солнечная электростанция

Формула изобретения

Солнечная электростанция, включающая в себя вертикальный вал с приводом азимутального поворота, на котором закреплена солнечная фотобатарея, снабженная системой автоматики азимутального привода слежения за солнцем, а с обратной стороны солнечной фотобатареи в обратную сторону азимутального слежения установлен командный фотоэлемент, включающая в себя поляризованные малоточные и исполнительные реле реверсивного привода, отличающаяся тем, что солнечная фотобатарея закреплена под углом к плоскости горизонта, равным половине максимального зенитального угла солнца, и разделена на две равные части, между которыми закреплена вертикальная пластина, преимущественно с отражающей поверхностью, при этом одноименные фазы половин солнечной фотобатареи встречно включены на обмотку малоточного поляризованного реле с разделительными диодами после обмотки реле.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к солнечным электростанциям, предназначенным для преобразования солнечной лучистой энергии в электрическую как в солнечную погоду, так и в пасмурную.

Известна солнечная электростанция, включающая в себя вертикальный и горизонтальный валы поворота, на последнем из которых установлена солнечная фотобатарея [1].

Недостатком электростанции является низкая эффективность, т.к. зенитальная установка производится вручную раз в месяц или квартал, что соответствует усреднённому азимуту по широте и времени года. Суточный поворот электростанции осуществляется автоматически посредством двух цилиндрических (левый и правый) термоприводов, нагреваемых солнечными лучами, что имеет малую надёжность в условиях низких температур и высоких ветровых нагрузок. Недостатком также является полное отсутствие возврата станции в исходное положение «утро» [2].

Прототипом изобретения является солнечная электростанция, включающая в себя вертикальный вал с приводом азимутального поворота, на котором закреплена солнечная фотобатарея, снабженная системой автоматики азимутального привода слежения за солнцем, а с обратной стороны солнечной фотобатареи в обратную сторону азимутального слежения установлен командный фотоэлемент, включающий в себя поляризованные малоточные и исполнительные реле реверсивного привода.

Недостатком прототипа является высокая металлоемкость и сложность конструкции, большая и сложная система автоматики слежения за солнцем, что ведет к снижению надежности и повышению стоимости электростанции.

Настоящее изобретение позволяет получить новый технический эффект - упрощение и снижение металлоемкости конструкции, упрощение системы автоматики слежения за солнцем, повышение надежности и снижение стоимости электростанции.

Этот технический эффект достигается тем, что солнечная фотобатарея закреплена под углом к плоскости горизонта, равным половине максимального зенитального угла солнца, и разделена на две равные части, между которыми закреплена вертикальная пластина, преимущественно с отражающей поверхностью, при этом одноименные фазы половин солнечной фотобатареи встречно включены на обмотку малоточного поляризованного реле с разделительными диодами после обмотки реле.

На фиг.1 показан общий вид солнечной электростанции, вид сбоку.

На фиг.2 - вид на фиг.1 по А.

На фиг.3 - сечение фиг.2 по А-А.

На фиг.4 - электрическая схема солнечной электростанции.

Солнечная электростанция включает в себя основание 1, на котором на опорном подшипнике 2 установлен вертикальный вал 3 с рамой 4 и радиальной муфтой 5 ориентации вертикального вала 3. На нижнем конце вала установлено зубчатое колесо 6 с червячным валом 7 его привода, снабженного реверсивным электроприводом 8 (М) постоянного тока. На верхнем конце вертикального вала 3 жестко закреплена солнечная фотобатарея (ФЭ), состоящая из двух частей 9 (ФЭ1) и 10 (ФЭ2), которые разделены продольной перегородкой 11, установленной ребром, с отражающими (зеркальными) боковыми поверхностями. Сзади (с обратной стороны) установлен командный фотоэлемент 12 (Фз). Угол установки солнечной фотобатареи (ФЭ) к вертикали или горизонтали составляет преимущественно 45°, т.е. среднему углу максимального зенитального угла солнца. Это обосновывается тем, что согласно закону физики отражение светового луча от угла падения на стекло происходит в следующем процентном отношении:

Угол падения, град.	0	20	30	40
Отражение, %	4,7	4,7	4,9	5,3

Утром падение горизонтальных солнечных лучей на солнечную фотобатарею происходит под углом 45°. Практически горизонтальных лучей не бывает и первые 15° подъема солнца над горизонтом происходит за несколько минут, которыми можно пренебречь. Тогда за начало работы солнечной фотобатареи 9 (ФЭ1) и 10 (ФЭ2) можно принять угол падения солнечного луча на ее поверхность равным 30°, что составляет потери от минимального отражения 4,7% только на 0,2%. Устанавливается полная мощность работы солнечной фотобатареи 9 (ФЭ1) и 10 (ФЭ2) на меньших углах падения солнечных лучей.

При полном зенитальном подъеме солнца угол падения солнечных лучей на поверхность солнечной фотобатареи 9 (ФЭ1) и 10 (ФЭ2) для наших широт составляет 35°, да и то только в июне 20...24 числа, а затем уменьшается до 30° и ниже, т.е. постоянно фотобатарея будет работать на полную мощность.

Вечером с заходом солнца наблюдается та же самая картина, что и утром с восходом, в обратном порядке.

Таким образом, нет никакой необходимости зенитального наблюдения за солнцем. Только азимутальное наблюдение за солнцем происходит практически без потерь мощности, зато в несколько раз упрощаются конструкции и электрическая схема автоматики, повышается надежность и снижается стоимость электростанции.

При использовании солнечной электростанции в экваториальных условиях следует установить солнечную фотобатарею 9 (ФЭ1) и 10 (ФЭ2) с поворотом угла наклона на 8...10° в сторону зенитального подъема солнца.

Электрическая схема солнечной электростанции включает в себя солнечную фотобатарею ФЭ, которая состоит из двух равных частей ФЭ1 и ФЭ2, которые встречными полюсами (например «-») через диоды Д1 и Д2 выведены на общую фазу (в частности «-») электростанции. При этом между встречными полюсами ФЭ1 и ФЭ2 до диодов Д1 и Д2 и реостатов R1 и R2 включены вольтметр V и обмотка малоточного поляризованного реле РП1 с нейтральным якорем, подключенным на фазу электростанции, в частности «-», а на боковые его контакты подключены обмотки исполнительных реле РС1 и РС2, в частности на фазу «+» питания электростанции. На задний командный фотоэлемент Фз включена обмотка поляризованного малоточного реле РП2 с нейтральным якорем, который через нормально замкнутые контакты РС2.1 подключен к фазе «-» электростанции, а на боковой его контакт подключена обмотка исполнительного реле РС3 на фазу «+» электростанции, при этом боковой контакт РП2 запараллелен нормально разомкнутыми контактами РС3.1. Якоря реле РС1 и РС2 подключены к реверсивному электроприводу 8 (М) постоянного тока, при этом их нормально замкнутые контакты РС1.1 и РС2.2 замыкаются на одну фазу питания, в частности «-», а нормально разомкнутые через концевые выключатели, КВп - правый и КВл - левый, на другую фазу, в частности «+» электростанции. Контакты РС2.2 запараллелены контактами РС3.2. Между фазами электростанции установлен аккумулятор АК.

Электростанция работает следующим образом. При азимутальном падении солнечных лучей на солнечную фотобатарею параллельно плоскости продольной пластины 12 независимо от зенитального угла падения обе ее части 9 (ФЭ1) и 10 (ФЭ2) находятся в равной освещенности и обе ее части вырабатывают электрический ток равных потенциалов, фазы которых электрически соединены и на выходе станции эти потенциалы суммируются, при этом между встречно включенными фазами частей 9 (ФЭ1) и 10 (ФЭ2) на обмотку РП1, в частности «-», нет разности потенциалов и через обмотку РП1 не течет электрический ток. По мере азимутального перемещения солнца, от восхода до заката, солнечные лучи начинают освещать западную, т.е. правую половину пластины 11, поверхность которой отражает солнечные лучи на поверхность правой части 9 (ФЭ1) солнечной фотобатареи, тем самым усиливая ее активность. В тоже время пластина 11 отбрасывает тень и затеняет другую, левую часть 10 (ФЭ2) солнечной фотобатареи, активность которой по выработке электрического тока снижается. Между фазами частей 9 (ФЭ1) и 10 (ФЭ2) появляется постоянно возрастающая разность потенциалов. В частности, эта разница появляется на фазах «-» половин 9 (ФЭ1) и 10 (ФЭ2), выравнивание которых не происходит благодаря диодам Д1 и Д2, установленных на каждой фазе до их соединения. Эта разность потенциалов начинает выравниваться через обмотку малоточного реле РП1, т.е. появляется ток, протекающий через обмотку реле РП1 слева направо (по чертежу), т.е. от 9 (ФЭ1) к 10 (ФЭ2). Реле РП1 срабатывает, его якорь замыкается на левый контакт (по чертежу) и ставит под ток обмотку реле РС1. Реле РС1 срабатывает и свои нормально замкнутые контакты PC1.1 перебрасывает на нормально разомкнутые, т.е. замыкается на фазу «+» через нормально замкнутые контакты КВп-концевого выключателя правого поворота. По цепи «минус» питания, нормально замкнутые контакты РС3.2 и РС2.2, нормально разомкнутые РС1.1 и нормально замкнутые КВп на «плюс» питания ставится под ток реверсивный привод «М» постоянного тока. Последний вращает свой червячный вал 7 и через зубчатое колесо 6 вращает вертикальный вал 3 вправо вместе с солнечной фотобатареей ФЭ до тех пор, пока солнечные лучи выравнятся вдоль плоскости пластины 11, тем самым выравнятся освещенности частей 9 (ФЭ1) и 10 (ФЭ2) солнечной фотобатареи ФЭ, в которых устанавливается одинаковый потенциал электрического тока на фазах. Обмотка реле РП1 обесточивается, которое отпускает свой якорь, размыкает левый контакт и обесточивает реле PC1. Последнее отпускает свой якорь и размыкает свои нормально разомкнутые контакты PC 1.1, тем самым обесточивая реверсивный электропривод 8 (М). Последний останавливается, прекращается правый поворот всей электростанции. При дальнейшем азимутальном перемещении солнца правый поворот электростанции осуществляется описанным образом до заката солнца.

Станция ночует «задом» к востоку.

При восходе солнца утром его лучи попадают на задний командный фотоэлемент 12 (Фз), который вырабатывает электрический ток на малоточную обмотку реле РП2. Последнее срабатывает и своим якорем замыкает свой контакт (правый по чертежу) и ставит под ток обмотку реле РС3. Реле РС3 через нормально замкнутые контакты РС2.1 срабатывает и замыкает свои нормально разомкнутые контакты РС3.1, параллельные контактам РП2, которыми самоблокируется. Одновременно реле РС3 перебрасывает свои контакты и замыкает нормально разомкнутые контакты РС3.2 и по цепи «минус» питания, нормально замкнутые контакты PC 1.1, контакты РС3.2, нормально замкнутые контакты КВл (концевого выключателя левого) на «плюс» питания ставит под ток реверсивный электропривод 8 (М) на обратную полярность. Привод 8 (М) через червячный вал 7 и зубчатое колесо 6 вращает вертикальный вал 3 влево, т.е. разворачивает всю электростанцию с запада на восток. Фотоэлемент 12 (Фз) уходит из под солнечного излучения, обмотка РП2 обесточивается и его якорь разрывает свой правый контакт. В это время замкнутый контакт РС3.1 удерживает РС3 под током самоблокировки. В схеме ничего не изменилось и поворот электростанции влево продолжается до тех пор пока под солнечные лучи попадет солнечная фотобатарея ФЭ, левая часть 10 (ФЭ2) которой попадает под солнечное освещение с отражением на нее от пластины 11, а правая ее часть 9 (ФЭ1) остается затемненная пластиной 11. На фазах половин 9 (ФЭ1) и 10 (ФЭ2) солнечной фотобатареи ФЭ возникает разность потенциалов с преобладанием на правой. Описанным образом через обмотку РП1 протекает ток в обратном направлении, РП1 замыкает свой якорь на правый контакт и ставит под ток обмотку реле РС2. Реле РС2 срабатывает и контактами РС2.2 замыкает свои нормально разомкнутые контакты параллельно контактам РС3.2. Одновременно реле РС2 размыкает свои контакты РС2.1 и разрывает цепь питания реле РС3, последнее разрывает свои контакты РС3.1 самоблокировки и контакты РС3.2 в цепи питания привода «М». Однако питание привода «М» продолжает осуществляться замкнутым состоянием нормально разомкнутых контактов РС2.2 реле РС2. Разворот электростанции влево продолжается до азимутального выравнивания освещенности частей 9 (ФЭ1) и 10 (ФЭ2), разность потенциалов между которыми выравнивается, обмотка РП1 обесточивается, его якорь приходит в нейтральное положение, разрывая свой правый контакт, обесточивается реле РС2, которое отпускает свои контакты РС2.2 и обесточивает реверсивный электропривод 8 (М). Разворот электростанции прекращается, устанавливается дежурный режим.

Дальнейшая работа электростанции осуществляется описанным образом. В любом случае остановки электростанции (ее ориентации) азимутальное положение будет восстанавливаться.

Реостаты (резисторы) R1 и R2, включенные в фазы, являются вспомогательными элементами цепи сопротивления, которые могут служить для усиления фазовых потенциалов.

Вольтметр V, включенный параллельно обмотке РП1, может служить для визуального контроля фазовых потенциалов при настройке.

Аккумулятор АК заряжается в процессе работы электростанции в дневное время и служит источником требуемого электропитания в ночное время.

Концевые выключатели КВп и КВл - правый и левый, служат для ограничения правого и левого поворотов электростанции.

Источники информации

1. Подсолнух на солнечных батареях. НПП «Квант», Москва, 2002 г.

2. Патент РФ №2230395, М.кл. H 01 L 31/00, Солнечная электростанция, БИ №16, 2004 г.