Гелиоэнергетический модуль для преобразования принимаемого электромагнитного излучения и система его ориентации

Гелиоэнергетический модуль для преобразования принимаемого электромагнитного излучения и система его ориентации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение в солнечных электростанциях для прямого преобразования солнечной энергии.

Известны устройства, содержащие солнечные панели, которые осуществляют преобразование солнечной энергии в электрическую, ом. например. Пат. 5647915, США, МПК Е 04 D 13/18; Пат. 2127008, Россия, МПК Н 01 L 31/05; Пат. 5697192, США, МПК Е 04 D 13/18, Н 01 L 31/048.

Недостатком таких устройств является относительная низкая эффективность использования солнечной панелей из-за низкой плотности солнечного излучения, поступающего на фоточувствительную поверхность этих панелей.

Известны фотоэлектрические модули, которые снабжены различными концентраторами, повышающими эффективность использования солнечных панелей, см. например, Пат.2137258, Россия, МПК Н 01 L 31/042; Пат.2130669, Россия, МПК Н 01 L 31/042, 31/18.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению, выбранному авторами за прототип, является гелиоэнергетический (фотоэлектрический) модуль, содержащий несущую конструкцию с закрепленными на ней солнечными панелями прямоугольной формы и концентраторами солнечного излучения, см. например, Пат. 2133415, Россия, МПК F 24 J 2/42, 2/08, Н 02 N 6/00.

Известная система ориентации гелиоэнергетического модуля включает в себя блок слежения за Солнцем, связанный выходом с несущей конструкцией, фотоэлектрический датчик, оптически сопрягаемый своим входом с источником преобразуемого электромагнитного излучения, а выходом подключенный к входу блока слежения, см. Пат. 2222755, Россия, МКП F 24 J 2/14, 2/42.

Недостатками приведенных технических решений является их пониженные эксплуатационные характеристики:

1) Относительно невысокая эффективность преобразования электромагнитного излучения в электрическую энергию, обусловленная дополнительным нагревом солнечных панелей излучением, отраженным от концентраторов, которые направляют на панели не только полезную (ультрафиолетовую и видимую) часть, но и ИК-часть спектрального диапазона входного излучения, что снижает КПД фотоэлектрического преобразования солнечного излучения.

2) Относительно небольшое поле зрения системы ориентирования, обусловленное малым угловым размером приемной площадки фотоэлектрического датчика.

С помощью предлагаемых изобретений достигается технический результат, заключающийся в повышении эффективности фотоэлектрического преобразования принимаемого электромагнитного излучения и в увеличении поля зрения системы ориентации гелиоэнергетического модуля.

В соответствии с предлагаемыми изобретениями вышеуказанный технический результат достигается тем, что в гелиоэнергетический модуль для преобразования принимаемого электромагнитного излучения, включающий порядно расположенные на опорной поверхности несущей конструкции солнечные панели прямоугольной формы с боковыми отражателями, смонтированными наклонно к фоточувствительной поверхности панелей в междурядных промежутках последних, дополнительно введены тепловые коллекторы, установленные под боковыми отражателями солнечных панелей на опорной поверхности несущей конструкции, при этом боковые отражатели солнечных панелей выполнены в виде полупрозрачных пластин, с отражающим покрытием, селективным к диапазону длин волн преобразуемого электромагнитного излучения.

Кроме того, боковые отражатели солнечных панелей выполнены оптически прозрачными для ИК-диапазона спектра солнечного излучения.

Кроме того, сумма площадей поглощающих поверхностей введенных тепловых коллекторов равна сумме площадей проекций всех боковых отражателей солнечных панелей на опорную поверхность несущей конструкции.

В систему ориентации, включающую блок слежения, связанный выходом с несущей конструкцией, первый фотоэлектрический датчик, оптически сопрягаемый своим входом с источником преобразуемого электромагнитного излучения, а выходом подключенный к первому входу блока слежения, введен второй фотоэлектрический датчик, подключенный выходом ко второму входу, предусмотренному на блоке слежения, при этом первый и второй фотоэлектрические датчики смонтированы под боковыми отражателями одной из солнечных панелей зеркально-симметрично относительно продольной оси симметрии последней, а в вышеуказанных боковых отражателях предусмотрены каналы для прохода оптического сигнала при оптическом сопряжении входа первого или второго фотоэлектрических датчиков при дезориентации модуля с источником преобразуемого электромагнитного излучения соответственно через боковой отражатель солнечной панели, расположенный напротив соответствующего фотоэлектрического датчика.

Кроме того, первый и второй фотоэлектрические датчики размещены в областях стыков солнечной панели и оснований ее боковых отражателей.

Кроме того, первый и второй фотоэлектрические датчики закреплены в кронштейнах, установленных на опорной поверхности несущей конструкции.

Кроме того, система ориентации гелиоэнергетического модуля дополнительно содержит устройства виньетирования в виде защитных козырьков, установленных перед входами фотоэлектрических датчиков.

Кроме того, блок слежения включает в себя два усилителя электрического сигнала, блок управления, реверсивный электродвигатель, муфту и редуктор, при этом входы усилителей электрического сигнала подключены к выходам первого и второго фотоэлектрических устройств (датчиков), выходы усилителей электрического сигнала электрически связаны с входами блока управления, выход которого подключен к обмоткам реверсивного электродвигателя, кинематически связанного через муфту и редуктор с несущей конструкцией.

На фиг.1 схематически изображен общий вид гелиоэнергетического модуля для преобразования электромагнитного излучения.

Блок-схема системы ориентации гелиоэнергетического модуля приведена на фиг.2.

Ход солнечных лучей через элементы гелиоэнергетического модуля и элементы его системы ориентации при различных углах рассогласования показан на фиг.3.

Гелиоэнергетический модуль (см. фиг.1) включает в себя несущую конструкцию 1, на опорной поверхности которой закреплены солнечные панели 2 прямоугольной формы с боковыми отражателями 3.

Боковые отражатели 3 смонтированы наклонно к фоточувствительной поверхности панелей 2 и установлены в междурядных промежутках панелей 2. Боковые отражатели 3 выполнены в виде полупрозрачных пластин, с отражающим покрытием, селективным к диапазону длин волн преобразуемого электромагнитного излучения. Боковые отражатели 3 выполнены прозрачными для ИК-диапазона спектра входного излучения.

Под боковыми отражателями 3 солнечных панелей 2 на опорной поверхности несущей конструкции 1 размещены тепловые коллекторы 4. Сумма площадей поглощающих поверхностей тепловых коллекторов 4 равна сумме площадей проекций всех боковых отражателей 3 солнечных панелей 2 на опорную поверхность несущей конструкции 1.

В областях стыковок одной из солнечных панелей 2 и оснований ее боковых отражателей 3 установлены два фотоэлектрических устройства (датчика) 7 системы ориентации (см. фиг.2), выходы которых соединены со входами блока слежения 5, выход которого кинематически связан с поворотной платформой 6 несущей конструкции 1.

Предлагаемый гелиоэнергетический модуль работает следующим образом.

При правильно выполненном ориентировании несущей конструкции 1 на источник электромагнитного излучения (Солнце) входное излучение попадает как на солнечные панели 2, так и на все боковые отражатели 3. Отраженное от боковых отражателей 3 излучение поступает на солнечные панели 2 и дает дополнительную засветку фоточувствительной поверхности панелей 2.

Для получения максимальной дополнительной засветки солнечных панелей 2 от боковых отражателей 3 необходимо, чтобы все лучи, поступившие на боковые отражатели 3, засвечивали всю фоточувствительную поверхность панелей 2.

Как видно из чертежа (фиг.3а), требуемый поперечный размер бокового отражателя 3 (DC) определяется из формулы синусов для косоугольного треугольника BDC:

DC=ВС sin(2α-90°)/sin(90°-α)

где ВС - поперечный размер солнечной панели 2,

α - угол наклона боковых отражателей 3.

Как будет показано ниже, угол α выбирается, исходя из требований к угловому размеру поля зрения системы ориентации.

Спектральный диапазон солнечного излучения, которое поступает непосредственно на солнечные панели 2, значительно шире диапазона спектральной чувствительности этих панелей. Часть спектра солнечного излучения, соответствующая спектральной чувствительности солнечных панелей 2, преобразуется в электрический ток, ИК-часть спектра солнечного излучения нагревает рабочую поверхность панелей 2, что снижает КПД фотоэлектрического преобразования.

Излучение, которое поступает на солнечные панели 2, отразившись от боковых отражателей 3, не содержит ИК-составляющую, т.к. отражающее покрытие боковых отражателей 3 выполнено селективным, а именно отражает только видимую и ультрафиолетовую часть солнечного излучения. Дополнительного нагрева рабочей поверхности солнечных панелей 2 от излучения, отраженного от боковых отражателей 3, не происходит.

Боковые отражатели 3 солнечных панелей 2 выполнены прозрачными для ИК-части спектрального диапазона солнечного излучения, поэтому ИК-излучение поступает на поглощающую поверхность тепловых коллекторов 4, установленных под боковыми отражателями 3 на опорной поверхности несущей конструкции 1.

Сумма площадей поглощающих поверхностей тепловых коллекторов 4 выбрана равной сумме площадей проекций всех боковых отражателей 3 на опорную поверхность несущей конструкции 1, чтобы все излучение ИК-диапазона, поступившее на боковые отражатели, использовалось для нагрева тепловых коллекторов 4. Все тепловые коллекторы 4, установленные под боковыми отражателями 3, последовательно соединены между собой и через них пропускается вода или другой теплоноситель, поступающий к потребителю.

Система ориентации гелиоэнергетического модуля (см. фиг.2) содержит блок слежения 5, связанный выходом с несущей конструкцией 1, два фотоэлектрических датчика 7, оптически сопрягаемые своими входами с источником преобразуемого электромагнитного излучения, а выходами подключенные ко входам блока слежения 5. Оба фотоэлектрических датчика 7 смонтированы под боковыми отражателями 3 одной из солнечных панелей 2 зеркально-симметрично относительно продольной оси симметрии последней.

В вышеуказанных боковых отражателях 3 предусмотрены каналы для прохода оптического сигнала при оптическом сопряжении входа первого или второго фотоэлектрических датчиков 7 при дезориентации модуля с источником преобразуемого электромагнитного излучения соответственно через боковой отражатель 3 солнечной панели 2, расположенный напротив соответствующего фотоэлектрического датчика 7.

Первый и второй фотоэлектрические датчики 7 размещены в областях стыков солнечной панели 2 и оснований ее боковых отражателей 3 и закреплены в кронштейнах 8, установленных на опорной поверхности несущей конструкции 1.

Перед фотоэлектрическими датчиками 7 установлены устройства виньетирования в виде защитных козырьков 9, причем наклон защитного козырька 9 каждого фотоэлектрического датчика 7 относительно опорной поверхности несущей конструкции 1 равен углам наклона линий BD или АС (на фиг.3 углы DBC и АСВ), соединяющих фотоэлектрический датчик 7 с периферийной областью противоположного бокового отражателя 3 (наиболее удаленной областью от солнечной панели 2). Такие козырьки 9 защищают от прямого солнечного излучения, но не мешают проходить на фотоэлектрический датчик 7 лучам, отраженным от любой точки противоположного бокового отражателя 3.

Блок слежения 5 включает в себя два усилителя электрического сигнала 10, блок управления 11, реверсивный электродвигатель 12, муфту 13 и редуктор 14, входы усилителей электрического сигнала 10 подключены к выходам первого и второго фотоприемных устройств 7, выходы усилителей электрического сигнала 10 электрически связаны с входами блока управления 11, выход которого подключен к обмоткам реверсивного электродвигателя 12, кинематически связанного через муфту 13 и редуктор 14 с поворотной платформой 6 несущей конструкции 1.

Система ориентации гелиоэнергетического модуля по азимуту работает следующим образом. Ориентации гелиоэнергетического модуля по углу места не требуется, так как и при больших углах рассогласования по этой координате затенения боковыми отражателями 3 солнечных панелей 2 не происходит.

Если нормаль к фоточувствительной поверхности солнечных панелей 3 гелиоэнергетического модуля NN совпадает с направлением на Солнце, входные световые потоки, обозначенные на чертеже (фиг.3а) сплошными линиями, отразившись от обоих боковых отражателей АВ и CD (пунктирные линии), полностью засвечивают фоточувствительную поверхность солнечной панели 2. Световое излучение на фотоэлектрические датчики 7 не поступает. Сигнал рассогласования на выходе фотоэлектрических датчиков 7 отсутствует.

Линией nn на фиг.3 обозначена нормаль к боковым отражателям 3.

При рассогласовании направления на Солнце и оси визирования гелиоэнергетического модуля, например, когда входные солнечные лучи поступают на фоточувствительную поверхность солнечных панелей 2 под углом Δ к нормали NN, световой пучок, отраженный от бокового отражателя 3 (DC), сместится с фоточувствительной поверхности панели 2 (фиг.3в).

Часть отраженного излучения попадет на противоположный боковой отражатель 3 (АВ) и через канал для прохода световых лучей поступит на вход фотоэлектрического датчика 7 (В).

Фотоэлектрический датчик 7 под действием поступившего на него светового излучения сформирует сигнал рассогласования, который через усилитель 10 поступит на вход блока управления 11, который передаст управляющий сигнал на обмотки реверсивного электродвигателя 12.

Ротор электродвигателя 12 под действием управляющего сигнала начнет вращаться, вызывая разворот поворотной платформы 6 несущей конструкции 1. Направление разворота определяется номером фотоэлектрического датчика 7, с которого поступил сигнал рассогласования. Разворот поворотной платформы 6 несущей конструкции 1 производится до тех пор, пока фотоэлектрический датчик 7 формирует сигнал рассогласования.

Следует отметить, что при работе гелиоэнергетического модуля часть электрического тока, вырабатываемого солнечными панелями 2, поступает в блок питания для зарядки аккумуляторов (в графических материалах условно не показан) для дальнейшего использования в системе ориентации.

Как видно из чертежа (фиг.3с), входной луч, имеющий рассогласование с нормалью NN, равное (2а-90°), после отражения от бокового отражателя 3 идет параллельно фоточувствительной поверхности солнечной панели 2 и попадает на фотоэлектрический датчик 7. Если наклон входных лучей будет больше, отраженные лучи пройдут выше фотоэлектрического датчика 7, сигнала рассогласования на выходе датчика 7 не будет.

Поэтому угол (2а-90°) является угловым полем зрения системы ориентации по азимуту. В известной системе ориентации поле зрения определяется угловым размером фотоэлектрического датчика, который существенно меньше вышеприведенной величины.

В известном гелиоэнергетическом модуле повышение плотности светового потока на фоточувствительной поверхности солнечных панелей приводит к увеличению тепловой нагрузки на этих панелях и к соответствующему уменьшению эффективности фотоэлектрического преобразования.

В предлагаемом гелиоэнергетическом модуле эффективность фотоэлектрического преобразования излучения повышенной плотности существенно выше, т.к. используемая в нем схема разделения входного излучения по спектральному составу на боковых отражателях исключает увеличение теплового потока, поступающего на солнечные панели, при повышении общей плотности излучения на этих панелях.

Следовательно, предлагаемые технические решения при использовании дают положительный технический результат, заключающийся в повышении эксплуатационных характеристик, а именно в повышении эффективности фотоэлектрического преобразования принимаемого электромагнитного излучения и в увеличении поля зрения системы ориентации гелиоэнергетического модуля.

В настоящее время по материалам заявки на предприятии изготовлен макетный образец гелиоэнергетического модуля и проведены его натурные испытания, которые подтвердили достижение вышеуказанного технического результата.

1. Гелиоэнергетический модуль для преобразования принимаемого электромагнитного излучения, включающий порядно расположенные на опорной поверхности несущей конструкции солнечные панели прямоугольной формы с боковыми отражателями, смонтированными наклонно к фоточувствительной поверхности панелей в междурядных промежутках последних, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тепловые коллекторы, установленные под боковыми отражателями солнечных панелей на опорной поверхности несущей конструкции, при этом боковые отражатели солнечных панелей выполнены в виде полупрозрачных пластин с отражающим покрытием, селективным к диапазону длин волн преобразуемого электромагнитного излучения.

2. Гелиоэнергетический модуль по п.1, отличающийся тем, что боковые отражатели солнечных панелей выполнены оптически прозрачными для ИК диапазона спектра солнечного излучения.

3. Гелиоэнергетический модуль по п.1 или 2, отличающийся тем, что сумма площадей поглощающих поверхностей введенных тепловых коллекторов равна сумме площадей проекций всех боковых отражателей солнечных панелей на опорную поверхность несущей конструкции.

4. Система ориентации гелиоэнергетического модуля, выполненного по п.1, на источник преобразуемого электромагнитного излучения, включающая блок слежения, связанный выходом с несущей конструкцией, первый фотоэлектрический датчик, оптически сопрягаемый своим входом с источником преобразуемого электромагнитного излучения, а выходом подключенный к первому входу блока слежения, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит второй фотоэлектрический датчик, подключенный выходом ко второму входу, предусмотренному на блоке слежения, при этом первый и второй фотоэлектрические датчики смонтированы под боковыми отражателями одной из солнечных панелей зеркально-симметрично относительно продольной оси симметрии последней, а в вышеуказанных боковых отражателях предусмотрены каналы для прохода оптического сигнала при оптическом сопряжении входа первого или второго фотоэлектрических датчиков при дезориентации модуля с источником преобразуемого электромагнитного излучения соответственно через боковой отражатель солнечной панели, расположенный напротив соответствующего фотоэлектрического датчика.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что первый и второй фотоэлектрические датчики размещены в областях стыков солнечной панели и оснований ее боковых отражателей.

6. Система по п.4 или 5, отличающаяся тем, что первый и второй фотоэлектрические датчики закреплены в кронштейнах, установленных на опорной поверхности несущей конструкции.

7. Система по п.4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит устройства виньетирования в виде защитных козырьков, установленных перед входами фотоэлектрических датчиков.

8. Система по п.4, отличающаяся тем, что блок слежения включает в себя два усилителя электрического сигнала, блок управления, реверсивный электродвигатель, муфту и редуктор, при этом входы усилителей электрического сигнала подключены к выходам первого и второго фотоприемных устройств, выходы усилителей электрического сигнала электрически связаны с входами блока управления, выход которого подключен к обмоткам реверсивного электродвигателя, кинематически связанного через муфту и редуктор с несущей конструкцией.