Установка для преобразования солнечной энергии в электрическую

Установка, работающая на сфокусированной солнечной энергии (мини обсерватория). Типа большого бинокля из двух линз управляемого шаговыми двигателями по 2-м координатом, отслеживание за солнцем, от восхода до заката.

Площадь установки: 1м*1,5м. 

Вес: 200-250 кг. (мобильная)

Преобразованная энергия: 3,6 кВт/ч



Использование: гелиотехника, установки для получения электрической энергии из солнечной энергии. Задача: создание эффективной установки для преобразования солнечной энергии в электрическую, позволяющей увеличить площадь, воспринимающую световую энергию. Сущность полезной модели: Установка содержит закрепленный на оси с возможностью вращения диск, на основаниях которого по концентрическим окружностям размещены ряды фотоприемных элементов, устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы, включающее собирающие линзы, волоконные световоды, входной торец каждого из которых оптически связан с соответствующей собирающей линзой, а выходной - установлен напротив основания диска с возможностью радиального пошагового перемещения от периферии диска к его центру и обратно. Размещенные на втором основании фотоприемные элементы расположены со смещением относительно фотоприемных элементов, расположенных на первом основании. Диск имеет возможность вращения с возрастающей скоростью при радиальном перемещении выходных торцов световодов от периферии к центру и с убывающей скоростью при радиальном перемещении упомянутых торцов от центра к периферии. Устройство для фокусирования световго потока и его направления на фотоприемные элементы снабжено приспособлением для ориентирования линз на Солнце.

1 независимый пункт формулы, 4 зависимых пункта формулы, 3 иллюстрации

Полезная модель относится к гелиотехнике, а именно к установкам для получения электрической энергии из солнечной энергии.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является установка для преобразования солнечной энергии в электрическую, содержащая закрепленный на оси с возможностью вращения диск, на торцевой поверхности которого размещен ряд фотоприемных элементов, устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы, включающее собирающие линзы, размещенные на опорном кольце (US 3383246).

Недостатком известной установки является ее недостаточная эффективность, так как получаемая электрическая мощность относительно невелика. Это обусловлено тем, что площадь, на которой расположены фотоприемные элементы, ограничена торцевой поверхностью вращающегося диска, следовательно, эффективная площадь относительно невелика.

Задачей полезной модели является создание эффективной установки для преобразования солнечной энергии в электрическую, позволяющей увеличить площадь, воспринимающую световую энергию.

Поставленная задача решается тем, что в установке для преобразования солнечной энергии в электрическую, содержащей закрепленный на оси с возможностью вращения диск, на котором размещен ряд фотоприемных элементов, устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы, включающее собирающую линзу, ряды фотоприемных элементов размещены, по крайней мере, на одном из оснований диска по концентрическим окружностям, при этом устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы снабжено, по крайней мере, одним волоконным световодом, входной торец которого оптически связан с собирающей линзой, а выходной - установлен напротив упомянутого основания диска с возможностью радиального пошагового перемещения от периферии диска к его центру и обратно.

Кроме того, ряды фотоприемных элементов размещены на двух основаниях диска по концентрическим окружностям, при этом размещенные на втором основании фотоприемные элементы расположены со смещением относительно фотоприемных элементов, расположенных на первом основании, а устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы снабжено вторым волоконным световодом, входной торец которого оптически связан со второй собирающей линзой, а выходной - установлен напротив второго основания диска с возможностью радиального пошагового перемещения от периферии диска к его центру и обратно синхронно с выходным торцом первого световода.

Кроме того, диск имеет возможность вращения с возрастающей скоростью при радиальном перемещении выходных торцов световодов от периферии к центру и с убывающей скоростью при радиальном перемещении упомянутых торцов от центра к периферии.

Кроме того, выходной торец каждого световода снабжен дополнительной линзой для фокусирования светового потока.

Кроме того, устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы снабжено приспособлением для ориентирования линз на Солнце.

Размещение рядов фотоприемных элементов на основаниях диска позволяет увеличить эффективную площадь, а, следовательно, и мощность установки при одних и тех же размерах вращающегося диска.

Снабжение устройства для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы волоконными световодами, входной торец каждого из которых оптически связан с собирающей линзой, а выходной - установлен напротив соответствующего основания диска с возможностью радиального пошагового перемещения от периферии диска к его центру и обратно, позволяет реализовать работу установки с фотоприемными элементами, размещенными на основаниях диска.

Вращение диска с возрастающей скоростью при радиальном перемещении выходных торцов световодов от периферии к центру и с убывающей скоростью при радиальном перемещении упомянутых торцов от центра к периферии обеспечивает облучение одного и того же количества фотоприемных элементов, расположенных по концентрическим окружностям, что приводит к стабилизации импульсной последовательности по частоте.

Снабжение выходного торца каждого световода дополнительной линзой для фокусирования светового потока позволяет увеличить эффективность воздействия светового потока на фотоприемные элементы.

Снабжение устройства для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы приспособлением для ориентирования линз на Солнце также позволяет повысить эффективность работы установки.

На фиг.1 показана схема предлагаемой установки для преобразования солнечной энергии в электрическую; на фиг.2 - схема расположения фотоприемных элементов на основаниях диска; на фиг.3 - схема приспособления для синхронного радиального перемещения от периферии диска к его центру и обратно выходных торцов двух световодов.

Установка для преобразования солнечной энергии в электрическую (фиг.1) содержит диск 1 из сплавов алюминия диаметром 0,4-0,5 м, закрепленный на оси 2 с возможностью вращения, на основании которого по концентрическим окружностям размещены ряды фотоприемных элементов 3. Устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы 3 включает две собирающие линзы 4 диаметром 250-300 мм, каждая из которых установлена на торце соответствующего тубуса 5, два волоконных световода 6 длиной 2-2,5 м, входной торец 7 каждого из которых оптически связан с соответствующей собирающей линзой 4 и установлен в ее фокусе, а выходной торец 8 - установлен напротив соответствующего основания диска 1. Выходные торцы 8 волоконных световодов 6 имеют возможность синхронного радиального пошагового перемещения от периферии диска 1 к его центру и обратно.

Размещенные на втором основании фотоприемные элементы 3 (фиг.2, справа) расположены со смещением относительно фотоприемных элементов 3, расположенных на первом основании (фиг.2, слева).

Диск 1 имеет возможность вращения с возрастающей скоростью при радиальном перемещении выходных торцов 8 световодов 6 от периферии к центру и с убывающей скоростью при радиальном перемещении выходных торцов 8 от центра к периферии. Возможность вращения диска 1 с переменной скоростью обеспечивается шаговым двигателем 9. Ось 2 жестко закреплена на стойках 10, установленных на основании 15, для обеспечения точного направления сжатого светового потока на фотоприемники 3.

Выходной торец 8 каждого световода 6 снабжен дополнительной линзой 11 для дополнительного фокусирования светового потока.

Устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы 3 снабжено приспособлением для ориентирования линз 4 на Солнце, выполненным в виде двух шаговых двигателей 12 и 13, кинематически связанных с тубусами 5 с возможностью их перемещения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и фото датчиков 14, установленных на тубусах 5 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с возможностью отслеживания положения Солнца по двум координатам «X» и «Y». Приспособление для ориентирования линз 4 на Солнце также установлено на основании 15.

Приспособление для синхронного радиального перемещения от периферии диска 1 к его центру и обратно выходных торцов 8 двух световодов 6 (фиг.3) выполнено в виде шагового двигателя 16 (марки ШД-25), кинематически связанного с выходными торцами 8 посредством винтовой передачи, состоящей из зубчатых колес 17 и винтов 18. Зубчатые колеса 17 установлены на оси шагового двигателя 16 и па винтах 18, которые жестко связаны с выходными торцами 8 световодов 6.

Фотоприемные элементы 3 в каждой окружности соединены между собой параллельно и электрически связаны с накопительным устройством 19, представляющем собой электролитический конденсатор большой емкости, который подсоединен к зарядному устройству с котроллером 20 аккумуляторной батареи 21. К аккумуляторной батарее 21 подключены также преобразовыватель 22, представляющий собой зарядное устройство, работающее от электрической сети, и преобразователь 23, представляющий собой зарядное устройство, работающее от ветряного генератора 24.

К выходу аккумуляторной батареи 21 подключен мощный преобразователь 25 для преобразования постоянного тока в высокочастотную импульсную последовательность посредством ШИМ-модуляции с огибающей тока по синусоидальному закону с частотой 50 Гц.

Установка для преобразования солнечной энергии в электрическую работает следующим образом.

Рассеянную солнечную энергию с помощью собирающих линз фокусируют в пучок диаметром 1,0-1,5 мм, который поступает на входной торец 7 волоконного световода 6. Установленное на выхдном торце 8 световода 6 дополнительное фокусирующее устройство (линза) 11 сжимает световой пучок диаметром 1,0-1,5 мм до диаметра 400-500 мкм.

Диску 1 придается вращательное движение с помощью шагового двигателя 9. Расположенные на диске 1 по концентрическим окружностям фотоприемные элементы 3 обучаются «сжатым» световым потоком, поступающим из выходных торцов 8 световодов 6.

В приспособлении для синхронного радиального перемещения выходных торцов 8 двух световодов 6 от периферии диска к его центру и обратно использован принцип считывания информации лазерной головкой с информационного диска любого формата (CD, DVD).

После завершения первого оборота диска 1 с размещенными фотоприемными элементами 3 бесконтактным датчиком Холла (не показан) дается команда в электронную часть блока управления (не показан) о завершении первого оборота диска 1. Блоком управления дается команда о перемещении выходных торцов 8 на следующую концентрическую окружность. За счет вращения пары «винт-гайка» (зубчатые колеса 17 и винты 18) выходные торцы 8 перемещаются с одной концентрической дорожки на другую, и так цикл перемещения выходных торцов 8 продолжается до достижения конечной окружности минимального размера.

В дальнейшем дополнительным датчиком дается сигнал о снятии электроэнергии со всех концентрических окружностей вплоть до оси диска 1. Выходной торец 8 каждого световода 6 пошагово возвращается с той же последовательностью на внешнюю концентрическую окружность.

Шаговым двигателям 9, 16 задаются параметры скорости и ускорения от компьютера и сигналы управления от электронного отслеживающего устройства, связанного с датчиками завершения одного, либо другого цикла.

Таким образом, после совершения одного оборота диска 1 выходные торцы 8 световодов 6 переводятся на следующую концентрическую окружность и после одного оборота на следующей окружности переводятся на следующую и так до полного облучения всех концентрических окружностей, расположенных на диске 1. Дальнейшая работа устройства: возврат с внутренней концентрической окружности в том же режиме, пошагово, до периферийной большой окружности. Этот цикл работы от большой окружности до самой малой и обратно может повторяться весь световой день.

Диск 1 имеет возможность вращения с возрастающей скоростью при радиальном перемещении выходных торцов 8 световодов 6 от периферии к центру и с убывающей скоростью при радиальном перемещении торцов 8 от центра к периферии. Такой скоростной режим вращения диска 1 обеспечивает облучение одного и того же количества фотоприемных элементов 3, расположенных по концентрическим окружностям, так как линейная скорость фотоприемных элементов 3, расположенных на периферийных окружностях, выше линейной скорости фотоприемных элементов 3, расположенных на окружностях, находящихся ближе к центру диска 1. При этом стабилизируется частота импульсной последовательности и обеспечивается постоянное значение амплитуды электрического тока, полученного с фотоприемных элементов 3.

Сжатый световой поток ø 400-500 мкм воздействует на отдельные группы фотоприемных элементов 3. При облучении сжатым световым потоком на время 0,0005 сек. (500 мкс) фотоприемные элементы 3 вырабатывают электрическую энергию в импульсном режиме. Ввиду того, что фотоприемные элементы размещены на втором основании со смещением относительно фотоприемных элементов, расположенных на первом основании (фиг.2), два фотоприемных элемента 3 на первом основании и один фотоприемный элемент 3 на втором основании можно рассматривать как триаду, обеспечивающую получение квазинепрерывного импульсного тока, так как фотоприемный элемент 3, расположенный на втором основании (справа на фиг.2), выполняет функцию ликвидации электрических «провалов», возникающих в паузах при работе двух фотоприемных элементов 3, расположенных на первом основании (слева на фиг.2).

При вращении диска 1 с расположенными по концентрическим окружностям фотоприемными элементами 3, облучаемыми «сжатым» световым потоком 400-500 мкм, получаем импульсный ток с частотой, определяемой скоростью вращения диска 1.

Группы фотоприемных элементов 3, расположенные на концентрических окружностях, соединяются электрически параллельно, что предусматривает только два вывода: положительная изолированная шина и минусовая «земля».

На вход накопительного устройства 19 поступает квазинепрерывный импульсный ток положительной полярности силой 40-45 А напряжением 28 В.

Через контроллер (мощное зарядное устройство) 20, работающее в импульсном режиме с высокой точностью, на батарею аккумуляторов 21 подается калиброванное напряжение, исключая перезаряд и сульфатацию при зарядке импульсным напряжением.

Ориентирование линз 4 на Солнце производится путем отслеживания его положения по двум координатам «X» и «Y» с помощью фото датчиков 14 и поворота тубусов 5 с помощью шаговых двигателей 12, 13 в соответствии с сигналами фото датчиков 14 на 180 градусов от горизонта востока до горизонта запада. Отслеживание положения Солнца и поворот тубусов 5 производится по двум координатам «X» и «Y». Отслеживание положения Солнца производится от восхода до заката.

При отсутствии или затенении солнечного диска облаками в работу включается преобразователь 22 совместно с идентичным контроллером, работающим от сети 220 В переменного тока, и режим работы точно совпадает с работой контроллера 20.

Ветряной двигатель 24 с контроллером точная копия блоков 20, 22 также участвует в работе комплекса при отсутствии сети, либо в ночное время, либо в совокупности, повышая КПД комплекса в целом.

Накопленная энергия в аккумуляторной батарее 21 как с одного источника энергии, так и в комплексе подается на преобразователь (инвертор) 25 мощностью от 1000 Вт до 5000 Вт в зависимости от необходимой энергии потребления с напряжением 220 В 50 Гц на выходе преобразователя 25.

Формула полезной модели

1. Установка для преобразования солнечной энергии в электрическую, содержащая закрепленный на оси с возможностью вращения диск, на котором размещен ряд фотоприемных элементов, устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы, включающее собирающую линзу, отличающаяся тем, что ряды фотоприемных элементов размещены, по крайней мере, на одном из оснований диска по концентрическим окружностям, при этом устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы снабжено, по крайней мере, одним волоконным световодом, входной торец которого оптически связан с собирающей линзой, а выходной установлен напротив упомянутого основания диска с возможностью радиального пошагового перемещения от периферии диска к его центру и обратно.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ряды фотоприемных элементов размещены на двух основаниях диска по концентрическим окружностям, при этом размещенные на втором основании фотоприемные элементы расположены со смещением относительно фотоприемных элементов, расположенных на первом основании, а устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы снабжено вторым волоконным световодом, входной торец которого оптически связан со второй собирающей линзой, а выходной установлен напротив второго основания диска с возможностью радиального пошагового перемещения от периферии диска к его центру и обратно синхронно с выходным торцом первого световода.

3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что диск имеет возможность вращения с возрастающей скоростью при радиальном перемещении выходных торцов световодов от периферии к центру и с убывающей скоростью при радиальном перемещении упомянутых торцов от центра к периферии.

4. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что выходной торец каждого световода снабжен дополнительной линзой для фокусирования светового потока.

5. Установка по п.3, отличающаяся тем, что выходной торец каждого световода снабжен дополнительной линзой для фокусирования светового потока.

6. Установка по п.2 или 5, отличающаяся тем, что устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы снабжено приспособлением для ориентирования линз на Солнце.

7. Установка по п.3, отличающаяся тем, что устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы снабжено приспособлением для ориентирования линз на Солнце.

8. Установка по п.4, отличающаяся тем, что устройство для фокусирования светового потока и его направления на фотоприемные элементы снабжено приспособлением для ориентирования линз на Солнце.