Фотоелектричний датчик для сонячного енергомодуля

Реферат: Винахід належить до сонячних енергетичних установок з фотоелектричним датчиком автоматичного спостереження систем за джерелом світла. Фотоелектричний датчик для сонячного енергомодуля містить активні елементи, блок обробки електричних сигналів, не менше двох активних елементів, які розміщені у фокусах відповідних параболічних дзеркал, містять плоскопаралельні монокристалічні пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), щонайменше один з активних елементів розміщений у фокусі параболічного дзеркала так, що зміна положення світлового зонда відбувається перпендикулярно до горизонту, величина сигналу на виході кожного з підсилювачів, які з'єднані з активними елементами, аналогово-цифровим перетворювачем та мікропроцесором, залежить від положення світлового зонда між контактами відповідних активних елементів, мікропроцесор керує роботою підсилювачів з різною періодичністю та тривалістю часу. Винахід має просту конструкцію, забезпечує збільшення його енергоефективності для різних типів поворотних модулів, достатню чутливість реагування на зміну положення Сонця при малих освітленностях активного елемента або наявної дифузної складової сонячного випромінювання. UA 106143 C2 (12) UA 106143 C2 UA 106143 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до сонячних енергетичних установок з фотоелектричним датчиком автоматичного спостереження систем за джерелом світла (Сонцем) та призначене для автоматичної орієнтації площини сонячної батареї за її максимальною проясненістю і може бути використаний у приладо- та машинобудуванні, а також в авіаційній та космічній промисловості. Однією з умов ефективного використання світлового випромінювання є необхідність постійної корекції положення сонячних елементів так, щоб протягом світлої доби вони перебували під прямим сонячним промінням. Для таких цілей використовують різні фотоелектричні датчики спостереження за джерелом світла, що містять фотоприймачі, датчики зміщення або обертання та інші. Відома сонячна фотоелектрична установка [1], що містить сонячну батарею із лінзами Френеля і приймаючими фотоелектричними перетворювачами, які розміщені на механічній системі та систему орієнтації сонячної батареї на Сонце. Система орієнтації батареї містить основний і додатковий датчики положення Сонця. Основний датчик містить затемнюючий екран із отворами та вісім фотоелементів каскадного типу, чотири з яких розміщені справа, зліва, зверху і знизу по зовнішньому контуру екрана та утворюють канали грубої орієнтації на Сонце, а інших чотири фотоелементи розміщені таким же чином, але з внутрішньої сторони екрана та утворюють канали точної орієнтації. Додатковий датчик містить три фотоелементи каскадного типу, два з яких направлені наліво і направо відносно до основного датчика, а третій в протилежну сторону. Полярність третього датчика змінюється при проходженні напрямку Південь-Північ. Технічним результатом даного винаходу є спрощення механічної системи, технологія її монтажу та спостереження за положенням Сонця тільки при наявності прямого сонячного випромінювання. Недоліком такої системи орієнтації сонячної батареї на Сонце є складність конструкції, яка містить одинадцять фотоелементів, що понижує надійність системи та недостатня чутливість реагування на зміну положення Сонця при малих проясненнях фотоелементів і дифузної складової сонячного випромінювання. Відомий фотоелектричний модуль [2], що містить бокові і фронтальну панель, виконану з силікатного скла із лінзами Френеля на її тильній стороні, а також тильну панель з силікатного скла із сонячними фотоелементами на її фронтальній стороні на теплопровідній основі. Між цими панелями розміщена додаткова проміжна панель з силікатного скла на фронтальній стороні якої встановлені плоско-випуклі лінзи, співвісно з відповідними лінзами Френеля, а фотоприймачі знаходяться у фокусній плямі двох концентраторів - лінз Френеля і плосковипуклих лінз. Технічним результатом даного винаходу є розробка такої оптичної системи, яка б забезпечувала збільшення енергоефективності фотоелектричного модуля. Недоліком такого фотоелектричного модуля є складність конструкції, яка містить велику кількість оптичних елементів (лінзи Френеля та плоско-випуклі лінзи), понижує надійність системи з часом, внаслідок впливу на оптичні елементи навколишнього середовища та недостатня чутливість реагування на зміну положення Сонця при малих освітленостях фотоелементів, внаслідок сильної розмитості плями від концентраторів. Відомий поворотний пристрій для сонячного енергомодуля [3], датчик прояснення якого вибраний як прототип, який містить у собі два фотодіоди, закріплених на несучій пластині, установленій на рухливій рамі паралельно площині сонячної батареї, і відбивач, що являє собою пластину з білою матовою поверхнею, установлену паралельно осі обертання батареї й перпендикулярно її площині таким чином, щоб не попадати в тінь батареї при будь-якому положенні Сонця. При першому вимірі після включення живлення або у випадку, коли знак різниці цих значень змінився в порівнянні з минулим виміром, пристрій обробки сигналу підключає напругу з виходу сонячної батареї до електродвигуна з метою повороту сонячної батареї убік більше освітленого фотодіода доти, поки не зміниться знак різниці значень освітленості фотодіодів. Технічним результатом даного винаходу є спрощення конструкції системи спостереження та зменшення витрат електроенергії, споживаної поворотним пристроєм. Недоліком такого датчика прояснення є недостатня чутливість реагування на зміну положення Сонця при малих освітленостях фотоелементів і дифузної складової сонячного випромінювання. Відомо [4], що наявність неоднорідностей різних типів та пов'язаного з ними потенціального рельєфу суттєво впливає на властивості нерівноважних напівпровідників, створюючи значні флуктуації електростатичного потенціалу, що призводить до фотовольтаїчних ефектів. Задачею винаходу є розробка такого фотоелектричного датчика для сонячного енергомодуля, який має просту конструкцію, забезпечує збільшення його енергоефективності 1 UA 106143 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 для різних типів поворотного модуля, задану чутливість реагування на зміну положення Сонця при малих проясненнях активного елемента та дифузної складової сонячного випромінювання. Поставлена задача вирішується тим, що фотоелектричний датчик для сонячного енергомодуля містить активні елементи та блок обробки електричних сигналів, не менше двох активних елементів, які розміщені у фокусах відповідних параболічних дзеркал, містять плоскопаралельні монокристалічні пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), щонайменше один з активних елементів розміщений у фокусі параболічного дзеркала так, що зміна положення світлового зонда відбувається перпендикулярно до горизонту, величина сигналу на виході кожного з підсилювачів, які з'єднані з активними елементами, аналогово-цифровим перетворювачем та мікропроцесором, залежить від положення світлового зонда між контактами відповідних активних елементів, мікропроцесор керує роботою підсилювачів з різною періодичністю та тривалістю часу. Активний елемент містить плоскопаралельну монокристалічну пластинку з моносульфіду германію (GeS), легованого сурмою (Sb) в кількості 0,5-1,0 ат. %, з нанесеними компланарними омічними контактами, при освітленні якої світловим зондом виникає фотоерс. Фотоерс досягає максимального значення при розміщенні світлового зонду біля одного з контактів і зменшується у міру переміщення світлового зонда в бік другого контакту, приймаючи нульове значення посередині між ними, після чого змінивши полярність на протилежну знову зростає і досягає максимального значення біля другого контакту. При цьому змінюється і полярність напруги на контактах активного елемента. Так як зміна положення Сонця приводить до одночасної зміни положення світлового зонда на поверхні монокристалічної пластинки відносно до контактів, то це приводить до зміни величини фотоерс на контактах активного елемента та сигналу на вході підсилювача. Використання хоча б одного активного елемента, розміщеного відносно до параболічного дзеркала так, що зміна положення світлового зонда відбувається перпендикулярно до горизонту, дозволяє забезпечити спостереження за зміною положення Сонця одночасно або окремо по горизонталі та вертикалі. Сонячне випромінювання, падаючи на параболічне дзеркало, формує у фокусі світловий зонд. Зміна положення Сонця приводить одночасно до зміни положення світлового зонда в тій же площині. Використання параболічного дзеркала дозволяє отримати необхідну інтенсивність світла у світловому зонді навіть при малих проясненнях сонячного випромінювання або його дифузної складової. Розмірами та формою параболічного дзеркала можна регулювати інтенсивність та розміри плями світлового зонда, який падає на активний елемент, що дозволяє забезпечити необхідну чутливість датчика при різних умовах навколишнього середовища. Робота мікропроцесора з різною періодичністю та тривалістю часу підвищує енергоефективність фотоелектричного датчика у випадку нерівномірної зміни положення Сонця на протязі світлової доби і при використанні різних типів поворотних модулів у різних умовах навколишнього середовища. На фіг. 1 наведена залежність величини сигналу на вході підсилювача від положення світлового зонда між контактами активного елемента. На фіг. 2 наведена конструкція активного елемента. Активний 1 елемент складається з корпусу 2, на основі якого розміщена плоскопаралельна 3 пластинка, що виготовлена з монокристалічного моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb). Електричні 5 контакти нанесені на плоскопаралельну 3 пластинку в одній площині і з'єднані із струмовиводами 6. На верхній стороні корпусу 2 розміщене прозоре для світлового випромінювання вікно 4. На фіг. 3 наведена функціональна схема фотоелектричного датчика для сонячного енергомодуля. Активний 1 елемент, який розмішений у фокусі параболічного 7 дзеркала горизонтально і повернутий до нього так, що світловий зонд, пройшовши крізь прозоре для світлового випромінювання вікно 4, попадає перпендикулярно на плоскопаралельну пластинку кристала, підключений до блока 10 обробки електричних сигналів. Активний 9 елемент, який розмішений у фокусі параболічного 8 дзеркала вертикально і повернутий до нього так, що світловий зонд, пройшовши крізь прозоре для світлового випромінювання вікно 4, попадає перпендикулярно на плоскопаралельну пластинку кристала, підключений до блока 10 обробки електричних сигналів. Блок 10 обробки електричних сигналів містить підсилювачі 11 та 12, які з'єднані з аналоговоцифровим 13 перетворювачем та мікропроцесором 14. Активні 1 та 9 елементи з'єднані з відповідними підсилювачами 11 та 12. Фотоелектричний датчик для сонячного енергомодуля працює наступним чином. В положенні, коли сонячне випромінювання падає на параболічне 7 дзеркало і параболічне 8 дзеркало таким чином, що світлові зонди, які пройшли через прозоре для сонячного 2 UA 106143 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 випромінювання вікно 4 попадає на середину активних 1 і 9 елементів, спади напруг на входах підсилювачів 11 і 12 рівні нулю. При переміщенні Сонця переміщується відповідно і світлові зонди, наближаючись до одного з контактів 5 активних 1 і 9 елементів. Така зміна положення світлового зонда приводить до появи спаду напруг певної полярності на входах підсилювачів 11 і 12. В результаті зміни напруги відповідної полярності на виходах підсилювачів 11 і 12 блок обробки 10 електричних сигналів формує відповідні сигнали керування поворотним модулем, з метою повороту датчика в необхідну горизонтальну і вертикальну сторони. При цьому світлові зонди, що падають на активні 1 і 9 елементи переміщуються в початкове положення, а спад напруги на входах підсилювачів 11 і 12 стає рівний нулю. При першому включенні фотоелектричного датчика або у випадку коли виникла напруга на вході підсилювачів 11 і/або 12 мікропроцесор 14 подає електричний сигнал для вимірювання величини та полярності напруги на вході підсилювачів 11 і/або 12, які з'єднані з аналоговоцифровим 13 перетворювачем. Величина та полярність напруги на виході підсилювачів 11 і/або 12 передається на аналогово-цифровий 13 перетворювач, який генерує для мікропроцесора 14 відповідні цифрові коди. У залежності від отриманих цифрових кодів мікропроцесор 14 подає відповідні електричні сигнали керування поворотним модулем, з метою повороту датчика в необхідні сторони. Коли спад напруги на вході підсилювачів 11 і 12 стане рівний нулю мікропроцесор 14 переходить в режим таймера. Робота мікропроцесора 14 з різною періодичністю та тривалістю часу задається апаратно або програмно в залежності від вибраного поворотного модуля та умов його використання. Плоскопаралельна монокристалічна 3 пластинка моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb) вирощена із газової фази методом статичної сублімації в герметично запаяних попередньо відкачаних кварцових ампулах. Габітус кристалів - плоскопаралельні пластинки з природними атомно-гладкими поверхнями розміром до 15×8×0,1 мм. На поверхню (001) одержаної монокристалічної пластинки наносилися компланарні індієві контакти. Лінійність Вольт-Амперних характеристик при освітленості контактів пластинки та в темноті підтверджує омічність контактів. Ширина світлового зонда не перевищувала 1,0 мм. За п. 2 формули винаходу, який відрізняється тим, що для підвищення ефективності роботи та керування поворотним модулем підсилювачі знаходяться в одному корпусі з активними елементами. Таке розміщення підсилювачів дозволяє забезпечити чутливість активних елементів у випадку підвищеного дифузійного розсіювання світла або їх розміщенні поза фотоелектричним датчиком. За п. 3 формули винаходу, який відрізняється тим, що для підвищення енергоефективності роботи та розширення області його використання мікропроцесор керує роботою підсилювачів з однаковою або різною тривалістю часу незалежно один від одного, що необхідно у випадку зміни положення Сонця протягом світлової доби та в різних умовах навколишнього середовища. За п. 4 формули винаходу, який відрізняється тим, що для забезпечення заданої чутливості активних елементів датчика при роботі в різних умовах навколишнього середовища вони розмішені на теплопровідних основах корпусів відповідних активних елементів. За п. 5 формули винаходу, який відрізняється тим, що для спрощення конструкції датчика та його ефективної роботи активні елементи з параболічними дзеркалами розміщені в окремих корпусах, верхня сторона яких прозора для сонячного випромінювання. Розміщення активних елементів з параболічними дзеркалами в окремих корпусах дозволяє підвищити точність їх налаштування в початковий момент роботи та полегшує сервісне обслуговування датчика. За п. 6 формули винаходу, який відрізняється тим, що для забезпечення заданої чутливості активних елементів датчика при його використанні у різних умовах навколишнього середовища та наявності підвищеної дифузної складової сонячного випромінювання активні елементи з параболічними дзеркалами знаходяться поза датчиком. За п. 7 формули винаходу, який відрізняється тим, що для підвищення ефективності його використання при роботі з різним типом поворотних модулів світлові зонди формуються оптичними елементами, які здатні концентрувати світлове випромінювання. Такими оптичними елементами можуть бути наприклад, дзеркала з різною формою кривизни, оптичні лінзи, дифракційні решітки та ін… Запропонований фотоелектричний датчик для сонячного енергомодуля має просту конструкцію, забезпечує збільшення його енергоефективності для різних типів поворотних модулів, достатню чутливість реагування на зміну положення Сонця при малих проясненнях активного елемента або наявної дифузної складової сонячного випромінювання. Джерела інформації: 3 UA 106143 C2 5 10 15 20 25 30 35 1. Патент RU № 2286517. Солнечная фотоэлектрическая установка, МПК F24J 2/42 (2006.01). Опуб. 27.10.2005. 2. Патент RU № 2307294 Фотоэлектрический модуль (варианты), МПК F24J 2/08 (2006.01) H01L 31/052 (2006.01). Опуб. 27.09.2007 3. Патент RU № 2381426. Поворотное устройство для солнечного энергомодуля, МПК F24J 2/54 (2006.01). Опуб. 10.02.2010. 4. Блецкан Д.И. Кристаллические и стеклообразные халькогениды Si, Ge, Sn и сплавы на их основе. - Ужгород. ВАТ "Видавництво "Закарпаття»». - 2004. - Т.І. - 292 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Фотоелектричний датчик для сонячного енергомодуля, що містить активні елементи та блок обробки електричних сигналів, який відрізняється тим, що не менше двох активних елементів, які розміщені у фокусах відповідних параболічних дзеркал, містять плоскопаралельні монокристалічні пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), щонайменше один з активних елементів розміщений у фокусі параболічного дзеркала так, що зміна положення світлового зонда відбувається перпендикулярно до горизонту, величина сигналу на виході кожного з підсилювачів, які з'єднані з активними елементами, аналоговоцифровим перетворювачем та мікропроцесором, залежить від положення світлового зонда між контактами відповідних активних елементів, мікропроцесор керує роботою підсилювачів з різною періодичністю та тривалістю часу. 2. Фотоелектричний датчик для сонячного енергомодуля за п. 1, який відрізняється тим, що підсилювачі знаходяться в одному корпусі з активними елементами. 3. Фотоелектричний датчик для сонячного енергомодуля за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що мікропроцесор керує роботою підсилювачів з різною періодичністтю та тривалістю часу незалежно один від одного. 4. Фотоелектричний датчик для сонячного енергомодуля за пп. 1-3, який відрізняється тим, що активні елементи розміщені на теплопровідній основі. 5. Фотоелектричний датчик для сонячного енергомодуля за пп. 1-4, який відрізняється тим, що активні елементи з параболічними дзеркалами розміщені в окремих корпусах, верхня сторона яких прозора для випромінювання джерела світла. 6. Фотоелектричний датчик для сонячного енергомодуля за пп. 1-5, який відрізняється тим, що активні елементи з параболічними дзеркалами знаходяться поза датчиком. 7. Фотоелектричний датчик для сонячного енергомодуля за пп. 1-6, який відрізняється тим, що світловий зонд формується оптичним елементом, який здатний концентрувати світлове випромінювання. 4 UA 106143 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5