RU2789205C1 - Solar photovoltaic power plant - Google Patents
Solar photovoltaic power plant Download PDFInfo
- Publication number
- RU2789205C1 RU2789205C1 RU2022112909A RU2022112909A RU2789205C1 RU 2789205 C1 RU2789205 C1 RU 2789205C1 RU 2022112909 A RU2022112909 A RU 2022112909A RU 2022112909 A RU2022112909 A RU 2022112909A RU 2789205 C1 RU2789205 C1 RU 2789205C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- shaft
- solar
- power plant
- cylindrical
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности к солнечным энергетическим устройствам, предназначенным для выработки электроэнергии путем фотоэлектрического преобразования солнечной энергии на лунной поверхности.The invention relates to solar energy, in particular to solar energy devices designed to generate electricity by photoelectric conversion of solar energy on the lunar surface.
При использовании солнечных энергетических устройств в условиях космического пространства, охлаждение каскадных солнечных элементов осуществляется только радиационным способом, так как при отсутствии воздушной атмосферы не может быть задействован механизм конвекционного переноса тепла. Отвод тепла от солнечных энергетическим систем при установке на поверхности Луны усложняется, поскольку в течение лунного дня происходит разогрев открытой лунной поверхности Солнцем до температуры более 120°С, что значительно снижает эффективность отвода тепла от солнечных элементов в открытое пространство.When using solar power devices in outer space, the cooling of cascade solar cells is carried out only by the radiative method, since in the absence of an air atmosphere, the mechanism of convection heat transfer cannot be activated. Removal of heat from solar energy systems when installed on the surface of the Moon becomes more complicated, since during the lunar day the open lunar surface is heated by the Sun to a temperature of more than 120 ° C, which significantly reduces the efficiency of heat removal from solar cells to open space.
Известно солнечное энергетическое устройство (см. RU 2230396, МПК H01L 31/042, опубл. 10.06.2004), состоящее из плоских панелей в виде каркаса и натянутого на него сетеполотна, разделенного на ячейки, в которых размещены модули. Модули содержат фотоэлектрические преобразователи прямоугольной формы, коммутационные металлические шины, защитные стеклянные пластины, подложку, элементы крепления модуля к сетеполотну и шунтирующие диоды. Стеклянные пластины покрывают во взаимно перпендикулярных направлениях несколько фотоэлектрических преобразователей и образуют цельные блоки. Края блоков соединены подложкой в виде полос, в промежутках между фотоэлектрическими преобразователями смежных блоков размещены объемные изгибы-компенсаторы в шинах. Элементы крепления, шунтирующие диоды и шины, вблизи краев модуля установлены на наружной поверхности стеклянных пластин на тыльной стороне модуля. Элементы крепления выполнены в виде площадки со стержнем, при этом площадка соединена со стеклянной пластиной, а конец стержня пропущен через сетеполотно и загнут на нить сетеполотна.A solar power device is known (see RU 2230396, IPC H01L 31/042, publ. 06/10/2004), consisting of flat panels in the form of a frame and a mesh stretched over it, divided into cells in which modules are placed. The modules contain rectangular photovoltaic converters, switching metal busbars, protective glass plates, a substrate, elements for fastening the module to the grid, and shunt diodes. Glass plates cover several photovoltaic converters in mutually perpendicular directions and form solid blocks. The edges of the blocks are connected by a substrate in the form of strips, in the gaps between the photoelectric converters of adjacent blocks there are volumetric bends-compensators in the tires. Fastening elements, shunt diodes and tires, near the edges of the module, are installed on the outer surface of the glass plates on the rear side of the module. The fastening elements are made in the form of a platform with a rod, while the platform is connected to a glass plate, and the end of the rod is passed through the mesh and bent onto the thread of the mesh.
Известное солнечное энергетическое устройство имеет низкий удельный энергосъем вследствие значительного разогрева фотоэлектрических преобразователей.Known solar power device has a low specific energy output due to significant heating of photovoltaic converters.
Известно фотоэлектрическое устройство (см. US 20110017875, МПК B64G 1/44, HOIL 31/042, опубл. 27.01.2011), содержащее несущую конструкцию космического аппарата, на которой закреплена панель концентраторных фотоэлектрических элементов, включающая в себя множество линз Френеля, направляющих свет на панель фотоэлектрических преобразователей, термически подключенных к центральной несущей конструкции через тепловую трубу. Тепловая труба обеспечивает передачу генрируемого тепла от панели фотоэлектрических преобразователей и рассеяние его на радиаторе тепловой трубы и элементах несущей конструкции.A photovoltaic device is known (see US 20110017875, IPC B64G 1/44, HOIL 31/042, publ. 01/27/2011), containing a supporting structure of a spacecraft, on which a panel of concentrating photovoltaic cells is fixed, including a plurality of Fresnel lenses that direct light on the panel of photovoltaic converters, thermally connected to the central supporting structure through a heat pipe. The heat pipe ensures the transfer of the generated heat from the photovoltaic converter panel and its dissipation on the heat pipe radiator and supporting structure elements.
Недостатком известного фотоэлектрического устройства является низкий удельный энергосъем.A disadvantage of the known photovoltaic device is the low specific energy output.
Известно солнечное фотоэлектрическое устройство (см. WO 2018148796, МПК H01L 31/0525, H02S 40/44, H02S 40/42, опубл. 23.08.2018), содержащее фотоэлектрическую солнечную панель, в которой каждый фотоэлектрический преобразователь установлен на радиатор теплоотвода и подключен к первому контуру охлаждения. В первом контуре охлаждения происходит перенос тепла охлаждающей жидкостью от радиаторов в первый теплообменник с помощью насоса низкого давления. В первом теплообменнике происходит передача тепла во второй контур охлаждения. Охлаждение жидкости первого контура происходит за счет энергии парообразования при кипении теплоносителя второго контура, циркуляция которого производится с помощью насоса высокого давления. Во втором контуре происходит перенос тепла и передача его в третьем теплообменнике в емкость с водой при конденсации паров теплоносителя второго контура.A solar photovoltaic device is known (see WO 2018148796, IPC H01L 31/0525, H02S 40/44, H02S 40/42, publ. the first cooling circuit. In the first cooling circuit, heat is transferred by the coolant from the radiators to the first heat exchanger using a low pressure pump. In the first heat exchanger, heat is transferred to the second cooling circuit. Cooling of the liquid of the primary circuit occurs due to the energy of vaporization during the boiling of the coolant of the second circuit, which is circulated by means of a high-pressure pump. In the second circuit, heat is transferred and transferred in the third heat exchanger to a container with water during condensation of the vapors of the second circuit coolant.
Известное солнечное фотоэлектрическое устройство обладает высокой производительностью при переносе тепловых потоков, но имеет сложную конструкцию и ее применение на лунных станциях в условиях большого перепада температур не представляется возможным.Known solar photovoltaic device has a high performance in the transfer of heat fluxes, but has a complex design and its use on lunar stations in conditions of large temperature differences is not possible.
Известна солнечная фотоэлектрическая установка (см. RU 2286517, МПК F24J 2/42, опубл. 27.10.2006), включающая солнечную батарею, набранную из концентраторных фотоэлектрических модулей с прямоугольными корпусами, содержащих фотоэлектрические преобразователи, находящиеся в фокусах линз Френеля, размещенную на механической системе ориентации на Солнце, содержащей приводы зенитального и азимутального вращения, снабженные шаговыми мотор-редукторами, систему слежения, оснащенную датчиками положения Солнца. Механическая система включает две рамы - базовую, вращающуюся вокруг вертикальной оси и подвешенную, с закрепленными концентраторными фотоэлектрическими модулями, обеспечивающую поворот вокруг горизонтальной оси.Known solar photovoltaic installation (see RU 2286517, IPC
Известная солнечная фотоэлектрическая установка имеет недостаточную общую энергоэффективность вследствие большой площади нефотоактивной области фотоэлектрической установки и неэффективную систему отвода тепла, что не обеспечивает возможность использования фотоэлектрической установки на Луне.The known solar photovoltaic installation has insufficient overall energy efficiency due to the large area of the non-photoactive area of the photovoltaic installation and an inefficient heat removal system, which does not allow the use of a photovoltaic installation on the Moon.
Известна фотоэлектрическая энергетическая система (см. US 8242350, МПК H01L 31/042, F24J 2/10 опубл. 24.08.2012), включающая множество фотоэлектрических концентраторных модулей, собранных в двухмерном массиве, где каждый фотоэлектрический концентраторный модуль содержит корпус, имеющий основание и боковые стенки, соединенные с основанием и механизм перемещения, который может поворачивать и перемещать фотоэлектрический концентраторный модуль вокруг двух осей относительно монтажной плиты, чтобы обеспечить максимальный прием падающего солнечного света для каждого фотоэлектрического элемента концентраторного модуля.Known photovoltaic power system (see US 8242350, IPC H01L 31/042, F24J 2/10 publ. 24.08.2012), including many photovoltaic concentrator modules assembled in a two-dimensional array, where each photovoltaic concentrator module contains a housing having a base and side walls connected to the base and a movement mechanism that can rotate and move the photovoltaic concentrator module about two axes relative to the mounting plate in order to maximize the reception of incident sunlight for each concentrator module photovoltaic cell.
Недостатком известной фотоэлектрической энергетической системы является сложность устройства слежения за Солнцем, обеспечивающего поворот вокруг двух осей и перемещение каждого фотоэлектрического концентраторного модуля, и, как следствие этого, низкая надежность конструкции, а также недостаточно эффективная система отвода тепла от солнечных элементов.A disadvantage of the known photovoltaic power system is the complexity of the Sun tracking device, which provides rotation around two axes and movement of each photovoltaic concentrator module, and, as a result, low reliability of the design, as well as an insufficiently efficient system for removing heat from solar cells.
Известна фотоэлектрическая энергогенерирующая станция (см. CN 106100558, МПК H02S 20/32, H02S 40/22, опубл. 11.09.2016), которая содержит опору и корпус для крепления групп фотоэлектрических концентраторных модулей для преобразования солнечной энергии в электрическую. Каждый фотоэлектрический концентраторный модуль в группе содержит чип фотоэлектрического элемента, над чипом фотоэлектрического элемента установлен объемный фокон и линза Френеля для фокусировки света на чипе фотоэлектрического элемента. Каждая группа фотоэлектрических концентраторных модулей содержит механизм фокусировки, позволяющий поворачивать группу модулей по двум осям для осуществления ориентации модулей на Солнце.A photovoltaic power generating station is known (see CN 106100558, IPC
Недостатками известной фотоэлектрической энергогенерирующей станции при размещении ее на поверхности Луны является недостаточно эффективная система отвода тепла и усложненная система управления движением корпуса фотоэлектрических концетраторных модулей, приводящая к большому углу поворота фотоэлектрических концентраторных модулей в плоскости перпендикулярной эклиптики, что создает повышенный расход энергии при слежении за Солнцем и приводит к сокращению срока службы станции.The disadvantages of the well-known photovoltaic power generating station when placed on the surface of the Moon is an insufficiently efficient heat removal system and a complicated control system for the movement of the photovoltaic concentrator modules, leading to a large angle of rotation of the photovoltaic concentrator modules in the plane of the perpendicular ecliptic, which creates an increased energy consumption when tracking the Sun and leads to a reduction in the service life of the station.
Известна солнечная фотоэлектрическая станция (см. RU 2764866, МПК H01L 31/00, H01L3 1/041, H02S 20/30, опубл. 21.01.2022), включающая промежуточную раму, выполненную в виде круглой цилиндрической балки, снабженную приводом, оптическим солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца в плоскости эклиптики, и установленную с возможностью вращения в вертикальной плоскости посредством первых цилиндрических шарниров на двух стойках, прикрепленных к основанию, одна из которых снабжена механизмом ее вертикального возвратно-поступательного перемещения, раму солнечных элементов, прикрепленную к промежуточной раме и блок управления. Промежуточная рама установлена с возможностью вращения приводом вокруг своей оси посредством вторых цилиндрических шарниров, ортогонально закрепленных на первых цилиндрических шарнирах, рама солнечных элементов установлена параллельно оси вращения промежуточной рамы и снабжена концентраторами солнечного излучения, в фокусе которых установлены солнечные элементы, выполненные в виде прямоугольников. Оси первых цилиндрических шарниров промежуточной рамы устанавливают в направлении восток-запад и промежуточную раму устанавливают под углом к горизонтали, равным географической широте места расположения установки, а одна из стоек снабжена механизмом ее вертикального возвратно-поступательного перемещения.A solar photovoltaic station is known (see RU 2764866, IPC H01L 31/00,
Недостатком солнечной фотоэлектрической станции является отсутствие эффективной системы отвода тепла от солнечных элементов, снижающего эффективность преобразования солнечного излучения в электричество из-за разогрева элементов при работе на поверхности Луны в условиях вакуума.The disadvantage of a solar photovoltaic station is the lack of an efficient system for removing heat from solar cells, which reduces the efficiency of converting solar radiation into electricity due to the heating of the elements when working on the surface of the moon in a vacuum.
Известна солнечная фотоэнергоустановка, (см. RU 2767718, МПК H01L 31/042, H02S 20/32, опубл. 18.03.2022), совпадающая с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятая за прототип. Солнечная фотоэнергоустановка содержит вертикальную полую цилиндрическую опору, вал с первым приводом, коаксиально установленный с возможностью вращения в полости цилиндрической опоры, раму со вторым приводом и с оптическим солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца, установленную на верхнем вала посредством цилиндрического шарнира, ось которого ортогональна оси вала, и закрепленную на раме солнечную батарею с концентраторами солнечного излучения, в фокусе которых установлены на теплоотводящем основании фотоэлектрические преобразователи. Вал выполнен из материала с повышенной теплопроводностью, вертикальная полая цилиндрическая опора выполнена составной с возможностью частичного погружения в грунт места установки, нижний участок цилиндрической опоры выполнен из материала с повышенной теплопроводностью, а наружная поверхность участка вала, выступающего из верхнего торца цилиндрической опоры, и наружная поверхность участка цилиндрической опоры, не погружаемого в грунт, выполнены светоотражающими.A solar photovoltaic installation is known (see RU 2767718, IPC H01L 31/042,
Недостатками известной солнечной фотоэнергоустановки являются сложность устройства слежения за Солнцем, обеспечивающего поворот солнечной батареи вокруг двух осей и, как следствие этого, низкая надежность конструкции, а также недостаточно эффективная система охлаждения фотоэлектрических преобразователей, отвода тепла от которых определяется теплопроводностью большого числа элементов конструкции, за счет чего возникают большие градиенты температуры между фотоэлектрическими преобразователями, расположенными вблизи цилиндрического шарнира и на краю теплоотводящего основания.The disadvantages of the known solar photovoltaic installation are the complexity of the solar tracking device, which ensures the rotation of the solar battery around two axes and, as a result, the low reliability of the design, as well as the insufficiently efficient cooling system for photovoltaic converters, heat removal from which is determined by the thermal conductivity of a large number of structural elements, due to which causes large temperature gradients between photoelectric converters located near the cylindrical hinge and at the edge of the heat-removing base.
Задачей настоящего изобретения являлась разработка солнечной фотоэлектрической энергоустановки для размещения на поверхности Луны, обеспечивающей эффективное преобразование солнечного излучения в электрическую энергию и получение высокого удельного энергосъема за счет эффективного отвода тепла от фотоэлектрической батареи в условиях длительной работы энергоустановки на поверхности Луны.The objective of the present invention was to develop a solar photovoltaic power plant for placement on the surface of the Moon, providing efficient conversion of solar radiation into electrical energy and obtaining a high specific energy output due to efficient heat removal from the photovoltaic battery under conditions of long-term operation of the power plant on the surface of the Moon.
Поставленная задача решается тем, что солнечная фотоэлектрическая энергоустановка включает полую цилиндрическую опору, вал, коаксиально установленный в полости цилиндрической опоры, раму с приводом и с оптическим солнечным датчиком, чувствительным к смещению Солнца, установленную на верхнем торце вала посредством цилиндрического шарнира, в котором ось стержня шарнира ортогональна оси вала, и закрепленную на раме солнечную батарею на теплоотводящем основании. Цилиндрическая опора выполнена с возможностью частичного погружения в грунт места установки энергоустановки наружная поверхность участка цилиндрической опоры, не погружаемого в грунт, выполнена светоотражающей. Новым в энергоустановке является то, что теплоотводящее основание выполнено полым, верхние части цилиндрической опоры и вала изогнуты под углом ϕ к их вертикальным частям, равным селенографической широте в месте установки энергоустановки, ось стержня цилиндрического шарнира расположена в плоскости изгиба оси вала, стержень цилиндрического шарнира снабжен каналами для прохода входного и выходного трубопроводов, к боковым сторонам теплоотводящего основания прикреплены экраны со светоотражающей внешней поверхностью, нижние части цилиндрической опоры и вала снабжены горизонтальным полым теплопроводным основанием, заглубляемым в лунный грунт на глубину (1,2-1,7) м, при этом полость теплоотводящего основания соединена снабженным насосом входным и выходным трубопроводами, проходящими через каналы стержня цилиндрического шарнира, с полостью горизонтального теплопроводного основания.The problem is solved by the fact that the solar photovoltaic power plant includes a hollow cylindrical support, a shaft coaxially installed in the cavity of the cylindrical support, a frame with a drive and with an optical solar sensor sensitive to the displacement of the Sun, installed on the upper end of the shaft by means of a cylindrical hinge, in which the axis of the rod hinge is orthogonal to the axis of the shaft, and a solar battery mounted on the frame on a heat-removing base. Cylindrical support is made with the possibility of partial immersion in the ground of the installation site of the power plant; What is new in the power plant is that the heat-removing base is made hollow, the upper parts of the cylindrical support and the shaft are bent at an angle ϕ to their vertical parts, equal to the selenographic latitude at the installation site of the power plant, the axis of the rod of the cylindrical hinge is located in the bending plane of the axis of the shaft, the rod of the cylindrical hinge is equipped with channels for the passage of inlet and outlet pipelines, screens with a reflective outer surface are attached to the sides of the heat-removing base, the lower parts of the cylindrical support and the shaft are equipped with a horizontal hollow heat-conducting base, buried in the lunar soil to a depth of (1.2-1.7) m, with in this case, the cavity of the heat-removing base is connected with the inlet and outlet pipelines provided with a pump, passing through the channels of the cylindrical hinge rod, with the cavity of the horizontal heat-conducting base.
Вал, теплоотводящее основание и горизонтальное теплопроводное основание могут быть выполнены из меди или алюминиевого сплава.The shaft, heat-removing base and horizontal heat-conducting base can be made of copper or aluminum alloy.
Расположение вала и цилиндрической опоры вертикально к лунному горизонту в месте установки энергоустановки, которую при этом разворачивают так, что верхняя часть вала и цилиндрической опоры оказываются изогнутыми в направлении Юг-Север под углом ϕ к вертикальной части вала и цилиндрической опоры, равным селенографической широте в месте лунного базирования энергоустановки, и ось стержня шарнира при этом устанавливается в направлении Юг-Север, обеспечивают параллельность осей вращения солнечной батареи и Луны. Вращение солнечной батареи вокруг оси, параллельной оси вращения Луны, со скоростью один оборот за один сидерический (звездный) месяц в направлении, противоположном направлению вращения Луны вокруг своей оси, обеспечивает сохранение ориентации солнечной батареи на Солнце в течение лунных дней всего срока эксплуатации станции.The location of the shaft and cylindrical support vertically to the lunar horizon at the installation site of the power plant, which is then deployed so that the upper part of the shaft and cylindrical support are bent in the South-North direction at an angle ϕ to the vertical part of the shaft and cylindrical support, equal to the selenographic latitude at the location lunar-based power plant, and the axis of the hinge rod is installed in the South-North direction, ensure the parallelism of the axes of rotation of the solar battery and the Moon. The rotation of the solar battery around an axis parallel to the axis of rotation of the Moon, at a rate of one revolution per one sidereal (stellar) month in the direction opposite to the direction of rotation of the Moon around its axis, ensures that the orientation of the solar battery to the Sun during the lunar days of the entire life of the station.
Специфика размещения солнечных установок на Луне такова, что их изготовление производится на Земле для электроснабжения лунной станции, координаты которой уже известны. Для обеспечения требуемой электрической мощности при работе станции, вокруг нее может быть установлено необходимое количество энергоустановок с одинаковым заданным значением угла ϕ изгиба верхней части штанги. При этом в установленных энергоустановках отклонения значений угла ϕ от значения селенографической широты базирования, приводящие к отклонению направления лучей подающего солнечного излучения от нормали к фотоприемным поверхностям солнечных батарей, будут незначительными. Так, например, при перемещении энергоустановки по поверхности Луны от расчетной точки базирования в меридианальном направлении на расстояние 10 километров, максимальные значения отклонений направления падения солнечных лучей от нормали не превышают ±20 угловых минут. Эти отклонения существенно меньше отклонений направления падения солнечных лучей за счет отклонения оси вращения Луны от нормали к плоскости эклиптикиThe specificity of the placement of solar installations on the Moon is such that they are manufactured on Earth to power the lunar station, the coordinates of which are already known. To provide the required electric power during the operation of the station, the required number of power plants with the same specified value of the angle ϕ of the bend of the upper part of the rod can be installed around it. At the same time, in the installed power plants, the deviations of the values of the angle ϕ from the value of the selenographic latitude of the base, leading to the deviation of the direction of the rays of the supplying solar radiation from the normal to the photoreceiving surfaces of the solar batteries, will be insignificant. So, for example, when the power plant moves along the surface of the Moon from the calculated basing point in the meridional direction at a distance of 10 kilometers, the maximum deviations of the direction of incidence of the sun's rays from the normal do not exceed ±20 arc minutes. These deviations are significantly less than the deviations of the direction of incidence of the sun's rays due to the deviation of the axis of rotation of the Moon from the normal to the plane of the ecliptic.
В течение лунного дня происходит разогрев открытой лунной поверхности Солнцем до температуры более 120°С, но при этом температура лунных пород, залегающих на глубине более (0,8-1,2) м, постоянна и равна минус 35°С. При работе солнечной фотоэлектрической энергоустановки на поверхности Луны для отвода тепла от закрепленной на раме на теплоотводящем основании солнечной батареи, внутренние полости теплоотводящего основания, горизонтального теплопроводного основания и входного и выходного трубопроводов заполняют охлаждающей жидкостью с температурой замерзания ниже минус 40-50°С.During the lunar day, the open lunar surface is heated by the Sun to a temperature of more than 120 ° C, but the temperature of lunar rocks lying at a depth of more than (0.8-1.2) m is constant and equal to minus 35 ° C. During operation of the solar photovoltaic power plant on the surface of the Moon to remove heat from the solar battery fixed on the frame on the heat-removing base, the internal cavities of the heat-removing base, the horizontal heat-conducting base and the inlet and outlet pipelines are filled with a cooling liquid with a freezing temperature below minus 40-50°C.
Снабжение нижних частей цилиндрической опоры и вала горизонтальным полым теплопроводным основанием, заглубляемым в лунный грунт на глубину (1,2-1,7) м, и соединение полости теплоотводящего основания с полостью горизонтального теплопроводного основания входным и выходным трубопроводами, один из которых снабжен насосом, осуществляющим принудительный приток упомянутой охлаждающей жидкости из-под поверхности Луны к теплоотводящему основанию с закрепленной солнечной батареей, обеспечивают отвод тепла от солнечной батареи, передачу тепла к горизонтальному теплопроводному основанию полой цилиндрической опоры и вала и рассеяние его в лунном грунте. Для обеспечения максимальной эффективности передачи тепла в лунный грунт, необходимо, чтобы вся поверхность горизонтального теплопроводного основания находилась на глубине более 1,2 м при температуре лунного грунта минус 35°С. Размещение горизонтального теплопроводного основания на глубине менее 1,2 м при более высокой температуре приповерхностного слоя лунного грунта снижает эффективность рассеяния тепла в лунном грунте. Увеличение глубины размещения горизонтального теплопроводного основания более 1,7 м приводит к неоправданному увеличению расхода материалов и массы конструкции без увеличения эффективности передачи тепла в лунный грунт.Supplying the lower parts of the cylindrical support and the shaft with a horizontal hollow heat-conducting base buried in the lunar soil to a depth of (1.2-1.7) m, and connecting the cavity of the heat-removing base with the cavity of the horizontal heat-conducting base with inlet and outlet pipelines, one of which is equipped with a pump, carrying out the forced inflow of said coolant from under the surface of the Moon to the heat-removing base with a fixed solar battery, provide heat removal from the solar battery, heat transfer to the horizontal heat-conducting base of the hollow cylindrical support and shaft and its dissipation in the lunar soil. To ensure the maximum efficiency of heat transfer to the lunar soil, it is necessary that the entire surface of the horizontal heat-conducting base be at a depth of more than 1.2 m at a lunar soil temperature of minus 35°C. Placing a horizontal heat-conducting base at a depth of less than 1.2 m at a higher temperature of the near-surface layer of the lunar soil reduces the efficiency of heat dissipation in the lunar soil. An increase in the depth of the horizontal heat-conducting base to more than 1.7 m leads to an unjustified increase in the consumption of materials and the mass of the structure without increasing the efficiency of heat transfer to the lunar soil.
Снабжение стержня цилиндрического шарнира каналами для прохода входного и выходного трубопроводов обеспечивает подачу охлаждающей жидкости в полость теплоотводящего основания в любом положении солнечной батареи при вращении рамы с закрепленной на теплоотводящем основании солнечной батареей вокруг оси стержня цилиндрического шарнира в процессе ориентации солнечной батареи на Солнце.The supply of the cylindrical hinge rod with channels for the passage of the inlet and outlet pipelines ensures the supply of coolant to the cavity of the heat-removing base in any position of the solar battery when the frame with the solar battery fixed on the heat-removing base rotates around the axis of the cylindrical hinge rod in the process of orienting the solar battery to the Sun.
Выбор охлаждающей жидкости с температурой замерзания ниже минус 40-50°С обеспечивает прокачку охлаждающей жидкости в трубопроводах, размещенных в лунном грунте при температуре минус 35°С, и перенос тепла охлаждающей жидкостью от теплоотводящего основания в лунный грунт при работе энергоустановки в течение лунных дней всего срока эксплуатации станции. В качестве охлаждающей жидкости может быть использован водный раствор этилового спирта, температура замерзания которого изменяется от минус 40°С до минус 110°С при увеличении концентрации спирта от 70% до 96%.The choice of coolant with a freezing temperature below minus 40-50°C ensures the pumping of the coolant in pipelines located in the lunar soil at a temperature of minus 35°C, and the transfer of heat by the coolant from the heat-removing base to the lunar soil during the operation of the power plant during lunar days in total the lifetime of the station. As a coolant, an aqueous solution of ethyl alcohol can be used, the freezing point of which varies from minus 40°C to minus 110°C with an increase in the alcohol concentration from 70% to 96%.
Прикрепление экранов со светоотражающей внешней поверхностью к боковым сторонам теплоотводящего основания уменьшает радиационный нагрев внутренних и внешних элементов конструкции энергоустановки и теплоотводящего основания с установленной солнечной батареей за счет частичного затенения от рассеянного теплового излучения от лунной поверхности, разогреваемой Солнцем в течение лунного дня до температуры более 120°С. Благодаря такому затенению снижается рабочая температура солнечных элементов и увеличивается КПД солнечной батареи.Attaching screens with a reflective outer surface to the sides of the heat-removing base reduces radiation heating of the internal and external structural elements of the power plant and the heat-removing base with an installed solar battery due to partial shading from scattered thermal radiation from the lunar surface heated by the Sun during the lunar day to a temperature of more than 120 ° WITH. Thanks to such shading, the operating temperature of the solar cells is reduced and the efficiency of the solar battery is increased.
Выполнение вала, теплоотводящего основания и горизонтального теплопроводного основания из меди или алюминиевого сплава, повышает эффективность теплоотвода от солнечной батареи, поскольку эти элементы являются параллельным каналом передачи тепла от солнечных элементов в лунный грунт. Изготовление этих элементов из конструкционных материалов с теплопроводностью превышающей 170 Вт/м⋅град приводит к снижению рабочей температуры солнечных элементов и увеличивает КПД солнечной батареи.The implementation of the shaft, the heat-removing base and the horizontal heat-conducting base of copper or aluminum alloy increases the efficiency of heat removal from the solar battery, since these elements are a parallel channel for heat transfer from solar cells to the lunar soil. The manufacture of these elements from structural materials with a thermal conductivity exceeding 170 W/m⋅deg leads to a decrease in the operating temperature of the solar cells and increases the efficiency of the solar battery.
Сущность настоящего технического решения поясняется чертежами, где:The essence of this technical solution is illustrated by drawings, where:
на фиг. 1 приведен в продольном разрезе общий вид солнечной фотоэлектрической энергоустановки, включающей солнечную батарею;in fig. 1 shows in longitudinal section a general view of a solar photovoltaic power plant, including a solar battery;
на фиг. 2 показано поперечное сечение цилиндрической опоры солнечной фотоэлектрической энергоустановки.in fig. 2 shows a cross-section of a cylindrical support of a solar photovoltaic power plant.
Настоящая солнечная фотоэлектрическая энергоустановка (см. фиг. 1 - фиг. 2) содержит полую цилиндрическую опору 1, вал 2, коаксиально установленный в полости цилиндрической опоры 1, раму 3 с приводом 4 и с оптическим солнечным датчиком 5, чувствительным к смещению Солнца, установленную на верхнем торце вала 2 посредством цилиндрического шарнира 6, ось 7 стержня 8 шарнира 6 ортогональна оси 9 вала 2, и закрепленную на раме 3 солнечную батарею 10, установленную на полом теплоотводящем основании 11. Цилиндрическая опора 1 выполнена с возможностью частичного погружения в грунт 12 места установки энергоустановки. Верхняя часть 13 цилиндрической опоры 1 и верхняя часть 14 вала 2 изогнуты под углом φ к их вертикальным частям, равным селенографической широте в месте установки энергоустановки. Ось 7 стержня 8 цилиндрического шарнира 6 расположена в плоскости изгиба оси 9 вала 2. Стержень 8 цилиндрического шарнира 6 снабжен каналами 15, 16 для прохода входного трубопровода 17, снабженного насосом 18 и выходного трубопровода 19. К боковым сторонам теплоотводящего основания 11 прикреплены экраны 20, 21, 22 со светоотражающей внешней поверхностью. Нижние части цилиндрической опоры 1 и вала 2 снабжены горизонтальным полым теплопроводным основанием 23, заглубляемым в лунный грунт 12, при этом полость 24 теплоотводящего основания 11 соединена снабженным насосом 18 входным трубопроводом 17 и выходным трубопроводом 19, проходящими через каналы 15, 16 стержня 8 цилиндрического шарнира 6, с полостью 25 горизонтального теплопроводного основания 23. При этом вал 2, теплоотводящее основание 11 и горизонтальное теплопроводное основание 23 могут быть выполнены из меди или алюминиевого сплава.This solar photovoltaic power plant (see Fig. 1 - Fig. 2) contains a hollow
Для работы солнечной фотоэлектрической энергоустановки горизонтальное теплопроводное основание 23 заглубляют в лунный грунт 12 на глубину 1,2-1,7 м в месте базирования энергоустановки, полую цилиндрическую опору 1 устанавливают вертикально к лунному горизонту, верхнюю часть 13 цилиндрической опоры 1, изогнутую под углом ϕ к ее вертикальной части, равным селенографической широте в месте лунного базирования энергоустановки, ориентируют в направлении Юг-Север так, что при установке энергоустановки в северном лунном полушарии верхний конец оси 7 стержня 8 шарнира 6 ориентирован на лунный север, а в южном лунном полушарии верхний конец оси 7 стержня 8 шарнира 6 ориентирован на лунный юг. При такой ориентации ось 7 вращения закрепленной на раме 3 солнечной батареи 10 устанавливается параллельно оси вращения Луны. Внутренние полости 24, 25 теплоотводящего основания 11, горизонтального теплопроводного основания 23 и входного трубопровода 17 и выходного трубопровода 19 заполняют охлаждающей жидкостью с температурой замерзания ниже минус 40-50°С.To operate the solar photovoltaic power plant, the horizontal heat-conducting
При работе солнечной фотоэлектрической энергоустановки с помощью электропривода 4 в соответствии с сигналами оптического солнечного датчика 5, фотоприемная поверхность солнечной батареи 10 ориентируется перпендикулярно солнечным лучам. Фотоэлектрические преобразователи солнечной батареи 10 преобразуют энергию квантов света в электроэнергию. Вырабатываемую энергоустановкой электроэнергию подают к внешнему потребителю или накопителю энергии. Электроприводом 4 обеспечивается вращение батареи 10 вокруг оси 7 стержня 8 шарнира 6 в направлении, противоположном направлению вращения Луны вокруг своей оси и сохранение перпендикулярности фотоприемной поверхности солнечным лучам. Тепло, выделяемое при работе фотоэлектрических преобразователей солнечной батареи 10, передается в теплоотводящее основание 11 с охлаждающей жидкостью в полости 24 теплоотводящего основания 11 и переносится охлаждающей жидкостью, прокачиваемой насосом 18 через трубопроводы 17, 19 в горизонтальное теплопроводное основание 23, заглубленное на глубину 1,2-1,7 м в лунный грунт 12, имеющий температуру минус 35°С. От горизонтального теплопроводного основания 23 тепло переходит в лунный грунт 12 и рассеивается в нем. Установка экранов 20, 21, 22 со светоотражающей внешней поверхностью на боковых сторонах теплоотводящего основания 11 обеспечивает уменьшение дополнительного разогрева верхней части фотоэлектрической энергоустановки прямым солнечным излучением и тепловым излучением от разогретой поверхности Луны, снижает тепловые потери и повышает эффективность отвода тепла от солнечной батареи 10.During operation of the solar photovoltaic power plant with the help of the
Таким образом, использование настоящего изобретения обеспечивает для солнечной фотоэлектрической энергоустановки, размещенной на поверхности Луны, наиболее простую схему ориентации и слежения за Солнцем при вращении солнечной батареи вокруг одной оси, параллельной оси вращения Луны, что обеспечивает повышение надежности при использовании энергоустановки в условиях длительной автономной работы на поверхности Луны, а также, независимо от температуры лунной поверхности, позволяет отводить тепло и поддерживать оптимальную температуру солнечной батареи, что повышает эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию с высоким удельным энергосъемом в течение лунных дней всего срока службы энергоустановки.Thus, the use of the present invention provides for a solar photovoltaic power plant located on the surface of the Moon, the simplest scheme for orienting and tracking the Sun when the solar battery rotates around one axis, parallel to the axis of rotation of the Moon, which ensures increased reliability when using the power plant in conditions of long-term autonomous operation. on the surface of the Moon, and also, regardless of the temperature of the lunar surface, allows heat to be removed and the optimum temperature of the solar battery to be maintained, which increases the efficiency of converting solar radiation into electrical energy with a high specific energy output during the lunar days of the entire life of the power plant.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2789205C1 true RU2789205C1 (en) | 2023-01-31 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2127470C1 (en) * | 1997-05-19 | 1999-03-10 | Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства | Photoelectric battery |
| EP2472600A1 (en) * | 2009-08-24 | 2012-07-04 | Henry H. Liao | Solar photovoltaic device and system |
| US20150287866A1 (en) * | 2010-04-13 | 2015-10-08 | Ben Shelef | Solar receiver |
| RU2690728C1 (en) * | 2018-06-19 | 2019-06-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Concentrator-planar solar photoelectric module |
| RU2692682C1 (en) * | 2018-09-21 | 2019-06-26 | Виктор Валериевич Чебоксаров | Power plant |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2127470C1 (en) * | 1997-05-19 | 1999-03-10 | Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства | Photoelectric battery |
| EP2472600A1 (en) * | 2009-08-24 | 2012-07-04 | Henry H. Liao | Solar photovoltaic device and system |
| US20150287866A1 (en) * | 2010-04-13 | 2015-10-08 | Ben Shelef | Solar receiver |
| RU2690728C1 (en) * | 2018-06-19 | 2019-06-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Concentrator-planar solar photoelectric module |
| RU2692682C1 (en) * | 2018-09-21 | 2019-06-26 | Виктор Валериевич Чебоксаров | Power plant |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jaaz et al. | Design and development of compound parabolic concentrating for photovoltaic solar collector | |
| US7569764B2 (en) | Solar modules with tracking and concentrating features | |
| AU2002362938B2 (en) | Solar electricity generator | |
| US20100218807A1 (en) | 1-dimensional concentrated photovoltaic systems | |
| US20100282315A1 (en) | Low concentrating photovoltaic thermal solar collector | |
| US20070227574A1 (en) | Tracking solar power system | |
| US20110193512A1 (en) | Integrated systems for harnessing solar and wind energy | |
| US20100089436A1 (en) | Multiplexing solar light chamber | |
| US20100206302A1 (en) | Rotational Trough Reflector Array For Solar-Electricity Generation | |
| US20100294266A1 (en) | Concentrated solar thermal energy collection device | |
| AU2002362938A1 (en) | Solar electricity generator | |
| WO2009155530A1 (en) | Solar concentrator system | |
| JP2014511472A (en) | Energy conversion / heat collection system | |
| US12015378B2 (en) | Hybrid receiver for concentrated photovoltaic-thermal power systems, and associated methods | |
| US9310138B2 (en) | Cooling system for high performance solar concentrators | |
| RU2789205C1 (en) | Solar photovoltaic power plant | |
| RU2767718C1 (en) | Solar photo energy apparatus | |
| EP1766298A2 (en) | Reflecting solar concentrator for the generation of electrical energy | |
| RU2789285C1 (en) | Solar photo power plant | |
| Stalcup et al. | On-grid performance of REhnu’s 8-mirror CPV-T tracker | |
| RU2764866C1 (en) | Solar photoelectric station and method for its orientation | |
| US20140202448A1 (en) | Production of Electricity and Heat Storage Using Solar Mirrors | |
| Fraas | Low-Concentration Crystalline Silicon Systems | |
| WO2012060801A1 (en) | Photovoltaic and thermal energy system | |
| JP2008198965A (en) | Mirror condensing power generator |