ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ С ФУНКЦИЕЙ САМООЧИСТКИ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ
PHOTO-ELECTRIC STATION WITH SELF-CLEANING SOLAR MODULES

Изобретение относится к технике для генерирования электрической энергии путем преобразования солнечной энергии в электрическую.
Изобретение предназначено для использования в составе систем автономного электропитания для круглосуточного всепогодного снабжения электроэнергией радиоэлектронной аппаратуры различного назначения за счет использования альтернативных источников возобновляемой энергии (солнечной энергии).
В настоящее время существует большое количество различных модификаций устройств, предназначенных для генерирования электрической энергии путем преобразования солнечной энергии в электрическую (фотоэлектрических станций). Одними из их общих недостатков являются:
- низкие эксплуатационные характеристики при использовании в зонах с преобладающими сложными метеоусловиями (сильные ветра, снег);
- низкая вандалозащищенность;
- необходимость периодического обслуживания, что при условии размещения их вдали от населенных пунктов накладывает дополнительные сложности и ограничения по применению данных устройств для генерирования электрической энергии и последующего снабжения электроэнергией различной радиоэлектронной аппаратуры, например, при охране протяженных рубежей государственной границы.
Известны различные варианты фотоэлектрических станций, а также панелей солнечных батарей и конструкций фотоэлектрических гибких модулей, входящих в состав фотоэлектрических станций [патент РФ на изобретение №2297077, H01L 31/042, опубл. 10.04.2007 - аналог, патент РФ на изобретение №2190900, H01L 31/042, опубл. 10.10.2002 - аналог, патент РФ на изобретение №2492553, H01L 31/02, опубл. 10.09.2013 - аналог]. Общим недостатком данных устройств является отсутствие функции самоочистки поверхностей фотоэлектрических модулей от атмосферных осадков (снег, дождь) и грязи. Загрязнение пылью и пыльцой также значительно снижает производительность фотоэлектрических модулей. Ни дождь, ни ветер сами по себе не могут полностью удалить грязь, и для обеспечения эффективного стабильного преобразования солнечной энергии в электрическую необходимо применять специальные устройства для очистки.
Известно устройство для самоочистки поверхностей фотоэлектрических модулей от снега, использующее эффект Вентури (www.karcher.com); устройство для ручной очистки поверхностей панелей фотоэлектрических модулей от грязи (www.karcher.com); устройство для очистки поверхностей фотоэлектрических модулей от снега с использованием щетки, движущейся по направляющим рельсам (http://www.industry.siemens.com/topics/global/en/magazines/process-news/sustainability/logo-controls-automatic-panel-cleaning/pages/default.aspx); устройство для самоочистки поверхностей фотоэлектрических модулей от песка, использующее эффект электризации (http://www.popmech.ru/article/7611-nepyilnaya-rabota), а также различные решения с использованием нагревательных элементов для очистки от снега и обледенения. Общим недостатком данных устройств является их недостаточная эффективность и степень автоматизации очистки. Ни одно из рассмотренных устройств не выполняет очистку панелей фотоэлектрических модулей и от атмосферных осадков и от грязи. Некоторые из рассмотренных устройств обладают значительным энергопотреблением, и их целесообразно применять только при достаточно больших масштабах генерирования электрической энергии путем преобразования солнечной энергии в электрическую.
Известна солнечная электрическая станция средней мощности (http://www.niivk.ru) с системой ориентации по углу азимута в зависимости от положения солнца. Недостатками данного устройства является отсутствие системы самоочистки поверхностей фотоэлектрических модулей от атмосферных осадков и грязи. Систему ориентации фотоэлектрической станции целесообразно применять также только при больших масштабах генерирования электрической энергии.
Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности является устройство панели солнечной батареи конструкции Буркова Л.Н. [патент РФ на изобретение №2280217, F24J 2/52, опубл. 20.07.2006 - прототип]. Устройство содержит стойку, раму (с возможностью изменения угла наклона), солнечные батареи, специальную щетку для очистки поверхностей солнечных батарей. Недостатками данного прототипа является сложность конструкции, сложность развертывания системы на удаленном объекте, а также неавтоматизированный процесс очистки, требующий участие обслуживающего персонала.
Целью изобретения является повышение устойчивости к механическим и термомеханическим нагрузкам, а также к умышленному воздействию со стороны человека с целью выведения из строя; отказ от необходимости обслуживания фотоэлектрической станции в процессе эксплуатации; упрощение процесса монтажа и пуско-наладки фотоэлектрической станции на объекте.
Указанная цель достигается тем, что в устройство добавляются: пружины для подвеса фотоэлектрических модулей на раме каркаса (при производстве фотоэлектрических модулей в их конструкцию добавляются по две перфорированные планки); самоочищающееся покрытие поверхностей фотоэлектрических модулей; панели фотоэлектрических модулей выбираются гибкими с двумя рабочими поверхностями.
Изобретение поясняется чертежом.
На фиг.1 изображена структура фотоэлектрической станции с функцией самоочистки солнечных модулей.
Фотоэлектрическая станция с функцией самоочистки солнечных модулей содержит следующие элементы:
- металлический каркас (1), состоящий из вертикальной стойки (1.1) и рамы (1-2);
- фотоэлектрический модуль (2), состоящий из двухсторонней гибкой солнечной панели (2.1) и двух перфорированных планок (2.2);
- пружины (3);
- коммутационная коробка (4);
- зарядное устройство (5);
- аккумуляторные батареи (6);
- шкаф (7).
Данная конструкция обеспечивает устойчивость фотоэлектрической станции к механическим и термомеханическим нагрузкам, в частности значительное повышение устойчивости к ветровой нагрузке на каркас, за счет применения пружинных подвесов фотоэлектрических модулей, что дает возможность эксплуатации фотоэлектрической станции в зонах со сложными метеоусловиями (сильные ветра, снег). Высота вертикальной стойки каркаса выполнена с учетом возможного снежного покрова и составляет более 2,5 м. Подвес фотоэлектрических модулей на пружинах обеспечивает повышение устойчивости к умышленному воздействию со стороны человека с целью выведения из строя, за счет демпфирования брошенных в фотоэлектрические модули тяжелых предметов, способных повредить модули.
Количество рам с фотоэлектрическими модулями выбирается проектным путем в зависимости от места установки фотоэлектрической станции и требуемой выработки электроэнергии.
С целью частичной компенсации естественных процессов деградации (старения) внешнего защитного ламинирующего покрытия под действием ультрафиолетовых лучей, а также самих кристаллов материала подложки фотоэлектрических модулей в заявленной фотоэлектрической станции для выработки электроэнергии используются обе стороны фотоэлектрических модулей.
Поверх защищенных ламинирующим слоем (полиэтилентерефталатовая пленка) от механических воздействий панелей фотоэлектрических модулей нанесено специальное самоочищаюшееся покрытие, обладающее фотокаталитическим и гидрофобным эффектами. Специальный состав данного покрытия на основе двуокиси титана под действием ультрафиолетовых лучей разлагает (окисляет) оседающие на поверхности органические загрязнения, основная часть которых легко смывается вместе с неразлагающимися неорганическими загрязнениями (пыль, песок) дождем. Данное покрытие обладают высокой прозрачностью в видимой области длин волн.
Устройство работает следующим образом.
Для установки устройства на объекте вручную собирается каркас, состоящий из вертикальной стойки и рамы. Фотоэлектрические модули, имеющие по две заламинированные перфорированные планки, подвешиваются за планки на пружинах на раме каркаса. Рама вместе со стойкой устанавливается вертикально на заранее подготовленную установочную площадку с ориентацией на юг. Выполняется подключение фотоэлектрических модулей к контроллеру заряда и аккумуляторным батареям, размещенным либо в шкафу рядом с каркасом, либо в специальном герметичном корпусе в грунте ниже глубины промерзания (в зависимости от географического места установки фотоэлектрической станции).
В устройстве предусмотрена пассивная самоочистка поверхностей фотоэлектрических модулей от снега за счет подвеса их на пружинах, обеспечивающих постоянные колебания и возможность изгиба фотоэлектрических модулей одновременно в нескольких направлениях за счет упругих деформаций, уменьшающих вероятность продолжительного залипания снега на поверхностях модулей и образование ледяной корки. Самоочистка поверхностей фотоэлектрических модулей от грязи (органические и неорганические загрязнения) обеспечивается за счет специального покрытия, обладающего фотокаталитическим и гидрофобным эффектами.
Из уровня техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного устройства и оказывающие такое же, как и они, влияние на результат, состоящий в повышение устойчивости к механическим и термомеханическим нагрузкам и улучшении эксплуатационных характеристик.
Указанное устройство позволяет достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом:
повышение устойчивости к механическим и термомеханическим нагрузкам, а также к умышленному воздействию со стороны человека с целью выведения из строя; отказ от необходимости обслуживания фотоэлектрической станции в процессе эксплуатации; упрощение процесса монтажа и пуско-наладки фотоэлектрической станции на объекте.