Солнечная энергетическая установка с термоэлектрическим генератором для средств навигационного оборудования

Изобретение относится к автономным устройствам энергоснабжения средств навигационного оборудования (СНО) берегового и морского базирования как источника питания для подзарядки накопителей энергии (аккумуляторных батарей) с термоэлектрическим преобразованием энергии Солнца. Установка с термоэлектрическим генератором предназначена для зрительных средств навигационного оборудования, содержит светооптическое устройство, автономный источник электропитания (аккумулятор) и подзарядное энергетическое устройство с механизмом подключения его к данному источнику, при этом она снабжена в качестве подзарядного устройства термоэлектрическим преобразователем (термоэлектрическим генератором), преобразующим тепловую энергию Солнца в электрическую и помещенным внутри гелиоконцетратора, функции которого выполняет оптическое устройство на основе линзы Френеля, жестко закрепленное в шейке каустики (фокусе) гелиоконцентратора. Изобретение должно обеспечить упрощение конструкции, повышение надежности, долговечности и процесса эксплуатации на объектах СНО. 1 ил.

 

Описание изобретения

Изобретение относится к области электротехники, а в частности, к автономным энергетическим установкам зрительных средств навигационного оборудования (плавучих предостерегательных знаков и береговых светящих знаков), использующим энергию Солнца.

Известны средства навигационного оборудования (СНО) различных модификаций и назначения, использующие для электропитания светооптической аппаратуры и других потребителей энергию Солнца. Всеми солнечными энергетическими установками известных СНО используется эффект фотоэлектронной эмиссии (фотоэлектрические преобразователи - солнечные батареи), например, гидрометеорологический буй DB 4700 производства норвежской фирмы AANDERAA Data Instruments (информация: «Компания ИНФОМАР» www.infomarcompany.com). Для электропитания светооптической и гидрометеорологической аппаратуры этот буй оснащен девятью солнечными панелями по 5,5 Вт каждая.

Существенным недостатком эксплуатации данного буя является наружное расположение солнечных панелей на его корпусе. Для буев, используемых в замерзающих морях, это является неприемлемым из-за повреждений солнечных модулей льдинами в периоды ледостава и ледохода.

В СНО берегового базирования недостатком применения солнечных панелей является схема их ориентации. Классикой в северном полушарии является жесткая ориентация солнечных панелей лицевой стороной на юг под углом наклона, равным широте места. Вследствие такого расположения, солнечная радиация максимально используется только в полуденное время, а в утренние и вечерние часы уровень получаемой радиации значительно снижается из-за острых углов падения солнечных лучей на поверхность модуля. Это обстоятельство, а также невозможность использования гелиоконцентраторов при данном модульном исполнении фотоэлектрических преобразователей, делает процесс преобразования солнечной энергии малоэффективным. Кроме того, наружное расположение солнечных панелей не защищает их от затенения снежным покровом и обледенения, а также проявлений вандализма.

Известны также энергетические установки, использующие для питания светооптических устройств СНО термоэлектрические преобразователи тепловой энергии в электрическую, такие как радиоизотопные термоэлектрические генераторы - РИТЭГ.

Использование РИТЭГ признано отрицательным вследствие неблагоприятного воздействия на здоровье человека и окружающую среду. В соответствии с Федеральным Законом №187-ФЗ от 23.12.2003 г. проводится демонтаж и утилизация РИТЭГ, расположенных в прибрежной зоне морей Российской Федерации.

Данные обстоятельства обуславливают разработку и создание новых, экологически чистых, автономных источников энергии для значительного количества зрительных СНО берегового и морского базирования.

Задачей настоящего изобретения является создание автономной энергетической установки для СНО, работа которой основана на преобразовании тепловой энергии Солнца в электрическую, и предназначенной для подзарядки накопителя энергии, питающего источник света, а также обеспечивающей экологическую чистоту, надежность, долговечность, упрощение процесса эксплуатации объектов СНО и способной предохранить составные элементы солнечной энергетической установки с термоэлектрическим генератором от внешних повреждений и проявлений вандализма.

Поставленная задача достигается тем, что в солнечной энергетической установке с термоэлектрическим генератором, предназначенной для зрительных средств навигационного оборудования, содержится светооптическое устройство, автономный источник электропитания (аккумулятор) и подзарядное энергетическое устройство с механизмом подключения его к данному источнику. Она снабжена в качестве подзарядного устройства термоэлектрическим преобразователем (термоэлектрическим генератором), преобразующим тепловую энергию Солнца в электрическую и помещенным внутри гелиоконцетратора, функции которого выполняет оптическое устройство на основе линзы Френеля, исключающего необходимость использования системы слежения за видимым движением Солнца и позволяющего преломлять и фокусировать направленное солнечное излучение независимо от положения Солнца по горизонту и высоте и жестко закрепленного в шейке каустики (фокусе) гелиоконцентратора.

В состав любой солнечной энергетической системы с термоэлектрическим генератором (ТЭГ) входит: сам ТЭГ с термоэлементами, система концентрации солнечной радиации (гелиоконцентратор) и система слежения за видимым движением Солнца.

Предлагаемое устройство значительно упрощает данную схему, поскольку исключает систему слежения, а функции гелиоконцентратора выполняет линза Френеля. Используемые в СНО линзы Френеля предназначены для преломления светового потока источника света, помещенного в фокусе диоптрической системы, и направления его вдоль оптической оси, т.е. создания направленного светового потока. Линза Френеля обладает способностью и обратного действия - направленное солнечное излучение фокусируется за линзой в каустике. В самом узком месте каустики (шейке каустики) находится практический фокус оптической системы, в котором и должен помещаться термоэлемент ТЭГ. При использовании линзы Френеля отпадает необходимость слежения за Солнцем по горизонту, а для учета изменяющейся в течение дня высоты Солнца профиль Френеля с учетом предложения Аллара создается таким образом, чтобы в любой момент времени определенная часть ступеней линзы фокусировала солнечные лучи в шейку каустики, в которую помещается термоэлемент.

Выработанное ТЭГ электричество, системой управления, включающей в себя контроллер заряда, подается в накопитель энергии (аккумулятор или батарею аккумуляторов), который в свою очередь обеспечивает электроэнергией светодиодный излучатель (СДИ) в темное время суток.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных источников информации не выявлено описание подобной солнечной энергетической системы СНО, использующей термоэлектрические генераторы.

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленные отличительные технические признаки солнечной энергетической установки с термоэлектрическим генератором при ее использовании могут существенно повысить надежность, долговечность и значительно упростить процесс эксплуатации зрительных СНО.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартные средства навигационного оборудования, традиционные технологии по изготовлению линз Френеля и термоэлектрических генераторов, а также стандартное оборудование и приспособления для модернизации этих средств.

Пример реализации

На чертеже схематично изображен вид и принципиальная блок-схема солнечной термоэнергетической установки визуального СНО с расположением внутри его корпуса 7 предлагаемых технических средств и их структурное соединение.

Данная установка имеет в своем составе: светодиодный излучатель 1, сопряженный системой управления 4 с накопителем энергии (аккумуляторной батареей) 5, фокусирующую линзу Френеля 2, термоэлектрический преобразователь с блоком термоэлементов 3, передающий электрическую энергию через систему управления 4 в накопитель энергии (аккумуляторную батарею) 5 и световой датчик 6, подающий сигнал системе управления 4 на включение светодиодного излучателя 1 при наступлении сумерек и отключение его с рассветом.

Работа солнечной энергетической установки с термоэлектрическим генератором осуществляется следующим образом. С восходом Солнца световой датчик 6 подает сигнал в систему управления 4, которая выключает светодиодный излучатель 1. С этого момента начинается процесс накопления энергии в накопителе энергии (аккумуляторной батарее) 5. Направленное солнечное излучение (на чертеже схематично показано положение Солнца на восходе/закате, в полдень и утреннее/вечернее время) преломляется и фокусируется определенными ступенями линзы Френеля 2 в шейку каустики (фокус), в котором находится центр блока термоэлементов термоэлектрического генератора 3. Преобразованная солнечная энергия с термогенератора 3 подается в систему управления 4, в состав которой входит контроллер заряда накопителя энергии (аккумуляторной батареи). Контроллер регулирует процесс заряда накопителя и обеспечивает его защиту от перезаряда.

С заходом Солнца световой датчик 6 подает сигнал в систему управления 4, в составе которой имеется проблескатор, осуществляющий включение светодиодного излучателя 1 и его работу с заданными характеристиками. Электропитание светодиодного излучателя происходит от накопителя энергии (аккумуляторной батареи) 5.

Технико-экономическая эффективность заявленного устройства заключается в существенном повышении экологичности, безопасности, надежности и упрощении процесса эксплуатации зрительных СНО, а также высокой вандалозащищенности, обусловленной внутренним расположением элементов устройства. Благодаря предложенным отличительным признакам заявленного изобретения, обеспечивается значительное сокращение финансовых расходов на обслуживание СНО.

Солнечная энергетическая установка с термоэлектрическим генератором, предназначенная для зрительных средств навигационного оборудования, содержащая светооптическое устройство, автономный источник электропитания (аккумулятор) и подзарядное энергетическое устройство с механизмом подключения его к данному источнику, отличающаяся тем, что она снабжена в качестве подзарядного устройства термоэлектрическим преобразователем (термоэлектрическим генератором), преобразующим тепловую энергию Солнца в электрическую и помещенным внутри гелиоконцетратора, функции которого выполняет оптическое устройство на основе линзы Френеля, исключающего необходимость использования системы слежения за видимым движением Солнца и позволяющего преломлять и фокусировать направленное солнечное излучение независимо от положения Солнца по горизонту и высоте и жестко закрепленного в шейке каустики (фокусе) гелиоконцентратора.