УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
SOLAR POWER STATION MONITORING DEVICE

Изобретение относится к солнечной фотоэнергетике, и может быть использовано для мониторинга и контроля технологических параметров концентраторных солнечных батарей, снятия фотоэлектрических характеристик, проведения их анализа в зависимости от параметров окружающей среды, для контроля точности слежения за Солнцем и для мониторинга солнечной электростанции в целом.
Известно устройство мониторинга солнечной электростанции (см. патент RU 103624, МПК G01R 22/00, опубликован 20.04.2011), включающее счетчики и датчики сигналов по каждому расходуемому энергоносителю, модули ввода и вывода сигналов, программируемый логический контроллер, модуль питания, модуль коммуникационных интерфейсов для связи с внешними устройствами, объединяемые внутренней системной шиной, через которую осуществляется питание, обмен данными и измерительной информацией, с реализацией в контроллере алгоритмов вычисления и управления, а также устройства проводной связи, персональный компьютер диспетчерского пункта или автоматизированного рабочего места с установленным программным обеспечением. Устройство оборудовано блоком метеодатчиков, блоком обработки данных, встроенными батареями питания. Консоль управления, в свою очередь, подключена к модулю коммуникационных интерфейсов для передачи информации в программируемый логический контроллер по системной шине.
Недостатком известного устройства является отсутствие системы измерения параметров солнечных батарей, невозможность измерения фотоэлектрических характеристик и проведения тестирования подключаемых одиночных солнечных батарей, отсутствие возможности измерения максимальной энерговыработки солнечных батарей, в связи с тем, что солнечные батареи не вырабатывают максимальной мощности.
Известно устройство мониторинга солнечной электростанции (см. патент US 8264195, МПК H02J 7/00, опубликован 11.09.2012), включающее блок обработки и передачи данных, блок измерения характеристик солнечной батареи, включающий датчик измерения температуры на поверхности солнечной батареи, датчик интенсивности солнечного излучения, датчик определения степени чистоты поверхности солнечной батареи, датчик определения степени отражения солнечного излучения, датчик угла падения солнечного излучения. Блок датчиков соединен с блоком контроллера для передачи на него информации и получения от него питания.
Известное устройство мониторинга солнечной электростанции позволяет производить контроль и анализ мощностных характеристик при отборе максимальной мощности от солнечных батарей, используемых для центрального энергоснабжения, позволяет проводить измерения мощности при отключенной системе контроля.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности измерения вольтамперных характеристик, невозможность проведения сравнительного анализа и исследования фотоэлектрических характеристик солнечных батарей при различных погодных условиях. Также недостатком является отсутствие блока контроля точности слежения за Солнцем.
Известно устройство мониторинга солнечной электростанции (см. патент RU 75516, МПК H02J 1/00, G01W 1/00, опубликован 10.08.2008), включающее блок измерения параметров солнечной батареи, блок измерения параметров солнечного излучения, блок измерения параметров окружающей среды, блок управления, блок измерения вольтамперной характеристики, блок электронной нагрузки, подключаемый к солнечной батарее и компьютер.
Недостатком известного устройства является невозможность оценки эффективности солнечной батареи в натурных условиях, а именно оценивать коэффициент полезного действия, деградацию тока короткого замыкания, напряжение холостого хода, мощность и вольтамперную характеристику. Вместе с тем, известное устройство может одновременно осуществлять мониторинг только одной солнечной батареи в месте ее расположения, так как в устройстве не предусмотрены средства для удаленного мониторинга солнечных батарей.
Известно устройство мониторинга солнечной электростанции (см. заявку KR 101911334, МПК H02S 50/10, G08C 19/02, опубликована 08.02.2018), включающее блок измерения выходной мощности солнечного модуля, коммутационный блок, подключенный к отдельным модулям для измерения и вывода информации выходной мощности, контроллер, подключенный к коммутационному блоку, выполняющий прием и хранение данных мощности отдельных солнечных модулей, проводящий сравнительный анализ работы отдельных модулей.
Недостатком известного устройства мониторинга является отсутствие контроля точности слежения за Солнцем.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является устройство мониторинга солнечной электростанции (см. патент №132212, МПК G01R 31/00, G06F 1/28, G01W 1/00, H01L 12/00, опубликован 10.09.2013), принятое за прототип. Известное устройство мониторинга солнечной электростанции - прототип включает блок измерения параметров и отбора максимальной мощности солнечной батареи, блок коммутации, блок электронной нагрузки, блок управления, блок измерения параметров солнечного излучения, блок измерения параметров окружающей среды и блок передачи данных, включающий последовательно соединенные проводными или беспроводными каналами связи модем, сервер и компьютер, при этом вход блока измерения параметров и отбора максимальной мощности солнечной батареи соединен с первым выходом блока коммутации, выход блока измерения параметров и отбора максимальной мощности солнечной батареи соединен с первым входом блока управления, первый вход блока коммутации предназначен для соединения с выходом солнечной батареи, второй выход блока коммутации соединен с первым входом блока электронной нагрузки, второй вход блока коммутации соединен с первым выходом блока управления, второй вход блока электронной нагрузки соединен со вторым выходом блока управления, первый вход/выход блока управления соединен с входом/выходом блока передачи данных, второй вход/выход блока управления соединен с входом/выходом блока измерения параметров солнечного излучения, третий вход/выход блока управления соединен с входом/выходом блока измерения параметров окружающей среды. Известное устройство мониторинга осуществляет удаленный круглогодичный мониторинг и сравнительный анализ работы солнечных батарей в естественных эксплуатационных условиях.
Недостатком известного устройства мониторинга является отсутствие контроля точности слежения за Солнцем, что приводит к снижению энерговыработки электростанции с течением времени.
Задачей заявляемого технического решения является создание такого устройства мониторинга солнечной электростанции, которое позволяло бы повысить энерговыработку электростанции путем контроля точности слежения за Солнцем.
Поставленная задача достигается тем, что устройство мониторинга солнечной электростанции включает блок измерения параметров и отбора максимальной мощности солнечной батареи (БИПМСБ), блок коммутации (БК), блок электронной нагрузки (БЭН), блок управления (БУ), блок измерения параметров солнечного излучения (БИПСИ), блок измерения параметров окружающей среды (БИПОС) и блок передачи данных (БПД), включающий последовательно соединенные каналами связи модем (М), сервер (С) и компьютер (К), при этом вход БИПМСБ соединен с первым выходом БК, выход БИПМСБ соединен с первым входом БУ, первый вход БК предназначен для соединения с выходом солнечной батареи (СБ), второй выход БК соединен с первым входом БЭН, второй вход БК соединен с первым выходом БУ, второй вход БЭН соединен со вторым выходом БУ, первый вход/выход БУ с входом/выходом БПД, второй вход/выход БУ соединен с входом/выходом БИПСИ, третий вход/выход БУ соединен с входом/выходом БИПОС. Новым в устройстве мониторинга солнечной электростанции является включение в ее состав блока контроля точности слежения за Солнцем (БКТСС), включающего цилиндрический корпус, в котором последовательно установлены входная диафрагма, полупрозрачный экран и регистрирующий элемент в виде позиционно-чувствительной матрицы, и блока анализа данных (БАД), при этом второй вход БУ соединен с выходом БАД, а вход БАД соединен с выходом БКТСС.
Включение в состав устройства мониторинга солнечной электростанции блока контроля точности слежения за Солнцем позволяет повысить эффективность работы электростанции в долгосрочном эксплуатационном периоде. Интегральные данные точности слежения за Солнцем являются критерием для оценки работы устройства слежения за Солнцем, что позволяет на раннем этапе обнаружить проблемы вызванные разбалансировкой устройства слежения, которые приводят к уменьшению энерговыработки солнечной электростанции.
Включение в состав блока контроля точности слежения за Солнцем цилиндрического корпуса необходимо для предотвращения паразитной боковой подсветки и повышения точности измерения, входной диафрагмы - для получения оптического изображения Солнечного диска на полупрозрачном экране, который используется для уменьшения интенсивности пятна свечения, увеличения контрастности и четкости изображения, и регистрирующего элемента - для оцифровки полученного оптического изображения и создания яркостной карты проекции Солнечного диска.
Включение в состав устройства мониторинга солнечной электростанции блока анализа данных позволяет проводить расчет текущего углового отклонения устройства слежения за Солнцем от оптической оси, что является оценкой точности слежения.
Второй вход блока управления соединен с выходом блока анализа данных для передачи данных измерения точности слежения за Солнцем в блок управления, что позволяет, используя данные, полученные от блока измерения параметров и отбора максимальной мощности солнечной батареи, корректировать положение устройства слежения за Солнцем в долговременном периоде для повышения максимальной энерговыработки электростанции, а так же осуществляет передачу данных в блок передачи данных для хранения, анализа, автоматического создания отчетов и локального или удаленного мониторинга работы электростанции.
Вход блока анализа данных соединен с выходом блока контроля точности слежения за Солнцем для передачи данных с регистрирующего элемента, входящего в состав блока контроля точности слежения за Солнцем.
Данная конструкция устройства мониторинга солнечной электростанции позволяет повысить энерговыработку электростанции в долгосрочном эксплуатационном периоде.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показана функциональная блок-схема работы устройства мониторинга солнечной электростанции;
на фиг. 2 приведена оптическая схема блока контроля точности слежения за Солнцем.
Устройство мониторинга солнечной электростанции включает (см. фиг. 1) блок измерения параметров и отбора максимальной мощности солнечной батареи (БИПМСМ) 1, блок коммутации (БК) 2, блок электронной нагрузки (БЭН) 3, блок управления (БУ) 4, блок измерения параметров солнечного излучения (БИПСИ) 5, блок измерения параметров окружающей среды (БИПОС) 6, блок передачи данных (БПД) 7, включающий последовательно соединенные каналами связи модем (М) 8, сервер (С) 9 и компьютер (К) 10, блок контроля точности слежения за Солнцем (БКТСС) 11 и блок анализа данных (БАД) 12. При этом БКТСС 11 и солнечная батарея (СБ) 13 установлены на устройстве слежения за Солнцем (УСС) 14. БКТСС 11 включает (см. фиг. 2) цилиндрический корпус 15, в котором последовательно установлены входная диафрагма 16, полупрозрачный экран 17 и регистрирующий элемент 18 в виде позиционно-чувствительной матрицы. Вход БИПМСБ 1 соединен с первым выходом БК 2, выход БИПМСБ 1 соединен с первым входом БУ 4, первый вход БК 2 предназначен для соединения с выходом солнечной батареи СБ 13, второй выход БК 2 соединен с первым входом БЭН 3, второй вход БК 2 соединен с первым выходом БУ 4, второй вход БЭН 3 соединен со вторым выходом БУ 4, первый вход/выход БУ 4 соединен с входом/выходом БПД 7, второй вход/выход БУ 4 соединен с входом/выходом БИПСИ 5, третий вход/выход БУ 4 соединен с входом/выходом БИПОС 6, второй вход БУ 4 соединен с выходом БАД 12, а вход БАД 12 соединен с выходом БКТСС 11.
Настоящее устройство мониторинга солнечной электростанции работает следующим образом. БЭН 3 по соединению через БК 2 долговременно поддерживает СБ 13 в режиме отбора максимальной мощности, с возможностью корректировки внутреннего сопротивления при изменении условий засветки. По команде, получаемой по соединению через БК 2 с БИПМСБ 1, БЭН 3 кратковременно переводит СБ 13 сначала в режим холостого хода, затем в режим короткого замыкания. БУ 4 по соединению с БИПМСБ 1 получает данные по измерению напряжения холостого хода и тока короткого замыкания СБ 13. Также БУ 4 по соединению с БИПСИ 5 получает данные измерения параметров солнечного излучения, и по соединению с БИПОС 6 данные измерения параметров окружающей среды.
Контроль точности слежения за Солнцем осуществляется следующим образом. Солнечное излучение при падении на входную диафрагму 16 БКТСС 11 фокусируется на полупрозрачный экран 17. При этом на полупрозрачном экране проецируется изображение солнечного диска, которое фиксируется с помощью регистрирующего элемента 18. Данные с регистрирующего элемента, входящего в состав БКТСС 11, передаются в БАД 12. БАД 12 с использованием программы проводит оценку общей освещенности по изображению и, в случае наличия прямого солнечного излучения, проводит вычисление "центра масс" яркостной составляющей изображения. Путем анализа среднего положения "центра масс" рассчитывает текущее угловое отклонение УСС 14 от оптической оси, что является оценкой точности слежения. БУ 4 через соединение с БАД 12 получает данные и проводит корректировку положения УСС 14, что позволяет увеличить точность слежения за Солнцем и повысить эффективность работы электростанции в долгосрочном эксплуатационном периоде.
Соединение С 9 с БУ 5 осуществляется через М 8 и может быть осуществлено как проводным, так и беспроводным (например, GSM-модем) образом. Соединение К 10 с С 9, для генерации отчетов. о работе осуществляется посредством телекоммуникационных линий связи (например, глобальной сети Internet). Таким образом БПД 7 по соединению с БУ 4 получает данные измерений параметров солнечной батареи, солнечного излучения, окружающей среды, точности слежения за Солнцем для последующего их анализа, автоматического создания отчетов и локального или удаленного мониторинга работы электростанции.
Техническим результатом заявляемого решения стало создание устройства мониторинга солнечной электростанции, которое позволило достигнуть повышения энерговыработки солнечной электростанции путем контроля точности слежения за Солнцем.