Устройство автоматической ориентации панели солнечных батарей

Полезная модель  относится к электроэнергетике и может быть использована в качестве источника энергии для домов, коттеджей и различных устройств: светофоров, систем мониторинга воздушных линий электропередач, транспортных средств и т.д. Основным требованием конструкции солнечной батареи является получение максимальной мощности с единицы площади батареи.
Известно устройство, содержащее датчик для определения координат источника и систему автоматического управления, позволяющее непрерывно осуществлять ориентацию на  источник энергии (солнце). Датчик освещенности установлен непосредственно на самой панели солнечных батарей. (Источник: Селиванов К. В. Устройство автоматической ориентации панели солнечных батарей по направлению потока света, рег. №180765, от 10.10.2017, Роспатент, 2017).
Основным недостатком такой системы является непрерывная работа системы автоматического управления положением батареи относительно источника, а следовательно, и большим расходом энергии на перемещение массивной панели. Энергия, затрачиваемая на перемещение, может быть соизмерима с вырабатываемой электроэнергией. Сложность работы определить угловые координаты для позиционирования батареи при облачной погоде и в этом случае максимальный поток энергии может поступать не от источника, а от отражающих поверхностей (облаков, зданий, снега и т. д.), что снижает КПД установки. Часто отраженный  поток энергии  может быть больше, чем прямой от солнца, который блокируется облаками.
В связи с этим важной задачей является создание устройства. Позволяющего повысить эффективность солнечной панели стационарной установки при изменении поступающего потока излучения и уменьшить затраты на поиск координат при помощи которой на солнечную батарею поступает максимальный поток излучения.
Для решения этой задачи известно также устройство, содержащее панели солнечных батарей, закрепленных на трех взаимно перпендикулярных осях и расположенных в разных плоскостях с возможностью поворота вокруг своих осей таким образом, что в светлое время суток панели постоянно обращены к солнцу и вырабатывают энергию с большей мощностью за счет увеличения суммарной площади всех панелей. Солнечные панели находятся в разных плоскостях, отражая свет друг от друга, что позволяет увеличивать эффективность батарей. Управление положением батарей осуществляется с помощью компьютерной программы, учитывающей дату, время суток, погодные условия и температуру воздуха. Солнечные панели соединены с аккумулятором батареей. (Источник: Галаванишвили С. С. Солнечная батарея, рег. №191004, от 10.01.2019, Роспатент, 2019).
Недостатком этого устройства является сложность механической конструкции для управления положением батареи. Кроме того довольно сложно выявить положение, при котором может быть получена максимальная мощность. А именно: необходима математическая зависимость влияния этих факторов на вырабатываемую мощность. Кроме того в этом устройстве используются солнечные панели как отражатели, однако, солнечная батарея не является идеальным отражателем с коэффициентов близким к 1 и поэтому возможно лишь незначительное повышение КПД за счет отражения света от солнечных панелей.
Известен интеллектуальный  одноосный солнечный трекер (Источник: esp@tenet, рег. № 0562985 от 2016-07-15). Система управления трекером включает квадратную матрицу фотоэлектрических элементов, блок вывода электроэнергии, источник управления двигателем с микроконтроллером, пробоотборник мощности и вычислитель экстремальных значений мощности. Оптимальный  угол положения матрицы фотоэлектрических элементов, соответствующий  максимальной мощности,  рассчитывается экстремальным вычислителем и устанавливается электроприводом. Процесс  управления ориентацией одноосного солнечного трекера состоит из следующих последовательных фаз: а) наблюдение за облачным покровом над устройством слежения за солнцем; b) сравнение наблюдаемого облачного покрова с моделями облачного покрова, хранящимися в базе данных, причем каждая модель облачного покрова связана со значением уставки ориентации для солнечного трекера; c) сопоставление наблюдаемого облачного покрова с моделью облачного покрова; d) управление ориентацией солнечного трекера путем применения значения установки ориентации к модели облачного покрова, выбранной на этапе c).
Основным недостатком этого изобретения является ограниченная точность позиционирования матрицы в положение, при котором может быть получена максимальная мощность.  Ограничение точности обусловлено моделями облачного покрова, хранящимися в базе данных, поскольку заранее учесть все возможные варианты облачного покрова модели в различное время суток и время года практически невозможно. К тому же  поиск оптимального угла за счет перемещения массивной матрицы фотоэлектрических элементов снижает энергетическую эффективность устройства.
Известен также аналогичный предыдущему трекеру интеллектуальный солнечный трекер (Источник: Huangshan Ruiji New Energy Co., рег. № CN 105958930 B, от 2016.09.21, Государственное ведомство интеллектуальной собственности Китайской Народной Республики, 2016). Принцип его работы основан на использовании итерационного метода  поиска оптимального угла по математическому выражению. Этому устройству присущи те же недостатки что и предыдущему устройству.
Наиболее близким по конструкции к заявляемому является устройство автоматической ориентации панели солнечных батарей по направлению потока света, которое лишено недостатков предыдущего устройства. Это устройство содержит панель солнечной батареи с четырьмя цифровыми датчиками света, установленными совместно с солнечной батареей на поворотном механизме. Система управления устройством соединена с датчиками света и шаговым двигателем, установленным на основании, и обеспечивающем автоматический поворот вокруг вертикальной оси. Устройство содержит стержень с регулятором длины, осуществляющим поворот панели относительно горизонтальной оси. (Патент на полезную модель РФ №180 765 от 10.10.2017, МПК F24J 2/54 (2006.01),  опубл. 2017).
Основным недостатком этого устройства является то, что источник энергии, а именно солнце, может быть закрыт облаками, и на солнечную панель поступает свет, отраженный от различных объектов: горы, снег, здания, облака, из-за чего данная система автоматической ориентации не позволяет определить положение батареи, при которой возможно получить максимальную энергию. То есть батарея должна быть ориентирована в те координаты пространства, где можно получить максимальную энергию, причем источник излучения световой энергии уже не является точечным и поэтому это устройство не позволяет определить это положение. Кроме того, сам принцип ориентации солнечной батареи по точечному источнику (солнцу), который должен непрерывно работать, является относительно энергоемким.
Задачей полезной модели является создание установки для автоматической ориентации панели солнечных батарей в положение, при котором возможно получение максимальной мощности.
Техническим результатом заявленного устройства является повышение энергоэффективности солнечных батарей.
Технический результат достигается тем, что устройство автоматической ориентации панели солнечных батарей по направлению потока излучения от солнца, включающее панель солнечных батарей, установленную на поворотном устройстве, выполненном с возможностью обеспечения автоматического поворота по двум степеням свободы, шаговые двигатели и блок управления, причем оно дополнительно содержит двух координатное сканирующее устройство, соединенное с блоком управления и снабженное шаговыми двигателями, одноэлементным датчиком светового потока и поворотным устройством, идентичным поворотному устройству панели солнечных батарей.
Снабжение заявляемой конструкции устройства автоматической ориентации панели солнечных батарей по направлению потока излучения от солнца двухкоординатным маломощным информационно-измерительным сканирующим устройством, снабженным шаговыми двигателями, поворотным устройством, идентичным поворотному устройству панели солнечных батарей, и одноэлементным датчиком светового потока, регистрирующим яркость небесного пространства, позволяет блоку управления, к которому он подключен, определять угловые координаты солнечных батарей, при которых солнечные батареи смогут вырабатывать максимальную мощность не только при наличии точечного источника светового излучения, но и от рассеянного потока излучения, что позволяет наиболее эффективно использовать ее в затрудненных климатических условиях.
На фиг. 1 изображена конструкция заявляемого устройства автоматической ориентации панели солнечных батарей, на фиг. 2 - схема сканирования небесного пространства.
Устройство содержит поворотное устройство, состоящее из солнечной панели 1 (фиг. 1), имеющей возможность угловых перемещений α и β за счет поворотного устройства, на котором она установлена. Поворотное устройство представляет собой вертикальный вал 2, на котором размещены шаговый двигатель 3 для поворота солнечной панели 1 вокруг вертикальной оси и поворотная рама 4, имеющая возможность поворота относительно горизонтальной оси за счет закрепленного на ней шагового двигателя 5. Поворотное устройство панели 1 закреплено на массивной станине 6. Солнечная панель 1 соединена с накопителем энергии и устройством вывода 7. Шаговые двигатели 3 и 5 соединены с цифровым блоком управления 8. К блоку управления 8 подключен одноэлементный датчик светового потока 9 с оптической системой, которым снабжено двух координатное сканирующее устройство, имеющее возможность угловых перемещений α и β за счет поворотного устройства, на котором оно установлено, идентичного поворотному3 устройству панели 1 солнечных батарей, то есть представляет собой вертикальный вал 10, на котором размещены шаговый двигатель 11 для поворота одноэлементного датчика светового потока 9 вокруг вертикальной оси и поворотная рама 12, имеющая возможность поворота относительно горизонтальной оси за счет закрепленного на ней шагового двигателя 13. Поворотное устройство двух координатного сканирующего устройства закреплено на массивной станине 6.
Пространственная зона обзора одноэлементного датчика светового потока 9 соответствует зоне обзора солнечной панели.
Работает установка следующим образом.
Перед работой солнечной батареи осуществляется сканирование неба одноэлементным датчиком светового потока 9 (схема сканирования изображена на фиг. 2), перемещение которого производится за счет работы  шаговых двигателей 11 и 13, управляемых блоком управления 8. При сканировании цифровым блоком управления 8 осуществляется регистрация яркости участков. По завершении сканирования участков неба происходит обработка информации в блоке управления 8, а именно: определение участка с максимальной яркостью. Блок управления 8 с помощью шаговых двигателей 3 и 5 устанавливает панель 1 на позицию таким образом, чтобы нормаль к плоскости панели 1 была направлена на участок с максимальной яркостью. После этого осуществляется подключение солнечной панели 1 к накопителю 7 или внешней цепи.
Таким образом, внося изменения в прототипные конструкции, мы добились увеличения КПД, увеличение точности, поскольку заранее учесть все возможные варианты облачного покрова модели в различное время суток и время года практически невозможно, то сканирование небесного пространства является наиболее эффективным способ ориентации солнечной панели на источник максимального излучения солнечной энергии.