Устройство гелиостата
HELIOSTAT APPARATUS

Устройство относится к солнечной энергетике, технике позиционирования солнечных элементов, нагревателей или зеркал по зениту и азимуту для выработки электрической, тепловой энергии непосредственно установленными элементами или за счет фокусирования зеркалами на стационарном приемнике излучения. Возможно его применение для размещения антенных установок связи с медленно движущимися объектами, установки телескопов.
Известно большое количество устройств, например, патент РФ 2679771, H02S 40/12, 2019. В этом устройстве применяются неподвижные проводники, приводимые в движение магнитным полем. Необходимо обеспечение резонанса, непрерывной работой во время неблагоприятных погодных условий, что требует дополнительного расхода энергии.
В устройстве (см. патент Китая 205545126, H02S 40/10, H02S 20/30, 2016) присутствует лишь узел очистки поверхности, при этом, применяется дополнительно вращение с зубчатой передачей, что требует специальных мер по защите передающей цепи.
В устройстве (см. патент США 8650693, В08В 1/002, 2014) используется очистка однако, при этом, трекер является одноосевым, устройство используется в ограниченной полосе географических широт где возможна реализация перемещения с опрокидыванием пассивного привода очистителя.
Устройство (см. патент ЕС ЕР 2551610, В08В 1/04, 2013) использует функцию, заключающуюся в очистке фиксированных панелей, при этом, устройство очистки является подвижным и обеспечивает требуемый поворот и имеет большие габариты за счет наличия дублирующего механизма.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является устройство, заявленное в патенте США 9455665, H02S 40/10, 2016. В этом устройстве - прототипе используется безводная система очистки солнечного трекера, имеющая раму, перемещающуюся по рельсовым направляющим, контроллер управления, вентилятор формирования воздушного потока для очистки поверхности, привод узла очистки на основе тросов. Дополнительно в этом устройстве присутствует возможность очистки и двухосевых систем позиционирования, располагающих элементы под определенным начальным углом перед очисткой. Основное назначение прототипа - безводная очистка поверхности солнечных элементов.
Недостаток этого устройства заключается в том, что отсутствует защита поверхности элементов от неблагоприятных факторов окружающей среды, очистка производится бесконтактным способом, что может быть недостаточным при существенных загрязнениях, для создания высокого давления воздушного потока требуется повышенная мощность, слабо очищается мелкодисперсная пыль и прилипшие загрязнения, при возможном использовании устройства для охлаждения воздушным потоком потребуется значительный расход энергии.
Задача изобретения - создание устройства, обеспечивающего позиционирование на Солнце, защиту фотоэлектрических элементов или зеркал от неблагоприятных условий окружающей среды, очистку их поверхности, охлаждение фотоэлектрических модулей,
Предлагаемое устройство с гелиостатом в виде мачты, установленными на ней карданом или шаровой опорой, на которой закрепляется центр основной рамы, при этом, на раме устанавливается модуль рольставен, дворника с тросовым приводом, пластина радиатора с фотоэлектрическими элементами или опора зеркала, верхний бак с водой и двустабильными клапанами для подачи воды снаружи для очистки и с обратной стороны для охлаждения, на мачте или ее опоре установлены контроллер управления, нижний бак с водой и насосом, датчики уровня воды концевые для определения минимального, максимального уровней в верхнем баке и измерительный в нижнем.
При поиске аналогичных запатентованных устройств, не выявлено структурных решений с эквивалентными заявляемыми устройству гелиостата признаками. Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию новизны технического решения.
Принципиальным отличием предлагаемого устройства является наличие рольставен для защиты элементов, подвижного дворника с влажной очисткой поверхности, системы пассивного и принудительного испарительного охлаждения элементов, позиционирования с использованием тросовой тяги с измерителями усилий, при этом, вращение осуществляется относительно центра опорной рамы за счет тросовой тяги, общее управление осуществляется контроллером с автономной системой питания и зарядки от основного или вспомогательного солнечного элемента.
Устройство состоит из следующих основных узлов. На фиг. 1 изображен вид на устройство снизу, где присутствуют следующие элементы: 1 - опора мачты, 2 - мачта, 3 - блок управления с автономным питанием, 4 - опорная рама, 5 - кардан или шаровая опора, 6 - устройство многовитковой смотки и намотки троса с детектированием натяжения, 7 - тросы управления положением, 8 - верхний бак с датчиками минимального и максимального уровней, 9 - модуль для размещения вала намотки рольставен, 10 - радиатор, покрытый впитывающим материалом, 11 - трубки подвода воды к впитывающему материалу радиатора, 12 - двустабильный клапан и общий патрубок подвода воды к дворнику, 13 - двустабильный клапан и общий патрубок подвода воды к радиатору, 14 - привод дворника с тросом и электромотором.
На фиг. 2 изображен вид на устройство сверху, на котором изображены: 15 - рольставни, 16 - дворник для очистки поверхности элементов или зеркала, 17 - датчик отклонения от прямой, ведущей на Солнце, 18 - датчики влажности впитывающего слоя радиатора с обратной стороны и датчик капель дождя, воды из бака с наружней, 19 - датчики температуры элементов, общей освещенности, ударов и вибраций, 20 - нижний бак с водой и датчиком измерения ее уровня, 21 - фотоэлектрические модули или зеркало.
На фиг. 3 представлен элемент устройства 6, являющийся управляемым натяжителем троса 7. Натяжитель троса состоит из: 22 - электромотор, 23 - червячный редуктор, 24 - шкив для намотки троса, 25 - направляющий ролик троса, 26 - датчик измерения усилия натяжения троса.
На фиг. 4 представлена структурная схема контроллера с сигналами обратных связей с датчиков и управляющими воздействиями на исполнительные механизмы: 27 - датчик температуры элементов, 28 - датчик дождя, 29 - датчик влажности впитывающего материала радиатора, 30 - датчик вибраций и ударов, 31 - датчики уровня воды в нижем баке с его измерением и датчики уровня в верхнем баке с детектированием минимального и максимального уровней, 32 - датчик отклонения от линии, ведущей к центру диска Солнца, 33 - датчики силы натяжения тросов, 34 - акселерометр на опорной раме, 35 - часы реального времени, 36 - концевые выключатели граничных положений рольставен и дворников, 37 - уровень заряда батареи собственных нужд, 38 - датчики контроля напряжения и тока основного фотоэлектрического модуля, 39 - управляющий контроллер, 40 - моторы натяжения тросов, 41 - насос в нижнем баке для подвода воды в верхний, 42 - вентилятор принудительного охлаждения радиатора, 43 - бистабильные электромеханические или электронные реле управления питанием контроллера, сенсоров и исполнительных механизмов, 44 - двустабильные клапаны подачи воды к дворнику и радиатору, 45 - модем беспроводной связи контроллера с заданной точкой доступа.
Устройство гелиостата с защитой, очисткой, охлаждением работает следующим образом. Опора мачты 1 фиксирует мачту 2 в заданном положении, преимущественно вертикальном, на мачте имеется кардан или шаровая опора 5, которые обеспечивают поворот опорной рамы 4 относительно центральной точки опорной рамы 4, располагаемой вблизи от ее точки центра масс. Контроллер управления 3 обрабатывает сигналы с сенсоров и формирует соответствующие управляющие воздействия на исполнительные механизмы. Часы реального времени 35 показывают местное время, при этом, задаются локальные координаты, также, может иметься магнетометр для определения расположения установки относительно частей света. В ночное время рольставни 15 закрыты. Перед восходом Солнца а также по условию наличия избыточной пыли, производится очистка от росы, загрязнений путем подачи воды через клапан 12 из верхнего бака 8, задействуется привод дворника 14, приводя в движение очистительный элемент 16, который перемещается вверх и вниз заданное количество раз очищая элементы 21, датчик 18 дополнительно контролирует наличие воды на поверхности, формируя сигнал 28. Рольставни 15 закрываются по событиям наступления темноты, неблагоприятных погодных условий, например, града, сильного ветра, песчаной бури или вьюги, при этом, опора 4 позиционируется таким образом, чтобы обеспечить минимизацию налипания снега или ветровой нагрузки. Позиционирование осуществляется тросами 7, которые формируют за счет своей длины угол относительно точки вращения. Длина троса 7 регулируется намоткой через направляющий ролик 25 на шкив 24, установленный на понижающий червячный редуктор 23, применение червячного редуктора позволяет избежать вращения обесточенного двигателя при наличии нагрузки на шкиве, тем самым, снижая потребление на холостом ходу. Датчик натяжения 26 формирует сигнал 33 на управляющий контроллер, формируя управление двигателем натяжителя 40. Производится стабилизация натяжения в заданном диапазоне, усилие определяется исходя из положения опорной рамы 4. Производится кратковременное включение и выключение двигателей 22 в заданном направлении для улучшения характеристик собственного потребления устройства, возможно управление скоростью вращения с использованием интегральных схем привода. Для точного позиционирования на Солнце применяется датчик 17, формирующий сигнал 32. Для грубого позиционирования применяется акселерометр, устанавливаемый на раме 4, формирующий сигнал 34. Согласно заданных координат места и времени производится поворот рамы 4 и элементов 21, тем самым, обеспечивая наилучшие условия для генерации фотоэлектрическими модулями или поддержание угла для отражения зеркалами. Для охлаждения используется вода из верхнего бака 8 через клапан 13 проходящая к патрубкам раздачи 11 на впитывающую поверхность, например, из полос минеральной ткани, закрепленных на радиаторе 10. При достижении заданной влажности впитывающей поверхности, контролируемой датчиком 18 и формирующим сигнал 29, подача воды прекращается. Датчик 19 измеряет температуру и формирует сигнал 27, при превышении определенного порога включается вентилятор принудительного охлаждения 42, располагаемый на противоположной стороне от бака 8. Радиатор 10 может быть выполнен в виде пластины, ребристой поверхности, впитывающий материал может размещаться на пластиковой, металлической конструкции фотоэлектрического модуля непосредственно. При наличии дождя, определяемого датчиком 18 с сигналом 28, производится очистка поверхности дворником, возможно последующее управление сбором стекающей воды в емкость 20 за счет позиционирования или наличия вспомогательного насоса. При наличии недостаточной генерации в пасмурную погоду или в вечерние часы рольставни закрываются. Это условие определяется эталонными значениями тока и напряжения, их измерением на элементах 21 с формированием сигнала 38, заданной освещенностью, определяемой также датчиком 17 или дополнительным датчиком, а также текущим временем 35. При наличии ударов от града, сильного ветра, детектируемых датчиком 19, формирующего сигнал 30, производится закрытие рольстаевн и позиционирование с безопасным углом. Для питания внутренних цепей устройства применяется аккумуляторная батарея собственных нужд, устанавливаемая вместе с контроллером 3. Ток и напряжение этой батареи измеряются, сигналы с этими величинами 37 обрабатываются контроллером, при чрезмерном разряде батареи система переходит в ждущий режим или полное обесточивание с применением двустабильных реле 43. Также, эти реле применяются для периодического включения/выключения сенсоров с большим потреблением, при этом, не тратится ток на поддержания реле в заданном состоянии. Двустабильные клапаны 12 и 13, управляемые сигналом 44, используют механизм, фиксирующий их в состоянии закрыто и открыто. При этом, энергия тратится лишь на их переключение. Сигнал с датчика уровня воды в верхнем баке 31 несет информацию о минимальном и максимальном уровне. Если уровень минимальный, производится включение насоса 41, который перекачивает воду из нижнего бака 2 в верхний 8. Уровень жидкости в нижнем баке фиксируется датчиком, значение является отражением уровня и может быть измерено относительно грубо с несколькими уровнями значений 31 поступающих на контроллер. При достижении минимального уровня производится сигнализация пользователю. Интерфейс обеспечивается с применением беспроводного цифрового модема 45, соединяющегося с базовой станцией сотовых сетей или пользовательской точкой доступа и обеспечивающий синхронизацию часов реального времени 35, при этом возможна передача данных о силе и направлении ветра, прогнозируемые неблагоприятные погодные условия с целью выбора безопасного угла и принятия мер по защите и дополнительной очистке элементов.
Применение устройства позволяет осуществить позиционирование фотоэлектрических модулей, зеркала, их защиту, очистку и охлаждение. Гелиостат со встроенной системой очистки на основе дворника с влажной очисткой, пассивного или принудительного охлаждения элементов снизу воздушным потоком с впитывающем материалом для испарения воды, рольставнями установленными на подвижном элементе опорной рамы, закрепленной в точке соединения с карданным валом или шаровой опоры, устанавливаемой на мачте, при этом, двухосевое позиционирование опорной рамы осуществляется с применением тросовой тяги, обеспечивая улучшение очистки, защиту, охлаждение, двухосевое позиционирование по сравнению с прототипом.