CZ9901513A3

CZ9901513A3 - Zařízení pro orientaci oboustranných kolektorů sluneční energie

Info

Publication number: CZ9901513A3
Application number: CZ19991513A
Authority: CZ
Inventors: Vladislav Poulek
Original assignee: Vladislav Poulek
Priority date: 1999-04-29
Filing date: 1999-04-29
Publication date: 2000-12-13

Abstract

Zařízení obsahuje alespoň jeden oboustranný sluneční článek (1), který je přibližně rovinný, přičemž sluneční článek (1) je připevněn k rotační ose (3) zařízení tak, že rovina článku (1) je kolmá k oboustranným kolektorům (5) sluneční energie a rovnoběžná s rotační osou (3) zařízení a článek (1)je přímo připojen k reverzibilnímu elektromotoru (2), spojenému s rotační osou (3) zařízení, pro orientaci rotační osy (3) zařízení dokud je výkon článku (1) větší než výkon potřebný pro orientaci rotační osy (3) zařízení.Reverzibilní elektromotor (2) lze s výhodou opatřit samosvomým převodem (4).

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 rovnóramennéhó nebo lichoběžníkového rovnóramennéhó hranolu přičemž rovina symetrie je určena průsečnic! různoběžných rovin a Sluncem.

Nevýhodou antiparalelního zapojení rúznoběžně 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 jeden oboustranný sluneční článek pro

-3• · • · · přeměnu sluneční energie na energii elektrickou, nebo panel složený z oboustranných slunečních článků, je připevněn k rotační ose zařízení tak, že rovina článku 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 slunečním článkem 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 3,pod kterým sluneční záření dopadá na sluneční článekyse 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 oboustranného slunečního článku 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

-4♦ * t ft · · · proti mechanickému odporu v konstrukci zařízení a proti odporu prostředí. U existují cích zařízení pro orientaci kolektorů sluneční energie působí stále výkony nejméně dvou antiparalelně zapojených slunečních článků proti sobě a motor je poháněn rozdílovým výkonem.

V zařízení podle vynálezu je, pň sledování Slunce, osvětlen přímým slunečním záře ním vždy pouze jeden sluneční článek. U existujících zařízení pro orientaci kolekto rů sluneční energie jsou, při sledování Slunce, přímým slunečním zářením osvětleny vždy nejméně dva antiparalelně zapojené sluneční články.

Zařízení je určeno ke sledování slunce s přesností cca. + 5°. Proto není nutná ani přesná rovinnost ani přesná rovnoběžnost slunečních článků.

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

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

Připojení elektromotoru přímo ke slunečnímu článku, bez dalších elektronických obvodů zvyšuje spolehlivost zařízení.

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

-5'· ·

0 • 0 • 0 0 · * 0 • 0 0* ·

•000 00

0 0 0 kolektorů v úhlu 360°.

Přesnost sledování Slunce nového sledovače cca. +5° 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 panelem oboustranných 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 kolektorů 5 sluneční energie zahrnuje jeden oboustranný sluneční článek i pro přeměnu sluneční energie na energii elektrickou připevněný k svislé rotační ose 3 zařízení přičemž rovina článku 1 je kolmá k oboustranným kolektorům 5 sluneční energie a rovnoběžná s rotační osou 3 zařízení a sluneční článek 1 je přímo připojen k reverzibilnímu elektromotoru 2, spojenému s rotační osou 3 zařízení, pro orientaci zařízený který je umístěn v duté rotační ose 3 zařízení. Rotační osa 3 zařízení je otočně spojena se stojanem 6. Obr. 2 ukazuje půdorys zařízení.

Funkce zařízení je následující.

Β «

-ό• · · • · * • · * · * · · · · • · * • · ·

Při pohybu Slunce po obloze od východu k západu dochází k zvětšování úhlu β/pod kterým sluneční záření dopadá na sluneční článek L Současně roste výkon slunečního článku i připojeného k motoru 2 až do okamžiky kdy je výkon slunečního článku i větší než výkon potřebný pro orientaci oboustranných kolektorů 5 sluneční energie. V tom okamžiku začne motor 2 otáčet oboustranné kolektory 5 sluneční energie a sluneční článek 1 směrem k východu. Úhel f^pod kterým sluneční záření dopadá na sluneční článek 1 se začne zmenšovat až do okamžiku,kdy je výkon slunečního článku 1 menší než výkon potřebný pro orientaci oboustranných kolektorů 5 sluneční energie. Zařízení využívá záporné zpětné vazby.

Rozsah automatického natáčení oboustranných kolektorů 5 slunečního záření v tomto příkladu je 360°.

Příklad 2.

Na obr. 3 se zařízení pro orientaci oboustranných kolektorů 5 sluneční energie skládá z oboustranného slunečního článku I připojeného k reverzibilnímu stejnosměrnému motoru 2_;který je upevněn na konstrukci 6 umělého kosmického tělesa a jehož rotační hřídel je pevně spojen s rotační osou 3 zařízení. Článek 1 je připevněn k rotační ose 3 zařízení^přičemž jeho rovina je kolmá k oboustranným kolektorům 5 sluneční energie a rovnoběžná s rotační osou 3 zařízení. Obr. 4. ukazuje zapojení vypínače 7 do obvodu mezi sluneční článek 1 a elektromotor 2.

Funkce zařízení a rozsah automatického natáčení oboustranných kolektorů 5 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

-7existující 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

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení pro orientaci kolektorů slunečního záření připevněných k rotační ose zařízení^ která je otočně spojena se statorem zahrnující přibližně rovinné sluneční články 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 tím, že alespoň jeden oboustranný sluneční článek (1) pro přeměnu sluneční energie na energii elektrickou je připevněn k rotační ose (3) zařízení tak, že rovina článku (1) je přibližně kolmá k rovině oboustranných kolektorů (5) sluneční energie a rovnoběžná s rotační osou (3) zařízení.
2. Zařízení podle nároku 1 vyznačuje! se tím, že elektromotor (2) je opatřen samosvorným převodem (4) jehož hřídel je připevněn ke statoru (6).
3. Zařízení podle nároku 1 až 2, v y z n a č u j c í se t í m, ž e sluneční článek (1) je fotovoltaický.
4. Zařízení podle nároku 1 až 2, v y z n a č u j c í se t í m, ž e sluneční článek (1) je fotoelektrochemický.
5. Zařízení podle nároku 1 až 2, v y z n a č u j c í se t í m, ž e sluneční článek (1) je termoelektrický.
6. Zařízení podle nároku 1 až 2, v y z n a č u j í c í se t í m, ž e sluneční článek (1) je kombinovaný fotovoltaický a termoelektrický.
7. Zařízení podle nároku 1 až 6, vyznačující se tím, že sluneční článek (1) je připojen přímo k elektromotoru (2).
8. Zařízení podle nároku 1až 7, v y z n a č u j í c í se t í m, ž e mezi elektromotor (2) a sluneční článek (1) je zapojen nejméně jeden vypínač (7).