УЛИЧНЫЙ ФОНАРЬ С ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛЬЮ

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам, предназначенным для преобразования солнечной энергии в электрическую энергию.
Уровень техники
На сегодняшний день по всему миру реализованы сотни проектов, в основе которых лежит солнечная энергия. На страны, расположенные ближе к экватору, а также с жарким и теплым климатом (страны Персидского залива, Австралии и юг Европы), приходится 340-355 солнечных дней в году, что благоприятно влияет на реализацию таких проектов. Но, как правило, это сопровождается низким уровнем атмосферных осадков и высокой концентрацией пыли в воздухе. Вследствие чего уже имеющиеся парки по генерации солнечной энергии сталкиваются с нижеуказанными проблемами.
Высокая концентрация пыли в воздухе приводит к быстрому запылению плоских солнечных панелей, как правило установленных на 35 градусов над фонарем уличного света, что приводит к снижению КПД панелей. Как пример, солнечная панель, покрытая пылью на 7%, перестает вырабатывать электроэнергию, вследствие чего решения на плоских солнечных панелях, расположенных над фонарем, нуждаются в еженедельной чистке от пыли. При этом, чистка 100-150 столбов уличного света с высотой столба 10 метров потребует дополнительных трудозатрат, техники, человеческих ресурсов, что непомерно приведет к добавочным расходам и удорожанию стоимости сервиса и обслуживания проекта.
Также все солнечные панели подвержены так называемому "эффекту тени", который не позволяет фотоэлементам работать на максимальной мощности.
Из уровня техники известен источник KR20120093697A, 23.08.2012, в котором описана солнечная панель. Панель предпочтительно может представлять собой солнечный модуль и быть расположена на восточной, южной и западной сторонах фонарного столба, предпочтительно сформирована в виде тонкой пластины, которую можно согнуть, чтобы расположить вокруг внешней поверхности столба в виде четырехугольного элемента. Модуль солнечной батареи может включать в себя один из аккумуляторов, заряжаемых солнечным светом, и блок управления для управления включением/выключением блока фонаря.
Недостатками данного решения является то, что такая конструкция имеет эффект тени, обладает низким КПД, малой емкостью и мощностью, кроме того присутствует эффект парусности, влияющий на сохранение устойчивости и безопасность при установке на вертикальные конструкции, при этом не имеет защиты от пыли и царапин, что влияет на долговечность, надежность и сохранение изначальных параметров конструкции, в том числе на эффективность работы. Также такое выполнение панели является довольно трудоемким.
Заявленное решение устраняет указанные недостатки и позволяет достичь заявленный технический результат.
Раскрытие полезной модели
Техническая задача заключается в разработке уличного фонаря с солнечной панелью, обладающего высокой эффективностью работы с высоким КПД и отсутствием эффекта тени и парусности, являющегося долговечной, надежной и безопасной конструкцией с низкой трудоемкостью при изготовлении и установке, который может быть применен для магистральных дорог.
Технический результат заключается в повышении эффективности работы с одновременным обеспечением долговечности конструкции.
Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата уличный фонарь содержит цилиндрический столб, цилиндрическую солнечную панель, установленную на столбе при помощи фиксирующих колец, и светильник, установленный на верхней части столба, причем цилиндрическая солнечная панель состоит из цилиндрической гибкой основы, панели из монокристаллических солнечных фотоэлементов, установленной на основе, цилиндрического прозрачного защитного кожуха, установленного поверх панели, причем каждый монокристаллический солнечный фотоэлемент панели выполнен разделенным на части, а электрическое соединение фотоэлементов между собой выполнено параллельным и последовательным.
Кроме того, каждый монокристаллический солнечный фотоэлемент панели выполнен разделенным на шесть частей.
Кроме того, фотоэлементы первой половины панели соединены между собой последовательно, фотоэлементы второй половины панели соединены между собой также последовательно, а две указанные половины фотоэлементов соединены между собой параллельно.
Кроме того, электрическое соединение частей каждого фотоэлемента панели между собой выполнено последовательным и параллельным.
Кроме того, части первой половины фотоэлемента соединены между собой последовательно, части второй половины фотоэлемента соединены между собой также последовательно, а две указанные половины фотоэлемента соединены между собой параллельно.
Кроме того, гибкая основа выполнена из этилентетрафторэтилена или полиэтилентерефталата.
Кроме того, полиэтилентерефталат выполнен электропроводным или с алюминиевой прокладкой для соединения фотоэлементов.
Кроме того, алюминиевая прокладка выполнена слоем в 0.1мм.
Кроме того, части каждого монокристаллический солнечного фотоэлемента выполнены на расстоянии 5 мм между собой.
Кроме того, цилиндрический прозрачный защитный кожух выполнен из стекла или акрила или ПВХ.
Кроме того, в качестве стекла использовано боросиликатное стекло.
Кроме того, дополнительно включает антирефлекторное, антинагревающееся и нанокерамическое покрытия.
Кроме того, фиксирующие кольца установлены по обеим сторонам цилиндрической солнечной панели.
Кроме того, фиксирующие кольца выполнены из высококачественного полимера по физическим свойствам не имеющего расширения или сужения при воздействии внешних температур.
Кроме того, каждое фиксирующее кольцо состоит из двух половин.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - Уличный фонарь с солнечной панелью;
Фиг.2 - Фотоэлемент (солярная клетка) разделенный на части со схемой соединения частей;
Фиг.3 - Солнечная панель из фотоэлементов;
Фиг.4 - Схема соединения фотоэлементов солнечной панели.
На фигурах позициями отмечены следующие элементы:
1 - Уличный фонарь;
2 - Столб;
3 - Светильник;
4 - Солнечная панель;
5 - Фиксирующие кольца.
Осуществление полезной модели
Заявленный уличный фонарь 1, который представлен на фиг. 1, содержит цилиндрический столб 2, цилиндрическую солнечную панель 4, установленную на столбе и охватывающую его, и светильник 3, установленный на верхней части столба выше солнечной панели.
Заявленная конструкция солнечной цилиндрической панели 4 представляет собой сэндвич-цилиндр из нескольких основных слоев, установленных друг на друга, а именно:
- Базовая подложка,
- Панель из фотоэлементов, включающих положительный контакт, р-слой, промежуточный n-p слой, n-слой, отрицательный контакт.
- Защитное прозрачное покрытие (стекло или прозрачный материал) с пылезащитным, антистатическим и нанокерамическим слоями.
В качестве базового слоя используется подложка из полиэтилена или подобного материала, например, основанная на компоненте ETFE (Ethylenetetrafluoroethylene), являющимся гибким/полугибким, что позволяет свернуть панель в цилиндр.
Кроме того, в качестве задней подложной части могут использоваться два типа материалов, таких как: Полиэтилентерефталат электропроводной или Полиэтилентерефталат с алюминиевой прокладкой (слоем) 0.1 мм для соединения фотоэлементов.
На подложке установлены фотоэлементы. В качестве фотоэлемента может быть использована органическая или химическая солярная клетка (например, монокристаллический фотоэлемент или CIGS или CDTE). Каждая клетка разделена (разрезана), например, вдоль, на шесть частей, для получения необходимой гибкости, которая необходима для придания панели полностью цилиндрической формы. Расстояние между клетками может быть равным 5 мм.
Также между базовой подложкой и положительным контактом слоя панели с фотоэлементами может быть размещена антибликовая подложка.
Так как панель имеет круглую форму, то в течение дня работает около 30-50% общей площади цилиндра, а 50% находится в тени. В заявленном решении клетки соединяются между собой последовательным и параллельным соединением, что обеспечивает полное устранение эффекта тени.
В качестве защитного прозрачного покрытия может быть использован акрил, ПВХ или прозрачный стеклянный цилиндр со встроенными рефлекторными элементами, что может увеличивать КПД генерации электроэнергии на 2-5%.
В качестве стеклянного цилиндра может быть применено боросиликатное стекло, потому что панель постоянно находится на улице под воздействием различного климата, и при высоком коэффициенте срока службы фотоэлемента в 20-25 лет имеет, необходимо надежное покрытие панели в течение данного срока эксплуатации.
На акриловый, ПВХ или прозрачный стеклянный цилиндр нанесено нано керамическое покрытие, что дает устойчивость к царапинам, тепло понижение, антипыльные и антистатические свойства.
Между защитным прозрачным покрытием и отрицательным контактом слоя панели с фотоэлементами может быть выполнен слой прозрачного клея или силикона.
Для крепления и фиксации панели на столбе сверху и снизу могут быть использованы соответствующие кольца.
Панель после изготовления с задней стороны имеет горизонтальный вывод (junction box) только двух контактов +/- для полноценной работы. Также может быть впаен защитный диод для предотвращения циркуляции электрического тока, что предотвращает нагревание панели.
Основные преимущества перед аналогами:
1) Форма панели - цилиндр. Другие используют плоскую панель, четырехугольные вертикальные панели, шестиугольные вертикальные панели. Многогранные формы панелей имеют эффект тени, также производство их панелей является трудоемким и дорогостоящим, так как им необходим цилиндрический каркас.
2) Никто не разделяет (разрезает) солнечный фотоэлемент на части, в том числе на шесть частей, и не соединяет особым образом электрически между собой как сами фотоэлементы, так и соответственно их части, что является инновацией.
Если рассматривать технологические решения аналогов, то они в основном используют аморфный силиконовый фотоэлемент, КПД которого не превышает 8-10% и дает возможность производить фонари уличного света низкой мощности, максимум 80-90W на одну LED лампу. То есть если фонарь будет двурукий, то они вынуждены будут использовать две LED лампы по 45W каждая.
Некоторые производители используют монокристаллический фотоэлемент, но они не разрезают клетку, а сгибают ее на 25% и создают трехрядную панель на алюминиевом каркасе, имея три ряда вертикальных панелей фотоэлементов, что является на 33% ниже емкости их панелей по сравнению с заявленной. Также производство панелей является дорогостоящим.
По сравнению с плоскими панелями заявленное решение не имеет парусный эффект и сохраняет устойчивость при уровне ветра 6 - 7 категории при скорости ветра 50-61 км /ч. КПД - 360 градусов, что позволяет значительно увеличить мощность панели по выработке электроэнергии.
Кроме того, это решение позволяет реализовать производство солнечных уличных фонарей для магистральных дорог, которые в принципе не может быть реализовано со стандартными плоскими панелями: для получения электроэнергии мощностью 500Вт требуется установить около 2-3 плоских панелей на 1 столб, что увеличит вес конструкции, эффект парусности и т. д.
Благодаря новому технологическому проекту можно установить до 7 панелей на столб со средней мощностью одной панели -110-180Вт.
Также панели аналогов помимо эффекта парусности из-за формы имеют большой вес (около 25-45кг), что также может повлиять на парусность столба, что является небезопасным. В случае автомобильной аварии при столкновении автомобиля со столбом, тяжелый модуль (модули) при падении могут нанести повреждения автотранспорту и находящимся в автомобиле людям. В отличии от таких аналогов заявленная панель весит 10кг, и сама технология производства панели позволяет сворачивать плоский лист в цилиндрическую форму и устанавливать стеклянный цилиндр поверх, что является недорогим, технологически простым и эффективным решением для данного типа продукта.
Для заявленного решения была поставлена задача создать высокоэффективный уличный фонарь, увеличить площадь покрытия поверхности панели солнцем или светом, добиться большего КПД генерации энергии. Так как панель имеет цилиндрическую форму, то обзорность солнцу составляет 360 градусов, поэтому встала задача определить диаметр столба, как выяснилось для столба высотой 16м (максимальная высота применения в уличном освещении), оптимальный внешний диаметр 200-217мм, данный диаметр идеально подходит для парусности столбов, при порывах ветра до VII уровня.
Если рабочий диаметр равен 200мм, соответственно, чтобы вставить панель во внутрь стеклянного туба, необходимо определить ширину «листа» солнечной панели: D*π=L или 200*3.14=628мм, т.е. ширина панели или основы равна 628мм. Но используется прозрачный материал для покрытия панели, соответственно толщина стенки покрытия (стекло, ПВХ и пр.) равна 5мм по умолчанию соответственно взяли ширину 595мм.
Стандартная солнечная моно/поли силиконовая клетка равна 125ммХ125мм соответственно по ширине листа можем разместить четыре клетки размером 125ммХ125мм, далее по определению хорды, для сгибания мы определили длину хорды равную 20мм.
Соответственно 125мм клетку можем разрезать на шесть частей, данная операция дорогостоящая выполняется на специальном лазерном резаке. При разделении на меньшее количество частей уменьшится КПД на 25%, а на большее - увеличится время и трудоемкость изготовления, а также повышается риск брака и получения повреждений клетки.
Расстояние между разделенными частями элемента может быть равным 5мм, в результате чего появилась возможность изогнуть каждый ряд клеток на 45-50%, как следствие, удалось добиться большей емкости панелей, а также КПД, что позволило разрабатывать абсолютно индустриальные решения с использованием 120W LED лампы. К примеру, на один 14 метровый столб возможно установить 4-6 120W LED фонаря. Ни один аналог не может работать с мощными индустриальными лампами, максимум, что предложит рынок, это 60-80W LED фонари. Расстояние между частями фотоэлемента выбрано равным 5 мм, поскольку при получении расстояния меньшем или большем 5 мм будет происходить разрыв контактов.
Схема соединения клеток (ячеек) фотоэлементов между собой и в панели.
В низко точном электричестве (5В, 12В, 24В и т.д.) постоянного тока существует полярность, +/- и два типа соединения это последовательное и параллельное, при последовательном соединении, к примеру, двух элементов, мы имеем: Напряжение=12В⋅2=24В, Ток=5A, Мощность=5Ватт⋅2=10Ватт, а при параллельном соединении: Напряжение=12В=12В, Ток=5A⋅2=10А, Мощность=5Ватт⋅2=10Ватт, т.е. соединением (последовательное или параллельное) можно менять силу тока или напряжение, это позволяет создавать решения или панели различного напряжения и силы тока (мощность остается неизменной суммируется при любом соединении).
Если взять три элемента (клетки) А, В, и С, подключить их последовательно, то при разрыве соединения в данном случае - это цилиндрическая панель (существует эффект тени “shadow effect”) то происходит разрыв сети, и если клетка В по каким-либо причинам попадет в тень (соединение разрывается), то последовательное соединение разорвет связь между А и С, и из трех элементов работать будет только один С, но если установить параллельное соединение, то при разрыве сети элемент В, элементы А и С продолжат свою работу.
Стандартная моно/поли силиконовая клетка или элемент (ячейка) 125ммХ125мм имеет следующие параметры:
Напряжение: 0.5В
Ток: 3А
Мощность: 1.5Ватт
При разрезании элемента (ячейки) на 6 частей (фиг.1) получаем: 0.5В=0.5В, 3А:6=0.5А, 1.5Ватт:6=0.25Ватт
Параметры 1/6 части ячейки:
Напряжение: 0.5В
Ток: 0.5А
Мощность: 0.25Ватт
Если соединить все элементы ячеек параллельно, то параметры ячейки не поменяются:
Напряжение: 0.5В
Ток: 3А
Мощность: 1.5Ватт
А если последовательно:
Напряжение: 3В
Ток: 0.5А
Мощность: 1.5Ватт
Из фиг.2 мы видим, что у нас на панели 32 ячейки или элемента, если мы соединим все ячейки параллельно, то получим
Напряжение: 0.5В
Ток: 3А⋅32=96А
Мощность: 1.5Ватт⋅32=48Ватт
А, если последовательно:
Напряжение: 0.5В⋅32=16В
Ток: 3А
Мощность: 1.5Ватт⋅32=48Ватт
Как результат мы можем видеть, что при параллельном соединении у нас низкое напряжение что не позволяет панели нормально функционировать, а при последовательном соединении слишком низкий ток для зарядки аккумуляторов.
В связи с этим была разработана смешанная схема соединения 50/50, т.е. первая половина имеет последовательное соединение, вторая половина имеет тоже последовательное между собой соединение, а две половины вместе имеют параллельное соединение, например, в случае с 6 (шестью) частями фотоэлемента их соединение следующее (фиг.1): первые 3 (три) части последовательно соединены между собой, другие 3 (три) также последовательно соединены между собой, а 2 (две) указанные половины по 3 (три) части соединены между собой параллельно, и в случае панели, состоящей из 32 (тридцати двух) элементов, принцип соединения фотоэлементов между собой такой же: одни 16 (шестнадцать) последовательно, другие 16 (шестнадцать) последовательно, 2 (две) указанные половины по 16 (шестнадцать) соединены параллельно, что позволяет исключить эффект тени, плюс повышает показатели по КПД генерации энергии.
При таком соединении параметры ячейки (фотоэлемента) следующие:
Напряжение: 0.5В⋅3=1.5В (три ячейки два сегмента из 1/6 последовательно)
Ток: 0.5А⋅2=1А (2 по 1/3 параллельно)
Мощность: 1А⋅1.5В=1.5Ватт
При таком соединении параметры панели следующие:
Напряжение: 1.5В⋅16=24В
Ток: 1А⋅2=2А
Мощность: =48Ватт
Данная структура имеет хорошее напряжение и силу тока.
Конструкция уличного фонаря, имеющего солнечную панель цилиндрической формы, фотоэлементы которой имеют вышеописанное электрическое соединение между собой, обеспечивают повышение эффективности работы фонаря, позволяют получить фонарь с солнечной панелью с высоким КПД, не имеющего эффекта тени и эффекта парусности, а также являющегося долговечной, надежной и безопасной конструкцией с низкой трудоемкостью изготовления и монтажа/демонтажа, которая может быть применена для магистральных дорог.
Для полнофункционального сбора панели нам необходимо поместить панель в цилиндрическую прозрачную тубу, для этой цели во избежание физического или механического повреждения панели и контактов мы нагреваем тубу и саму панель до определенной температуры, что позволит панели быть эластичной, так же и контактам между ячейками. После того как мы поместим панель в тубу материалы охладятся и панель встанет на место, шов между двух концов панель мы загерметизируем резиновым силиконом или эпоксидной смолой, что даст нам герметичность и предотвратит попадание пыли между стеклом и самой панелью.
Для крепления и фиксации панели на столбе сверху и снизу могут быть использованы соответствующие два кольца. Кольцо крепления и фиксации панели на различные типы крепления могут быть выполнены из высококачественного полимера по физическим свойствам не имеющего расширения или сужения при воздействии внешних температур. Каждое кольцо состоит из двух половин что позволяет снизить производственную стоимость изготовления и пресса, а также упростить монтаж/демонтаж панели. Установка и проклейка фиксирующих колец осуществляется по обеим сторонам стеклянного цилиндра. Кольца также могут являться защитными крышками от попадания между панелью и стеклом различного мусора и пыли, продлевая срок службы панели и эффективность работы фонаря. Кольца имеют крепления и отверстия под болты для дальнейшего фиксирования панели на крепления и станины. Панель может быть установлена под любым углом, как и на любое крепление.
После установки панели начинается процесс генерации энергии, т.к. 30-50% поверхности панели находится под солнцем, позиция солнце не влияет на качество генерации энергии, поэтому при подсчете генерации электроэнергии мы используем временной коэффициент 10 часов в сутки. Погодные условия так же мало влияют на генерацию энергии, потому что, имея цилиндрическую форму пыль на панели не держится, плюс ко всему прочему мы используем антистатик в роли нано слоя, который не позволяет пыли скапливаться на поверхности прозрачной тубы.
В зимний период если снег или обледенение происходит на поверхности панели, то в течение дня панель нагревается в соответствии своих физических свойств 25-40 градусов и снег со льдом сходят в результате чего цилиндрическая форма панели не нуждается в чистке. Параллельно/Последовательное соединение позволяет панели избежать эффекта тени и работать на 100% видимой поверхности или рабочего спектра панели.