Счетчик солнечной энергии

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области учета энергии, получаемой от источника энергии. Счетчик солнечной энергии состоит из оптического усилителя плотности мощности солнечного потока, двух точечных термопар, четырех усилителей постоянного тока, трех множительных элементов, интегратора и индикатора, причем на выходе используется стандартный электросчетчик постоянного тока. В связи с развитием солнечной энергетики такие устройства могут найти широкое применение для учета энергии потребителями, получающими солнечную энергию от автоматических приемников. Изобретение позволяет повысить точность учета энергии. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к области учета энергии, получаемой от источника энергии или расхода потребителей.

Счетчики энергии различной природы известны из учебной литературы, в частности электросчетчики описаны в [1]. По счетчикам солнечной энергии информация отсутствует, хотя необходимость в них назрела в различных отраслях народного хозяйства в связи с развитием солнечной энергетики. В сельском хозяйстве необходима информация о количестве солнечной энергии, поступившей на определенный участок земли за определенный период времени для прогнозирования, так при избыточной солнечной энергии возможна засуха, а при недостаточном количестве солнечной энергии, поступившей на земельный участок, возможно вымокание и гибель урожая. При использовании солнечной энергии от автоматических приемников важно знать, какое количество энергии использовал потребитель.

Из известных счетчиков наиболее близким является счетчик солнечной энергии (см. RU 2165599, кл. G 01 J 5/12, 20.04.2001), включающий в себя оптический усилитель плотности мощности солнечного потока с точечной термопарой, измеряющей температуру окружающей среды и солнечной энергии отраженного потока, три усилителя постоянного напряжения и два множительных элемента, соединенных последовательно, и индикатор.

Недостатком известного счетчика является низкая точность.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является устранение указанного недостатка путем учета температуры окружающей среды.

Технический результат достигается тем, что счетчик солнечной энергии, включающий в себя оптический усилитель плотности мощности солнечного потока с точечной термопарой, измеряющей температуру окружающей среды и солнечной энергии отраженного потока, три усилителя постоянного напряжения и два множительных элемента, соединенных последовательно, и индикатор, содержит вторую термопару, показания которой не зависят от солнечной энергии, подключенную последовательно первой, выход которых подключен ко входу первого усилителя, а в качестве выходного элемента применен счетчик энергии постоянного тока, состоящий из последовательно соединенных множительного звена, интегратора и индикатора числового значения солнечной энергии.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства, на которой обозначено: Ф_с - солнечный поток, входящий во внутреннюю часть полого конуса с внутренней зеркальной поверхностью; 1 - оптический усилитель плотности мощности солнечного потока, выполненный в виде полого конуса с внутренней зеркальной поверхностью; 2 и 3 - точечные термопары, идентичные друг другу, причем термопара 2 измеряет как температуру окружающей среды, так и температуру от потери солнечной энергии от отраженного от 1 потока в спае 2, а термопара 3 только температуру окружающей среды, причем 2 и 3 по выходу направлены встречно; 4 - усилитель выхода термопар 2 и 3, т.е. усилитель термоэдс Δl=l₂-l₃; 5 - первый квадратор напряжения U₂ = U₀ + U₁; где U₀ - напряжения сдвига нуля шкалы Цельсия в нуль Кельвина; 6 - усилитель напряжения U₃ в U₄; т.к. в множительных элементах происходит ослабление сигналов; 7 - второй квадратор напряжения U₄ в U₅; 8 - усилитель напряжения U₅ в U₆;
9 - множительное звено, в котором перемножаются напряжения ₆ • U₇ - первый элемент счетчика постоянного тока;
10 - интегрирующее звено - второй элемент счетчика электроэнергии постоянного тока;
11 - индикатор числового значения солнечной энергии, расходуемой потребителем за период отсчета;
элементы 1-8 относятся к измерителю плотности мощности солнечного потока, а 9-11 - к счетчику энергии постоянного тока.

Работа счетчика солнечной энергии определяется следующей последовательностью действий.

На внутреннюю зеркальную поверхность конуса 1 поступает энергия солнечного потока Ф_с (1)
W_с=E_с • π • D • h, (1)
где Е_с - плотность мощности Ф_с, Вт/см²;
D - средний диаметр усеченного конуса 1;
h - высота конуса 1.

Так как угол между образующей конуса 1 и его высотой равен 45^o, то отраженный и прямой солнечный поток будут взаимно перпендикулярны друг другу и для идеального зеркала мощность отраженного потока от конуса 1 будет равна (1). Часть мощности (1) равна(2)
DW_c = Е_с • π • D • Δh, (2)
где Δh = d - диаметр термопары 2 в месте спая, будет поглощаться спаем, для которого имеем (3)
dW₀=E₀ • ε • πd², (3)
где Е₀ - плотность мощности потока Ф_с на спае 2;
ε - коэффициент черноты спая;
d - диаметр спая 2.

Если считать спай абсолютно черным телом ε = 1, т.е. покрасить спай идеально черной краской, то приравнивая (2) и (3), получим (4)
Е₀ = К₀ • Е_c, (4)
где К₀ = D:d - коэффициент усиления плотности мощности усилителя 1. Поглощенная энергия (3) согласно закону Стефана-Больцмана зависит от температуры Кельвина согласно (Е=1) равна (5)
DW₀ = 5,7 • 10^-12 • (Q_к)⁴ • πd², (5)
где Q_к - температура Кельвина, сдвиг нуля которой определяется -273^oС, который осуществляется введением постоянного напряжения U₀ в схеме на чертеже. Только после этого можно воспользоваться законом Стефана-Больцмана. Для исключения влияния температур окружающей среды в 5 вводится сигнал, пропорциональный разности температур (6)
U₂ = К₄ • К₀ • (Q₂ - Q₃ - 273^oС) = К₄ • К₀ • Q_к, (6)
где К₄ - коэффициент усиления усилителя 4,
К₀ - коэффициент передачи термопар 2 и 3.

Выходное напряжение 4 согласно (7) будет равно:
U₃ = K₅ • U₂ ² = К₅ • (К₄ • К₀)² • Q_к ², (7)
где К₅ - коэффициент ослабления 5.

После 6 сигнал U₄ будет равен (8)
U₄ = К₆ • U₃ = К₆ • К₅ • (К₄ • К₀)² •Q_к ², (8)
где К₆ - коэффициент усиления усилителя 6.

Выход 7 определится из (9)
U₅ = К₅ • Г₄ ² = К₆ • К₅ ² • (К₄ • К₀)⁴ • Q_к ⁴, (9)
где считается, что коэффициент ослабления К₅=К₇ одинаковы для 5 и 7.

На выходе 8 получим сигнал U₆ (10)
U₆ = K₈ • U₅ = K₈ • K₅ ³ • (K₄ • К₀)⁴ • Q_к ⁴, (10)
где K₈ - коэффициент усиления усилителя 8.

Если считать, что согласно закону Стефана-Больцмана плотность мощности солнечного потока после оптического усилителя 1 равна (11)
Е₀=5,7•10^-12•Q_к ⁴, (11)
то (10) может быть выражено в виде (12)
U₆ = K₈ • К₅ ³ • (К₄ • К₀)⁴ • Е₀ • 10¹² : 5,7 (12)
или с учетом (4) получим (13)
U₆=K_ц • E_c, (13)
где К_ц = К₀ • K₈ • К₅ ³ • (К₄ • К₀)⁴ • 10¹²: 5,7 - коэффициент передачи цепи от входа 1 до выхода 8.

Так, по измерению U₆ можно судить о величине Е_с - плотность мощности потока Ф_с.

Если (13) умножить на площадь сечения солнечного потока, идущего к потребителю, то получим полную мощность потока. Численное значение площади можно учесть в К_ц.

Выход U₆ является одним из входов в 9, для которого получим (14)
Ug = К9 • U7 • Но, (14)
где U₇ = Const в электросчетчике, a U₆
U₆ = К_ц • S_n • Е_с = К_ц • N_n, N_n - полная мощность потока.

К₉ - коэффициент передачи 9.

В 10 производится процесс интегрирования (15)

Рассмотренная теория работы устройства относится к потребителям солнечной от автоматического приемника [3] по среднему значению плотности мощности по направлению солнечного потока в солнцепроводе и установке счетчика перед потребителем.

Для применения счетчика, измеряющего солнечную энергию почвой в сельском хозяйстве, необходимо распределение таких счетчиков по контролируемой территории, установка их аналогична автоматическим приемникам и выделение нормальной к земле составляющей потока. Этот вопрос решается, но это предмет самостоятельной заявки.

Источники информации
1. П. Н. Горюнов, С.М. Пигин, Н.И. Шумиловский. Электрические счетчики, Госэнергоиздат, 1951.

2. К. Д. Колесников. Устройство для измерения плотности мощности солнечного потока, патент РФ 2165599 от 20.04.2001 г.

3. К.Д. Колесников. Автоматический приемник солнечной энергии, патент РФ 2147358 от 10.04. 2000 г.

Формула изобретения

Счетчик солнечной энергии, включающий в себя оптический усилитель плотности мощности солнечного потока с точечной термопарой, измеряющей температуру окружающей среды и солнечной энергии отраженного потока, три усилителя постоянного напряжения и два множительных элемента, соединенных последовательно, и индикатор, отличающийся тем, что содержит вторую термопару, показания которой не зависят от солнечной энергии, подключенную последовательно первой, выход которых подключен ко входу первого усилителя, а в качестве выходного элемента применен счетчик энергии постоянного тока, состоящий из последовательно соединенных множительного звена, интегратора и индикатора числового значения солнечной энергии.

РИСУНКИ

Рисунок 1