CZ398297A3 - Zařízení pro orientaci oboustranných kolektorů sluneční energie - Google Patents

Abstract

Zařízení obsahuje alespoň dva antiparalelně zapojené slunečné články /1, 2/, které jsou přibližně rovinné, přibližně stejných parametrů a navzájem přibližně rovnoběžné; Sluneční články /1, 2/ jsou připevněné k rotační ose /4/ zařízení tak, že rovina článků /1, 2/ je kolmá k oboustranným kolektorům /7/ sluneční energie a rovnoběžná s rotační osou /4/ zařízení· Články /1, 2/ jsou přímo připojeny k reverzibilnímu 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. Sluneční články /1, 2/ mohou být umístěny ve společném pouzdře /5/. Mohou být také vyrobeny na společném nosiči. Reverzibilní elektromotor /3/ lze s výhodou opatřit samosvorným převodem /6/.

Description

Zařízení pro orientaci oboustranných kolektorů sluneční energie

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro sledování Slunce zejména na umělých družicích Země, pilotovaných orbitálních stanicích a dalších umělých kosmických tělesech a v polárních oblastech Země.

Dosavadní stav techniky

Existující aktivní sledovače slunce pracují obvykle na principu elektrooptických čidel Slunce jako patenty U.S. 3,493,765, 4.223.214, 4,328,417 a 5,317,145. 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 řídící 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. Takové sledovače mohou pracovat s velkou přesností ale jsou složité a proto i málo spolehlivé a nákladné. Na umělých kosmických tělesech se naopak vyžaduje extrémní spolehlivost

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.

Nevýhodou 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 jeho složitost a snižuje spolehlivost zařízení. 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.

V přihlášce vynálezu PV-3653-96 jeden pár slunečních článků umožňuje včasnou ranní reorientaci zařízení ale nemůže zajistit orientaci jednostranných kolektorů na Slunce v úhlu 360°. To je nutné zejména na umělých kosmických tělesech a u sledovačů Slunce umístěných v polárních oblastech Země kde se Slunce může objevit v libovolném úhlu v rozmezí 360°.

Podstata vynálezu

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

Podstata vynálezu spočívá v tom, že dva antiparalelně zapojené sluneční články pro přeměnu sluneční energie na energii elektrickou, nebo panely složené ze slunečních • *

-3• · · · • · · · · • · · · · · · ·· «· 999999· ·· · článků, jsou navzájem rovnoběžné a jsou připevněné k rotační ose zařízení tak, že rovina článků je kolmá k oboustranným kolektorům sluneční energie a rovnoběžná s rotační osou zařízení a články jsou přímo připojeny k reverzibilnímu elektromotoru, spojenému s rotační osou zařízení, pro orientaci rotační osy zařízení dokud je výkon článků větší než výkon potřebný pro orientaci rotační osy zařízení.

Při pohybu Slunce po obloze dochází k zvětšování úhlu β pod kterým sluneční záření dopadá na sluneční článek. Současně roste výkon slunečního článku připojeného k motoru až do okamžiku kdy je síla motoru napájeného 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. 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.

Nastavení roviny slunečních článků kolmo k rovině kolektorů sluneční energie, v kombinaci s použitím oboustranných kolektorů sluneční energie, umožňuje aby zařízení orientovalo kolektory sluneční energie tak že sluneční záření dopadala přibližně kolmo na jednu nebo druhou stranu oboustranných kolektorů sluneční energie při libovolné poloze Slunce v rozsahu 360°. Použití oboustranných kolektorů sluneční energie umožňují nové oboustranné sluneční články které mají prakticky stejnou účinnost při osvitu jedné nebo druhé strany. Dříve byly dostupné oboustrané sluneční články s podstatně větší účinností přední strany proti straně zadní.

V zařízení podle vynálezu působí výkon slunečního článku připojeného k motoru proti mechanickému odporu v konstrukci zařízení a proti odporu prostředí. U existujících zařízení pro orientaci kolektorů sluneční energie působí stále výkony nejméně dvou antiparalelně zapojených slunečních článků proti sobě a motor je poháněn roz• · ·· ····

-4·· ·· dílovým výkonem.

V zařízení podle vynálezu je při sledování Slunce vždy jeden z antiparalelně zapojených slunečních článků neosvětlen přímým slunečním zářením. U existujících zařízení pro orientaci kolektorů sluneční energie jsou při sledování Slunce přímým slunečním zářením vždy osvětleny oba antiparalelně zapojené sluneční články.

Funkce zařízení není závislá na přesném přizpůsobení antiparalelně zapojených slunečních článků protože protože je určeno ke sledování slunce s přesností cca. + 5-10°. 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. To podstatně zvyšuje spolehlivost zařízení. Protože náklady na výrobu slunečních článků a jejich pouzdření představují velmi podstatnou část ceny zařízení, umožňuje řešení podle vynálezu výrazné snížení celkové ceny zařízení.

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

Motor může být opatřen samosvorným převodem který chrání motor před poškozením vnějšími silami.

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

Umístění nejméně jednoho vypínače mezi elektromotor a sluneční články umožňuje v případě interakce pohybu kolektorů sluneční energie se stabilizačním systémem • · ·· ····

-5umělého kosmického tělěsa vypnout zařízení.

Celkově je zařízení podle vynálezu podstatně spolehlivější protože je výrazně jednodušší a kompaktnější a má nižší výrobní náklady než stávající zařízení pro orientaci plochých kolektorů sluneční energie a umožňuje reorientaci těchto kolektorů v úhlu 360°.

Přesnost sledování Slunce nového sledovače cca. + 10° umožňuje u plochých kolektorů zachytit prakticky stejné množství sluneční energie jako při použití podstatně složitějších elektronických sledovačů s přesností sledování + 0,1°.

Přehled obrázků

Na výkresech jsou schematicky znázorněny příklady provedení zařízení podle vynálezu. Obr. 1 ukazuje pozemní zařízení se svislou rotační osou opatřené dvěma rovnoběžnými panely solárních článků jejichž rovina je kolmá k rovině oboustranných kolektorů sluneční energie. Půdorys tohoto zařízení je znázorněn na obr. 2. při různých polohách Slunce. Obr. 3 ukazuje zařízení pro orientaci kolektorů podle vynálezu na umělém kosmickém tělese. Úplné schéma zapojení elektromotoru a slunečních článků ukazuje obr. 4.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1.

Na obr. 1 zařízení pro orientaci oboustranných kolektorůJ7 sluneční energie zahrnuje dva sluneční články 1,2 pro přeměnu sluneční energie na energii elektrickou připevněné ke svislé rotační ose 4 zařízení přičemž rovina článků 1,2 je kolmá k oboustranným kolektorům 7 sluneční energie a rovnoběžná s rotační osou 4 zařízení a antiparalelně zapojené sluneční články 1,2 jsou přímo připojeny k reverzibilnímu elektromotoru 3, spojenému s rotační osou 4 zařízení, pro orientaci

zařízení který je umístěn v duté rotační ose 4 zařízení. Obr. 2 ukazuje půdorys zařízení.

Funkce zařízení je následující.

Při pohybu Slunce po obloze od východu k západu dochází k zvětšování úhlu β pod kterým sluneční záření dopadá na sluneční články 1,2. Současně roste výkon slunečních článků 1,2 připojených k motoru 3 až do okamžiku kdy je výkon slunečních článků 1,2 větší než výkon potřebný pro orientaci oboustranných kolektorů 7 sluneční energie. V tom okamžiku začne motor 3 otáčet oboustranné kolektory 7 sluneční energie a sluneční články 1,2 směrem k východu. Úhel β pod kterým sluneční záření dopadá na sluneční články se začne zmenšovat až do okamžiku kdy je výkon slunečních článků 1,2 menší než výkon potřebný pro orientaci oboustranných kolektorů 7 sluneční energie. Zařízení využívá záporné zpětné vazby.

Rozsah automatického natáčení oboustranných kolektorů 7 slunečního záření v tomto příkladu je 360°.

Příklad 2.

Na obr. 3 se zařízení pro orientaci oboustranných kolektorů 7 sluneční energie skládá ze slunečních článků 1,2 které jsou antiparalelně zapojeny, jsou rovnoběžné a mají přibližně stejné parametry. Články 1_a 2 jsou připojeny k reverzibilnímu stejnosměrnému motoru 3 který je upevněn v na konstrukci umělého kosmického tělesa a jehož rotační hřídel je pevně spojen s rotační osou 4 zařízení. Články 1 a 2 jsou připevněny k rotační ose 4 zařízení přičemž jejich rovina je kolmá k oboustranným kolektorům 7 sluneční energie a rovnoběžná s rotační osou 4 zařízení. Obr. 4. ukazuje zapojení vypínače 9 do obvodu mezi sluneční články 1,2 a elektromotor 3.

• · ····

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

Předcházející popis uspořádání zařízení pro orientaci oboustranných 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 oboustranných kolektorů slunečního záření podle vynálezu je použitelné zejména na umělých kosmických tělesech a pro orientaci kolektorů sluneční energie v polárních oblastech Země.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro orientaci kolektorů slunečního záření zařízení která je otočně spojena se statorem zahrnující alespoň dva antiparalelně zapojené sluneční články které jsou přibližně rovinné, přibližně stejných parametrů a navzájem přibližně rovnoběžné připevněné k rotační ose zařízení přičemž sluneční články jsou připojeny k reverzibilnímu elektromotoru, spojenému s rotační osou zařízení, pro orientaci rotační osy zařízení dokud je výkon článku větší než výkon potřebný pro orientaci rotační osy zařízení vyznačující se t í m, ž e alespoň dva sluneční články (1,2) pro přeměnu sluneční energie na energii elektrickou jsou připevněny k rotační ose (4) zařízení tak, že rovina článků (1,2) je přibližně kolmá k rovině oboustranných kolektorů (7) sluneční energie a rovnoběžná s rotační osou (4) zařízení.
2. 2. Zařízení podle nároku 2, vyznačujcísetím, že antiparalelně zapojené sluneční články (1,2) jsou umístěny ve společném pouzdře (5).
3. 3. Zařízení podle nároku 2, vyznačujcísetím, že antiparalelní sluneční články (1,2) jsou na společném nosiči a jsou umístěny ve společném pouzdře (5).
4. 4. Zařízení podle nároku 1 až 4, v y z n a č u j c í se t í m, že elektromotor (3) je opatřen samosvorným převodem (6) jehož hřídel je připevněn ke statoru (8).
5. 5. 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.
6. 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 fotoelektrochemické.
7. 7. 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 termoelektrické.
8. 8. Zařízení podle nároku 1 až 5, v y z n a č u j í c í se t í m, ž e sluneční články (1,2) jsou kombinované fotovoltaické a termoelektrické.
9. 9. Zařízení podle nároku 1 až 8, 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).