Устройство для исследования систем слежения за солнцем

Авторы патента:

Даниель Герра Диас (RU)

Яковлева Эмилия Владимировна (RU)

H02S20/32 - Производство, преобразование и распределение электрической энергии

Владельцы патента RU 2758783:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» (RU)

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к системам слежения за солнцем. Изобретение можно использовать для увеличения захвата солнечных лучей, увеличения энергии, вырабатываемой этими системами, и повышения их эффективности. Техническим результатом является повышение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. Устройство позволяет оценить в конкретных климатических условиях региона работу и эффективность систем слежения за солнцем по сравнению со стационарными системами, поскольку они увеличивают производство электроэнергии на 30-40% по сравнению со стационарными системами. 5 ил., 1 табл.

Известна система солнечного слежения для фотовольтаических панелей (Автор: Рамиро А.Э. и Эрнесто Х. П. из Лаборатория солнечной энергии и Окружающая среда - Факультет физико-математических и естественных наук -U.N.S.L, сентябрь 2018 г. (https://www.researchgate.net/publication/331175353_sistema_de_seguimiento_solar_para_paneles_fotovoltaicos), в котором используются датчики света LDR-типа, которые являются аналоговыми датчиками низкой точности, кроме того, в конструкции используется микропроцессор Arduino типа Mega 2650, а также часы реального времени типа DS1307, карта памяти SD для сохранения полученных данных и два серводвигателя. Представленная авторами конструкция рассчитана на работу с двумя разными типами алгоритмов слежения за Солнцем: астрономическим и оптическим, независимо и в комбинации.

Недостатком этой конструкции является использование световых датчиков LDR-типа, которые являются аналоговыми и их диапазон измерения люменов ограничен 10 люксами. Применение таких датчиков выдает очень низкий диапазон измерения солнечного света для алгоритма оптического отслеживания.

Известна фотоэлектрическая система низкой эффективности с солнечным слежением (Автор: Педро Мануэль Родриго Крус от Национальный технологический институт Мексики, Ноябрь 2016 г) (http://www.itcelaya.edu.mx/ojs/index.php/pistas/article/download/590/525), в котором используется одноосный солнечный трекер, управляемый Arduino.

Предложенная автором конструкция состоит из двух систем: стационарной или фиксированной системы и системы слежения за Солнцем, но с одной осью. Предлагаемая система может перемещаться только по вертикальной оси (тип вертикальной системы слежения за Солнцем). Для управления в системе используется микропроцессор Mega 2650, часы реального времени DS1307, а также датчик тока типа ASC712 для измерения тока солнечной панели, а также линейный привод для движения солнечной панели.

Недостатком системы является наличие только одной оси движения, то есть прототип может выполнять слежение за Солнцем только по вертикальной оси. Поэтому данная система обладает более низкой эффективностью по сравнению с системами слежения за Солнцем с двумя осями.

Известно устройство двухосных солнечных трекеров (Автор: Зарин Лопес Милланес, Хаэнский университет, ноябрь 2015 г.) (http://tauja.ujaen.es/bitstream/10953.1/2293/1/Memoria%20Programa%20Seguidor%20Solar%20Zar%C3%ADn%20L%C3%B3pez%20Millanes.pdf). Представленный прототип имеет двухосную систему слежения за солнцем (слежение за солнцем по вертикальной и горизонтальной осям), управляемую микропроцессором Arduino UNO, а также датчик солнечного излучения для измерения интенсивности солнечного света.

Система не имеет оптической системы слежения, поэтому система выполняет корректировку слежения за солнцем в неблагоприятных погодных условиях. Недостатком прототипа является то, что пошаговое перемещение шестерен, соединенных с двигателями, в этой экспериментальной схеме осуществляется с угловым смещением 5 градусов. Это негативно сказывается на точность системы.

Техническим результатом является повышение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую энергию.

Технический результат достигается тем, что в качестве основания, установлена коробка подключений внутри которой последовательно соединены друг с другом часы, адаптер памяти microSD, модуль связи Wi-Fi, микропроцессор, реле подключения, а сверху закреплена Т-образная опора, на концах верхней поверхности которой с одной стороны установлена солнечная система слежения, которая включает закреплённый датчик напряжения и тока, на котором установлены друг над другом серводвигатели для вертикального и горизонтального поворота, на нем с возможностью поворота установлена солнечная панель малой мощности, по углам которой, установлены высокоточные цифровые датчики света, солнечная стационарная система, которая включает датчик солнечного излучения, который установлен с противоположной стороны от датчика напряжения и тока, на нем установлена опора, на которой жестко закреплена солнечная панель малой мощности, на задней стороне солнечных панелей малой мощности закреплены датчики рабочей температуры и датчик наклона, в центре верхней поверхности Т-образной опоры установлена опора Г-образной формы на ней смонтирована метеорологическая станция, внутри которой установлены датчик температуры окружающей среды, атмосферного давления и относительной влажности и цифровой компас.

Устройство для исследования систем слежения за Солнцем представлено на чертежах:

фиг. 1 – общий вид устройства;

фиг. 2 – устройство вид сбоку;

фиг. 3 – экспериментальный стенд,

фиг. 4 – блок–схема устройств;

Фиг. 5 – алгоритм работы устройства, где:

1 – коробка подключений;

2 – система слежения за Солнцем;

3 – стационарная система;

4 – Т-образная опора;

5 – солнечная панель малой мощности;

6 – метеорологическая станция;

7 – датчик солнечного света;

8 – серводвигателей для горизонтального поворота;

9 – серводвигателей для вертикального поворота;

10 – датчик температуры окружающей среды, атмосферного давления и относительной влажности;

11 – высокоточные цифровые датчики света;

12 – датчика рабочей температуры;

13 – датчик напряжения и тока;

14 – датчик солнечного излучения;

15 – часы;

16 – цифровой компас;

17 – адаптер памяти microSD;

18 – модуль связи Wi-Fi;

19 – микропроцессор;

20 – реле подключения;

21 – опора;

22 – внешний источник питания;

23 – датчик наклона.

Устройство для исследования систем слежения за солнцем включает основание в качестве, которого используется коробка подключений 1 (фиг. 1- 3) на которой, закреплена Т-образная опора 4. Внутри коробки подключений 1 находятся последовательно соединенные друг с другом часы 15, адаптер памяти microSD 17, модуль связи Wi-Fi 18, микропроцессор 19, реле подключения 20 для внешнего источника питания 22.

На концах верхней поверхности Т-образной опоры 4 с одной стороны установлена система слежения за Солнцем 2, с другой стороны - стационарная система 3.

Система слежения за Солнцем 2 включает закреплённый датчик напряжения и тока 13, на котором установлены друг над другом серводвигатель для вертикального поворота 9 и серводвигатель для горизонтального поворота 8. На серводвигателе для горизонтального поворота 8 закреплена шаровая опора для крепления солнечной панели малой мощности 5. По углам солнечной панели малой мощности 5 установлены высокоточные цифровые датчики света 11.

Стационарная система 3 состоит из датчика солнечного излучения 14, который установлен с противоположной стороны от датчика напряжения и тока 13. Сверху на датчик солнечного излучения 14 установлена опора 21, на которой закреплена солнечная панель малой мощности 5, в центре на задней поверхности установлен датчик наклона 23.

В центре верхней поверхности Т-образной опоры 4 установлена опора 21 Г-образной формы на которой смонтирована метеорологическая станция 6, внутри которой находятся датчик температуры окружающей среды, атмосферного давления и относительной влажности 10 и цифровой компас 16.

На задней стороне солнечных панелей малой мощности 5 закреплены датчики рабочей температуры 12.

Характеристики датчиков, которые установлены в устройство для исследования систем слежения за солнцем представлены в таблице 1.

Таблица 1 – технические характеристики каждого из электронных компонентов, составляющих экспериментальный дизайн.

Датчики	Технические характеристики	Тип сигнал
Датчик температуры окружающей среды, атмосферного давления и относительной влажности (BME280).	Температура: +/- 1Cº Влажность: +/- 3% Давление: +/- 1 гПа.	цифровой
Высокоточные цифровые датчики света (BH1750FVI)	Диапазон Люмен: от -1 до -65535 люкс (16 бит).	цифровой
датчика рабочей температуры (DS18D20).	Диапазон температур: от -55 до 125 ° C (12 бит).	цифровой
Датчик напряжения и тока (INA226).	Диапазон напряжения и тока: от 0 до 30 В и от 0 до 3 А.	цифровой
Датчик солнечного излучения (PYR20).	Диапазон солнечного излучения: от 0 до 2000 Вт / м²	аналогичный
Часы (DS1307) и Цифровой компас (HMC5883L).	Диапазон входного напряжения: от 4,5 до 5,5 В постоянного тока. Магнитометр, компас, 3-осевой цифровой компас (+/- 8 Гаусс во всем диапазоне)	цифровой
Aдаптер памяти microSD	---	цифровой
Модуль связи Wi-Fi (ESP8266)	IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi (32 бит)	цифровой
Cерводвигатели (ES08MAII)	Скорость работы: 0,12 сек / 60 градусов	аналогичный
Микропроцессор (МЕГА 2650)	Ядро: 8-битный AVR. Тактовая частота: 16 МГц Объём Flash-памяти: 256 КБ (8 КБ занимает загрузчик) Объём SRAM-памяти: 32 КБ Объём EEPROM-памяти: 4 КБ, Портов ввода-вывода всего: 54,Портов с АЦП: 16.	цифровой
Реле подключения	Напряжение: 5 В.	аналогичный
Внешний источник питания	Диапазон входного напряжения: 0-30 В, 1,5 А	аналогичный
Cолнечные панели 2 (CNC85X115-18).	Диапазон входного напряжения: 0-18 В, 0.1 А	аналогичный

Устройство для исследования систем слежения за солнцем работает следующим образом. Внешний источник питания 22 (фиг. 1,2,4) через разъем в коробке подключений 1 передает энергию реле подключения 20, а от неё к микропроцессору 19. Микропроцессор 19 выполняет коды инициации, затем считывает полученные значения с датчика солнечного света 7, датчика температуры окружающей среды, атмосферного давления и относительной влажности 10, датчика рабочей температуры 12, датчика напряжения и тока 13, датчика солнечного излучения 14, часов 15 и цифрового компаса 16. После подтверждения об отсутствии ошибок измерения или неисправностей датчиков информация сохраняется в памяти microSD 17. После считывания данных с датчиков микропроцессор 19 выполняет коды для отслеживания положения Солнца, используя уравнения, после вычисления горизонтальных и вертикальных углов солнечного пути, эти угловые значения корректируются с помощью датчиков света 7. Датчики света 7 определяют среднее значение максимальной интенсивности света, расположенной в этой точке, значения углов поворота для серводвигателя для горизонтального поворота 8 и серводвигателя для вертикального поворота 9. Серводвигатель для горизонтального поворота 8 и серводвигатель для вертикального поворота 9 поворачивают солнечную панель малой мощности 5 под рассчитанными вертикальными и горизонтальными углами. Модуль связи Wi-Fi 18 передает данные на компьютер для их просмотра. Время для контроля и управления системой определяется часами 15. На фиг. 5 показан алгоритм работы системы.

Стационарная система экспериментальной модели образована высокоэффективным аморфным солнечным модулем 5. Угол наклона солнечного модуля определяется углом географической широты согласно расчетным формулам или по справочным данным для региона, где будет проводиться исследование стационарных солнечных энергетических систем. После определения угла наклона модуля оператор вручную выставляет угол наклона панели и с помощью датчика наклона можно определить, находится ли солнечная панель в правильном положении 23. На обратной стороне солнечного модуля находится датчик температуры 12 для измерения рабочей температуры солнечного модуля.

Данные о температуре и угле наклона, полученные с помощью датчика температуры 12 и датчика наклона 23, передаются на микропроцессор 19 для последующей записи в адаптере памяти microSD 17.

При попадании естественного и/или искусственного света на поверхность солнечного модуля 5 в нем на основании внутреннего фотоэффекта происходит генерация электрической энергии, проявляющиеся силой тока напряжением. Величина тока и напряжения измеряются датчиком напряжения и тока 13. Далее данные передаются на микропроцессор 19 для последующей обработки и проведения анализа эффективности стационарных систем и систем слежения за Солнцем.

Повышение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую энергию достигается за счет реализации одновременно двух систем управления – астрономической и оптической. С помощью датчиков осуществляется позиционирование модуля на максимально яркий объект, положение которого по высоте-азимуту корректируется по рассчитанным уравнениям положения Солнца. Устройство позволяет оценить в конкретных климатических условиях региона работу и эффективность систем слежения за солнцем по сравнению со стационарными системами, поскольку они увеличивают производство электроэнергии на 30-40% по сравнению со стационарными системами.

Устройство для исследования систем слежения за Солнцем, включающее основание, опору, серводвигатели для вертикального и горизонтального поворота, отличающееся тем, что в качестве основания установлена коробка подключений, внутри которой последовательно соединены друг с другом часы, адаптер памяти microSD, модуль связи Wi-Fi, микропроцессор, реле подключения, а сверху закреплена Т-образная опора, на концах верхней поверхности которой с одной стороны установлена солнечная система слежения, которая включает закреплённый датчик напряжения и тока, на котором установлены друг над другом серводвигатели для вертикального и горизонтального поворота, на нем с возможностью поворота установлена солнечная панель малой мощности, по углам которой установлены высокоточные цифровые датчики света, солнечная стационарная система, которая включает датчик солнечного излучения, который установлен с противоположной стороны от датчика напряжения и тока, на нем установлена опора, на которой жестко закреплена солнечная панель малой мощности, на задней стороне солнечных панелей малой мощности закреплены датчики рабочей температуры и датчик наклона, в центре верхней поверхности Т-образной опоры установлена опора Г-образной формы, на ней смонтирована метеорологическая станция, внутри которой установлены датчик температуры окружающей среды, атмосферного давления и относительной влажности и цифровой компас.

Изобретение относится к области использования солнечной энергии, в частности к устройствам преобразования энергии светового излучения в тепло и электричество, и предназначено для получения горячей воды и электричества для бытовых нужд с помощью солнечного излучения. Автономный солнечный фототеплотрубный водонагреватель содержит бак с тепловым коллектором, выполненным в виде наклонных граней призмы, теплоизоляцию, покрывающую наружные поверхности бака, причем бак выполнен в виде расположенной вдоль конька крыши тепловой трубы, изготовленной в форме продольного бака, выполненного из металла с высокой теплопроводностью, полость которого является адиабатной зоной переноса теплоты, наружная поверхность теплового коллектора покрыта фотоэлементами, соединенными между собой и снабженными на торцах выходными коллекторами одноименных зарядов, соединенными с преобразователем и аккумулятором, днище бака - зона конденсации выполнено в виде щелевого канала для подогрева воды, выполненного с уклоном i, обеспечивающим протекание воды самотеком, снабженного патрубками входа и выхода подогреваемой воды, верхняя поверхность щелевого канала и внутренняя поверхность теплового коллектора - зона испарения покрыты решеткой, выполненной из пористого материала, боковые поверхности бака покрыты слоем пористого материала, а выходной патрубок соединен с накопительной емкостью, внутри которой помещен электронагреватель, соединенный с аккумулятором.

Солнечная гибридная энергетическая установка для зданий // 2755657

Изобретение относится к области электротехники, в частности к солнечным энергетическим установкам для зданий для получения электрической энергии и теплоты. Технический результат заключается в увеличении времени работы солнечных модулей в утренние и вечерние часы, повышается коэффициент использования установленной мощности гелиотехнических устройств и достигается тем, что в солнечной гибридной энергетической установке для зданий, содержащей установленные параллельно поверхности крыши здания отражатели солнечного излучения и перпендикулярно поверхности крыши солнечные модули из скоммутированных солнечных элементов с ориентацией рабочих поверхностей на восток и запад, односторонние солнечные модули установлены попарно с зазором d между ними, в зазоре между модулями установлен теплообменник с двусторонним абсорбером, пространство между двумя солнечными модулями и двусторонним абсорбером с каналами для прокачки теплоносителя заполнено слоем силиконового геля, толщина слоя силиконового геля и двухстороннего абсорбера соизмерима с толщиной d зазора между солнечными модулями.

Солнечный дом // 2755204

Изобретение относится к гелиоархитектуре и гелиоэнергетике, в частности к солнечным зданиям со встроенными солнечными энергетическими установками для получения электрической энергии и теплоты. В солнечном доме, содержащем ограждающие конструкции стен и крышу с установленными параллельно поверхности крыши отражателями солнечного излучения и установленными в меридиональном направлении двусторонними солнечными модулями в защитной оболочке из стекла с каждой стороны модуля с ориентацией рабочих поверхностей на восток и запад, на одной стороне модуля по всей площади рабочей поверхности в тепловом контакте со стеклянной защитной оболочкой закреплена герметичная камера из прозрачного материала для прокачки прозрачного для солнечного излучения теплоносителя, соединенная с контуром горячего водоснабжения и отопления солнечного дома.

Система терморегулирования для управления температурой отражающей поверхности, имеющей массив концентраторов солнечной энергии // 2754718

Изобретение относится к массивам концентраторов солнечной энергии и, в частности, к системам и способам терморегулирования массивов концентраторов солнечной энергии. Раскрыта система терморегулирования для управления температурой селективно отражающей панели.

Магнитоэлектрический генератор // 2752389

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам с постоянными магнитами и солнечными модулями. В предлагаемом магнитоэлектрическом генераторе, содержащем ротор с осью вращения с двумя скользящими контактами и постоянные магниты, ротор выполнен в виде цилиндра из электроизоляционного материала, на цилиндрической поверхности ротора параллельно его оси закреплены n секций из m изолированных плоских двойных ленточных проводников, плоскости которых перпендикулярны плоскости осевого сечения ротора, каждый изолированный плоский двойной ленточный проводник в секции состоит из двух изолированных друг от друга плоских ленточных проводников, соединенных последовательно, расположенных параллельно друг к другу в одной плоскости и установленных в плотном контакте между торцами постоянных магнитов, которые ориентированы по отношению друг к другу противоположными парами полюсов, все m изолированных плоских двойных ленточных проводников в n секциях соединены последовательно и образуют электрическую обмотку ротора, выводы электрической обмотки ротора присоединены к скользящим контактам, установленным вокруг оси ротора на его торце.

Складной дирижабль-самолёт // 2752326

Изобретение относится к области авиации. Складной дирижабль-самолет содержит мягкую оболочку с камерами, выполненную в виде крыла большого удлинения с дозвуковым аэродинамическим профилем, два надувных киля с двумя рулями направления, один руль высоты, две силовые установки, состоящие из электромоторов и флюгируемых воздушных винтов, солнечные батареи, расположенные на верхней поверхности упомянутого крыла, связной и командный блоки управления, а также контейнер для полезной нагрузки.

Устройство гелиостата // 2752072

Изобретение относится к солнечной энергетике, а именно к устройству гелиостата. Технический результат заключается в увеличении срока службы модулей, эффективности преобразования энергии излучения в электрическую, а также в обеспечении позиционирования устройства на Солнце, защиты от неблагоприятных условий окружающей среды, очистки и охлаждения.

Солнечный электромагнитный двигатель (варианты) // 2751789

Изобретение относится к электротехнике, в частности к двигателям постоянного тока с постоянным магнитом, использующим солнечный фотоэлектрический генератор для питания обмотки ротора. Технический результат заключается в более полном использовании энергии солнечных элементов и увеличении их напряжения, а также в снижении потерь в роторе за счёт исключения скользящих контактов, увеличения количества постоянных магнитов, изменения конфигурации магнитного поля и использования импульсного питания электрических обмоток.

Способ и устройство производства электроэнергии за счет ветросолнечной панели // 2750380

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении эффективности выработки электроэнергии.

Автономное мобильное устройство для генерирования, аккумулирования и распределения электроэнергии // 2749548

Изобретение относится к области электротехники, в частности к автономному мобильному устройству (1), предназначенному для генерирования, аккумулирования и распределения электроэнергии. Технический результат заключается в повышении надежности электроснабжения потребителей.

Гибридный энергетический комплекс // 2759192

Изобретение относится к гибридным энергетическим комплексам и предназначено для бесперебойного электро-, тепло- и холодоснабжения локальных объектов. Гибридный энергетический комплекс (ГЭК) содержит фотоэлектрический преобразователь, приводной дизель, механически связанный с аксиальным многофазным бесконтактным синхронным генератором, аккумуляторную батарею, выполняющую роль аварийного источника питания и выполненную с возможностью соединения через выпрямитель с выходом аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора и имеющую возможность подключения к потребителям постоянного тока и через инвертор к потребителям переменного тока, тепловой преобразователь, трехвходовую аксиальную генераторную установку, механически связанную с приводным дизелем и имеющую механический, световой и тепловой входы. Выход фотоэлектрического преобразователя соединен со световым входом трехвходовой аксиальной генераторной установки. Аккумуляторная батарея выполнена с возможностью подключения через выпрямитель к выходу трехвходовой аксиальной генераторной установки. Приводной дизель сообщен с блоком утилизации тепла. ГЭК дополнительно содержит солнечную тепловую панель, холодильный аппарат, преобразователь «тепло-холод» и тепловой аккумулятор, выполненный с первым и вторым входами и первым и вторым выходами, при этом его первый вход подключен к солнечной тепловой панели, а его второй вход подключен к выходу блока утилизации тепла, его первый выход выполнен с возможностью подключения к потребителям тепловой энергии, а его второй выход подключен ко входу преобразователя «тепло-холод», выход которого выполнен с возможностью подключения к потребителям холода. Аксиальная трехвходовая генераторная установка выполнена вертикально-осевой. Выход теплового преобразователя подключен к тепловому входу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки. Вход холодильного аппарата выполнен с возможностью подключения к выходу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки, аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора и инвертора, а выход выполнен с возможностью подключения к потребителям холода. Техническим результатом является обеспечение возможности снабжения потребителей теплом, холодом и электроэнергией. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.