевого выключателя 31. Через нормально замкнутый контакт концевого выключателя 31 подводится ток к бистабильному магниту 12. Бистабильный магнит 12 ударяет штоком 13 по зубчатому колесу 8, которое в свою очередь вращает зубчатое колесо 4 с вертикальным валом 3. Параллельно с этим замыкается нормально разомкнутый контакт исполнительного реле 30, который подключен к концевому выключатель 32, который подводит ток на соленоид 15. В свою очередь соленоид 15 притягивает Г-образный кронштейн 9 с магнитом 10, тем самым освобождая зубец второго зубчатого колеса 8. Зубчатое колесо 8 поворачивается на один зубец (15 градусов) и приводит во вращение первое зубчатое колесо 4 с валом 3. Вместе с этим, при вращении второго зубатого колеса 8 начинает растягиваться пружина 11.
В результате, солнечная фотобатарея поворачивается с востока на запад до тех пор, пока солнечные лучи не выровнятся вдоль ее плоскости. Тем самым выравниваются освещенности частей 18 и 19 солнечной фотобатареи, в которых устанавливается одинаковый потенциал электрического тока на фазах.
Обмотка реле 28 обесточивается. Реле 28 отпускает свой якорь и обесточивает исполнительное реле 29. Исполнительное реле 29 отпускает свой якорь и размыкает концевой выключатель 31, тем самым обесточивая бистабильный магнит 12, в результате прекращается поворот с востока на запад всей фотобатареи. При дальнейшем азимутальном перемещении солнца, поворот с востока на запад фотобатареи, осуществляется аналогичным образом до заката солнца.
Для того, чтобы фотобатарея вернулась в исходное положение после заката солнца, используется аккумуляторная батарея 33. От аккумуляторной батареи 33 подается напряжение на ключ 34, который во время поворота солнечной фотобатареи был разомкнут.Через ключ 34 подается напряжение соленоид 15. Соленоид 15 притягивает Г-образный кронштейн 9 с магнитом 10, тем самым освобождая второе зубчатое колесо 8. Под действием пружины 11, горизонтальный вал 7 и зубчатое колесо 8 начинают крутиться в обратную сторону, приводя во вращение первое зубчатое колесо 4, до тех пор, пока пружина 11 не вернется в исходное (сжатое) положение. В результате фотобатарея возвращается в исходное положение.
Дальнейшая работа электростанции осуществляется описанным образом. В случае остановки электростанции (ее ориентации) азимутальное положение будет восстанавливаться.
Реостаты 25 и 26, включенные в фазы, являются вспомогательными элементами цепи сопротивления, которые могут служить для усиления фазовых потенциалов.
Вольтметр 27, включенный параллельно обмотке реле 28, может служить для визуального контроля фазовых потенциалов при настройке.
Аккумулятор 33 заряжается в процессе работы солнечной электростанции в дневное время и служит источником требуемого электропитания в ночное время.
Концевые выключатели 31 и 32 служат для ограничения поворотов электростанции.