Интегрированная солнечно-ветровая энергоустановка
Интегрированная солнечно-ветровая энергоустановка содержит солнечную электрогенерирующую установку (1). Солнечная электрогенерирующая установка (1) включает, по меньшей мере, одну солнечную батарею (2), ветроагрегат (4) с электрогенератором (5), первый преобразователь (6) напряжения, преобразующий постоянное напряжение в постоянное напряжение, второй преобразователь (7) напряжения, преобразующий переменное напряжение в постоянное напряжение, накопитель электроэнергии (8), систему (9) коммутации и управления и инвертор (10), формирующий выходное напряжение для потребителя (11). Солнечная батарея (2) состоит, по меньшей мере, из одного фотоэлектрического модуля (13) с гетероструктурными каскадными фотоэлектрическими преобразователями (20) и концентраторами солнечного излучения (17) или (18) и (19). Солнечная батарея (2) установлена на систему (3) ориентации на Солнце. Выход солнечной батареи (2) соединен с входом первого преобразователя (6) напряжения. Выход электрогенератора (5) подключен к входу второго преобразователя (7) напряжения. Выходы первого (6) и второго (7) преобразователей напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами системы (9) коммутации и управления. Первый выход системы (9) подключен к накопителю электроэнергии (8), а второй выход соединен с входом инвертора (10). Задачей технического решения является создание интегрированной солнечно-ветровой энергоустановки с увеличенным КПД. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.
Полезная модель относится к гелио- и ветроэнергетике, в частности, к интегрированным энергоустановкам, применяемым, например, в системах автономного электроснабжения удаленных потребителей.
В настоящее время все большее внимание обращается на использование солнечной энергии в энергетике. Солнечная фотоэнергетика рассматривается как один из важнейших альтернативных источников энергии. Более двух миллиардов людей в мире не имеют доступа к централизованному снабжению электричеством, хотя большинство из них живет в солнечном поясе Земли. Централизованная система снабжения электроэнергией не выгодна в районах, отдаленных от традиционных источников электроэнергии, и ее организация требует огромных капитальных вложений. Этот фактор особенно важен для стран, занимающих большую территорию. Электрическая энергия является ключом для повышения уровня жизни в районах, не имеющих снабжения электричеством, и солнечная энергия оказывается предпочтительным децентрализованным источником энергии в этих районах, благодаря ее практически неограниченному ресурсу. Современный мировой рынок фотоэнергетики является быстро развивающимся сегментом мировой экономики с возрастающим темпом роста. Одним из наиболее перспективных методов получения электроэнергии из возобновляемых источников является преобразование энергии ветра и энергии солнечного излучения с помощью единой интегрированной солнечно-ветровой энергоустановки.
Известна гелиоветровая энергетическая установка, содержащая ветроагрегат, электрогенератор которого установлен на вертикальном стволе, одну горизонтальную и две боковые солнечные батареи, связанные между собой поворотными шарнирами и подпружиненные с обоих концов,
хвостовую балку с ручным приводом и аккумулятор. Балка прикреплена к тыльной части электрогенератора на подвижном шарнире, солнечные батареи прикреплены на шарнирах к верхней части балки (см. RU, Патент №2187693, F03D 9/00, 2002).
Ручная установка солнечных батарей на определенный угол в зависимости от времени года и солнцестояния снижает эксплуатационные и энергетические характеристики установки.
Известна ветровая энергоустановка, включающая ветроагрегат с электрогенератором и установленные на опоре ветроагрегата панели солнечных батарей (см. заявка US №2007/0182161, F03D 9/00, 09.08.2007).
Недостатком конструкции является отсутствие системы слежения за положением Солнца.
Известен источник энергии для удаленных потребителей, содержащий в своем составе солнечные модули и ветроэлектрогенератор (см. заявка US №2007/0132433, G05F 1/00, 14.01.2007).
Недостатком известного источника является отсутствие системы слежения солнечных модулей за положением Солнца, что снижает эффективность работы источника.
Известна солнечная энергетическая установка, содержащая в своем составе ветряной ротор с электрогенератором и панели солнечных батарей (см. заявка DE №102005000710, F03G 6/04, 2006).
В известной установке панели солнечных батарей установлены неподвижно, что отрицательно сказывается на эффективности работы установки.
Известна ветровая и солнечная энергетическая установка, содержащая в своем составе ветряные роторы, расположенные вблизи специальных ветровых туннелей в здании, и панели солнечных батарей, установленные консольно по периметру здания (см. US, Патент №7172386, F03D 3/02, 06.02.2007).
Конструкция известной энергетической установки чрезмерно громоздка, а эффективность неподвижных панелей солнечных батарей недостаточна высока.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности существенных признаков является интегрированная энергоустановка, содержащая солнечную электрогенерирующую установку, включающую солнечную батарею с фотоэлектрическими преобразователями, ветроагрегат с электрогенератором, кислородно-водородный топливный элемент, преобразователи напряжения, систему контроля и управления и инвертор, формирующий выходное напряжение для потребителя (см. US, Патент №7000395, F01B 23/08, 2006).
Использованная в известной энергоустановке система контроля и управления позволяет оптимизировать функционирование энергоустановки и генерировать максимальную энергию. В то же время в энергоустановке отсутствует возможность увеличения энергосъема с помощью ориентации солнечных батарей на Солнце, что снижает ее КПД.
Задачей заявляемого технического решения является создание интегрированной солнечно-ветровой энергоустановки с увеличенным КПД.
Поставленная задача решается тем, что интегрированная солнечно-ветровая энергоустановка содержит солнечную электрогенерирующую установку, включающую, по меньшей мере, одну солнечную батарею, по меньшей мере, из одного фотоэлектрического модуля с гетероструктурными каскадными фотоэлектрическими преобразователями и концентраторами солнечного излучения, установленную на систему ориентации на солнце, ветроагрегат с электрогенератором, первый преобразователь напряжения, преобразующий постоянное напряжение в постоянное напряжение, второй преобразователь напряжения, преобразующий переменное напряжение в постоянное напряжение, накопитель электроэнергии, систему коммутации и управления и инвертор, формирующий выходное напряжение для потребителя, причем выход солнечной батареи соединен с
входом первого преобразователя напряжения, выход электрогенератора подключен к входу второго преобразователя напряжения, выходы первого и второго преобразователей напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами системы коммутации и управления, первый выход которой подключен к накопителю электроэнергии, а второй выход соединен с входом инвертора.
Снабжение солнечной батареи интегрированной солнечно-ветровой энергоустановки системой ориентации на Солнце позволяет значительно увеличить мощность энергоустановки при той же площади солнечных батарей, а следовательно, увеличить ее КПД. Система ориентации на Солнце может иметь любую известную конструкцию, например, такую, которая использована в патенте РФ №47497, F24J 2/42, опубликованном в 2005 году.
В состав энергоустановки входит солнечная батарея, содержащая один или несколько фотоэлектрических модулей с концентраторами солнечного излучения, и которая, кроме того, может содержать одну или несколько плоских панелей фотоэлектрических преобразователей без концентраторов солнечного излучения.
В солнечной батарее применяются гетероструктурные каскадные фотоэлектрические преобразователи и, кроме того, могут быть применены кремниевые фотоэлектрические преобразователи.
В энергоустановке в качестве ветроагрегата может быть применена ветротурбина с вертикальной осью и низкооборотный генератор с управляемой модуляцией магнитной проводимости, а также ветротурбина с горизонтальной осью.
В качестве накопителя электроэнергии может быть применена электрохимическая аккумуляторная батарея, или другой накопитель, использующий обратимое преобразование и хранение энергии в другом ее виде.
Заявляемая интегрированная солнечно-ветровая энергоустановка поясняется чертежами, где:
на фиг.1 приведена структура интегрированной солнечно-ветровой энергоустановки с автоматически ориентируемыми солнечными батареями;
на фиг.2 схематически изображен вид сбоку на один из вариантов солнечной батареи с фотоэлектрическими преобразователями и системой их ориентации на Солнце;
на фиг.3 приведен вид спереди на солнечную батарею, изображенную на фиг.2;
на фиг.4 показан один из вариантов фотоэлектрического модуля с концентраторами солнечного излучения;
на фиг.5 приведен другой вариант фотоэлектрического модуля с концентраторами солнечного излучения.
Интегрированная солнечно-ветровая энергоустановка (см. фиг.1) содержит солнечную электрогенерирующую установку 1, включающую солнечную батарею 2 с фотоэлектрическими преобразователями и системой 3 ориентации на Солнце, ветроагрегат в виде ветротурбины 4 с электрогенератором 5, первый преобразователь 6, преобразующий постоянный ток в постоянный ток, второй преобразователь 7, преобразующий переменный ток в постоянный ток, накопитель 8 электроэнергии, например, в виде аккумуляторной батареи, систему 9 коммутации и управления и инвертор 10, формирующий выходное напряжение для потребителя 11. Солнечная батарея 2 соединена с входом первого преобразователя 6 напряжения, выход электрогенератора 5 подключен к входу второго преобразователя 7 напряжения. Выход первого преобразователя 6 подключен к первому входу системы 9 коммутации и управления, а выход второго преобразователя 7 напряжения соединен со вторым входом системы 9 коммутации и управления. Первый выход системы 9 коммутации и управления подключен к накопителю 8 электроэнергии, а второй выход соединен с входом инвертора 10. Солнечная электрогенерирующая установка 1 (см. фиг.2, фиг.3) может быть снабжена монтажной платформой 12, на которой могут
также размещаться и другие блоки энергоустановки. Солнечная батарея 2 представляет собой совокупность одинаково ориентированных фотоэлектрических модулей 13, закрепленных на системе 3 ориентации на Солнце. Два из возможных вариантов фотоэлектрических модулей 13 показаны на фиг.4, фиг.5. Фотоэлектрический модуль 13 содержит выполненные из силикатного стекла боковые стенки 14, тыльную панель 15 и монолитную фронтальную панель 16, на тыльной поверхности которой путем литья под давлением сформированы соприкасающиеся друг с другом первичные оптические концентраторы. На фронтальной поверхности панели 16 сформировано тонкопленочное просветляющее (антиотражающее) покрытие. Первичные оптические концентраторы могут быть выполнены, например, в форме квадратных плоско-выпуклых линз 17 (см. фиг.4) или, например, в форме правильных шестиугольных линз Френеля 18 (см. фиг.5). Вторичные оптические концентраторы могут быть выполнены, например, в виде фоконов 19, установленных меньшим основанием на светочувствительных поверхностях фотоэлектрических преобразователей 20 с теплоотводящими элементами-основаниями 21, размещенных на фронтальной поверхности тыльной панели 15 соосно соответствующим первичным оптическим концентраторам. В качестве фотоэлектрических преобразователей использованы гетероструктурные каскадные фотоэлектрические преобразователи. Дополнительно солнечная батарея 2 может содержать кремниевые фотоэлектрические преобразователи и/или одну или несколько плоских панелей фотоэлектрических преобразователей без концентраторов солнечного излучения.
Интегрированная солнечно-ветровая энергоустановка работает следующим образом. Система 3 ориентирует солнечную батарею 2 на центр солнечного диска с необходимой точностью, что достигается за счет прецизионного перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. В движение система 3 может приводиться различными способами, например, с помощью электродвигателей, питаемых от накопителя 8 электроэнергии
(аккумуляторной батареи). Вращение и ориентация осуществляются по программе, учитывающей географическую точку расположения солнечной батареи 2 и местное время, и с помощью встроенного фотоэлектрического датчика ориентации по направлению потока солнечного излучения. Прямое солнечное излучение, проходящее через фронтальную панель 16 фотоэлектрического модуля 13 по нормали к ее поверхности, фокусируется с помощью первичных и вторичных оптических концентраторов на поверхности фотоэлектрических преобразователей 20. Фотоэлектрические преобразователи 20 преобразуют энергию квантов солнечного света в электрическую, создавая разность потенциалов на своих контактах. Параллельно-последовательная коммутация фотоэлектрических преобразователей 20 в фотоэлектрическом модуле 13 обеспечивает достижение разности потенциалов на выходных клеммах фотоэлектрического модуля 13, оптимальной для функционирования последующей электрической схемы. Отдельные фотоэлектрические модули 13 соединяются электрически последовательно в одинаковые группы для увеличения напряжения на общем выходе каждой группы, группы модулей 13 соединяются электрически параллельно в батарею для суммирования токов, генерируемых в группах модулей 13. Постоянный ток, вырабатываемый солнечной батареей 2, преобразуется в постоянный ток в первом преобразователе 6, который выполняет функцию зарядного устройства и может работать либо в режиме источника тока требуемой величины для подзарядки накопителя 8 электроэнергии, либо в режиме источника напряжения в случае заряженного накопителя 8 электроэнергии. Ветер, воздействуя на лопасти ветротурбины, заставляет вращаться ветротурбину, вал которой вращает ротор электрогенератора 5, в котором вырабатывается переменный ток. Этот ток поступает в преобразователь 7, преобразующий его в постоянный. Преобразователь 7 выполняет функции выпрямителя и зарядного устройства, которое может работать либо в режиме источника тока требуемой величины для подзарядки накопителя 8 электроэнергии, либо в режиме источника напряжения в случае
заряженного накопителя 8 электроэнергии. После преобразователей 6 и 7 постоянные токи поступают в систему 9 коммутации и управления и используются для питания выходного инвертора 10, а также, при необходимости, для подзарядки накопителя 8 электроэнергии. Выходной инвертор 10 преобразует постоянный ток в ток, имеющий характеристики, требующиеся потребителю электроэнергии, например, в переменный ток с частотой 50 Гц и действующим напряжением 220 В.
В случае, если первичной мощности улавливаемого солнечного излучения и ветра с учетом коэффициентов преобразования достаточно для питания нагрузки потребителя электроэнергии и, при необходимости, для подзарядки накопителя электроэнергии (аккумуляторной батареи), осуществляется полное электроснабжение потребителя 11 и подзарядка накопителя 8 за счет излишков вырабатываемой электроэнергии. В случае, если первичная мощность понижается и становится, с учетом коэффициентов преобразования, равна мощности, потребляемой нагрузкой потребителя 11, подзарядка накопителя 8 электроэнергии приостанавливается. В случае, если первичной мощности с учетом коэффициентов преобразования недостаточно для питания нагрузки потребителя 11, недостающая мощность компенсируется за счет накопителя 8 электроэнергии, отдающего потребителю 11 накопленную электроэнергию. В случае разрядки накопителя 8 электроэнергии до минимально возможного уровня, потребитель 11 отключается от интегрированной солнечно-ветровой энергоустановки и за счет поступающей первичной мощности, недостаточной для питания нагрузки потребителя 11, начинается зарядка накопителя 8 до определенного уровня энергоемкости, после достижения которого потребитель 11 снова может быть подключен к энергоустановке.
1. Интегрированная солнечно-ветровая энергоустановка, содержащая солнечную электрогенерирующую установку, включающую, по меньшей мере, одну солнечную батарею, по меньшей мере, из одного фотоэлектрического модуля с гетероструктурными каскадными фотоэлектрическими преобразователями и концентраторами солнечного излучения, установленную на систему ориентации на Солнце, ветроагрегат с электрогенератором, первый преобразователь напряжения, преобразующий постоянное напряжение в постоянное напряжение, второй преобразователь напряжения, преобразующий переменное напряжение в постоянное напряжение, накопитель электроэнергии, систему коммутации и управления и инвертор, формирующий выходное напряжение для потребителя, при этом выход солнечной батареи соединен с входом первого преобразователя напряжения, выход электрогенератора подключен к входу второго преобразователя напряжения, выходы первого и второго преобразователей напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами системы коммутации и управления, первый выход которой подключен к накопителю электроэнергии, а второй выход соединен с входом инвертора.
2. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что солнечная батарея дополнительно содержит, по меньшей мере, одну плоскую панель фотоэлектрических преобразователей без концентраторов солнечного излучения.
3. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что солнечная батарея дополнительно содержит кремниевые фотоэлектрические преобразователи.
4. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ветроагрегата применена ветротурбина с вертикальной осью.
5. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве электрогенератора использован низкооборотный генератор с управляемой модуляцией магнитной проводимости.
6. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ветроагрегата применена ветротурбина с горизонтальной осью.
7. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве накопителя электроэнергии использована электрохимическая аккумуляторная батарея.
