BG113510A - Електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление - Google Patents

Abstract

Системата е предвидена за едновременна фото-електрогенерация с отглеждането на земеделски култури на един и същ терен. Главните предимства на електрогенериращата агро-фотоволтаична система са, че тя осигурява допълнителна светлина за фотосинтезата и електрогенерацията, чрез отраженията от гъвкавото отражателно платно с отвори, постлано на терена. Тези предимства едновременно значително подпомагат фотосинтезата на растенията и електрогенерацията на двулицеви фотоволтаици. Електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление включва множество от фотоволтаични панели (1), монтирани върху наклонени рамки (2), като върху терена е постлано преместваемо гъвкаво отражателно платно с отвори (5), при което общ електрически извод от панелите (1) през контролер (6) е присъединен към оптимизиращ разпределителен блок (7), чийто първи сигнален вход е свързан със сигнален извод от датчик за светлина (8), втори сигнален вход е свързан със сигнален извод от комбиниран датчик за влажност и температура на въздуха (9), като първи електрически извод е свързан с кабелен вход на електрическа водна помпа (10), а втори електрически извод е свързан с кабелен вход на акумулаторна група (11).

Description

Електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Настоящото изобретение се отнася до електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление.

По-специално е предвидена за едновременно производство на електричество с отглеждането на земеделски култури на един и същ терен и за напояването им. А дистанционният мониторинг и управление са предвидени за оптималното развитие на земеделски култури.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Фотосинтезата е биохимически процес, който стои в основата на глобалното равновесие в земната атмосфера, определящо баланса на основни химически елементи - именно кислорода (02) и въглеродния диоксид (С02). Кислородът е жизнено необходим на всички животни, включително птиците и водните на планетата, СО2 е жизнено необходим на всички растения, включително и водораслите.

Известно е, че светлинната енергия, с помощта на водата, се превръща в химическа енергия за развитието на растенията.

Фотосинтезата се състои от два етапа:

• светлинни реакции и • тъмни реакции.

Светлинните реакции превръщат светлината в енергия, а тъмните реакции използват светлинната енергия и въглеродния диоксид за производството на захари, които биохимически акумулират енергията.

Въглеродният диоксид, водата и слънчевата светлина се използват за производство на глюкоза, кислород и вода. Химическото уравнение за този процес е:

6СО 2 + 6Н 2 О + светлина —>СвН 12 Ов ⁺ 60 г

От уравнението се вижда, че водата е решително важният елемент за реализирането на фотосинтезата, защото СО2 е част от атмосферния въздух. А светлината може да бъде пряка и непряка (отразена, дифузна).

Водата (и влагата) постъпва в листата на растенията (типичното място за фотосинтезата), както непряко през корените, така и пряко през листата им.

Германски, нидерландски и други фирми използват фотоволтаични панели, с които частично покриват плододайни растения. Така те подобряват и микроклимата за тях, включително ги предпазват от градушки. Но фотоволтаичните панели неизбежно препятстват пряка светлина, нужна за фотосинтезата, за да облъчва зелената листна маса на растенията. Затова е наложително и целесъобразно да се предвидят допълнителни технически средства, за да се увеличи интензивността на отразената светлина, попадаща върху листата на растенията.

В патентен документ на САЩ US2021328543(A1) е описано едновременно използване на земеделска земя за производство на храни, създаване на биоразнообразие и производство на енергия от възобновяеми източници чрез монтиране на фотоволтаични панелни редове на разстояние от 7 метра (22,9659 фута) до 11 метра (36,0892 фута) от един ред до следващия ред. Така се осигурява, възможност за подходящо преминаване на механизирано селскостопанско оборудване за между редовете. Тези междини могат да се ползват за различни пасища на добитък, за пчеларски дейности и др. Методът на работа е оптимизиран за генериране на енергия, като същевременно се съобразява с местния ландшафт и местните земеделски дейности на земята, за да се подобри земеделската ефективност на земята. Но не са предвидени никакви начини за допълнително осветяване на панелите от отражатели, нито е предвидено използването на слънчева енергия за земеделско напояване.

За по-слънчеви агротерени се предлага фотоволтаичен модул, подробно разрит в патентен документ от Израел W02022054061(A1). Представеният агро-фотоволтаичен модул може да даде възможност за растеж на земеделието и производство на енергия, например, чрез фотоволтаична(и) клетка(и), като същевременно се използва една и съща площ (земя, езеро, покрив и др.), Произведената фотоволтаична енергия или се използва от компонентите на модула, или се насочва към външна електрическа система.

Известни са най-различни решения за фотоволтаични панели с интегрирани носещи монтажни системи. Приложенията на системите са за наземен монтаж, както и върху търговски и промишлени слънчеви съоръжения, включително върху пътища, ж.п. трасета и други инфраструктури. Използването на полимерни, или армирани с диелектрични влакна полимерни рамки и монтажни конструкции, не изисква заземяването им.

От патентен документ на САЩ US2012186632(A1) е известно техническо решение за опорна конструкция за фотоволтаици, която включва: най-малко две странично разположени рамки, поставени върху опорна повърхност, като всяка рамка избирателно се преконфигурира между разширена конфигурация и сгъната конфигурация.

От патентен документ на Австралия AU2019318770(A1) са познати рамкови конструкции, поддържащи фотоволтаични панели в непосредствена близост до терена, като част от пейзажа.

В патентен документ на Франция W02021205114(A1) е разкрита система с поддържащи опори на фотоволтаични панели над земеделските културите. Опорите са предвидени да раздвижват фотоволтаиците, за да осигуряват светлина за растенията. Такова техническо решение е компромисно по отношение използването на светлината, но по неизгодното за него, е че задължително изисква механизми за движението (които значително оскъпяват конструкцията) и разбира се разходва енергия за самото движение.

От патентен документ на Сингапур WO2020226571 (А1) е известна сгъваема опорна конструкция за фотоволтаици.

Подобна конструкция е позната и от патентен документ на Канада СА2997333 (А1). С преконфигурацията на опорната конструкция, както със сгъването и ръзгъването й е възможна промяна на ориентацията на фотоволтаичните панели.

И в шестте горепосочени патентни документи, както и в други подобни, не са предвидени технически средства, които да пренасочват допълнително светлина, нито върху растенията, нито към приемните повърхности на фотоволтаиците.

От друг патентен документ на САЩ US2018254737 (А1) е известно по-ефективно техническо решение. То предвижда частично препокриване на фотоволтаиците. Разкрита е фотоволтаична система с множество от фотоволтаични панели, електрически свързани помежду си, монтирани върху наклонени рамки.

Нито едно от разгледаните патентни публикации, както и в други подобни, няма технически решения, които да пренасочват допълнително светлина върху растенията и фотоволтаиците, които да генерират електричество за локално напояване.

Затова разгледаните иновативни технически решения не са достатъчно енергоефективни като агро-фотоволтаични системи, защото не могат да осигурят комплексни оптимални условия за фотосинтезата и развитието на земеделските култури.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Задача на настоящото изобретение е да се обезпечи електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, която едновременно, с нулев разход на енергия, да осигурява възможните оптимални условия за фотоволтаиците и фотосинтезата на агрокултурите, както и електропомпеното им напояване за сметка на безплатната слънчева енергия.

Задачата е решена, чрез електрогенерираща агрофотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, включваща множество от фотоволтаични панели, електрически свързани помежду си, монтирани върху наклонени рамки, характеризираща се с това, че наклонените рамки, са правоъгълни и са монтирани върху успоредни шини, като всяка от тях е монтирана върху вертикални телескопични опори, които са фиксирани към терена, върху който е постлано преместваемо гъвкаво отражателно платно с отвори, при което общ електрически извод от фотоволтаичните панели, през контролер, е присъединен към електросилов вход на оптимизиращ разпределителен блок, чиито първи сигнален вход е свързан със сигнален извод от датчик за светлина, втори сигнален вход е свързан със сигнален извод от комбиниран датчик за влажност и температура на въздуха, като първи електрически извод е свързан с кабелен вход на електрическа водна помпа, втори електрически извод е свързан с кабелен вход на акумулаторна група.

В едно предпочитано изпълнение на електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление фотоволтаичните панели може да са двулицеви.

В друго предпочитано изпълнение на електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление телескопичните опори може да са кръгли композитни тръби.

В друго предпочитано изпълнение на електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление отражателното платно с отвори може да е с горен нанометричен слой бляскав алуминий, залепен върху армиран полиетиленов плат.

В друго предпочитано изпълнение на електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление гъвкавото отражателно платно с отвори може да е сгъваемо.

В друго предпочитано изпълнение на електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление сигналните връзки между оптимизиращия разпределителен блок, и датчика за светлина, и датчика за влажност и температура на въздуха може да са безжични.

В друго предпочитано изпълнение на електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление оптимизиращият разпределителен блок и електрическата водна помпа може да са програмируеми.

В друго предпочитано изпълнение на електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление оптимизиращият разпределителен блок, през приемопредавателно устройство може да е свързан с централен наблюдателен контролен пункт.

В друго предпочитано изпълнение на електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление електромоторът на електрическата водна помпа може да е плавно стартиращ.

В друго предпочитано изпълнение на електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление акумулаторната група е съставена от литиево-йонни акумулатори.

Главните предимства на електрогенериращата агрофотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно изобретението, са. че осигуряват допълнителна светлина за фотосинтезата и електрогенерацията, чрез отраженията от гъвкавото отражателно платно с отвори, постлано на терена. Тези предимства осигуряват по-добра фотосинтеза и усилена фотоволтаична електрогенерция.

Функционалните предимства на системата са поне осем:

1. Дневният излишък от фотоволтаичната електрогенерция се ползва за нощно помпено напояване.

2. Фотосинтеза и усилената фотоволтаична електрогенерция в реално време автоматично се управляват от оптимизиращия разпределителен блок и централният наблюдателен контролен пункт.

3. Системата, съгласно изобретението денонощно работи напълно автономно

4. Отразената светлина е за сметка на постлания терен, върху който няма земеделски култури.

5. Оптималната сезонна зенитна ориентация на фотоволтаиците е чрез подходящо регулиране дължините на телескопичните опори на конструкцията.

6. Електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно изобретението, се сглобява от пазарно налични компоненти и се изработва по познати технологии с известни материали. Затова не е нужна складова наличност от тях.

7. Важно предимство на изобретената система, е че се монтира на земеделски терени, които не е необходимо да се преобразуват за целта на инвестиционните проекти за фотоволтаични системи.

8. Предимство на универсалността на системата, съгласно изобретението, е че може фотоволтаиците и отражателите им да се монтират на селскостопански навеси, оранжерии и други спомагателни земеделски постройки.

Изброените предимства значително улесняват найширокото й пазарно разпространение, което е допълнително нейно икономическо предимство.

ПОЯСНЕНИЕ НА ПРИЛОЖЕНАТА ФИГУРА

Фигурата представя аксонометрична схема на електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно изобретението.

ПРИМЕР ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Примерът ще илюстрираме с показаната схема на електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно изобретението.

Представеният пример на фигурата не ограничава и не изчерпва вариантите за реализация изобретението.

Електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно изобретението, включва множество от фотоволтаични панели 1, електрически свързани помежду си, монтирани върху наклонени рамки 2. Тя се характеризира с това, че наклонените рамки 2, са правоъгълни и са монтирани върху успоредни шини 3, като всяка от тях е монтирана върху вертикални телескопични опори 4, които са фиксирани към терена, върху който е постлано преместваемо гъвкаво отражателно платно с отвори 5, при което общ електрически извод от фотоволтаичните панели 1, през контролер 6, е присъединен към електросилов вход на оптимизиращ разпределителен блок 7, чиито първи сигнален вход е свързан със сигнален извод от датчик за светлина 8, втори сигнален вход е свързан със сигнален извод от комбиниран датчик за влажност и температура на въздуха 9, като първи електрически извод е свързан с кабелен вход на електрическа водна помпа 10, втори електрически извод е свързан с кабелен вход на акумулаторна група 11.

Фотоволтаичните панели 1, са двулицеви, телескопичните опори 4 са кръгли композитни тръби, гъвкавото отражателно платно с отвори 5 е с горен нанометричен слой бляскав алуминий, залепен върху армиран полиетиленов плат и е сгъваемо.

Сигналните връзки между оптимизиращия разпределителен блок 7, и датчика за светлина 8, и комбинирания датчик за влажност и температура на въздуха 9 са безжични. Оптимизиращият разпределителен блок 7 и електрическата водна помпа 10 са програмируеми.

Оптимизиращият разпределителен блок 7, през приемопредавателно устройство 12, е свързан с централен наблюдателен контролен пункт.

Електромоторът на електрическата водна помпа 10 е плавно стартиращ, а акумулаторната група 11 е съставена от литиево-йонни акумулатори.

ИЗПОЛЗВАНЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Електрогенериращата агро-фотоволтаична система, съгласно изобретението, е предвидена да се монтира над земеделски култури в земеделски земи. Те не само овощни и зеленчукови градини, но и на пасища с леки постройки като кошари за животни и подобни. За целта не е необходима промяна на земеделския статут на терените, което е задължително за фотоволтаичните паркове у нас и в редица други държави.

Електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление напълно автоматизирано осигурява основните параметри за растежа на земеделските култури, а именно светлина и напояване, което става за сметка на безплатната слънчева светлина. Слънчевата енергия, преобразувана от фотоволтаичните панели 1, позволява денонощна напълно автономната й работа, благодарение на акумулираното електричество в акумулаторна й група 11.

Електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно изобретението, осигурява допълнителното осветяване (на растенията и на фтоволтаиците), чрез постлания терен със светло-отражателно платно, върху което няма земеделски култури. Гъвкавото отражателно платно с отвори 5 е армирано, за да може да поема известни натоварвания. Армировката му е целесъобразно да се направи с естествено биоразградими материали - например растителни фибри. А самото платно също е целесъобразно да бъде биоразградимо например биополимери.

Ролята на гъвкавото отражателно платно с отвори 5 е да пренасочва попадащата върху него дневна светлина към листната маса за подобряване на фотосинтезата и към светлоприемните повърхнини на фотоволтаичните панели 1.

С изменение на височините на телескопичните опори 4 се настройва ъгълът на наклона на фотоволтаичните панели 1, според сезона, с което се увеличава фото-електрогенерацията им.

Ролята на оптимизиращият разпределителен блок 7 е да разпределя фотоволтаичното електричество между пряко ползване за електрозахранване на помпата 10 и зареждането на акумулаторната група 11, в строго съответствие с получаваните сигнали от датчика за светлина 8, и комбинирания датчик за влажност и температура на въздуха 9, съгласно инсталирания му софтуер. Изпомпената вода служи за локално напояване на земеделските култури, денем при пряко електрозахранване от фотоволтаичните панели 1 и нощем от слънчево заредената акумулаторна група 11.

За оптимална работа на описаните режими е предвиден програмируемият оптимизиращ разпределителен блок 7. В неговия софтуер са заложени алгоритми на различни стратегии, които са разпределени в съответни пакети програми.

Програмируемият разпределителен блок 7 следи и записва различните работни режими в реално време. Той функционира, благодарение на датчиците 8 и 9 и заложения му софтеур. На това основание той си създава (самообучава се) нови конкретни правила и ги запазва в електронната си памет. Благодарение на тях формира алгоритъм за оптимална работа с различни целеви функции. За функционалните алгоритми изготвихме и базите с правила. Събраните бази с данни, факти и правила са неразделна част от алгоритмичното проектиране на техникотехнологична експертна система за автоматична работа в реално време на електрогенериращата агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно изобретението.

Експертната система е изпълнена с помощта на обектно ориентиран алгоритмичен език, съдържащ собствен механизъм на умозаключенията за автоматично вземане и изпълнение на решения в реално време. Така изготвеният софтуер работи като изкуствен интелект, формиращ решенията за оптималната работа на системата, съгласно изобретението.

От многобройните компютърни симулации и изпитания в реални речни условия постигнахме ноу-хау за оразмеряване на основните елементи на електрогенериращата агрофотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно изобретението и натрупахме необходимото проектантско ноу-хау. Основните изводи са обобщени по-долу:

1. Двулицевите фотоволтаичните панели 1 са с увеличена електрогенарция при еднакви останали условия.

2. Зимните наклони на фотоволтаичните панели 1 е препоръчително да бъдат по-големи от 45 ъглови градуса.

3. Височината на фотоволтаичните панели 1 над терена не оказва чувствително въздействие на електрогенерацията им.

4. Препоръчително е гъвкавото отражателно платно с отвори 5 да се постила на терена, така че да се минимизират сенките върху него от фотоволтаичните панели 1.

5. Препоръчително е отражателното платно да се отстранява временно, преди теренът да се обработва с тежки агромашини.

6. Най-значителна допълнителна фото- електрогнерация от отраженията се постига с плоски двулицеви панели

Значително се облекчава изграждането и експлоатацията на системата, съгласно изобретението, защото се сглобява от нескъпи и налични пазарни компоненти. А това е предпоставка за широкото й разпространение в практиката.

Claims (10)

1. Електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, включваща множество от фотоволтаични панели (1), електрически свързани помежду си, монтирани върху наклонени рамки (2), характеризираща се с това, че наклонените рамки (2), са правоъгълни и са монтирани върху успоредни шини (3), като всяка от тях е монтирана върху вертикални телескопични опори (4), които са фиксирани към терена, върху който е постлано преместваемо гъвкаво отражателно платно с отвори (5), при което общ електрически извод от фотоволтаичните панели (1), през контролер (6), е присъединен към електросилов вход на оптимизиращ разпределителен блок (7), чиито първи сигнален вход е свързан със сигнален извод от датчик за светлина (8), втори сигнален вход е свързан със сигнален извод от комбиниран датчик за влажност и температура на въздуха (9), като първи електрически извод е свързан с кабелен вход на електрическа водна помпа (10), втори електрически извод е свързан с кабелен вход на акумулаторна група (11).

2. Електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че фотоволтаичните панели (1), са двулицеви.

3. Електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно претенция 1 и 2, характеризираща се с това, че телескопичните опори (4) са кръгли композитни тръби.

4. Електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно претенции от 1 до 3, характеризираща се с това, че гъвкавото отражателно платно с отвори (5) е с горен нанометричен слой бляскав алуминий, залепен върху армиран полиетиленов плат.

5. Електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно претенции от 1 до 4, характеризираща се с това, че гъвкавото отражателно платно с отвори (5) е сгъваемо.

6. Електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно претенции от 1 до 5, характеризираща се с това, че сигналните връзки между оптимизиращия разпределителен блок (7), и датчика за светлина (8), и датчика за влажност и температура на въздуха (9) са безжични.

7. Електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно претенции от 1 до 6, характеризираща се с това, че контролерът (6), оптимизиращият разпределителен блок (7) и електрическата водна помпа (10) са програмируеми.

8. Електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно претенции от 1 до 7, характеризираща се с това, че оптимизиращият разпределителен блок (7), през приемопредавателно устройство (12), е свързан с централен наблюдателен контролен пункт.

9. Електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно претенции от 1 до 8, характеризираща се с това, че електромоторът на електрическата водна помпа (10) е плавно стартиращ.

10. Електрогенерираща агро-фотоволтаична система с пряко и непряко облъчване за помпено напояване с дистанционно управление, съгласно претенции от 1 до 9, характеризираща се с това, че акумулаторната група (11) е съставена от литиевойонни акумулатори.