Солнечная батарея с оптическим концентратором

Полезная модель относится к сельскому хозяйству, устройствам, обеспечивающим за счет энергии Солнца электроснабжение портативных электронных устройств различного назначения для мониторинга, например, ловушек для отлова насекомых, привлекающих последних с помощью светового излучения.
Устройство может быть использовано для эффективного электропитания портативных устройств мониторинга состояния посевов сельскохозяйственных культур, например, портативных ловушек, предназначенных для отлова и мониторинга численности и видового состава вредных насекомых. Устройство обеспечивает высокую эффективность генерации энергии солнечной батарей, что позволяет существенно снизить затраты труда на обслуживание ловушки.
Общим недостатком устройств со стандартными солнечными батареями, является низкая эффективность использования ими энергии Солнца, поскольку положение панели на ловушке имеет зафиксированный вид, что хотя и упрощает и удешевляет конструкцию устройства, но поскольку положение Солнца меняется во времени, установленная в зафиксированном положении солнечная панель не способна постоянно обеспечить перпендикулярность падения лучей Солнца на ее плоскость. Как результат, эффективность использования такой аппаратурой солнечной энергии для генерации электрического тока оказывается ниже возможной, а эффективность работы системы электроснабжения - невысокой. Так, испытания светодиодной ловушки для летающих насекомых с сумеречной и ночной активностью (RU, патент на полезную модель №129363 U1, опублик. 27.06.2013), представленной модернизированной конструкцией ЛНС-КЗ, у которой в верхней части корпуса фиксировано прикреплена солнечная панель (фотоэлектрический преобразователь), показали низкую эффективность генерации электроэнергии стационарно размещенной солнечной панелью и слабую аттрактивность для вредных насекомых (Овсянникова Е.И., Гричанов И.Я., Кремнева О.Ю., Пачкин А.А. (2020). Апробация светодиодных ловушек. Защита и карантин растений. 7: 29-32).
Для повышения эффективности генерации энергии солнечными батареями применяется системы, позволяющие менять ориентацию модулей в пространстве.
Так, известна автоматизированная солнечная установка, содержащая солнечную панель, которая снабжается по меньшей мере двумя телескопическими термоприводами, закрепленными на солнечной панели параллельно ее плоскости. Механизм слежения за положением солнца в этой установке выполнен в виде гидравлического регулятора скорости вращения, являясь по сути часовым механизмом (RU, патент на изобретение №2125686 С1, опублик. 15.03.1996).
Известна установка для выработки электрической энергии с использованием солнечной энергии, которая благодаря блоку датчиков может соответствующим образом управлять опорным устройством таким образом, чтобы панель сбора солнечной энергии перемещалась в сторону солнечного света, что позволяет с большей эффективностью собирать солнечную энергию, тем самым обеспечивая стабильную выработку электрической энергии. Эффективность использования солнечного света повышается также благодаря использованию концентрирующих линз (RU, патент на изобретение №2442083 С1 опублик. 20.05.2010).
Известна стационарная Установка автоматического слежения приемной панели за Солнцем, в которой максимальный уровень освещенности объекта, монтированного на приемную панель установки во время процесса слежения, обеспечивается автоматически за счет использования кинематической схемы, элементы которой рассчитаны для предполагаемой широты местности использования установки (RU, патент на изобретение №2482401 С2, опублик. 26.05.2011).
Известна регулирующая/контрольная аппаратура автоматического отслеживания солнечной энергии для системы генерирования солнечной энергии, которое основано на использовании детектирующего/корректирующего модуля, автоматически управляющего специальным приводным механизмом, который обеспечивает осевое вращение солнечной панели, в результате чего последняя будет наклоняться под различными углами в соответствии с изменениями положения Солнца, обеспечивая, таким образом, максимальную эффективность генерации электроэнергии (RU, патент на изобретение №2535189 С1, опублик. 23.04.2012).
Известно устройство для автоматической ориентации солнечной батареи, где технический результат повышения энергоэффективности фотоэлектрического преобразования энергии при наименьшем расходе электроэнергии на осуществление поворота солнечных батарей осуществляется блоком управления на основе микроконтроллера, в качестве электромеханического привода для азимутального поворота солнечной батареи используется линейный актуатор, а для установки зенитального угла - регулируемая опора (RU, патент на полезную модель №171448111, 20.05.2016).
При ручном управлении положением солнечных панелей в пространстве эффективность использования энергии Солнца солнечными панелями остается невысокой, тогда как обеспечивающие высокую эффективность использования солнечной энергии автоматизированные системы управления положением солнечных панелей имеют существенным недостатком громоздкость, значительный вес и размеры, в связи с чем применение таких систем в полевых условий для электропитания портативных устройств, например, ловушек для мониторинга вредных насекомых, представляется неприемлемым.
Для повышения эффективности использования энергии Солнца солнечными панелями используют также другие технические решения, а именно концентраторы и/или рефлекторы, благодаря перенаправлению которыми солнечного света на солнечные панели достигается увеличение выработки последними электроэнергии.
Известно устройство в виде регулируемого концентратора, который шарнирно закреплен на панели солнечной батареи, позволяя изменять относительный угол между концентратором и панелью солнечной батареи, что увеличивает количество солнечной энергии, попадающей на панель (RU, патент на изобретение №2309484 С2, опублик. 21.09.2001). Несмотря на высокую эффективность, данное устройство сохраняет в качестве своего недостатка слишком большие размеры и сложность конструкции, которая призвана функционировать в сложных условиях сельскохозяйственного производства.
Известны конструкции, представленные в виде нескольких вариантов фотоэлектрического модуля, где применены две системы концентраторов солнечного излучения - линзы Френеля и соосные им плоско-выпуклые линзы, что позволяет увеличить до максимального значения коэффициент концентрации солнечного света на стационарно установленных модулях плоских солнечных батарей (RU, патент на изобретение №2307294 С9, опублик. 01.11.2004).
Известен концентратор лучей для солнечной батареи, выполненный в форме полуцилиндра с веерным расположением зеркальных отражающих электродов, в котором создается концентрация лучей для солнечной батареи благодаря веерному расположению зеркальных отражающих электродов для преобразования максимального количества фотонов в электричество (RU, патент №2615041 С1, опублик. 01.10.2015).
Данные устройства не могут быть использованы для электропитания портативных электронных устройств, предназначенных для мониторинга состояния посевов сельскохозяйственных культур.
Прототипом для данной конструкции принято устройство «Концентраторная солнечная энергетическая установка» (RU, патент №2740437 С1, опублик. 28.04.2020). Установка содержит основание с размещенной на нем солнечной батареей, набранной из рядов концентраторных фотоэлектрических модулей с корпусами прямоугольной или квадратной формы с отбортовками для прикрепления силиконом-герметиком панелей из линз Френеля и с фотоэлектрическими преобразователями, размещенными в фокусах линз Френеля. Концентраторная солнечная энергетическая установка обладает высокими фотоэлектрическими характеристиками и позволяет существенно увеличить энергосъем с единицы площади энергетической установки. В то же время недостатками прототипа являются:
- сложность и громоздкость конструкции,
- высокие эксплуатационные затраты, связанные с производством и обслуживанием,
- низкая вероятность безаварийного использования на полях сельскохозяйственных культур в условиях севооборотов и активного перемещения сельскохозяйственной техники.
Технической проблемой, существующей в настоящее время в рассматриваемой сфере, является недостаточная эффективность и высокие эксплуатационные затраты в обслуживании известных устройств сбора и преобразования солнечной энергии. Предлагаемое техническое решение направлено на решение данной технической проблемы, а именно, на создание устройства для сбора и преобразования солнечной энергии для электропитания портативных электронных устройств мониторинга состояния сельскохозяйственных посевов, функционирующих в сложных условиях сельскохозяйственного производства, которые должны обеспечивать эффективный энергосъем с единицы площади энергетической установки при невысоких эксплуатационных затратах, связанных с производством и обслуживанием солнечной батареи.
Техническим результатом является создание простой и удобной в эксплуатации солнечной батареи с оптическим концентратором, которую возможно использовать для питания портативных электронных устройств для мониторинга состояния сельскохозяйственных посевов, например, светодиодных ловушек для мониторинга вредных насекомых.
Технический результат достигается за счет того, что в солнечной батарее с оптическим концентратором, включающем светопрозрачный оптически активный купол, световодный цилиндр с зеркальной внутренней поверхностью, предлагается светопрозрачный оптически активный купол выполнить в виде прозрачной полусферы, представляющей собой комбинацию плоско-выпуклых линз, образующих сотовую структуру таким образом, что выпуклые части их составляют внешнюю часть полусферы. Противоположный от купола конец цилиндра предлагается закрыть дисковой пробкой, на внутренней стороне которой размещена солнечная батарея, а на внешней - электрический разъем. При этом предлагается устройство снабдить системой позиционирования, позволяющей вращаться ему в вертикальной плоскости и направлять активный купол в направлении положения Солнца.
Систему позиционирования может быть выполнена из штыка, погружаемого в почву, к верхней части которого прикреплен деревянный черенок, причем на верхнем конце черенка закреплена алюминиевая вилка, через отверстия в которой проходят приваренные к противоположным бокам цилиндра шпильки с барашковыми гайками.
При этом светопрозрачный оптически активный купол может быть выполнен из пластика, а цилиндр может быть выполнен из металла.
Отличия предлагаемого устройства от прототипа:
1. Имеет существенно иную, гораздо более простую, оптическую систему.
2. Выполнено единым блоком, который можно легко перемещать и ориентировать в пространстве.
3. Основная функция конструкции - преобразование солнечной энергии в электрическую решается более дешевым способом.
Сущность полезной модели поясняется следующими фигурами:
Фиг. 1, на которой приведена функциональная схема устройства, где: 1 - солнечная батарея с оптическим концентратором, 2 - система позиционирования, 3 - кабель для коммутации с оконечным питаемым электронным устройством.
Фиг. 2, на которой изображена конструкция солнечной батареи, где 4 - металлический цилиндр с зеркальной внутренней поверхностью, 5 - дисковая пробка, 6 электрический разъем, 7 - солнечная батарея, 8 - светопрозрачный оптически активный купол.
Фиг. 3, на которой изображена система позиционирования в двух проекциях, где 9 штык, 10 - деревянный черенок, 11 - алюминиевая вилка, 12 - шпильки, 13 - барашковые гайки.
Солнечная батарея 1 состоит (см. Фиг. 2) из цилиндра 4 с зеркальной внутренней поверхностью, один конец которого закрыт дисковой пробкой 5, на внешней стороне которой расположен разъем 6 для подключения кабеля, предназначенного для коммутации с оконечным питаемым электронным устройством. На внутренней стороне дисковой пробки 5 закреплена солнечная батарея 7. Второй конец цилиндра 4 закрыт прозрачной полусферой 8, представляющей собой комбинацию плоско-выпуклых линз, образующих сотовую структуру таким образом, что выпуклые части их составляют внешнюю часть полусферы 8. Фокус всех линз находится в точке F, лежащей на геометрической оси цилиндра 4. Цилиндр 4, предпочтительно, выполнен из металла, а полусфера 8 - из полимерных материалов.
Солнечные лучи, проходя через линзы, преломляются ими и падают на зеркальную внутреннюю поверхность цилиндра 4. После отражений от нее лучи падают на поверхность солнечной батареи 7, которая преобразует солнечную энергию в электрическую. Такая конструкция устройства сбора и преобразования солнечной энергии 1 позволяет направлять на солнечную батарею весь свет, попадающий в границы телесного угла 180 градусов. По эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую такая конструкция занимает промежуточное положение между неподвижно закрепленными солнечными батареями и солнечными батареями, автоматически позиционируемыми на Солнце системой слежения, что позволяет в ряде случаев создавать автономные электрические устройства с подзарядкой от солнечной энергии. При необходимости получения большей электрической мощности возможно объединение нескольких конструкций путем соответствующей коммутации.
Рабочее положение солнечной батареи 1 обеспечивается системой позиционирования 2, состоящей из штыка 9, погружаемого в почву, к верхней части которого прикреплен деревянный черенок 10. На верхнем конце черенка 10 закреплена алюминиевая вилка 11, через отверстия в которой проходят приваренные к противоположным бокам металлического цилиндра 4 шпильки 12. Солнечная батарея 1 может поворачиваться в вертикальной плоскости. Фиксация его в нужном положении осуществляется барашковыми гайками 13.
Для приведения устройства сбора и преобразования солнечной энергии 1 в рабочее положение необходимо:
1. Сориентировать солнечную батарею 1 в направлении положения Солнца в полдень (полусферой 8 к Солнцу).
2. В этом положении воткнуть штык 9 в землю на всю его длину.
3. Поворотом устройства сбора и преобразования солнечной энергии 1 направить его в сторону Солнца (полусферой 8 к Солнцу).
4. В этом положении зафиксировать устройства сбора и преобразования солнечной энергии 1 барашковыми гайками 13.