Автономная система электроснабжения на основе солнечной фотоэлектрической установки

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к непрерывно следящим за Солнцем солнечным установкам как с концентраторами солнечного излучения, так и с плоскими кремниевыми модулями, предназначенным для питания потребителей, например, в районах ненадежного и децентрализованного электроснабжения. Технический результат - повышение эффективности автономной системы электроснабжения на основе солнечной фотоэлектрической установки. Совместно включают две параллельные замкнутые цепи систем электроснабжения потребителя и приводов слежения за Солнцем. Система электроснабжения автономного потребителя содержит замкнутую цепь из последовательно соединенных солнечной фотоэлектрической установки (1), контроллера заряда-разряда (2), блока аккумуляторных батарей (3), инвертора (4), блока сбора и обработки данных (5), потребителя мощности (6). Система электроснабжения приводов слежения за Солнцем представляет замкнутую цепь из последовательно соединенных солнечной фотоэлектрической установки (1), контроллера заряда-разряда (7), блока аккумуляторных батарей (8), блока управления системой электропитания двигателей (9), блоков питания и управления приводов двигателей (10) и (11), двигателей слежения за положением Солнца в азимутальной и зенитальной плоскостях (12) и (13). 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к непрерывно следящим за Солнцем солнечным фотоэлектрическим установкам (СФЭУ) как с концентраторами солнечного излучения, так и с плоскими кремниевыми модулями, которые могут найти применение в солнечных электростанциях для получения электроэнергии из солнечного излучения, а также в системах электроснабжения различных потребителей.

В настоящее время солнечная энергетика развивается рекордными темпами. Ежегодный прирост суммарной установленной мощности фотоэнергоустановок в мире превышает 50%. Вырабатываемая установками электрическая мощность определяется техническими характеристиками модулей, входящих в ее состав, а также поступлением солнечного излучения на их световоспринимающую поверхность. Известно, что наклонное падение лучей существенно снижает плотность потока солнечного излучения, приходящего на поверхность модуля, а значит и вырабатываемую им мощность. Решением этой проблемы может стать использование установок, в которых предусмотрена возможность непрерывного слежения за положением Солнца на небосводе в течение дня. Слежение или поворот световоспринимающей поверхности установки за Солнцем осуществляется с помощью двигателей и системы редукторов, точное позиционирование СФЭУ в пространстве контролируется компьютерным управлением и непосредственно размещенными на СФЭУ датчиками слежения за Солнцем. Питание системы слежения обычно осуществляется от электрической сети, однако в некоторых случаях подсоединение к сети затруднено или невозможно, например, когда СФЭУ работает в составе автономной системы электроснабжения потребителей в районах с ненадежным и децентрализованным электроснабжением, а также когда СФЭУ функционирует в составе крупной электростанции, в этом случае электроснабжение от сети систем слежения, разнесенных на значительные расстояния установок, дорого и характеризуется большими потерями. Актуальной задачей является разработка энергоэффективной и надежной автономной системы электроснабжения механизмов слежения за Солнцем в условиях отсутствия возможности подключения к централизованной энергосети.

Известна солнечная фотоэлектрическая установка, в которой система слежения за Солнцем обеспечивается от плоских кремниевых фотоэлектрических модулей типа МС-40 (см. патент RU 2210038, МПК F24J 2/14, F24J 2/18, опубликован 10.08.2003). Установка включает несущую конструкцию, закрепленные на ней двухплечий рычаг и цилиндрический концентратор из набора плоских зеркальных фацет, линейный приемник концентрированного излучения, установленный на рычаге по фокусной линии цилиндрического концентратора, и систему наведения. С тыльной стороны каждой плоской зеркальной фацеты установлена прямоугольная призма, ребро при прямом угле которой совпадает с центральной осью плоской зеркальной фацеты. Одна из двух граней призмы, прилегающих к этому ребру, совмещена с плоскостью зеркальной фацеты. На вторую грань прямоугольной призмы нанесено отражающее покрытие. В зеркальном покрытии плоской фацеты выполнено окно по форме проекции отражающей грани прямоугольной призмы на плоскость фацеты в ходе лучей, параллельных оптической оси цилиндрического концентратора, падающих на тыльную сторону каждой фацеты. Система наведения производит ориентацию параболоцилиндрического концентратора на Солнце по углу места.

Установка обеспечивает повышение эффективности и оперативности взаимной юстировки плоских зеркальных фацет с принимающей поверхностью линейного приемника. Недостаток известного решения заключается в том, что работа двигателей приводов слежения сопровождается большими пусковыми токами.

Известна автономная фотоэлектрическая система электроснабжения на основе автономных гелиостатов, каждый из которых включает отражательную поверхность, фотовольтаическую панель, систему слежения за положением Солнца, блок аккумуляторных батарей, контроллер с беспроводным приемником (см. заявка US 2009/0260619, МПК F24J 2/38, G05D 3/00, H01L 31/042, опубликована 22.10.2009). Гелиостаты осуществляют непрерывное слежение за положением Солнца, отражают солнечные лучи на центральное устройство преобразования солнечного излучения в электроэнергию. Для электроснабжения и обеспечения автономной работы гелиостата при отсутствии подключения к централизованной энергосети предлагается два возможных варианта:

- гелиостат отражает вторую порцию излучения на смонтированный рядом фотоэлектрический модуль, вырабатывающий электроэнергию;

- фотоэлектрический модуль расположен за отражающей поверхностью гелиостата, выполненной из дихроичного зеркала, которое позволяет передавать вторую порцию излучения на модуль.

Недостаток известной автономной фотоэлектрической системы электроснабжения заключается в том, что для производства электроэнергии в системе электроснабжения приводов слежения используются низкоэффективные кремниевые и тонкопленочные модули, а также в том, что в системе отсутствует устройство контроля режимов заряда-разряда аккумуляторной батареи, что может привести к ее преждевременной деградации и выходу из строя.

Наиболее близким к заявленному техническому решению по совокупности существенных признаков является автономная фотоэлектрическая система электроснабжения (см. патент RU 2414037, МПК H02J 7/35, опубликован 10.03.2011), принятая за прототип. Известная автономная фотоэлектрическая система электроснабжения состоит из солнечной фотоэлектрической установки, регулятора напряжения, потребителя мощности и резистора, а также зарядного и разрядного устройства, блока аккумуляторной батареи, датчика мощности, синхронизирующего генератора, блока сбора и обработки информации, устройства сравнения и корректирующего устройства, устройства контроля степени заряженности аккумуляторной батареи, блока управления электропитанием электродвигателей приводов горизонтального и вертикального поворотов солнечной фотоэлектрической установки, блока питания и управления приводом горизонтального поворота солнечной фотоэлектрической установки и блока питания и управления приводом вертикального поворота солнечной фотоэлектрической установки.

Достоинство системы-прототипа заключается в получении максимально возможной мощности и расширении области применения автономной фотоэлектрической системы электроснабжения.

Недостатками системы-прототипа является то, что система электропитания электродвигателей приводов слежения за Солнцем совмещена с системой электроснабжения потребителя мощности, что может привести к нарушению электроснабжения приводов, например, при чрезмерном разряде блока аккумуляторных батарей, в периоды пиковых нагрузок потребителя электроэнергии, их деградации и преждевременному выходу из строя.

Задачей заявляемого технического решения является разработка автономной фотоэлектрической системы электроснабжения на основе солнечной фотоэлектрической установки с энергоэффективной и надежной автономной системой электропитания электродвигателей приводов горизонтального и вертикального поворотов солнечной фотоэлектрической установки, обеспечивающей слежение за Солнцем независимо от энергосети потребителя.

Поставленная задача решается тем, что автономная фотоэлектрическая система электроснабжения включает солнечную фотоэлектрическую установку (ФЭУ), систему электроснабжения потребителя (СЭП) и систему электропитания приводов слежения за Солнцем (СЭПС). СЭП включает первый блок аккумуляторных батарей (БАК1), первый контроллер процессов заряда-разряда блока аккумуляторных батарей, совмещенного с устройством контроля степени заряженности БАК1 (К1), блок сбора и обработки информации (БСОИ), инвертор (ИН), первый датчик температуры (ДТ1) первого блока аккумуляторных батарей и первый ключ постоянного тока (КЛ1). СЭПС включает второй блок аккумуляторных батарей (БАК2), второй контроллер (К2), блок управления электропитания электродвигателей приводов горизонтального и вертикального поворотов солнечной фотоэлектрической установки (БУЭ), блок питания и управления электродвигателем (M1) привода горизонтального поворота солнечной фотоэлектрической установки (БПУГ), блок питания и управления электродвигателем (М2) привода вертикального поворота солнечной фотоэлектрической установки (БПУВ), второй датчик температуры (ДТ2) второго блока аккумуляторных батарей и второй ключ постоянного тока (КЛ2). Положительный выход ФЭУ соединен через КЛ1 с первым входом К1 и через КЛ2 с первым входом К2, а отрицательный выход ФЭУ подключен ко вторым входам К1 и К2. Первый вход/выход К1 соединен с первым входом/выходом БСОИ, второй вход/выход К1 подключен к положительному входу/выходу БАК1 и к первому входу ИН, а третий вход/выход К1 подключен к отрицательному входу/выходу БАК1 и ко второму входу ИН, третий вход которого соединен с выходом ДТ1, первый вход/выход ИН подключен ко второму входу/выходу БСОИ, а второй и третий выходы ИН предназначены для соединения с потребителем электроэнергии. Первый вход/выход К2 соединен с входом/выходом БУЭ, второй вход/выход К2 подключен к положительному входу/выходу БАК2 и к первому входу БУЭ, а третий вход/выход K2 подключен к отрицательному входу/выходу БАК2 и ко второму входу БУЭ, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами БПУГ, а четвертый, пятый и шестой выходы подключены соответственно к первому, второму и третьему входам БПУВ, четвертый вход/выход К2 подключен к третьему входу/выходу БСОИ. Выход БПУГ соединен с входом M1, а выход БПУВ подключен к входу М2. Новыми элементами фотоэлектрической системы электроснабжения являются второй контроллер (К2), второй датчик температуры (ДТ2), второй блок аккумуляторных батарей (БАК2). Введение этих элементов позволяет организовать надежное, независимое от потребителя электроснабжение электродвигателей приводов горизонтального и вертикального поворотов солнечной фйотоэлектрической установки и обеспечить ее бесперебойное функционирование.

Каждая ФЭУ может быть собрана из фотоэлектрических модулей.

В качестве фотоэлектрических модулей могут использоваться модули с концентраторами излучения и многопереходными солнечными элементами, а также плоские кремниевые модули.

Световоспринимающая поверхность каждой ФЭУ может быть выполнена в виде плоскости или в виде ступеней.

ФЭУ может располагаться на земле или на крыше здания.

Автономная фотоэлектрическая система электроснабжения на основе солнечной фотоэлектрической установки может быть дополнена резервными источниками энергии - ветровой установкой, мини-ГЭС, дизельным/бензиновым двигателем-генератором или может быть включена в состав комплексной системы энергоснабжения.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 приведена структурная схема настоящей автономной фотоэлектрической системы электроснабжения на основе ФЭУ;

на фиг.2 показан вид сзади на ФЭУ;

на фиг.3 приведен вид сбоку на ФЭУ;

на фиг.4 представлен вид в аксонометрии ФЭУ со ступенчатой световоспринимающей поверхностью.

Заявляемая высокоэффективная автономная система электроснабжения (см. фиг.1) содержит ФЭУ 1, которая осуществляет непрерывное слежение за положением Солнца на небосводе, СЭП 2 и СЭПС 3. СЭП 2 включает БАК1 4, К1 5, обслуживающий процессы заряда-разряда БАК1 4 и включающий устройство контроля степени заряженности, БСОИ 6, ИН 7, ДТ1 8 и КЛ1 9. К1 5 отслеживает и корректирует процессы заряда-разряда БАК1 4, который накапливает избыточную электроэнергию, вырабатываемую в системе, и восполняет ее недостаток, когда энергии от ФЭУ 1 недостаточно, ИН 7 служит для регулирования и преобразования напряжения постоянного тока в переменное напряжение, а также для поддержания режима работы ФЭУ 1 в точке максимальной мощности. БСОИ 6 осуществляет сбор и обработку данных системы и управляет режимами работы системы, потребителя мощности (П) 10. СЭПС 3 включает БАК2 11, К2 12, БУЭ 13, БПУГ 14 с M1 15, БПУВ 16 с М2 17, ДТ2 18 и КЛ2 19.

При работе заявляемой автономной фотоэлектрической системы электроснабжения ФЭУ 1, входящая в ее состав, непрерывно следит за Солнцем, улавливая солнечное излучение и преобразуя его в электроэнергию. Вырабатываемая электрическая мощность подается в системы электроснабжения П 10 и в БУЭ 13, БПУГ 14 с M1 15 и БПУВ 16 с М2 17. В случае сильного разряда БАК2 11 БСОИ 6 через К1 5 размыкает ключ КЛ1 9, вся вырабатываемая ФЭУ 1 мощность подается на поддержание СЭПС 3. К1 5 и К2 12 отслеживают процессы заряда и разряда соответственно БАК1 4 и БАК2 11, ограничивая зарядные и разрядные токи и предотвращая недопустимо глубокий разряд и перезаряд БАК1 4 и БАК2 11. Запасенная в БАК1 4 и БАК2 11 электроэнергия расходуется для покрытия электропотребления в утренние и вечерние часы, в пасмурные дни, а также при работе БАК1 4 и БАК2 11 в буферных режимах при пиковых нагрузках. ИН 7 преобразует постоянное напряжение от ФЭУ 1 в переменное напряжение 220 В, требуемое системе электроснабжения П 10, а также выполняет роль регулятора напряжения и постоянно поддерживает режим работы ФЭУ 1 в точке максимальной мощности. БУЭ 13 рассчитывает и корректирует с помощью специальных датчиков координаты Солнца и подает управляющие сигналы БПУГ 14 и БПУВ 16, питающим и управляющим соответственно M1 15 и М2 17 в ответ на изменение положения ФЭУ 1 в пространстве.

Предложенная высокоэффективная автономная фотоэлектрическая система электроснабжения на основе ФЭУ обеспечивает энергоэффективное снабжение удаленных потребителей электроэнергией высокого качества. Надежность электроснабжения механизмов слежения за Солнцем в отсутствие возможности подключения к централизованной энергосети достигается использованием собственной системы электроснабжения, работающей параллельно с системой электроснабжения потребителя.

1. Автономная фотоэлектрическая система электроснабжения, включающая солнечную фотоэлектрическую установку (ФЭУ), систему электроснабжения потребителя (СЭП) и систему электропитания приводов слежения за Солнцем (СЭПС), при этом СЭП включает первый блок аккумуляторных батарей (БАК1), первый контроллер процессов заряда-разряда блока аккумуляторных батарей, совмещенного с устройством контроля степени заряженности БАК1 (К1), блок сбора и обработки информации (БСОИ), инвертор (ИН), первый датчик температуры (ДТ1) БАК1 и первый ключ постоянного тока (КЛ1), а СЭПС включает второй блок аккумуляторных батарей (БАК2), второй контроллер (К2), блок управления электропитания электродвигателей приводов горизонтального и вертикального поворотов солнечной фотоэлектрической установки (БУЭ), блок питания и управления электродвигателем (M1) привода горизонтального поворота солнечной фотоэлектрической установки (БПУГ), блок питания и управления электродвигателем (М2) привода вертикального поворота солнечной фотоэлектрической установки (БПУВ), второй датчик температуры (ДТ2) БАК2 и второй ключ постоянного тока (КЛ2), причем положительный выход ФЭУ соединен через КЛ1 с первым входом К1 и через КЛ2 с первым входом К2, а отрицательный выход ФЭУ подключен ко вторым входам К1 и К2, первый вход/выход К1 соединен с первым входом/выходом БСОИ, второй вход/выход К1 подключен к положительному входу/выходу БАК1 и к первому входу ИН, а третий вход/выход К1 подключен к отрицательному входу-выходу БАК1 и ко второму входу ИН, третий вход которого соединен с выходом ДТ1, первый вход/выход ИН подключен ко второму входу/выходу БСОИ, а второй и третий выходы ИН предназначены для соединения с потребителем электроэнергии, первый вход/выход К2 соединен с входом/выходом БУЭ, второй вход/выход К2 подключен к положительному входу/выходу БАК2 и к первому входу БУЭ, а третий вход/выход К2 подключен к отрицательному входу-выходу БАК2 и ко второму входу БУЭ, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами БПУГ, а четвертый, пятый и шестой выходы подключены соответственно к первому, второму и третьему входам БПУВ, четвертый вход/выход К2 подключен к третьему входу/выходу БСОИ, выход БПУГ соединен с входом M1, а выход БПУВ подключен к входу М2.

2. Система электроснабжения по п.1, отличающаяся тем, что ФЭУ собрана из фотоэлектрических модулей.

3. Система электроснабжения по п.1, отличающаяся тем, что в качестве модулей применены модули с концентраторами излучения и многопереходными солнечными элементами или плоские кремниевые модули.

4. Система электроснабжения по п.1, отличающаяся тем, что световоспринимающая поверхность ФЭУ выполнена в виде плоскости или в виде ступеней.

5. Система электроснабжения по п.1, отличающаяся тем, что фотоэлектрическая установка расположена на земле или на крыше здания.

6. Система электроснабжения по п.1, отличающаяся тем, что дополнена ветровой установкой, или мини-ГЭС, или дизельным/бензиновым двигатель-генератором.