Автономна фотоелектрична установка

Автономна фотоелектрична установка, що містить опору і розташовані на ній фотоелектричні модулі, яка відрізняється тим, що опора виконана пустотілою з вісесиметричним C2 2 (19) 1 3 80770 4 ефективність використання сонячної радіації для кожного з фотоелектричних модулів [заявка одержання значної кількості електроенергії. Німеччини №19637633 МПК F21S7/04, Н05В 37/02, Відоме автономне фотоелектричне джерело заявл. 16.09.1996, опубл. 26.03.1998]. Така дорога електроенергії водного понтонного базування погоня за ефективністю використання сонячної [Вісти Вуз-Енергетика. - 1977. - №2. - С.67-69]. радіації в кожнім з керованих фотоелектричних Понтонне базування забезпечує можливість модулів не тільки істотно підвищує вартість керування просторовим положенням панелей з установки і, відповідно, вартість виробленої нею розміщеними на них фо тоелектричними електроенергії, але і знижує надійність модулями, а сам підхід використання водного (а не функціонування. Зазначене зниження надійності земельного) простори може бути досить обумовлено високою імовірністю виникнення збоїв перспективним за умови, однак, що відповідні у досить складній системі контролю і керування конструкції, що несуть набір значного числа складним чином змонтованими фотоелектричними фотоелектричних модулів, що сумарно модулями на опорі, для того щоб забезпечити забезпечують кіло- і мегаватні потужності спостереження за диском сонця по двох осях вироблюваної електроенергії, будуть розміщені на одночасно. Причому, внаслідок можливості опорах, встановлених у дні водоймищ. Природно, затінення одного фотоелектричного модуля іншим що вартість таких споруджень буде істотно вищою для системи контролю і керування виникає в порівнянні з їхнім наземним базуванням. До того неоднозначність у видачі команд на поворот ж, варто взяти до уваги екологічну складову і значній кількості фотоелектричних модулів, втрати електроенергії при передачі її споживачеві. оскільки зниження енерговіддачі того або іншого Відомо також пристрій для перетворення модуля або груп модулів може бути обумовлене як сонячної радіації в електричну енергію, що містить неоптимальністю орієнтації їх на сонце, так і вертикально встановлений, з можливістю взаємною затіненістю. Природно, що зазначена повороту, на землі стовп, на розпірках у торцевої неоднозначність може бути переборена частини якого встановлена жорстко закріплена зменшенням кількості використовуваних металева конструкція, переважно прямокутної фотоелектричних модулів, але це знижує форми, площина якої збігається з площиною енергетичні характеристики установки. місцевого горизонту, при цьому на зазначеній В основу винаходу, що пропонується, конструкції розміщена безліч фотоелектричних поставлена задача підвищення надійності модулів, електрично зв'язаних між собою, у функціонування, зниження вартості і спрощення загальному випадку - довільно орієнтованих на конструкції установки при одночасному підвищенні сонце [ЕР 1313151, H01L31/042. Device for її енергетичних характеристик за рахунок converting solar radiation into electric power / оптимізації форми опори для того, щоб Mattiu zzo Gilberto (IT). - 21.05.2003]. Площа просторова орієнтація розташованого на опорі конструкції, на якій розміщені фотоелектричні масиву фотоелектричних модулів відповідала модулі, багаторазово перевищує площу, займану максимумові енерговіддачі протягом кожного основою стовпа, і в цьому смислі виграш у світлового дня, протягом усього року і на різних величині займаної території значний. географічних широтах. Однак при такій конструкції фотоелектричної Поставлена задача вирішується тим, що в установки важко оптимізувати розташування автономній фотоелектричній установці, що містить самих фотоелектричних модулів відносно сонця і опору і розташовані на ній фотоелектричні модулі, тому неминуче виникає задача необхідності відповідно до винаходу, опора виконана повороту стовпа навколо подовжньої осі по досить пустотілою з вісесиметричним розташуванням складній програмі. Необхідність використання бічної поверхні і перемінним по висоті поперечним поворотного пристрою підвищує вартість і різко перерізом, при цьому в залежності від знижує експлуатаційну надійність такої географічної широти опора виконана або у вигляді фотоелектричної установки, оскільки при зчленування усіченого конуса з увігнутою бічною сильному вітрі позначається парусність поверхнею і відношенням діаметрів нижньої і конструкції. Крім того, частка споживаної верхньої основ 1,55...1,85 у нижній частиніопори і електроенергії на електроживлення пристроїв циліндра, діаметр якого дорівнює діаметрові автоматичного керування просторовим верхньої основи усіченого конуса, при цьому положенням установки досить висока. Необхідно висота конусоподібної частини складає 0,22...0,24 також уживання заходів проти прояву вандалізму. повної висоти опори, а відношення повної висоти Утруднено в зазначених установках і звільнення до діаметра нижньої основи складає 42…48, або у фотоелектричних модулів від опадів. виді усіченого конуса з увігнутою бічною Найбільш близькою по технічній сутності і по поверхнею з відношенням діаметрів нижньої і результату, що досягається, до винаходу, що верхньої основ 2,80...3,29 і з відношенням висоти заявляється (прототипом), є автономна до діаметра нижньої основи 7,20...7,55 при фотоелектрична установка, що містить металеву експонентній зміні діаметрів по усій висоті, або у опору консольного типу, на консолях якої виді зчленування сегментної поверхні, площиною розміщені фотоелектричні модулі під визначеним відсікання, що звернена догори, в нижній частині кутом стосовно поверхні опори і консолей і по опори, і усіченого конуса з увігнутими бічною і відношенню друг до друга. Керування положенням верхньою поверхнями у верхній частині опори з модулів і регулювання режимом роботи відношенням діаметра сегментної поверхні, здійснюється програмувальним мікропроцесором рівного більшому діаметрові основи усіченого шляхом обробки сигналів датчиків температури конуса, до меншого діаметра основи, рівним 5 80770 6 4,8...5,1, і з відношенням повної висоти æ 90° - Н ö Рg = 200ç 1 + 4 × М × sinh× К g ÷ зчленування до діаметра сегментної поверхні, 180° è ø рівним 0,9...1,15. Конструкторський синтез таких æ 90 ° - Н ö РМ = 200ç 1 + 4 × М × sinh÷ фотоенергоустановок, переважно висотних (до 180° è ø 100 і більш метрів) і великогабаритних, зі стаціонарним оптимально орієнтованим g=arcos[cosh·cosH·cos(|a-A|)+sinh·sinH] просторовим розміщенням фотоелектричних де h=arcsin(sinj·sind+cosj·cosd·cost); модулів на несучих конструкціях енергоустановок æ 360 °(284 + n ) ö базується на тім, що оптимізація орієнтації d = 23,45·sinç ÷ 365 кожного фотоелектричного модуля складається в è ø; забезпеченні спрямованості нормалі до поверхні æ sind - sinj × sinhö фотоелектричного модуля по радіусу-вектору що a = arccosç ç - cos j × cosh ÷ ÷ з'єднує топоцентр точку розташування è ø , j - широта точки фотоелектричного модуля - і сонце протягом стояння; d - схилення; t - місцевий час; n кожного світлового дня. Це означає, що сферичні порядковий номер дня в році; a - азимут. Тобто, координати нормалі повинні збігатися з зазначені співвідношення зв'язують порядковий координатами сонця в географічній системі номер дня в році, схилення, висоту сонця, широту координат - азимутом і висотою, а годинний кут, точки стояння, місцевий час і азимут - всі необхідні вимірюваний уздовж екватора і маючий годинну і достатні параметри для визначення напрямку міру, є поточним часом протягом доби. надходження прямої сонячної радіації. У загальному випадку на одиничну площадку При рішенні задач проектування таких довільно орієнтованої поверхні фотоелектричного автономних фо тоелектричних установок зі модуля, розташованого на поверхні опори, за стаціонарним оптимально орієнтованим будь-який кінцевий проміжок часу (t 2-t1) надходить просторовим розміщенням фотоелектричних кількість сонячної радіації модулів на несучій опорі установки складається програма розрахунку поточних координат сонця, n2 t 2 причому мова MATLAB є найбільш прийнятною Е = ò ò Pg × dt для складання програм проектування, тому що t n1 t 1 має широкий набір убудованих функцій для розрахунку як слабкострумових, так і силових де n1, n2 - порядковий номер дня в році; [Рg)t ланцюгів. Чисельне моделювання з діюча потужність сонячної радіації на одиницю використанням приведених вище виражень дає площі довільно орієнтованого фотоелектричного можливість провести малобюджетну апробацію модуля без обліку його ККД. Відповідно, величина великого числа конструктивних композицій, що енергії Εh, вироблюваної фотоелектричними претендують на технічну реалізацію. Таким чином, модулями площею SS за період к діб при роботі r удається визначити геометричну форму значної по секунд кожну добу при ККД модулів h, величині поверхні, що була б максимально освітлена протягом року з урахуванням широти температура фотоелектричних модулів Τ і ступень хмарності, яка представлена безрозмірним місцевості, метеорологічних умов і, відповідно, коефіцієнтом к 0, зв'язані співвідношенням оптимальну форму опори, на якій максимально щільно упаковані фотоелектричні модулі. n =k t =r На Фіг.1, 2, 3 представлені конструкції Еh = åå Pg × h × SS × T × к 0 автономних фотоелектричних установок, n =1t =1 розташовуваних на високих широтах (умовно - в , околі полюса), на середніх широтах (в околі j=45°) при цьому к 0 визначається як відношення і на широтах, близьких до екватора, відповідно, на енергії, що фактично надійшла, до максимально Фіг.4 - схема з'єднання фотоелектричних модулів, можливого надходження за той самий проміжок узгоджуючи х пристроїв, нагромаджувачів енергії і часу. перетворювачів струму, де 1 - несуча опора, 2 Неважко показати, що діюча потужність Рg і фотоелектричні модулі, 3 - узгоджуючі пристрої, 4 питома падаюча потужність РМ залежать від нагромаджувачі електроенергії, 5 перетворювачі струму. сумарної питомої потужності сонячної радіації Ρ, Фотоелектричні модулі, на вихідних клемах кута g між нормаллю до фотоелектричного модуля яких під впливом падаючого на них сонячного і напрямком на сонце з місця установки випромінювання розвивається напруга, на кожнім фотоелектричного модуля, від висоти сонця на із конструктивів з'єднані паралельно-послідовно топоцентричній небесній сфері h, висоти нормалі для того, щоб разом із узгоджуючими пристроями фотоелектричного модуля Н, від коефіцієнта забезпечити необхідні значення напруги і навколишнього затінення Μ и від напрямку електричного струму, що надходить у джерела радіації до нормалі фотоелектричного нагромаджувачі. В якості нагромаджувачів можуть модуля, що опромінюється, через Кg, як функцію бути використані електрохімічні акумуляторні від кута g, і зв'язані з зазначеними параметрами батареї, електромеханічні (маховичні) або водневі співвідношеннями акумулятори. Фотоелектричні модулі на кожнім з ( ) 7 80770 8 конструктивів розміщені в один шар з накопичувальні системи, а також перетворювальні максимальною щільністю упакування. пристрої, а саме: інвертуючі - для перетворення До теперішнього часу провідні світові постійного струму в струм промислової частоти, і, виробники фотоелектричних модулів, у тому числі при необхідності, обслуговуючий персонал. й українські виробники, визначилися щодо Причому, внаслідок того, що при функціонуванні оптимальних розмірів зазначених модулів, і фотоелектричних модулів підкладка останніх мається досить протяжний параметричний ряд нагрівається (приріст температури досягає 20°С), фотоелектричних модулів з різноманітними додаткове опалення внутрішнього простору конструктивними й експлуатаційними установки може не знадобитися. параметрами, так що надається можливість При будівництві й експлуатації побудови автономних фотоелектричних установок фотоелектричних установок включаються витрати усіляких розмірів і форм: малогабаритних, з тільки на спорудження установок і виключаються вихідною потужністю в кілька сотень ватів, у яких витрати на паливо. Установки екологічно безпечні, несучі опори можуть створюватися з довговічні. При існуючих те хнологіях виготовлення використанням технологій «плівкової архітектури» фотоелектричних модулів довговічність установки (W. Moss), середньої потужності (одиниці-десятки обмежується практично лише довговічністю кіловатів вихідної потужності), великогабаритних несучої опори. Серйозним компонентом існуючої (мегаватної генеруємої потужності). При цьому традиційної енергетики, що базується на атомних і використання фотоелектричних модулів, теплових електростанціях з використанням побудованих на базі «тканинних» технологій вуглеводневої сировини, фотоелектричні (розробка Інституту фізичної електроніки при установки можуть стати лише при ощадливому Штутгартському університеті), наукомістким використанні земельних ресурсів і значних компонентом яких є осадження аморфного величинах потужностей, що генеруються кремнію на поверхню синтетичного волокна: окремими фотоелектричними установками. розпиленням рідкого субстрату вдається нанести Технологічна простота в спорудженні й фоточуттєві шари на поверхню будь-яких, у тому експлуатації фотоелектростанцій, їхня безпека в числі досить складних, геометричних форм, наступні роки виведуть зазначену галузь причому, внаслідок того, що структура шарів при електроенергетики на домінуючі позиції, і в деяких такій технології створюється аморфною (не монокраїнах Європейського Союзу це стало вже або полікристалічною), деградація здійсненим фактом. Відповідно до розрахунків фотоелектричних модулів мізерно мала (гарантійні витрати на спорудження каскаду фотоелектричних терміни не менш 25 років), а сформовані станцій складають усього близько 30% витрат на фоточуттєві шари активні як при прямому, так і при спорудження атомної станції такої ж потужності, розсіяному опроміненні. при цьому забезпечується безперебійне При проектуванні великогабаритних електропостачання протягом 25 років, фотоелектричних установок розрахунок опор може виключаються і витрати на енергетичне паливо. виконуватися з використанням спеціального Проста заміна фотоелектричних модулів (або математичного апарата рекурентних шарів фоточуттєвого покриття) продовжують закономірностей позацентреного стиснення, що термін експлуатації ще на 25 років, якщо термін припускає використання спеціально підібраних функціонування опори більш значний. матеріалів з різною питомою масою у верхній і Сплановані траси високошвидкісного нижній частинах конструкції. Удається транспорту на магнітному підвісі, які будуть спроектувати висотні конструкції, стійкі до пролягати по території України, у більшій частині перекидання навіть при значних вітрових не збігаються з існуючими залізничними й навантаженнях, причому з мінімальною витратою автомобільними трасами, тому використання будівельних матеріалів. фотоелектричних установок дозволить ефективно Пропонований винахід може бути вирішити задачу енергозабезпечення використаний у віддалених від централізованого інфраструктури нових транспортних магістралей енергопостачання місцевостях (наприклад, на (вокзали, диспетчерські пункти, автоматичні острівних територіях, пасовищах і ін.). На станції керування і збору інформації про рух, територіях промислових підприємств маються зв'язок), при цьому самі фотоелектричні установки досить великі вільні території («двори»), і вони можуть бути і такими, що не обслуговуються. можуть стати даровими земельними ділянками для розміщення на них фотоелектростанцій, якщо останні будуть спрямовані вгору, а їхні геометричні форми будуть оптимальними з погляду максимального використання сонячної радіації і естетично гармонічними, у тому числі і модерністської конфігурації. Для України найбільш прийнятним варіантом конструкції є варіант на Фіг.2, при цьому оптимальні співвідносні розміри для такого випадку лежать посередині приведених вище меж. У практичних реалізаціях у внутрішньому просторі конструкції фотоелектричної установки розміщаються згоджувальні пристрої, 9 80770 10