RU2848973C1 - Лабораторно-исследовательский комплекс для моделирования интегрирования фотоэлектрических установок в конструкции различной пространственной ориентации потребителя - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к исследовательским комплексам, учебным пособиям и может быть использовано для изучения физических процессов преобразования солнечной энергии, параметров и режимов функционирования фотоэлектрических систем. Для расширения функциональных возможностей стенда лабораторно-исследовательский комплекс для моделирования интегрирования фотоэлектрических установок в конструкции различной пространственной ориентации потребителя содержит фотоэлектрические системы, состоящие из батареи солнечных элементов, установленной на подвижной платформе с поворотно-наклонным механизмом, контроллера заряда, магазина сопротивлений, аккумуляторной батареи, блок управления, соединенные в цепь с помощью проводов. Блок управления имеет входные и выходные клеммы для коммутации с помощью проводов между ним и фотоэлектрическими системами. Фотоэлектрические системы размещены на подвижных платформах рамочной конструкции с поворотными опорами с фиксаторами в виде ножного тормоза и полкой для размещения контроллера заряда, аккумуляторной батареи и магазина сопротивления. Каждая рамочная конструкция по бокам имеет элементы крепления для соединения с другими рамочными конструкциями. Коммутация компонентов фотоэлектрической системы происходит с помощью проводов и клемм батареи солнечных элементов, клемм контроллера заряда, клемм аккумуляторной батареи, клемм магазина сопротивлений. 3 ил.

Description

Изобретение относится к исследовательским установкам, учебным пособиям.

Известен лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик солнечных элементов и батареи солнечных элементов [Патент РФ №111314 U1, 2011 г, G02B 27/20]. Стенд содержит батарею солнечных элементов, источник света, закрепленный на подвижном штативе над солнечными элементами, люксметр, амперметр, вольтметр, демонстрационную нагрузку, которые соединены в электрическую цепь с помощью проводов, а также переменную нагрузку, в качестве которой используют два резистора, а для измерения темновой характеристики одного из солнечных элементов используют другие солнечные элементы, включенные по схеме. Недостатком такого лабораторно-исследовательского стенда для изучения характеристик солнечных элементов и батареи солнечных элементов является отсутствие возможности моделирования различных вариантов пространственного и взаимного размещения элементов в условиях реальной эксплуатации, что не дает возможность оценить фактическую эффективность установки в заданных условиях. Также такая установка имеет только демонстрационную нагрузку без возможности накапливания электрической энергии, что существенно снижает количество моделируемых режимов эксплуатации солнечных элементов.

Известен лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик солнечных элементов различной пространственной ориентации [Патент РФ №208822 U1, 2021, G09B 23/18]. Стенд содержит установленную на стол фотоэлектрическую систему, состоящую из батареи солнечных элементов, установленных на подвижной платформе, расположенной на опоре с поворотно-наклонным механизмом и оборудованной электронным угломером, контрольным солнечным элементом, входными и выходными клеммами, предназначенными для измерения интенсивности приходящей солнечной радиации на приемную поверхность фотоэлектрической системы; круговую шкалу с шагом градуировки в 1° под опорой для подвижной платформы, на столе также установлены магазин сопротивлений, блок управления, обеспечивающий автоматическую фиксацию и запись данных о напряжении и силе тока, сферический уровень, магнитный компас, амперметр, вольтметр, соединенные в цепь с помощью проводов. Указанный лабораторно-исследовательский стенд для изучения характеристик солнечных элементов различной пространственной ориентации имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что наличие в его составе только одного фотоэлектрического модуля и отсутствие аккумуляторной батареи существенно сокращает количество моделируемых вариантов компоновки, структуры и режимов функционирования фотоэлектрических установок, что не дает возможность оценить потенциал выработки электрической энергии установками такого типа согласно требованиям потребителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является лабораторно-исследовательский стенд для моделирования работы микросети на основе фотоэлектрических систем различной пространственной ориентации и взаимного размещения [Патент РФ №2806769 C1, 2023, G09B 23/18, H02S 50/00], содержащий фотоэлектрические системы, состоящие из батареи солнечных элементов, установленной на подвижной платформе с поворотно-наклонным механизмом для изменения её угла наклона, магазина сопротивлений, блок управления, обеспечивающий автоматическую фиксацию и запись данных о напряжении и силе тока, соединенные в цепь с помощью проводов; блок управления имеет входные и выходные клеммы, обеспечивающие коммутацию с помощью проводов между ним и фотоэлектрическими системами.

Недостатком известного лабораторно-исследовательского стенда для моделирования работы микросети на основе фотоэлектрических систем различной пространственной ориентации и взаимного размещения является то, что фотоэлектрические системы закреплены на одной платформе, что ограничивает возможности их взаимного и пространственного перемещения и наличие общего магазина сопротивлений для всех фотоэлектрических систем, дает возможность изучить вариант работы фотоэлектрической батареи только параллельно с сетью, не имея возможности моделировать автономный режим работы, характерный для возобновляемых источников энергии.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей.

Технический результат достигается тем, что лабораторно-исследовательский комплекс для моделирования интегрирования фотоэлектрических установок в конструкции различной пространственной ориентации потребителя, содержащий фотоэлектрические системы, состоящие из батареи солнечных элементов, установленной на подвижной платформе с поворотно-наклонным механизмом для изменения её угла наклона, магазина сопротивлений, блок управления, обеспечивающий автоматическую фиксацию и запись данных о напряжении и силе тока, соединенные в цепь с помощью проводов; блок управления имеет входные и выходные клеммы, обеспечивающие коммутацию с помощью проводов между ним и фотоэлектрическими системами, согласно изобретению имеет комплекс подвижных платформ рамочной конструкции в количестве не менее 2-х штук и каждая из них имеет поворотные опоры с фиксаторами в виде ножного тормоза и полку для размещения контроллера заряда, аккумуляторной батареи и магазина сопротивления, а также по бокам они имеют элементы крепления для соединения с другими подвижными платформами рамочной конструкции, при этом фотоэлектрические системы каждой платформы содержат аккумуляторные батареи для накопления излишков генерируемой электрической энергии батареями солнечных элементов и для питания магазинов сопротивлений, используемых в качестве нагрузки для каждой фотоэлектрической системы и включенные между контроллером заряда и аккумуляторной батареей.

Новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что за счет конструктивных особенностей решается задача проведения измерений в полевых условиях при естественном солнечном излучении для изучения параметров и характеристик батарей солнечных элементов, принципов установки фотоэлектрических систем на конструкциях заданной и требуемой пространственной ориентации, наглядной демонстрации функционирования электрической цепи, содержащей фотоэлектрические системы, нагрузку с и без системы накопления электрической энергии в реальных атмосферных условиях, функционирования локальной фотоэлектрической генерации для обеспечения автономного режима электроснабжения нагрузки потребителя, изучения режимов заряда и разряда аккумуляторных батарей, эффективности их эксплуатации.

В результате использования предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей, а именно появляется возможность изучения дополнительных относительно прототипа, следующих характеристик фотоэлектрических систем:

- определение отклонения выработки электрической энергии фотоэлектрическим элементом, размещенным на конструкции, имеющей заданную пространственную ориентацию от оптимального угла наклона и азимута солнечного элемента для различных временных периодов;

- определение оптимального угла наклона батареи солнечных элементов, обеспечивающего максимальный поток солнечного излучения на приемной поверхности батареи за заданный период;

- определение режимных показателей функционирования системы электроснабжения потребителя, состоящей из батареи солнечных элементов и резервного источника питания (аккумуляторной батареи);

- изучение параметров эксплуатации фотоэлектрических систем различной компоновки как без, так и с различными уровнями аккумулирования электрической энергии;

- изучения характеристик аккумуляторных батарей, режимов их заряда и разряда, влияние глубины разряда на эффективность функционирования аккумуляторной батареи.

Лабораторно-исследовательский комплекс выполнен на подвижных платформах рамочной конструкции из ПВХ труб с возможностью передвигаться независимо друг от друга в горизонтальной плоскости с помощью поворотных опор с фиксаторами в виде ножного тормоза. На платформе расположены:

- батареи солнечных элементов, оснащенные поворотно-наклонным механизмом;

- на отдельной полке магазин сопротивлений, выполняющий функции нагрузки;

- на отдельной полке аккумуляторная батарея для накопления батареями солнечных элементов электрической энергии;

- на отдельной полке контроллер заряда для автоматической регулировки уровня тока и напряжения от батареи солнечных элементов для обеспечения заряда аккумуляторных батарей,

- соединительные провода для коммутации элементов фотоэлектрических систем, а также её коммутации с блоком управления;

- блок управления для коммутации фотоэлектрических систем, автоматической фиксации и записи данных о напряжении и силе тока, вольт-амперных характеристик модуля;

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен блок-схема лабораторно-исследовательского комплекса для моделирования интегрирования фотоэлектрических установок в конструкции различной пространственной ориентации потребителя, на фиг. 2 - представлен вид спереди лабораторно-исследовательского комплекса для моделирования интегрирования фотоэлектрических установок в конструкции различной пространственной ориентации потребителя в формате 3D, на фиг. 3 - представлен вид сзади лабораторно-исследовательского комплекса для моделирования интегрирования фотоэлектрических установок в конструкции различной пространственной ориентации потребителя в формате 3D.

Лабораторно-исследовательский комплекс для моделирования интегрирования фотоэлектрических установок в конструкции различной пространственной ориентации потребителя содержит фотоэлектрические системы, состоящие из батареи солнечных элементов 1, установленной на подвижной платформе 2 с поворотно-наклонным механизмом 3, контроллера заряда 4, магазина сопротивлений 5, аккумуляторной батареи 6, блок управления 7, соединенные в цепь с помощью проводов 8. Блок управления 7 имеет входные и выходные клеммы 9 для коммутации с помощью проводов 8 между ним и фотоэлектрическими системами. Отличительной особенностью является использование для размещения каждой фотоэлектрической системы комплекса подвижных платформ рамочной конструкции в количестве не менее 2-х штук, Количество их может быть больше в зависимости от формы и размеров конструкции потребителя. Каждая подвижная платформа имеет поворотные опоры 10 с фиксаторами в виде ножного тормоза и полку 11 для размещения контроллера заряда 4, аккумуляторной батареи 6 и магазина сопротивления 5. Каждая рамочная конструкция подвижной платформы по бокам имеет элементы крепления 12 для соединения с другими рамочными конструкциями. Коммутация компонентов фотоэлектрической системы происходит с помощью проводов и клемм батареи солнечных элементов 13, клемм контроллера заряда 14, клемм аккумуляторной батареи 15, клемм магазина сопротивлений 16.

Лабораторно-исследовательский комплекс работает следующим образом. Комплекс размещается на не затененной ограждающими конструкциями и насаждениями площадке, и фотоэлектрические системы освещаются естественным солнечным светом. Соединительные провода подключают к клеммам батареи солнечных элементов 13 фотоэлектрических систем клеммы магазина сопротивлений 16 и клеммы аккумуляторной батареи 15 для моделирования интегрирования фотоэлектрических систем в систему электроснабжении потребителя, также соединительные провода 8 подключают клеммы магазинов сопротивлений 16 фотоэлектрических систем, к клеммам блока управления 9, образуя электрическую цепь для снятия характеристик элементов. После фиксации исследуемых характеристик фотоэлектрических систем происходит варьирование пространственной ориентации и взаимного размещения фотоэлектрических систем с помощью поворотно-наклонного механизма 3 и элементов крепления 12. Варьирование различных режимов функционирования фотоэлектрической системы осуществляется путем подключения аккумуляторной батареи 6 и варьированием нагрузки магазином сопротивлений 5. С помощью блока управления 7 и соединительных проводов 8 производится переключение схемы соединения фотоэлектрических систем, формирование различных вариантов их компоновки (с и без накопления электрической энергии), а также съем и запись на карту памяти microSD данных по напряжению и силе тока батареи солнечных элементов в заданный интервал времени.

Преимуществом использования заявляемого решения является возможность моделировать расположение батарей солнечных элементов для различных вариантов пространственной ориентацией, а также относительно друг друга согласно взаимному размещению и пространственной ориентации конструкции, что позволяет исследовать параметры их режима функционирования в условиях неоптимальной пространственной ориентации. Также задействованный в конструкции стенда поворотно-наклонный механизм позволяет имитировать расположение батареи как на горизонтальной поверхности, так и вертикальной поверхности любой ориентации по сторонам света, а также определить оптимальный угол наклона батареи солнечных элементов за любой период времени Имеющаяся в составе аккумуляторная батарея позволяет также накапливать избыток вырабатываемой электрической энергии батареей солнечных элементов, моделировать питание нагрузки от системы накопления в условиях низкой интенсивности солнечной радиации как параллельно с батарей солнечных элементов, так и только от аккумуляторной батареи, а также моделировать автономный режим функционирования локальной фотоэлектрической системы. Отсутствие механической связи между платформами размещения фотоэлектрических систем позволяет формировать конструкции для их размещения любой формы, а также удалять их друг от друга на требуемое расстояние без ограничений. Имеющийся в составе блок управления позволяет проводить исследование влияние схемы соединения на результативную эффективность функционирования фотоэлектрических систем различной пространственной ориентации, находящихся в различных условиях освещенности, различных режимов взаимного функционирования нагрузки, батареи солнечных элементов и систем накопления электрической энергии. Кроме того, удобная форма реализации стенда позволяет его транспортировать и максимально быстро и удобно разворачивать в задаваемой географической точке местности, где необходимо провести экспериментальные исследования.

Claims (1)

1. Лабораторно-исследовательский комплекс для моделирования интегрирования фотоэлектрических установок в конструкции различной пространственной ориентации потребителя, содержащий фотоэлектрические системы, состоящие из батареи солнечных элементов, установленной на подвижной платформе с поворотно-наклонным механизмом для изменения её угла наклона, магазина сопротивлений, блок управления, обеспечивающий автоматическую фиксацию и запись данных о напряжении и силе тока, соединенные в цепь с помощью проводов; блок управления имеет входные и выходные клеммы, обеспечивающие коммутацию с помощью проводов между ним и фотоэлектрическими системами, отличающийся тем, что имеет комплекс подвижных платформ рамочной конструкции в количестве не менее 2-х штук, каждая из них имеет поворотные опоры с фиксаторами в виде ножного тормоза и полку для размещения контроллера заряда, аккумуляторной батареи и магазина сопротивления, а по бокам имеет элементы крепления для соединения с другими подвижными платформами рамочной конструкции, при этом фотоэлектрические системы каждой платформы содержат аккумуляторные батареи для накопления излишков генерируемой электрической энергии батареями солнечных элементов и для питания магазинов сопротивлений, используемых в качестве нагрузки для каждой фотоэлектрической системы и включенных между контроллером заряда и аккумуляторной батареей.