СОЛНЕЧНАЯ ФОТОЭНЕРГОУСТАНОВКА
SOLAR PHOTO ENERGY APPARATUS

Изобретение относится к солнечной фотоэнергетике и может найти применение как в мощных солнечных электростанциях, так и в качестве фотоэлектрической энергоустановки индивидуального пользования.
Известна установка для фотоэлектрических модулей, следящая за положением Солнца (см. патент DE 10343374, МПК F24J 2/38; F24J 2/54; H01L 31/042, опубликован 23.12.2004), которая содержит кольцевую платформу, на которой размещена прямоугольная рама для установки фотоэлектрического модуля и система слежения за Солнцем, включающая подсистему азимутального вращения и подсистему зенитального вращения. Недостатком данного решения является тот факт, что азимутальное вращение обеспечивается движением роликов по платформе, т.к. при определенных условиях такое движение может быть затруднено, например, из-за образования на платформе ледяной корки при отрицательных температурах.
Известна система слежения за Солнцем для фотоэлектрического модуля (см. заявку DE 102006010781, МПК F24J 2/38; F24J 2/54; H01L 31/042, опубл. 13.09.2003), содержащая привод, обеспечивающий вращение солнечного модуля вокруг горизонтальной и вертикальной осей. Модуль устанавливается на пространственную раму с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси. Рама установлена на вертикальной стойке с возможностью вращения вокруг ее оси.
Недостатком данного решения является недостаточная для концентраторных модулей точность наведения на Солнце, так как вращение вокруг двух осей обеспечивается одним мотором.
Известная солнечная фотоэнергоустановка, совпадающая с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип (см. патент RU 2354896, МПК F24J 2/42, опубл. 10.05.2009). Солнечная фотоэнергоустановка-прототип содержит концентраторные фотоэлектрические модули, размещенные на системе ориентации модулей на Солнце с устройством контроля положения Солнца. Система ориентации модулей на Солнце содержит подсистему азимутального вращения и подсистему зенитального вращения. Подсистема азимутального вращения выполнена в виде неподвижной стойки, на которую надета труба, установленная с возможностью вращения на торце стойки и снабженная на нижнем конце горизонтальным двуплечим рычагом, на одном плече которого закреплен привод подсистемы азимутального вращения с горизонтальной шестерней, сопряженной с рифленой частью торцевой поверхности горизонтального диска, закрепленного по центру на стойке. На верхнем конце трубы закреплена горизонтальная ось, на которой с возможностью вращения установлена подсистема зенитального вращения. Подсистема зенитального вращения выполнена в виде пространственной рамы с прикрепленными снизу к раме двумя вертикальными секторами с рифлеными круговыми торцевыми поверхностями, сопряженными с вертикальными шестернями привода подсистемы зенитального вращения, установленными соответственно на первом и втором плечах упомянутого горизонтального рычага.
Данная фотоэнергоустановка имеет большую парусность, вследствие чего подвергается значительным ветровым нагрузкам из-за больших габаритов солнечных модулей, значительно возвышающихся над уровнем земли, что уменьшает точность слежения за Солнцем.
Задачей настоящего технического решения является создание солнечной фотоэнергоустановки с уменьшенной чувствительностью к ветровым нагрузкам при одновременном упрощении конструкции.
Поставленная задача решается тем, что солнечная фотоэнергоустановка включает концентраторные фотоэлектрические модули, размещенные на системе ориентации фотоэлектрических модулей на Солнце с устройством контроля положения Солнца. Система ориентации концентраторных фотоэлектрических модулей на Солнце выполнена в виде горизонтальной балки с параллельными консолями, ориентированной по направлению Юг-Север и установленной на двух стойках с возможностью осевого вращения первым электроприводом, закрепленным на одной из стоек. Консоли эквидистантно установлены на горизонтальной балке с возможностью осевого вращения. К дистальным относительно горизонтальной балки концам консолей прикреплены короткой стороной по продольной средней линии параллельные друг другу прямоугольные концентраторные фотоэлектрические модули с солнечными элементами. Проксимальные концы консолей снабжены шкивами ременной передачи, синхронно вращаемыми вторым электроприводом, закрепленным на горизонтальной балке. Устройство контроля положения Солнца расположено на одном из концентраторных фотоэлектрических модулей. Расстояние (H) между зенитальными консолями удовлетворяет соотношению
М<Н≤М/Sin(67°-φ), см,
где M - ширина концентраторного фотоэлектрического модуля, см;
φ - географическая широта места эксплуатации фотоэнергоустановки, устанавливаемая в диапазоне от 0° до 45°.
Расстояние между консолями должно быть больше ширины (M) концентраторного фотоэлектрического модуля, т.к. при меньшем расстоянии невозможно ориентирование концентраторных фотоэлектрических модулей на Солнце, находящееся в зените. Также при меньшем расстоянии имеет место значительное затенение модулей друг другом, что приводит к заметному уменьшению выработки электроэнергии. Для уменьшения затенения концентраторных фотоэлектрических модулей при увеличении угла φ расстояние между консолями, а следовательно, и между модулями, увеличивается и устанавливается в диапазоне М<Н≤M/Sin(67°-φ). Расположение консолей на расстоянии, меньшем M/Sin(67°-φ), обеспечивает минимальное затенение концентраторных фотоэлектрических модулей с учетом географической широты и угла наклона оси вращения Земли. Расположение консолей на расстоянии, большем М/Sin(67°-φ), неоправданно увеличивает размеры установки, не уменьшая затенения концентраторных фотоэлектрических модулей.
В качестве активных элементов в фотоэнергоустановке используют фотоэлектрические модули с концентраторами солнечного излучения. Постоянное в течение солнечного дня слежение за положением Солнца обеспечивает в настоящей установке увеличение на 30-40% количества вырабатываемой электроэнергии по сравнению со стационарными солнечными батареями без систем слежения.
Привязка расположения консолей и концентраторных фотоэлектрических модулей к географической широте места использования фотоэнергоустановки позволяет создать оптимальную конструкцию установки. При этом максимальное значение широты φ установлено равным 45°, т.к. при больших широтах необходимо значительное увеличение расстояния между модулями во избежание взаимного затенения модулей, что приводит к заметному уменьшению удельной выработки электроэнергии в пересчете на единицу площади фотоэнергоустановки, таким образом использовать фотоэнергоустановку в местах, географическая широта которых превышает 45°, нецелесообразно.
Соединение консолей ременной передачей позволяет использовать только один второй электропривод и только один зенитальный датчик устройства контроля положения Солнца на всю установку, что упрощает конструкцию фотоэнергоустановки и снижает ее стоимость.
В течение коротких интервалов времени в зимнее время (ноябрь-январь в северном полушарии) при низком расположении Солнца над горизонтом возможно частичное затенение концентраторных фотоэлектрических модулей при Н<М/Sin(67°- φ). При этом граница светотени проходит параллельно длинной стороне концентраторных фотоэлектрических модулей, поэтому солнечные элементы в концентраторных фотоэлектрических модулях предпочтительно располагать линейными цепочками, параллельными длинным сторонам концентраторных фотоэлектрических модулей, и соединять в линейных цепочках последовательно, а линейные цепочки солнечных элементов соединять параллельно. Солнечные элементы, расположенные в линейных цепочках, освещены одинаково, и поэтому при последовательном соединении обеспечивают в модулях повышенное рабочее напряжение, необходимое и приемлемое для потребителей электроэнергии. Для того чтобы затененная область не приводила к снижению фототока, генерируемого в освещенной части модуля, цепочки солнечных элементов в затененной и освещенной частях концентраторных фотоэлектрических модулей соединены параллельно.
Первый электропривод обеспечивает вращение балки и закрепленных на них консолей с концентраторными фотоэлектрическими модулями по сигналу азимутального датчика положения Солнца. Горизонтальное расположение балки обеспечивает минимальную высоту всей фотоэнергоустановки и, следовательно, минимальную ветровую нагрузку. Ориентация балки с юга на север обеспечивает минимальное затенение концентраторных фотоэлектрических модулей и максимальную выработку электроэнергии.
Настоящая солнечная фотоэнергоустановка поясняется чертежами,
где на фиг.1 показан вид с юго-востока на фотоэнергоустановку (Солнце на юге - юго-востоке);
на фиг.2 показан вид сверху на фотоэнергоустановку (Солнце на юге);
на фиг.3 показан вид на фотоэнергоустановку с востока (Солнце на юге);
на фиг.4 показан вид на фотоэнергоустановку с юго-востока (Солнце на востоке);
на фиг.5 показан вид фотоэнергоустановки с юго-востока (Солнце на юге);
на фиг.6 показан вид фотоэнергоустановки с юго-востока (Солнце на юго-западе);
на фиг.7 показан вид фотоэнергоустановки с юго-востока (Солнце на западе).
Солнечная фотоэнергоустановка включает прямоугольные концентраторные фотоэлектрические модули 1, размещенные на системе 2 ориентации фотоэлектрических модулей 1 на Солнце с устройством 3 контроля положения Солнца. Система 2 ориентации концентраторных фотоэлектрических модулей 1 на Солнце выполнена в виде горизонтальной балки 4 с параллельными консолями 5, ориентированной по направлению Юг-Север и установленной на двух стойках 6, например, посредством подшипников, с возможностью осевого вращения первым электроприводом 7, закрепленным на одной из стоек 6. Консоли 5 эквидистантно установлены на горизонтальной балке 4 с возможностью осевого вращения. Параллельные концентраторные фотоэлектрические модули 1 прикреплены на расстоянии Н друг от друга к дистальным относительно горизонтальной балки 4 концам консолей 5 короткой стороной по продольной средней линии. Проксимальные концы консолей 5 снабжены шкивами 8 ременной передачи, синхронно вращаемыми вторым электроприводом 9, закрепленным на горизонтальной балке 2. Устройство 3 контроля положения Солнца расположено на одном из концентраторных фотоэлектрических модулей 1. Расстояние Н между консолями 5 выбирают в зависимости от ширины М концентраторного фотоэлектрического модуля 1 географической и широты φ места эксплуатации фотоэнергоустановки 1 в диапазоне М<Н≤М/Sin(67°-φ).
Солнечная фотоэнергоустановка работает следующим образом: на восходе Солнца концентраторные фотоэлектрические модули 1 ориентированы на восток (фиг.4), устройство 3 контроля положения Солнца фиксирует его появление. По мере того, как Солнце поднимается, система 2 ориентации концентраторных фотоэлектрических модулей 1 азимутально поворачивает консоли 5, на которых располагаются концентраторные фотоэлектрические модули 1, вокруг оси горизонтальной балки 4, и зенитально разворачивает концентраторные фотоэлектрические модули 1 вокруг оси консолей 5 так, чтобы поддерживать их в положении, перпендикулярном направлению на Солнце.
Таким образом, когда Солнце находится на юге, концентраторные фотоэлектрические модули 1 находятся в положении, показанном на фиг.5. Консоли 5 при этом занимают горизонтальное положение, концентраторные фотоэлектрические модули 1 расположены под оптимальным углом. Затем, когда Солнце перемещается на юго-запад, консоли 5 поднимаются, занимая вертикальное положение, модули 1 зенитально разворачиваются на юго-запад, а затем на запад (фиг.6, 7). После захода Солнца консоли 5 с концентраторными фотоэлектрическими модулями 1, совершив полный оборот вокруг оси горизонтальной балки 4, занимают исходное положение, в котором ожидают восхода Солнца.
Таким образом, по сравнению с прототипом данная фотоэнергоустановка имеет меньшую парусность, т.к. модули в ней располагаются ближе к земле, чем в прототипе. Кроме того, нагрузка в предлагаемом решении распределена между двумя опорами в отличие от прототипа, где имеется только одна опора.