Министерство по развитию информационных технологий и коммуникаций республики

Описание
Изобретение относится к области солнечной энергетики, и в частности к фотоэнергетическим установкам, и может найти применение в солнечных электростанциях для преобразования солнечной энергии в электрическую, а также может быть использовано в качестве энергетической установки индивидуального пользования.
Одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников является фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения с использованием высокоэффективных каскадных солнечных элементов и недорогих оптических концентраторов. Использование последних при концентрации солнечного излучения 500-1000 крат позволяет пропорционально сократить суммарную площадь солнечных элементов и существенно снизить стоимость получаемой электроэнергии. Каскадные фотопреобразователи на основе соединений А³В⁵обеспечивают существенное увеличение КПД - до значений 35-40%. Фотоэнергетические установки с такими фотопреобразователями, наряду с постоянным в течение светового дня слежением за солнцем, обеспечивают увеличение в 2.5-3 раза удельного (на единицу площади батарей) количества вырабатываемой электроэнергии по сравнению с обычными (неконцентраторными) кремниевыми батареями без слежения за Солнцем.
Известна установка для ориентации фотоэлектрической батареи на Солнце (см. заявка РСТ № WO2008000863, МПК F24J 2/00, опубликована 03.01.2008), включающая прямоугольную раму для размещения на ней панели фотоэлектрических преобразователей, систему азимутального и зенитального слежения с приводом и компьютеризированное средство контроля. Прямоугольная рама несимметрично установлена на колонне с возможностью вращения вокруг вертикальной оси для автоматического расположения панелей солнечных батарей за счет эффекта флюгера при закритических ветровых нагрузках.
Несимметричное расположение колонны относительно прямоугольной рамы приводит к тому, что конструкция не будет жестко закреплена, и порывы ветра будут вызывать сильные динамические нагрузки на элементы конструкции, повышая вероятность катастрофических разрушений.
Известна установка для ориентации фотоэлектрической батареи на Солнце (см. патент RU №2286517, МПК F24J 2/42, опубликован 27.10.2007), содержащая механическую систему, поддерживающую перпендикулярное положение солнечной батареи к направлению на Солнце и оснащенную системой ориентации солнечной батареи на Солнце, механическая система образована двумя рамами - базовой и подвешенной, из которых базовая рама установлена с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, опираясь на подстилающую поверхность с помощью колес, одно из которых снабжено электроприводом, а подвешенная рама установлена с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси от электропривода, при этом солнечная батарея устанавливается на подвешенной раме, модули солнечной батареи размещены на подвешенной раме в виде ступеней.
Для установки известной установки требуется специальная подготовка плоской твердой поверхности для прохождения колес базовой рамы установки, по меньшей мере с шириной, превышающей ширину колес установки по всей окружности, описываемой указанными колесами при азимутальном ориентировании. Кроме того, на этой поверхности возможно образование дополнительных препятствий в виде приносимой ветром пыли, песка и других посторонних предметов, а также образование снежных заносов и наледи на ней при размещении установки в районах с возможными отрицательными температурами.
Известна установка для ориентации солнечного модуля на Солнце (см. заявка DE №102006010781, МПК F24J 2/54, опубликована 13.09.2003), включающая пространственную раму для солнечного модуля и шаговый привод, обеспечивающий поворот рамы с солнечным модулем вокруг горизонтальной оси. Пространственная рама установлена на стойке с возможностью вращения вокруг вертикальной оси.
Использование в известной установке одного мотора для управления положением фотоэлектрических модулей по двум осям не обеспечивает высокую точность слежения за Солнцем, необходимую в случае применения концентраторных модулей.
Известна установка для ориентации солнечных модулей на Солнце (см. патент ЕР №1710651, МПК F24J 2/00, опубликован 11.10.2006), содержащая пространственную раму для солнечных модулей, шарнирно закрепленную на стойке с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, и механическую систему слежения по двум осям.
Использование полностью механической системы слежения в случае установки концентраторных фотоэнергетических модулей не обеспечивает высокую точность ориентации при коррекции механической системы для учета как широты места расположения установки, так и сезонных изменений высоты Солнца над горизонтом.
Известна установка для ориентации фотоэлектрической батареи на Солнце (см. заявка DE №10343374, МПК F24J 2/38, опубликована 23.12.2004), совпадающая с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Установка-прототип содержит кольцевую платформу, на которой размещена прямоугольная консоль для установки фотоэлектрической батареи и система слежения за Солнцем, включающая подсистему азимутального вращения и подсистему зенитального вращения. Подсистема азимутального вращения выполнена в виде горизонтального кольцевого основания, на нижней поверхности которого закреплены разнесенные по окружности ведущие ролики с приводами. Ролики опираются на верхнюю поверхность кольцевой платформы. Подсистема зенитального вращения и прямоугольная консоль для закрепления фотоэлектрической батареи установлены с возможностью вращения в вертикальной плоскости на горизонтальной оси, закрепленной на вершине призматической рамы, прикрепленной к горизонтальному кольцевому основанию.
В известной установке-прототипе ведущие ролики вместе с горизонтальным кольцевым основанием движутся по верхней поверхности кольцевой платформы, на которой скапливается вода и приносимая ветром грязь, пыль, песок, листья и пр. При отрицательных температурах это все намерзает на верхней поверхности кольцевой платформы и затрудняет или вообще препятствует вращению системы слежения за Солнцем с установленной на ней фотоэлектрической батареей. В известной установке-прототипе требуется использовать специальные приспособления типа ножа или скребка для очистки верхней поверхности кольцевой платформы в процессе эксплуатации, которые повышают потребляемую мощность системы слежения и снижают общую эффективность установки, что снижает надежность ее работы, в то время как установка должна безотказно работать длительное время в любое время года и во всех климатических зонах.
Задачей заявляемого технического решения являлась разработка такой конструкции установки для ориентации фотоэлектрической батареи на Солнце, которая бы имела повышенную надежность работы при различных климатических условиях.
Поставленная задача решается тем, что установка для ориентации фотоэлектрической батареи на Солнце содержит платформу, на которой размещена прямоугольная консоль для закрепления фотоэлектрической батареи и система слежения за Солнцем, включающая подсистему азимутального вращения и подсистему зенитального вращения. Платформа выполнена в виде пространственной рамы. Подсистема азимутального вращения выполнена в виде горизонтального кольцевого основания, нижней поверхностью опирающегося по меньшей мере на три разнесенных по окружности ролика, по меньшей мере один из которых является ведущим роликом с приводом, закрепленными на платформе. Подсистема зенитального вращения и прямоугольная консоль для закрепления фотоэлектрической батареи установлены с возможностью вращения в вертикальной плоскости на горизонтальной оси, закрепленной на вершине пирамидальной рамы, прикрепленной к горизонтальному кольцевому основанию.
В заявляемой установке разнесенные по окружности ролики закреплены на платформе, а горизонтальное кольцевое основание подсистемы азимутального вращения взаимодействует с роликами своей нижней поверхностью. Тем самым предотвращается попадание и скопление на этой поверхности воды и приносимых ветром загрязнений.
Горизонтальное кольцевое основание подсистемы азимутального вращения может иметь различную форму поперечного сечения: -образное поперечное сечение, -образное поперечное сечение, -образное поперечное сечение, -образное поперечное сечение, прямоугольное поперечное сечение, круговое поперечное сечение.
Нижняя поверхность горизонтального кольцевого основания подсистемы азимутального вращения может опираться по меньшей мере на три ролика, разнесенных друг от друга по окружности, по меньшей мере один из которых с приводом.
Платформа может быть выполнена, например, в виде пирамидальной рамы с по меньшей мере тремя радиально расположенными опорами.
Радиально расположенные опоры платформы могут быть снабжены регулируемыми по высоте подпятниками, снабженными, например, фиксаторами, закрепляющими подпятники на грунте. Фиксаторы могут быть выполнены, например, в виде буров, заворачиваемых в грунт, что обеспечивает ветроустойчивость установки до скоростей ветра порядка 100 км/час без специального фундамента.
Горизонтальное кольцевое основание предпочтительно поднять над основанием платформы на высоту, превышающую среднестатистическую толщину снежного покрова в данной местности.
Ролики могут быть снабжены ребордами, которые охватывают нижнюю поверхность горизонтального кольцевого основания.
Поверхность качения роликов может иметь поперечную насечку, что будет улучшать сцепление роликов с нижней поверхностью горизонтального кольцевого основания.
По меньшей мере один ролик может быть закреплен с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения для компенсации неточности изготовления горизонтального кольцевого основания.
Установка может содержать ограничители вертикального перемещения горизонтального кольцевого основания, установленные у поверхности горизонтального кольцевого основания, противолежащей его нижней поверхности. Ограничители вертикального перемещения горизонтального кольцевого основания могут быть выполнены, например, в виде ведомых колес, противолежащих по высоте роликам.
Заявляемая установка для ориентации фотоэлектрической батареи на Солнце поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан вид сбоку на заявляемую установку с установленной на ней фотоэлектрической батареей;
на фиг.2 приведен вид сбоку на узел I привода подсистемы азимутального вращения;
на фиг.3 дан вид спереди с частичным вырывом на узел I привода подсистемы азимутального вращения;
на фиг.4 приведен вид спереди на установку, показанную на фиг.1;
на фиг.5 показан вид сверху на установку, показанную на фиг.1.
Заявляемая установка для ориентации фотоэлектрической батареи на Солнце (см. фиг.1, фиг.4, фиг.5) содержит платформу 1. На платформе 1 размещена прямоугольная консоль 2 для закрепления фотоэлектрической батареи 3 и система 4 слежения за Солнцем, включающая подсистему 5 азимутального вращения и подсистему 6 зенитального вращения. Платформа 1 выполняется в виде пространственной рамы. На фиг.1 показан вариант пирамидальной конструкции платформы 1, образованной радиально расходящимися треугольными фермами 7. Подсистема 5 азимутального вращения выполнена в виде горизонтального кольцевого основания 8. Нижняя поверхность 9 (см. фиг.2, фиг.3) горизонтального кольцевого основания 8 опирается, например, на три разнесенных по окружности ролика 10. По меньшей мере один из которых является ведущим роликом 11 с приводом 12, прикрепленным к платформе 1 подкосом 13. Горизонтальное кольцевое основание 8 может иметь различную форму поперечного сечения. На фиг 2 показан вариант -образного поперечного сечения 14. Ролики 10, 11 могут быть снабжены ребордами 15, которые охватывают нижнюю поверхность 9 горизонтального кольцевого основания 8. Поверхность качения роликов 10, 11 может иметь поперечную насечку 16. По меньшей мере один ролик, например ролик 11, может быть закреплен с возможностью возвратно-поступательного перемещения по оси 17 для компенсации неточности изготовления горизонтального кольцевого основания 8. Установка может содержать ограничители вертикального перемещения горизонтального кольцевого основания 8, установленные у поверхности 18 горизонтального кольцевого основания 8, противолежащей его нижней поверхности 9. Ограничители вертикального перемещения горизонтального кольцевого основания могут быть выполнены, например, в виде ведомых колес 19, вращающихся на осях 20 и противолежащих по высоте роликам 10, 11. Платформа 1 имеет радиально расположенные опоры 21, которые могут быть снабжены регулируемыми по высоте подпятниками 22, снабженными, например, фиксаторами 23, закрепляющими подпятники 22 на грунте. Фиксаторы 23 могут быть выполнены, например, в виде буров, заворачиваемых в грунт. Подсистема 6 зенитального вращения и прямоугольная консоль 2 для закрепления фотоэлектрической батареи 3 установлены (см. фиг.1) с возможностью вращения в вертикальной плоскости приводом 24 вокруг горизонтальной оси 25, закрепленной на вершине пирамидальной рамы 26, прикрепленной к горизонтальному кольцевому основанию 8.
Заявляемая установка для ориентации фотоэлектрической батареи на Солнце работает следующим образом.
Для ориентации заявляемой установки на солнце используют управляющие сигналы для азимутальной и зенитальной подсистем вращения, формируемые датчиком солнца (на чертеже не показан), закрепленным на прямоугольной консоли 2 перпендикулярно фоточувствительной поверхности фотоэлектрической батареи 3. Азимутальные управляющие сигналы поступают на привод 12, вызывают соответствующее вращение ведущего ролика 11, которое передается нижней поверхности 9, на которую не попадает и не скапливается вода и приносимые ветром загрязнения, и вызывает круговое вращение горизонтального кольцевого основания 8 вокруг его вертикальной оси. Поперечная насечка 16 на поверхности качения роликов 10, 11 способствует их лучшему сцеплению с нижней поверхностью 9. При ветровом воздействии на установку ограничители вертикального перемещения горизонтального кольцевого основания 8, например, в виде ведомых колес 19, установленных у поверхности 18, препятствуют отходу ролика 11 от нижней поверхности 9 кольцевого основания 8. Таким образом, система 4 слежения за Солнцем обеспечивает азимутальную ориентацию фотоэлектрической батареи 3 на Солнце. Зенитальные управляющие сигналы соответственно поступают на привод 24, например, с цепной передачей (на чертеже не показана) для вращения прямоугольной консоли 2 с фотоэлектрической батареей 3 вокруг горизонтальной оси 25, закрепленной на вершине пирамидальной рамы 26, прикрепленной к горизонтальному кольцевому основанию 8. Таким образом, система 4 слежения за Солнцем обеспечивает зенитальную ориентацию фотоэлектрической батареи 3 на Солнце.