СОЛНЕЧНАЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ И СПОСОБ ЕЕ ОРИЕНТАЦИИ
SOLAR PHOTOELECTRIC STATION AND METHOD FOR ITS ORIENTATION

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к солнечным энергетическим системам, предназначенным для выработки электроэнергии путем фотоэлектрического преобразования солнечной энергии на поверхности Луны. Одним из наиболее эффективных способов получения электрической энергии от Солнца на поверхности Луны является фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием высокоэффективных каскадных солнечных фотоэлементов и оптических концентраторов при условии их размещения на установках, имеющих системы слежения за Солнцем и обеспечивающих эффективный отвод тепла при работе фотоэлектрических преобразователей.
Известно солнечное энергетическое устройство (см. патент RU 2230396, МПК H01L 31/042, опубликован 10.06.2004), содержащее солнечные батареи, осуществляющие прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотопреобразователей и используемое в космической технике в качестве первичных источников электрической энергии космических аппаратов. Солнечные батареи состоят из плоских панелей, выполненных в виде каркаса с натянутым сетеполотном, разделенным перегородками на ячейки. В каждой ячейке установлены модули, содержащие фотоэлементы прямоугольной формы, соединенные последовательно и последовательно-параллельно с помощью металлических коммутационных шин, закрытые стеклянными пластинами на лицевой и тыльной сторонах.
Известное солнечное энергетическое устройство имеет низкий удельный энергосъем.
Известен способ размещения солнечных батарей в солнечной электростанции (см. RU 2285209, МПК F24J 2/00, опубликован 19.10.2006), заключающийся в установке панелей рядами друг за другом, при этом ряды размещают параллельно друг другу длинными торцами, а плоскостями - перпендикулярно или с максимально большим углом к направлению солнечных лучей в данном районе и с технологическим интервалом между рядами таким, чтобы тень от предыдущего ряда панелей солнечных батарей при оптимальной высоте Солнца не накрывала последующего ряда. Технологический интервал внутри рядов между панелями устанавливают не более (0,1-0,15)⋅L, где L - длина панели солнечной батареи, а по высоте панели располагают над поверхностью земли, равной среднему росту обслуживающего персонала (1,6-2,0) м.
Недостатком известного размещения солнечных батарей в солнечной станции невозможность обеспечения графика выработки электроэнергии, соответствующего графику нагрузки.
Известна солнечная фотоэлектрическая установка (см. патент RU 2405231, МПК H01L 31/042, опубликован 27.11.2010), включающая в себя систему солнечных модулей, которая содержит множество размещенных в одной плоскости солнечных модулей для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, и регулирующее устройство для позиционирования, в зависимости от положения Солнца. Система солнечных модулей установлена с возможностью поворота вокруг, по меньшей мере, одной оси поворота. Край солнечных модулей установлен, по меньшей мере, частично в J-образном удерживающем профиле. J-образный удерживающий профиль имеет стабилизирующий участок и пазовый участок для позиционирования края солнечного модуля. Стабилизирующий участок имеет основание и проходящую от стенки основания первую и вторую боковые стенки, которые находятся на таком расстоянии друг от друга и/или имеют такую высоту, величина которых больше, чем половина толщины солнечного модуля.
Известная солнечная фотоэлектрическая установка позволяет упростить монтаж солнечных модулей, однако достигается это снижением удельного энергосъема.
Известен способ компоновки и пространственной ориентации фотоэлектрических панелей в солнечной электрической станции (см. патент RU 2640795, МПК H02S 10/0, опубликован 12.01.2018), состоящий из установки панелей рядами друг за другом таким образом, чтобы ряды были размещены параллельно друг другу длинными торцами, а плоскостями - перпендикулярно или с максимально большим углом к направлению солнечных лучей в данном районе, и с технологическим интервалом между рядами таким, чтобы тень от предыдущего ряда панелей солнечных батарей при оптимальной высоте солнца не накрывала последующего ряда. Технологический интервал внутри рядов между панелями устанавливают не более (0,10-0,15)⋅L, где L - длина панели солнечной батареи. По высоте панели располагают над поверхностью земли, равной среднему росту обслуживающего персонала (1,6-2,0) м. Ряды солнечных панелей устанавливают в направлении с севера на юг для исключения взаимного затенения панелей. Плоскости панелей имеют различную пространственную ориентацию относительно направления солнечных лучей в данном районе, которую одновременно с выбором мощности и количества солнечных панелей выбирают с целью обеспечения заданного почасового графика генерации, исходя из критериев максимального значения часовой суммы суммарного солнечного излучения в момент времени t и максимума вырабатываемой электрической энергии за сутки.
Недостатком известного способа ориентации фотоэлектрических панелей в солнечной электрической установке является фиксированное расположение солнечных панелей, что для плоских панелей приводит к потере вырабатываемой мощности в часы, когда панель ориентирована не перпендикулярно направлению на Солнце.
Известна фотоэлектрическая энергетическая система (см. патент US 8242350, МПК H01L 31/042, F24J 2/10 опубликован 24.08.2012), включающая множество фотоэлектрических концентраторных модулей, собранных в двухмерном массиве, где каждый фотоэлектрический концентраторный модуль содержит корпус, имеющий основание и боковые стенки, соединенные с основанием; и механизм перемещения, который может поворачивать и перемещать фотоэлектрический концентраторный модуль вокруг двух осей относительно монтажной плиты, чтобы обеспечить максимальный прием падающего солнечного света для каждого фотоэлектрического элемента концентраторного модуля.
Недостатком фотоэлектрической энергетической системы является сложность устройства слежения за Солнцем, обеспечивающего поворот вокруг двух осей и перемещение каждого фотоэлектрического концентраторного модуля, и, как следствие этого, низкая надежность конструкции.
Известен способ ориентации установки слежения за Солнцем (см. заявка WO 2016193612, МПК F24J 2/40; F24J 2/54, опубликован 08.12.2016), который включает наблюдение за изменением во времени облачного покрова, определение изменения во времени оптимального угла наклона установки, на основе наблюдаемого облачного покрова, прогнозирование будущего изменения облачного покрова на основе ранее наблюдаемого изменения облачного покрова, расчет будущего изменения оптимального угла наклона установки на основе прогноза будущего изменения облачного покрова, управление ориентацией установки на основе более раннего изменения оптимального угла наклона и на основе будущего изменения оптимального угла наклона.
Недостатками известного способа ориентации установки слежения за Солнцем являются недостаточное для эффективного использования солнечного излучения управление только по одной оси, а также дополнительный расход электроэнергии из-за избыточного движения установки в условиях облачности.
Известна фотоэлектрическая энергогенерирующая станция (см. заявка CN 106100558, МПК H02S 20/32, H02S 40/22, опубликована 11.09.2016), которая содержит опору и корпус для крепления групп фотоэлектрических концентраторных модулей для преобразования солнечной энергии в электрическую. Каждый фотоэлектрический концентраторный модуль в группе содержит чип фотоэлектрического элемента, над чипом фотоэлектрического элемента установлен объемный фокон и линза Френеля для фокусировки света на чипе фотоэлектрического элемента. Каждая группа фотоэлектрических концентраторных модулей содержит механизм фокусировки, позволяющий поворачивать группу модулей по двум осям для осуществления ориентации модулей на Солнце.
Недостатками известной фотоэлектрической энергогенерирующей станции при размещении ее на поверхности Луны является усложненная система управления движением корпуса фотоэлектрических концетраторных модулей, приводящая к большому углу поворота фотоэлектрических концентраторных модулей в плоскости перпендикулярной эклиптики, что создает повышенный расход энергии при слежении за Солнцем и приводит к сокращению срока службы станции.
Известен способ ориентации установки слежения за Солнцем (см. патент US 9027545, МПК F24J 2/54, опубл. 12.05.2015), содержащей промежуточную раму, установленную с возможностью вращения посредством первых цилиндрических шарниров, и раму фотоэлектрических элементов в виде солнечных панелей, прикрепленную с возможностью вращения к промежуточной раме посредством опор со вторыми цилиндрическими шарнирами, оси которых и оси первых цилиндрических шарниров лежат в ортогональных плоскостях, характеризующийся тем, что определяют направления сторон света в месте расположения установки на местности и оси первых цилиндрических шарниров промежуточной рамы устанавливают в направлении восток-запад.
Недостатком известного способа ориентации установки слежения за Солнцем является значительная величина угла поворота установки в направлении, перпендикулярном плоскости эклиптики, что приводит к повышенному потреблению электроэнергии и сокращению срока службы установки.
Известна солнечная фотоэлектрическая станция (см. патент RU 2715901, МПК H02S 20/30, H02S 20/32, опубликован 20.03.2020), совпадающая с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип.Солнечная фотоэлектрическая станция-прототип включает промежуточную раму, снабженную первым приводом и установленную с возможностью вращения в вертикальной плоскости посредством первых цилиндрических шарниров на двух стойках, прикрепленных к основанию, раму солнечных элементов в виде солнечных панелей, снабженную вторым приводом и прикрепленную с возможностью вращения к промежуточной раме посредством опоры со вторым цилиндрическим шарниром, ось которого лежит в плоскости, ортогональной осям первых цилиндрических шарниров, блок управления, подключенный первым и вторым выходами соответственно к первому и второму приводам. Промежуточная рама выполнена в виде круглой цилиндрической балки, служащей осью второго цилиндрического шарнира опоры, рама солнечных панелей прикреплена к опоре посредством первого цилиндрического шарнира и снабжена первым оптическим солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца в плоскости эклиптики, и вторым солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца в плоскости, проходящей через ось Земли и место локализации установки, а одна из стоек снабжена механизмом ее вертикального возвратно-поступательного перемещения, при этом первый и второй оптические солнечные датчики соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления.
Недостатком известной солнечной фотоэлектрической станции при размещении ее на поверхности Луны является усложненная система управления движением рамы солнечных элементов, приводящая к большому углу поворота солнечных панелей в плоскости перпендикулярной эклиптики, что создает повышенный расход энергии при слежении за Солнцем и приводит к сокращению срока службы установки.
Известен способ ориентации солнечной фотоэлектрической станции (см. патент RU 2715901, МПК H02S 20/30, H02S 20/32, опубликован 20.03.2020), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип ориентации солнечной фотоэлектрической станции, содержащей промежуточную раму в виде круглой цилиндрической балки, установленную с возможностью вращения в вертикальной плоскости посредством первых цилиндрических шарниров, и раму солнечных элементов в виде солнечных панелей, прикрепленную с возможностью вращения к промежуточной раме посредством опоры с первым и вторым цилиндрическими шарнирами, у которых оси лежат в ортогональных плоскостях, заключающийся в том, что определяют направления сторон света в месте расположения установки на местности, и оси первых цилиндрических шарниров промежуточной рамы устанавливают в направлении восток-запад. Промежуточную раму в виде круглой цилиндрической балки устанавливают под углом к горизонтали, равным географической широте места расположения установки.
Недостатком известного способа ориентации солнечной фотоэлектрической станции является то, что при размещении ее на поверхности Луны известный способ ориентации не обеспечивает установку плоскости солнечных элементов перпендикулярной к направлению на Солнце.
Задачей настоящего изобретения являлась разработка солнечной фотоэлектрической станции и способа ее ориентации при установке станции на поверхности Луны, которые бы обеспечивали ориентацию солнечной станции на Солнце в течение лунного дня при эффективном преобразовании солнечного излучения в электрическую энергию и получением высокого удельного энергосъема в течение лунного дня в условиях длительной автономной работы станции на поверхности Луны.
Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.
В части устройства поставленная задача решается тем, что солнечная фотоэлектрическая станция включает промежуточную раму, выполненную в виде круглой цилиндрической балки, снабженную приводом, оптическим солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца в плоскости эклиптики, и установленную с возможностью вращения в вертикальной плоскости посредством первых цилиндрических шарниров на двух стойках, прикрепленных к основанию, одна из которых снабжена механизмом ее вертикального возвратно-поступательного перемещения, раму солнечных элементов, прикрепленную к промежуточной раме, блок управления, подключенный входом к оптическому солнечному датчику, а выходом к приводу. Новым является то, что промежуточная рама установлена с возможностью вращения приводом вокруг своей оси посредством вторых цилиндрических шарниров, ортогонально закрепленных на первых цилиндрических шарнирах, рама солнечных элементов установлена параллельно оси вращения промежуточной рамы и снабжена концентраторами солнечного излучения, в фокусе которых установлены солнечные элементы, выполненные в виде прямоугольников с длинной стороной, параллельной оси промежуточной рамы, при этом длина d и ширина h прямоугольников удовлетворяет соотношениям:
d=F/(10-15);
h=F/(30-35);
где F - фокусное расстояние концентраторов солнечного излучения.
Механизм вертикального возвратно-поступательного перемещения стойки может быть выполнен в виде верхнего и нижнего фланцев, соединенных резьбовыми штангами с гайками, при этом верхний фланец закреплен на нижнем конце стойки, а нижний фланец закреплен на основании.
Концентраторы солнечного излучения могут быть выполнены в виде линз Френеля.
Оптический солнечный датчик может быть выполнен в виде двух фотодетекторов, разделенных вертикальным экраном.
В части способа поставленная задача решается тем, что способ ориентации солнечной фотоэлектрической станции, содержащей промежуточную раму в виде круглой цилиндрической балки, установленной с возможностью вращения в вертикальной плоскости посредством первых цилиндрических шарниров, и раму солнечных элементов, прикрепленную к промежуточной раме, заключается в том, что определяют направления сторон света в месте расположения фотоэлектрической станции, оси первых цилиндрических шарниров промежуточной рамы устанавливают в направлении восток-запад и промежуточную раму устанавливают под углом к горизонтали, равным географической широте места расположения фотоэлектрической станции. Новым в способе является то, что основание станции устанавливают в плоскости горизонта Луны, при установке солнечной фотоэлектрической станции в северном лунном полушарии верхний конец промежуточной рамы ориентируют на лунный север, при установке солнечной фотоэлектрической станции в южном лунном полушарии верхний конец круглой цилиндрической балки ориентируют на лунный юг и от восхода до заката Солнца устанавливают угловую скорость вращения промежуточной рамы в виде круглой цилиндрической балки равной (0,54-0,56) град/ч при средней угловой скорости 0,549 град/ч в направлении вращения, обратном направлению вращения Луны вокруг собственной оси.
Размещение основания солнечной фотоэлектрической станции в плоскости горизонта Луны в месте базирования станции, выставление угла между осью вращения и основанием солнечной фотоэлектрической станции равным селенографической широте места базирования станции и ориентация верхнего конца круглой цилиндрической балки на лунный север, при базировании солнечной фотоэлектрической станции в северном лунном полушарии, либо на лунный юг, при базировании солнечной фотоэлектрической станции в южном лунном полушарии, обеспечивают параллельность осей вращения станции и Луны.
Известно, что угол наклона оси вращения Луны к плоскости эклиптики равен 1,54 угловых градусов. При движении Луны по своей орбите имеет место изменение угла падения солнечного излучения относительно оптических осей концентраторов, установленных перпендикулярно оси вращения станции, на ±1,54 угловых градусов в направлении перпендикулярном плоскости эклиптики. При величинах d=F/(10-15) и h=F/(30-35) прямоугольников солнечных элементов, определяемых диаметром сфокусированного пятна и смещением этого пятна по поверхности солнечных элементов из-за изменения угла падения солнечного излучения относительно оптической оси концентратора на ±1,54 угловых градусов в направлении перпендикулярном плоскости эклиптики и на ±0,5 угловых градусов в плоскости эклиптики при максимальном значении допустимой погрешности ориентации системы слежения, сфокусированное солнечное излучение попадает на поверхности солнечных элементов без потерь в любой точке лунной орбиты без необходимости дополнительной системы слежения в направлении, параллельном оси вращения круглой цилиндрической балки.
При d, большим F/10, и h, большим F/30, значительная часть площади солнечного элемента оказывается вне сфокусированного пятна солнечного излучения даже при максимальном отклонении угла падения солнечного излучения на ±1,54 угловых градусов в направлении перпендикулярном плоскости эклиптики и на ±0,5 угловых градусов в плоскости эклиптики при максимальном значении допустимой погрешности ориентации системы слежения, что ведет к необоснованному расходу полупроводникового материала.
При d, меньшем F/15, и h, меньшем F/35, имеет место уход части сфокусированного пятна солнечного излучения за пределы площади солнечного элемента при максимальном отклонении угла падения солнечного излучения на ±1,54 угловых градусов в направлении перпендикулярном плоскости эклиптики и на ±0,5 угловых градусов в плоскости эклиптики, что снижает эффективность работы солнечных элементов.
Средняя угловая скорость вращения промежуточной рамы 0,549 град/ч в направлении, обратном направлению вращения Луны вокруг собственной оси определяется угловой скоростью вращения Луны вокруг собственной оси и обеспечивает сохранение ориентации солнечной фотоэлектрической станции на Солнце в течение лунных дней всего срока эксплуатации станции. Угловая чувствительность оптического солнечного датчика установлена такой, чтобы предельный допустимый угол разориентации оптических осей концентраторов солнечного излучения в направлении на Солнце в плоскости эклиптики не превышал±0,5 угловых градусов. При достижении допустимых углов разориентации оптических осей концентраторов относительно направления падения солнечных лучей вследствие погрешностей скорости вращения промежуточной рамы вокруг своей оси, производится корректировка направления оптических осей в плоскости эклиптики путем изменения скорости вращения по сигналу оптического солнечного датчика, подключенному к входу блока управления. При установленном значении диапазона угловых скоростей вращения промежуточной рамы в виде круглой цилиндрической балки равном (0,54-0,56) град/ч, период корректировки направления оптических осей составляет не менее 45 часов.
Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 приведен общий вид сбоку на солнечную фотоэлектрическую станцию;
на фиг. 2 изображен вид сверху на солнечную фотоэлектрическую станцию.
Настоящая солнечная фотоэлектрическая станция (см. фиг. 1 - фиг. 2) содержит раму 1 солнечных элементов 2, прикрепленную стойками 3 к промежуточной раме 4, выполненной в виде круглой цилиндрической балки, снабженной приводом 6 и оптическим солнечным датчиком 7, чувствительным к смещению Солнца 8 в плоскости эклиптики. Промежуточная рама 4 установлена с возможностью вращения приводом 6 вокруг своей оси 9 посредством вторых цилиндрических шарниров 10, ортогонально закрепленных посредством первых цилиндрических шарниров 11 на двух стойках 12, 13, установленных на плоском основании 14. Рама 1 солнечных элементов 2 снабжена концентраторами 15 солнечного излучения в виде, например, линз Френеля, в фокусе которых установлены солнечные элементы 2, выполненные в виде прямоугольников с длинной стороной, параллельной оси 9 промежуточной рамы 4, при этом длина d и ширина h прямоугольников удовлетворяет соотношениям:
d=F/(10-15);
h=F/(30-35).
Стойка 12 снабжена механизмом 16 ее вертикального возвратно-поступательного перемещения, например, в виде верхнего фланца 17 и нижнего фланца 18, соединенных резьбовыми штангами 19 с гайками 20, при этом верхний фланец 17 закреплен на нижнем конце стойки 12, а нижний фланец 18 закреплен на основании 14, устанавливаемом при монтаже станции на лунной поверхности 21 в плоскости горизонта Луны. Оптический солнечный датчик 7 подключен к входу блока 22 управления, выход которого соединен с входом привода 6.
При работе настоящей солнечной фотоэлектрической станции концентраторы 15 солнечного излучения, установленные на раме 1, ориентированной перпендикулярно солнечным лучам, концентрируют солнечный свет и фокусируют его на светочувствительных поверхностях солнечных элементов 2. Солнечные элементы 2 преобразуют энергию квантов света в электроэнергию. Вырабатываемая станцией электроэнергия подается к внешнему потребителю или накопителю энергии. Привод 6 осуществляет вращение рамы 1 с солнечными элементами 2 вокруг оси 9 с угловой скоростью (0,54-0,56) град/ч при средней угловой скорости 0,549 град/ч в направлении, обратном направлению вращения Луны вокруг собственной оси, и с помощью оптического солнечного датчика 7, чувствительного к смещению Солнца 8 в плоскости эклиптики, обеспечивает сохранение ориентации солнечной фотоэлектрической станции на Солнцев с точностью ±0,5 угловых градусов и выработку электроэнергии в течение лунного дня. Солнечные элементы 2, выполненные в форме прямоугольника длиной d=F/(10-15) и шириной h=F/(30-35), позволяют принимать и преобразовывать солнечное излучение в электричество при смещении фокусного пятна по светочувствительным поверхностям солнечных элементов 2 и минимизировать потери из-за изменения угла падения солнечного излучения относительно оптической оси концентраторов 15 на ±1,54 угловых градусов вследствие движения Луны по своей орбите и на ±0,5 угловых градусов вследствие допустимой погрешности ориентации станции на Солнце при вращении Луны вокруг собственной оси. В конце лунного дня по сигналу оптического солнечного датчика 7 блок 22 управления включает привод 6 в обратном направлении, который разворачивает солнечную фотоэлектрическую станцию вокруг оси 9 на 180 угловых градусов в направлении вращения Луны. В начале следующего лунного дня при восходе Солнца 8 с оптического солнечного датчика 7 поступает сигнал в блок управления 22, который включает привод 6. Привод 6 осуществляет вращение рамы 1 с солнечными элементами 2 вокруг оси 9 с угловой скоростью (0,54-0,56) град/ч при средней угловой скорости 0,549 град/ч в направлении, обратном направлению вращения Луны вокруг собственной оси для выработки электроэнергии.
Способ ориентации солнечной фотоэлектрической станции, содержащей промежуточную раму 4 в виде круглой цилиндрической балки, установленной с возможностью вращения в вертикальной плоскости посредством первых цилиндрических шарниров 11, и раму 1 солнечных элементов 2, прикрепленную к промежуточной раме 4, заключается в следующем. Основание 14 станции устанавливают в плоскости горизонта Луны. Определяют направления сторон света в месте расположения солнечной фотоэлектрической станции. Оси первых цилиндрических шарниров 11 промежуточной рамы 4 устанавливают в направлении восток-запад, и промежуточную раму 4 в виде круглой цилиндрической балки устанавливают под углом к горизонтали, равным селенографической широте места лунного базирования фотоэлектрической станции, для чего высоту стойки 12 регулируют с помощью резьбовых штанг 18. При установке солнечной фотоэлектрической станции в северном лунном полушарии верхний конец промежуточной рамы 4 ориентируют на лунный север, при установке фотоэлектрической станции в южном лунном полушарии верхний конец промежуточной рамы 4 ориентируют на лунный юг. При этом от восхода до заката Солнца устанавливают угловую скорость вращения промежуточной рамы 4 равной (0,54-0,56) град/ч при средней угловой скорости 0,549 град/ч в направлении вращения, обратном направлению вращения Луны вокруг собственной оси.
Настоящая группа изобретений обеспечивает ориентацию солнечной фотоэлектрической станции на Солнце в течение лунных дней всего срока службы станции, высокий удельный энергосъем при преобразовании солнечного излучения в электроэнергию и повышенную надежность работы станции при системе слежения за положением Солнца по одной координате за счет выбора размеров фотоэлементов, позволяющих минимизировать потери из-за изменения угла падения солнечного излучения относительно оптических осей концентраторов вследствие движения Луны по орбите.