CZ365396A3

CZ365396A3 - Zařízení pro orientaci kolektorů sluneční energie

Info

Publication number: CZ365396A3
Application number: CZ963653A
Authority: CZ
Inventors: Vladislav Ing. Csc. Poulek
Original assignee: Vladislav Ing. Csc. Poulek
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 1998-06-17
Also published as: EP0944843A1; CZ283818B6; EP0944843B1; US6089224A; AU5115298A; AU730831B2; WO1998026303A1

Description

Vynález se týká zařízení pro sledování Slunce.

Dosavadní stav techniky

Existující aktivní sledovače slunce pracují obvykle na principu elektrooptických čidel Slunce lako~patenty U S. 3^493765^ 4.223.214, 4728,417^5,317/1457 Elektrooptické sledovače Slunce se obvykle skládají nejméně z jedné dvojice fotoodporů nebo fotovoltaických slunečních článků v antiparalelním zapojení, které je při stejné intenzitě osvětlení obou prvků elektricky vyváženo tak, že na hnacím motoru je nulový nebo zanedbatelný řídicí signál. Při nestejném osvětlení elektrooptických čidel vzniká rozdílový signál který je využit k pohonu motoru a k orientaci zařízení takovým směrem ve kterém je osvětlení elektrooptických čidel stejné a je obnovena rovnováha.

Dále existující aktivní sledovače slunce pracují na principu hodinových strojů nebo kombinující oba principy jako U.S. patent 4,031,385. Takové sledovače mohou pracovat s velkou přesností ale jsou složité a proto i nákladné a málo spolehlivé.

Existující pasivní sledovače Slunce pracující na principu tepelné roztažnosti hmoty nebo tvarové paměti kovů. Obvykle se skládají z dvojice proti sobě pracujících hnacích prvků která je při stejné intenzitě osvětlení obou prvků silově vyvážena. Při nestejném osvětlení hnacích prvků vzniká nerovnováha sil která je využita k orientaci zařízení takovým směrem ve kterém je dosaženo stejné osvětlení hnacích prvků a je obnovena rovnováha sil jako například U.S. patenty 2,967,249 a 4, 027, 651, GB patent 1,566,797, CZ patent 279 801 a DE 33 03 000 A1. Pasivní sledovače Slunce jsou ve srovnání s aktivními sledovači méně složité

-2a méně nákladné, ale pracují s velmi malou účinností a při nízkých teplotách atmosféry nefungují.

Aktivní i pasivní sledovače Slunce využívají pro rozdílné osvětlení čidel i hnacích prvků clony, zrcadla, čočky nebo vzájemnou polohu čidel nebo hnacích prvků nebo kombinaci těchto opatření, jak popisují např. patenty U.S. 4,082,947 a SU 1474397 A1 a DE 43 06 656 A1.

Například pro dvouosé sledování Slunce jsou sluneční články rozmístěny obvykle symetricky na různoběžných stěnách čtyřbokého jehlanu nebo komolého jehlanu přičemž osa symetrie je určena vrcholem jehlanu a Sluncem. Pro jednoosé sledování Slunce jsou sluneční články rozmístěny obvykle symetricky na dvou různoběžných stěnách trojbokého rovnoramenného nebo lichoběžníkového rovnoramenného hranolu přičemž rovina symetrie je určena průsečnicí různoběžných rovin a Sluncem.

Různoběžné symetrické umístění antiparalelně zapojených slunečních článků je výhodné pro přesné sledování Slunce protože kompenzuje izotropní i cirkumsolární difúzní složky slunečního záření které snižují přesnost sledování. Pro sledování Slunce je v tomto případě využito pouze přímé sluneční záření.

Nevýhodou tohoto uspořádání je snížení výkonu slunečních článků protože difúzní cirkumsolární záření nese podstatnou část energie slunečního záření.

Celkový výkon různoběžné umístěných antiparalelně zapojených slunečních článků dále snižuje to, že pracují s rozdílem výkonů slunečních článků.

Nízká účinnost různoběžné umístěných antiparalelně zapojených slunečních článků výrazně zvyšuje celkovou cenu zařízení protože náklady na sluneční

-3články tvoří velmi podstatnou část nákladů na zařízení.

Další nevýhodou antiparalelního zapojení různoběžně umístěných slunečních článků je opožděná dopolední zpětná orientace kolektorů sluneční energie od západu k východu protože u zařízení které ukončilo činnost odpoledne předcházejícího dne nesměřuje žádný sluneční článek k východu. Proto dochází k reorientaci až v pozdních dopoledních hodinách kdy je Slunce vysoko nad obzorem. Použití dalších pomocných slunečních článků pro reorientaci zvyšuje náklady na zařízení a jeho složitost. Použití zakřivených slunečních článků rovněž zvyšuje náklady. Protože je vždy osvětlena pouze jejich část je na stejný výkon třeba větší plocha a navíc u částečně osvětlených slunečních článků klesá silně celková účinnost. Provoz částečně osvětlených a částečně zastíněných slunečních článků se nedoporučuje protože může sluneční články poškodit.

Podstata vynálezu

Nedostatky známého stavu řeší zařízení pro orientaci kolektorů sluneční energie připevněných k rotační ose zařízení podle vynálezu.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že nejméně 1 solární článek, nebo solární panel obsahující nejméně 1 solární článek, pro přeměnu sluneční energie na energii elektrickou je připevněný k rotační ose zařízení a jeho rovina je od roviny kolmé ke kolektorům sluneční energie a rovnoběžné s rotační osou zařízení odchýlena očí/ o 0,1/45 úhlových stupňů k východu a je připojený k elektromotoru, spojenému s rotační osou zařízení, pro orientaci zařízení dokud je výkon slunečního článku větší než výkon potřebný pro orientaci zařízení.

í Při pohybu Slunce po obloze od východu k západu dochází k zvětšování úhlu β s pod kterým sluneční záření dopadá na sluneční článek. Současně roste výkon íí ž

* slunečního článku připojeného k motoru až do okamžiku kdy je síla motoru napá-4jeného slunečními články větší než síla potřebná pro orientaci kolektorů sluneční energie. V tom okamžiku začne motor otáčet kolektory sluneční energie, připevněné k rotační ose zařízení spolu se slunečním článkem, směrem k východu. Úhel β pod kterým sluneční záření dopadá na sluneční článek se začne zmenšovat až do okamžiku kdy je výkon slunečního článku menší než výkon potřebný pro orientaci kolektorů sluneční energie. Zařízení využívá záporné zpětné vazby.

Úhel 0,1/45° o který je sluneční článek odchýlen, od roviny kolmé ke kolektorům sluneční energie a rovnoběžné s rotační osou zařízení, k východu se nastaví tak aby byl výkon slunečního článku blízko prahové hodnoty potřebné pro orientaci zařízení a současně aby při tomto úhlu dopadalo na kolektory maximum sluneční energie. Tento úhel závisí zejména na parametrech zařízení a na místním podnebí a je nejčastěji cca. 20°.

V zařízení podle vynálezu působí výkon slunečního článku připojeného k motoru proti mechanickému odporu v konstrukci zařízení a proti odporu prostředí. Proto může zařízení pracovat také s jedním slunečním článkem nebo panelem.

U existujících zařízení pro orientaci kolektorů sluneční energie působí stále výkony nejméně dvou antiparalelně zapojených slunečních článků proti sobě a motor je poháněn rozdílovým výkonem.

Odpoledne zůstává zařízení s jedním panelem slunečních článků orientováno přibližně k západu. Ráno následujícího dne musí být zařízení přesměrováno směrem k východu ručně.

Umístění dalšího pomocného slunečního článku nebo panelu slunečních článků rovnoběžně s hlavním slunečním článkem nebo panelem slouží především ke včasné dopolední reorientaci kolektorů sluneční energie od západu k východu a

-5pouze doplňkově slouží ke kompenzaci izotropního difúzního slunečního záření. V zařízení podle vynálezu je při sledování Slunce vždy jeden z antiparalelně zapojených slunečních článků neosvětlen přímým slunečním zářením a výkon izotropního difúzního slunečního záření je zanedbatelný. U existujících zařízení pro orientaci kolektorů sluneční energie jsou při sledování Slunce přímým slunečním zářením vždy osvětleny oba antiparalelně zapojené sluneční články.

I | Zařízení podle vynálezu využívá přímé sluneční záření a pracuje při obvyklém provozu s celým, ne rozdílovým, výkonem slunečních článků připojených k moto* ru. Zařízení využívá navíc difúzní cirkumsolární záření a kompenzuje pouze izof;f·:

tropní difúzní sluneční záření které nese pouze malou část sluneční energie.

·>’ Funkce zařízení není závislá na přesném přizpůsobení antiparalelně zapojených slunečních článků protože využívá rozdílový signál pouze doplňkově pro kompenzaci izotropního difúzního záření a protože je určeno ke sledování slunce « s^přesností cca. + 10°. Proto není nutná ani přesná rovinnost ani přesná rovnoběžnost slunečních článků.

Uspořádání podle vynálezu umožňuje výrobu obou slunečních článků na společném nosiči a umístění obou slunečních článků do společného pouzdra. Protože náklady na výrobu slunečních článků a jejich pouzdření představují velmi podstatnou část ceny zařízení, umožňuje řešení podle vynálezu výrazné snížení celkové ceny zařízení.

Rovnoběžné uspořádání slunečních článků podle vynálezu umožňuje využít ' difúzní cirkumsolární složku slunečního záření které je při mimoběžném '? uspořádání slunečních článků kompenzováno. Použití difúzní složky ve t slunečním záření, která snižuje přesnost sledování Slunce, je možné protože, u ί plochých kolektorů a kolektorů s malou koncentrací záření současně s rostoucím

-ópodílem difúzní složky ve slunečním záření klesá potřeba přesného sledování Slunce při zachování maximálního zisku kolektorů sluneční energie.

Při převažujícím přímém slunečním záření je přesnost sledování Slunce potřebná pro zachycení maximálního množství sluneční energie cca. +10°. Při převažujícím difúzním slunečním záření je přesnost sledování Slunce potřebná pro zachycení maximálního množství sluneční energie cca. +30°. V limitním případě při zatažené obloze a při výhradně difúzním slunečním záření není sledování Slunce potřebné.

Využití cirkumsolární difúzní složky slunečního záření pro sledování Slunce umožňuje zachytit maximální množství sluneční energie při optimální ale ne maximální přesnosti sledování Slunce.

Zařízení může používat fotovoltaické nebo termoelektrické nebo fotoelektrochemické sluneční články nebo kombinované sluneční články.

Upevnění elektromotoru do duté rotační osy zařízení zjednodušuje montáž a je kompaktnější než současné uspořádání s lineárními elektrickými pohony. Motor může být opatřen samosvorným převodem který chrání motor před poškozením vnějšími silami, například poryvy větru.

Připojení elektromotoru přímo ke slunečním článkům, bez dalších elektronických obvodů zvyšuje spolehlivost zařízení.

Celkově má uspořádání podle vynálezu výrazně nižší výrobní náklady, jednodušší a kompaktnější konstrukci a vyšší účinnost než stávající zařízení pro orientaci plochých kolektorů sluneční energie a kolektorů s nízkou koncentrací záření a umožňuje včasnou ranní reorientaci těchto kolektorů.

-7Přesnost sledování Slunce nového sledovače cca. + 10° umožňuje u plochých kolektorů a kolektorů s malou koncentrací záření zachytit prakticky stejné množství sluneční energie jako při použití podstatně nákladnějších elektronických sledovačú s přesností sledování + 0,1° které jsou určeny pro kolektory s vysokou koncentrací záření.

Přehled obrázků

Na výkresech jsou schematicky znázorněny příklady provedení zařízení podle vynálezu. Obr. 1 ukazuje zařízení se svislou rotační osou opatřené jedním panelem slunečních článků. Zařízení pro orientaci kolektorů slunečního záření s vodorovnou rotační osou opatřené dvěma rovnoběžnými panely solárních článků je znázorněno na obr. 2 ve výchozí poloze při východu slunce, na obr.3 v aktivní poloze po východu slunce a na obr. 4 v poloze před západem Slunce. Obr. 5 ukazuje zařízení pro orientaci kolektorů podle vynálezu s polární osou rotace a na obr. 6 je zařízení pro orientaci kolektorů podle vynálezu s vodorovnou osou rotace a se slunečními články umístěnými v pouzdře. Zařízení opatřené dvěma panely solárních článků různých parametrů je znázorněno na obr. 7 kde tečkované šipky znázorňují izotropní difúzní záření, spojité šipky znázorňují cirkumsolární difúzní záření a čárkované šipky znázorňují přímé sluneční záření. Úplné schéma zapojení elektromotoru a slunečních článků ukazuje obr. 8.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1.

Na obr. 1 zařízení pro orientaci kolektorů sluneční energie 7 zahrnuje jeden sluneční článek 1 pro přeměnu sluneční energie na energii elektrickou připevněný ke svislé rotační ose 4 zařízení přičemž rovina článku 1 je od roviny kolmé ke kolektorům 7 sluneční energie a rovnoběžné s rotační osou 4 zařízení odchýlena o cca. 20 úhlových stupňů k východu a sluneční článek 1 je přímo připojený k

-8elektromotoru 3 spojenému s rotační osou 4 zařízení pro orientaci zařízení který je umístěn v duté rotační ose 4 zařízení.

Funkce zařízení je následující.

Ráno je zařízení orientováno k východu. Při pohybu Slunce po obloze od východu k západu dochází k zvětšování úhlu β pod kterým sluneční záření dopadá na sluneční články 1. Současně roste výkon slunečních článků 1 připojených k motoru 3 až do okamžiku kdy je výkon slunečních článků 1 větší než výkon potřebný pro orientaci kolektorů 7 sluneční energie. V tom okamžiku začne motor 3 otáčet kolektory 7 sluneční energie a sluneční články 1 směrem k východu. Úhel β pod kterým sluneční záření dopadá na sluneční články se začne zmenšovat až do okamžiku kdy je výkon slunečních článků 1 menší než výkon potřebný pro orientaci kolektorů 7 sluneční energie. Zařízení využívá záporné zpětné vazby. Odpoledne zůstává zařízení s jedním panelem slunečních článků 1 orientováno přibližně k západu. Ráno následujícího dne musí být zařízení přesměrováno směrem k východu ručně.

Rozsah automatického natáčení kolektorů 7 slunečního záření v tomto příkladu je cca. 150°.

Příklad 2.

Na obr. 2, obr. 3. a obr. 4 se zařízení pro orientaci kolektorů 7 sluneční energie skládá ze slunečního článku 1 a pomocného slunečního článku 2 které jsou antiparalelně zapojeny, jsou rovnoběžné a mají přibližně stejné parametry. Články 1_a 2 jsou připojeny k reverzibilnímu stejnosměrnému motoru 3 který je umístěn v duté rotační ose 4 zařízení. Články 1 a 2 jsou připevněny k vodorovné rotační ose 4 zařízení přičemž jejich rovina je odchýlena od roviny kolmé ke kolektorům 7 sluneční energie a rovnoběžné s rotační osou 4 zařízení o cca. 20° k východu.

-9Funkce zařízení je následující.

ς.

Před východem slunce je zařízení orientováno k západu. Po východu slunce dopadá sluneční záření pod velkým úhlem na pomocný sluneční článek 2 připojený k motoru 3. Motor napájený slunečním článkem 2 otáčí zařízení za Sluncem dokud se úhel £ slunečních paprsků dopadajících na sluneční články 2 nezmenší tak že výkon slunečního článku 2 jDoklesne pod prahový výkon potřebný pro orientaci zařízení. Zařízení je orientováno přibližně k východu. Slunce postoupí na obloze o úhel 2J3 směrem k západu. V tomto úhlu kolektory 7 sluneční energie nesledují Slunce. Při dalším postupu směrem k západu dopadá sluneční záření pod velkým úhlem na sluneční článek i připojený k motoru 3. Motor 3 napájený slunečním článkem 1 otáčí zařízení k západu za Sluncem dokud se úhel £ slunečních paprsků dopadajících na sluneční články 1 nezmenší tak že výkon slunečního článku 1 poklesne pod prahový výkon potřebný pro orientaci zařízení. Obr. 3 ukazuje že sluneční články 1 jsou v celém rozsahu sledování a v obou směrech vždy v dosahu slunečního záření.

Rozsah automatického natáčení kolektorů 7 slunečního záření je cca. 150°-2β.

Příklad 3.

Na obr. 5 se zařízení pro orientaci kolektorů 7 sluneční energie skládá ze slunečního článku 1 a pomocného slunečního článku 2 které jsou antiparalelně zapojeny, jsou rovnoběžné a mají přibližně stejné parametry. Články 1 a 2 jsou připojeny k reverzibilnímu stejnosměrnému motoru 3 pro pohon zařízení který je umístěn v duté rotační ose 4 zařízení. Články 1 a 2 jsou připevněny k polární rotační ose 4 zařízení přičemž jejich rovina je odchýlena od roviny kolmé ke kolektorům 7 sluneční energie a rovnoběžné s rotační osou 4 zařízení o cca. 20° k východu.

-10Funkce zařízení a rozsah automatického natáčení kolektorů 7 slunečního záření jsou stejné jako v příkladu 2.

Příklad 4.

Na obr. 6 se zařízení pro orientaci kolektorů sluneční energie skládá ze slunečních článků 1 a 2 které jsou vyrobeny na společném nosiči, jsou antiparalelně zapojeny, jsou rovnoběžné a jsou umístěny ve společném pouzdře 5 a mají přibližně stejné parametry. Články 1 a 2 jsou připojeny k reverzibilnímu stejnosměrnému motoru 3 který je upevněn v duté rotační ose 4 zařízení a je opatřen samosvorným převodem 6 pro pohon zařízení a jehož hřídel je spojen se statorem 8. Články 1 a 2 jsou připevněny k vodorovné rotační ose 4 zařízení přičemž jejich rovina je odchýlena od roviny kolmé ke kolektorům Z sluneční energie a rovnoběžné s rotační osou 4 zařízení o cca. 20° k východu.

Funkce zařízení je následující.

Před východem slunce je zařízení orientováno k západu. Po východu slunce dopadá sluneční záření pod velkým úhlem na pomocný sluneční článek 2 připojený k motoru 3. Motor napájený slunečním článkem 2 otáčí zařízení za Sluncem dokud se úhel £ slunečních paprsků dopadajících na sluneční články 2 nezmenší tak že výkon slunečního článku 2 poklesne pod prahový výkon potřebný pro orientaci zařízení. Zařízení je orientováno přibližně k východu. Slunce postoupí na obloze o úhel 2J3 směrem k západu. V tomto úhlu kolektory 7 sluneční energie nesledují Slunce. Při dalším postupu směrem k západu dopadá sluneční záření pod velkým úhlem na sluneční článek 1. připojený k motoru 3. Motor 3 napájený slunečním článkem 1 otáčí zařízení k západu za Sluncem dokud se úhel β slunečních paprsků dopadajících na sluneční články 1 nezmenší tak že výkon slunečního článku 1_poklesne pod prahový výkon potřebný pro orientaci zařízení. Když je vnější kroutící moment, vyvolaný například větrem, působící na

I kolektory 7 sluneční energie větší než kroutící moment motoru 3, zablokuje samosvorný převod 6 rotační osu 4_zařízení.

Příklad 5

Na obr. 7 se zařízení pro orientaci kolektorů 7 slunečního záření skládá ze slunečního článku 1 a pomocného slunečního článku 2 které jsou antiparalelně zapojeny a mají pouze přibližně stejné elektrické parametry a jsou pouze přibližně rovnoběžné a rovinné a nejsou umístěny ve společném pouzdře. Schéma na obr. enjkážujéyžé^čráhkyl^27šbul5řij5ojéňy^řím(rk^ěvěRÍbilnímu stéjnoslWhěmu elektromotoru 3. Lineární reverzibilní stejnosměrný motoriji 3 je spojen jedním koncem se statorem 8 a druhým koncem s rotační osou 4 zařízení. Články jsou 1 a .2 jsou připevněny k rotační ose 4 zařízení přičemž jejich rovina je odchýlena od I roviny kolmé ke kolektorům 7 sluneční energie a rovnoběžné s rotační osou 4 zařízení o úhel β cca. 20° k východu.

Funkce zařízení a rozsah automatického natáčení kolektorů 7 slunečního záření jsou stejné jako v příkladu 2.

Předcházející popis uspořádání zařízení pro orientaci kolektorů slunečního záření ukazuje pouze některé příklady zařízení a nepředstavuje všechny existující varianty zařízení možné podle vynálezu. U popsaného zařízení je možné, mimo jiné, obměňovat umístění slunečních článků připevněných přímo nebo nepřímo k rotační ose zařízení.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro orientaci kolektorů slunečního záření podle vynálezu je použitelné všude, kde se využívá sluneční energie, například k ohřevu vody, k přeměně na elektrickou energii apod.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY orientaci kolektorů slunečnípřipevněných k rotační ose zařízení která je otočně spojena se statorem ₍ zahrnující sluneční článek připevněný k rotační ose zařízení vyznačující se t í m, ž e alespoň jeden sluneční článek (1)_fpro přeměnu sluneční energie na energii elektrickou, je připevněný k rotační ose (4) zařízení tak, že rovina článku (1) je od roviny kolmé ke kolektorům (7) sluneční energie a rovnoběžné s rotační osou (4) zařízení odchýlena o 0,1 $5 úhlových stupňů k východu a sluneční článek (1) je připojený k elektromotoru (3), spojenému s rotační osou (4) zařízení, pro orientaci rotační osy (4) zařízení dokud je výkon článku (1) větší, než výkon potřebný pro orientaci rotační osy (4) zařízení.
2. Zařízení podle nároku 1, vyznačuje! se tím, že má alespoň dva antiparalelně zapojené sluneční články (í ,2) které jsou přibližně rovinně, přibližně stejných parametrů a navzájem přibližně rovnoběžné a elektromotor (3), e reverzibilní.
3. Zařízení podle nároku 2, v y z n a č u j c í se t í m, ž e antiparalelně zapojené sluneční články (1,2) jsou umístěny ve společném pouzdře (5).
4. Zařízení podle nároku 2, vyznačujcísetím, že antiparalelní sluneční články (1,2) jsou na společném nosiči a jsou umístěny ve společném pouzdře (5)·
5. Zařízení podle nároku 1 až 4, v y z n a č u j c í se t í m, že elektromotor (3) je upevněn v rotační ose (4) zařízení a je opatřen samosvorným převodem (6) jehož hřídel je připevněn ke statoru (8).
6. Zařízení podle nároku 1 až 5, v y z n a č u j c í se t í m, ž e sluneční články (1,2) jsou fotovoltaické.
7. Zařízení podle nároku 1 až 5, vyznačuje! se tím, že sluneční články (1,2) jsou fotoelektrochemické.
8. Zařízení podle nároku 1 až 5, v y z n a č u j c í se t í m, ž e rovina článků (1,2) je od roviny kolmé ke kolektorům (7) sluneční energie a rovnoběžné s rotační

-13Ay osou (4) zařízení odchýlena o 5^30 úhlových stupňů k východu.
9. Zařízení podle nároku 1 až 5, vyznačující se tím, že sluneční články (1,2) jsou kombinované fotovoltaické a fotoelektrochemické.
10. Zařízení podle nároku 1až 9, v y z n a č u j í c í se t í m, ž e sluneční články (1,2) jsou připojeny přímo k elektromotoru (3).