RU230207U1 - Устройство для мониторинга состояния и очистки солнечных модулей с использованием беспилотного летательного аппарата - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области солнечной энергетики и может найти применение для мониторинга состояния и защиты фотоэлектрических модулей от загрязнения и деградации, сохранения их эксплуатационных и энергетических характеристик и увеличения срока работы. Техническая задача предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности работы устройства очистки запыленных поверхностей фотоэлектрического модуля за счет электрического поля, создаваемого между поверхностью модуля и электростатическим экраном и сил этого поля, действующих на пылевые частицы, осевшие на поверхности модуля. Устройство для мониторинга состояния и очистки поверхности фотоэлектрического модуля содержит беспилотный летательный аппарат с установленной на нем видеокамерой контроля состояния фотоэлектрического модуля, системой управления аппаратом и узлом очистки, согласно полезной модели, узел очистки состоит из закрепленного в нижней части беспилотного аппарата электростатического экрана, площадь которого равна половине площади поверхности фотоэлектрического модуля, верхняя поверхность экрана выполнена из диэлектрического материала, а нижняя - из металла, сверху на экране установлен источник постоянного тока высокого напряжения, причем экран подключен к отрицательному потенциалу источника постоянного тока с напряжением от 6 до 10 кВ и соединен с системой управления. 1ил.

Description

Полезная модель относится к области солнечной энергетики и может найти применение для проведения мониторинга состояния солнечных фотоэлектрических модулей и очистки их поверхности от запыления с целью сохранения их производительности и увеличения срока эксплуатации с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Солнечная энергия (СЭ) является наиболее перспективным источником энергии, альтернативным традиционному ископаемому топливу, поэтому в последнее время значительно увеличилась разработка устройств, которые могут преобразовывать солнечную энергию в электричество. К таким устройствам относятся фотоэлектрические солнечные модули (СМ) на основе фотоэлектрических (солнечных) элементов. Были разработаны различные типы СМ с использованием полупроводниковых и других материалов, способствующих повышению преобразования энергии солнечных лучей в электрическую энергию. Передвижной и модульный характер солнечных электростанций уже, в целом, доказал их эффективность с точки зрения того, что они менее подвержены крупномасштабным отключениям. Однако эффективность работы любых СМ во многом зависит от условий окружающей среды, в которых они эксплуатируются, основными из которых является уровень чистоты воздуха, конкретно, наличие в нем пылевых частиц и других загрязнителей.

Современные фотоэлектрические модули (ФЭМ) могут преобразовывать от 1% до 30% излучаемой солнечной энергии в электрическую энергию. Одним из факторов, который может повлиять на их энергетические характеристики и деградацию, может быть затенение поверхности модуля вследствие осаждения пыли или создание участков поверхности другими загрязнениями. В зависимости от степени загрязнения производительность солнечных модулей может снижаться от 17 до 25% при условии их ежемесячной очистки, и до 35% при более длительных перерывах между очистками.

Известные способы очистки панелей (естественная, механическая, роботизированная очистка и самоочищающиеся поверхности др.) очень ресурсо- и энергозатратные.

Использование БПЛА или дронов, занимающихся облетом и мониторингом состояния СМ, позволяет производить быструю и бюджетную оценку состояния с минимизированием вмешательства человека в работу станции. Комбинированная аэрофотосъемка с использованием оптической и тепловизионной камеры позволяет обнаружить дефекты и в ряде случаев установить причину их появления. Использование новой технологии позволяет в 15 раз сократить время на проверку элементов солнечной электростанции.

Из уровня техники известен ВИНТОКРЫЛЫЙ ДРОН, ОСНАЩЕННЫЙ ВИДЕОКАМЕРОЙ, ПЕРЕДАЮЩЕЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЙ [US9555897B2, опубл. 31-01-2017], содержащий камеру с полусферической линзой типа «рыбий глаз», направленной в фиксированном направлении относительно корпуса дрона. Из изображения, формируемого линзой, выделяется область захвата уменьшенного размера, причем положение этой области является функцией сигналов, подаваемых инерционным блоком, измеряющим углы Эйлера, характеризующие положение дрона. Положение этой области динамически изменяется в направлении, противоположном направлению изменений положения дрона, обнаруженных инерционным блоком. Затем необработанные пиксельные данные обрабатываются для компенсации геометрических искажений, вносимых объективом «рыбий глаз» в изображение, полученное в области захвата.

Недостатком данного винтокрылого дрона является то, что его функции ограничены только мониторингом состояния солнечных модулей.

Известно устройство и способ продувки СМ от пылевых осаждений, содержащее воздуходувное, интегрированное с винтокрылым дроном устройство. (Патент US11192648B1 «Винтокрылый дрон для продувки воздухом и устройство для очистки от пыли солнечных модулей»). Винтокрылый дрон включает в себя множество вращающихся пропеллеров, выдвижной конус, центробежный пропеллер и одну или несколько батарей в устройстве нагнетания воздуха. Также дрон включает в себя дополнительно камеру, сконфигурированную для получения изображений окружающей среды и схему обработки, сконфигурированную для анализа изображений с целью определения характеристик пыли на солнечном модуле и для получения одного или нескольких параметров воздуха.

Также известны способы очистки фотоэлектричесих модулей с помощью тяги дрона вниз. (Rehman, M. A. Mohandes A. E. Hussein, L. M. Alhems and A. Al-Shaikhi. Cleaning of Photovoltaic Panels Utilizing the Downward Thrust of a Drone // Energies. Volume 15, Issue 21, November 2022 Pages 8159.). Дрон, летящий над фотоэлектрическими модулями (ФЭМ), может очищать пыль и повышать их эффективность путем создания нисходящего потока воздуха от пропеллеров. В ходе эксперимента на модули были разбросаны пыль объемом 20, 50 и 100 см³. Результаты показали, что обратная тяга дрона может удалить большую часть пыли и улучшить энергетические характеристики солнечных модулей. При распространении пыли объемом 50 см³ на модуле ток увеличился с 1,34 А до 2,16 А (увеличение на 61,2%) относительно до и после полета при горизонтальном движении дрона. Аналогично, при вертикальном и диагональном перемещениях, ток увеличился на 69,83% и 68,03% соответственно при разбросе пыли 20 см³. Кроме того, снижение пыли на 74,64%, 57,0% и 78,4% было достигнуто на горизонтальном, вертикальном и диагональном траекториях полета дрона соответственно при разбросе пыли 50 см³. Кроме того, дроны могут проверять поверхности фотоэлектрических панелей вместо визуального осмотра человека на предмет сбора пыли и других дефектов, если установлены подходящие камеры. Недостатком использования тяги дрона вниз для очистки модулей является высокая затрачиваемая мощность дрона при совершении полета.

Также известно устройство, содержащее параллельно расположенные ряды потенциальных и заземленных осадительных электродов, выполненных с возможностью подачи на них высокого напряжения (до 10 кВ) от источника высокого напряжения. (Патент RU218045U1 «Устройство для предотвращения загрязнения и деградации солнечных модулей»). На рамку с параллельно расположенными рядами потенциальных и заземленных осадительных электродов подается высокое напряжение от источника высокого напряжения с образованием электрического поля. Частицы пыли, имея электрический биполярный положительный или отрицательный заряд, приближаясь к поверхности солнечного модуля, попадают в электрическое поле межэлектродного промежутка и под действием электрических сил этого поля оседают на осадительные электроды рамки противоположного ее заряду знака. После полного загрязнения осадительных электродов осуществляется демонтаж рамки и очистка осадительных электродов от осажденной пыли.

Кроме того, известно устройство безводного электростатического удаления пыли за счет отталкивания пылевых отложений от заряженных электродов устройства. (Sreedath Panat, Kripa K. Varanasi. Electrostatic dust removal using adsorbed moisture-assisted charge induction for sustainable operation of solar panels. DOI: 10.1126/sciadv.abm0078. Kripa K. Varanasi URL: https://www.researchgate.net/publication/359183298)

На поверхности солнечной панели нанесен прозрачный слой оксида цинка и алюминия толщиной 5нм. При подаче на панель напряжения около 12кВ, между панелью и находящейся над ней металлической пластиной создается электрическое поле. Металлическая пластина перемещается над загрязненной панелью, при этом положительно заряженные частицы пыли, отталкиваясь друг от друга, устремляются к пластине, имеющей отрицательный заряд, и рассеиваются в пространстве.

Для удаления пыли требуется специальный механизм - металлическая пластина, для движения которой необходимо предусмотреть соответствующий привод, что связано с увеличением финансовых и энергетических затрат. Статичная или движущаяся пластина создает дополнительное затенение панелей, снижающее генерацию энергии. Оторванная от панели пыль рассеивается в окружающем пространстве и через некоторое время может снова оседать на поверхности. Основной технической проблемой указанного устройства безводного электростатического удаления пыли является то, что пластина имеет область перемещения, ограниченную стационарной несущей конструкцией привода пластины над фотоэлектрическим модулем.

Также из уровня техники известно БЕСПИЛОТНОЕ ЛЕТАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА ДЛЯ АВТОНОМНОЙ ОЧИСТКИ И ОБСЛУЖИВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАНЕЛЕЙ [CN114560085A, опубл. 31-05-2022], принятое за прототип, содержащее корпус беспилотного летательного аппарата, опору и узел очистки, причем узел очистки содержит основание, скребок, устройство для подачи жидкости, множество узлов выпуска жидкости, пылевых щеток, приводную часть и множество соединительных валов. Приводная часть приводит лезвие скребка во вращающееся состояние, вертикальное к основанию, тогда лезвие скребка работает, а если приводная часть приводит лезвие скребка во вращение в состояние параллельно основанию, тогда лезвие скребка не работает. Крышка узла пылеудаления установлена на соответствующей фиксированной соединительной оси для очистки верхней поверхности солнечной панели, а универсальный колесный узел соединен с другим концом соответствующей фиксированной соединительной оси, корпус беспилотного летательного аппарата проходит через универсальный колесный узел и реализует удаление пыли на поверхности солнечного модуля. Изобретение решает технические проблемы, заключающиеся в том, что существующий режим очистки СМ подвеской беспилотного летательного аппарата потребляет большое количество электроэнергии, очищающая сила недостаточна, а требования к точности регулирования высоты беспилотного летательного аппарата высоки. Недостатком данного беспилотного летательного устройства является режим промывки подвески беспилотного летательного аппарата, который может потреблять большое количество электроэнергии и снижать эффективность очистки фотоэлектрических панелей.

Техническая задача предлагаемой полезной модели заключается в повышении эффективности очистки запыленных поверхностей ФЭМ за счет использования узла очистки, закрепленного на нижней части беспилотного летательного аппарата, включающего электростатический экран с применением сил электрического поля.

Технический эффект заключается в притягивании положительно заряженных частиц пыли электростатическим экраном, закрепленным на нижней части БПЛА и имеющим отрицательно заряженный потенциал. Периодический облет БПЛА над поверхностями ФЭМ позволит содержать их в чистом состоянии, поддерживая тем самым номинальную генерацию модулей и снижая риск деградации.

Такое техническое решение позволяет:

- снижать трудоемкость процесса мониторинга установок на солнечных электростанциях;

- увеличить время проведения мониторинга состояния фотоэлектрических модулей и вести постоянный контроль за состоянием фотоэлектрических модулей;

- принимать своевременные меры по устранению загрязнения/запыления участков модулей, с целью предотвращения их деградации;

- обеспечивать качественную очистку поверхности модулей от пыли и сохранять ее на электростатическом экране для исключения вторичного осаждения пыли на поверхности модуля;

- поддерживать поверхности модулей в рабочем состоянии, соответствующем номинальным характеристикам производителей;

- снизить вероятность деградации солнечного модуля при его эксплуатации в условиях повешенных пылевых загрязнений (пылевых бурь или значительных промышленных выбросов) и повышенных температур.

Указанный технический результат достигается за счёт того, что устройство для мониторинга состояния и очистки поверхности фотоэлектрического модуля, содержит беспилотный летательный аппарат с установленной на нем видеокамерой контроля состояния фотоэлектрического модуля, систему управления аппаратом и узел очистки. Согласно полезной модели, узел очистки состоит из закрепленного в нижней части беспилотного аппарата электростатического экрана, площадь которого равна половине площади поверхности фотоэлектрического модуля. Верхняя поверхность экрана выполнена из диэлектрического материала, а нижняя из металла, сверху на экране установлен источник постоянного тока высокого напряжения, причем экран подключен к отрицательному потенциалу источника постоянного тока с напряжением от 6 до 10 кВ и соединен с системой управления.

Краткое описание чертежей, поясняющих сущность устройства.

На фиг. показан общий вид устройства для мониторинга и очистки поверхности солнечного модуля от загрязнений.

На фигуре обозначено: 1 - беспилотный летательный аппарат (БПЛА), 2 - видеокамера контроля состояния модулей, 3 - источник высокого напряжения (ИВН), 4 - электростатический экран, 5 - поток пылевых частиц, 6 - солнечный фотоэлектрический модуль.

Устройство для мониторинга и очистки поверхности фотоэлектрического модуля от загрязнений (фиг.) включает беспилотное летательное устройство (БПЛА) 1, на котором закреплена видеокамера контроля состояния модулей 2, система управления БПЛА реализованная на базе контроллера управления (на фиг. не показана), имеющая связь с узлом очистки, расположенном в нижней части БПЛА (управляемым при помощи широтно-импульсной модуляции - ШИМ: контроллер подает ШИМ-импульсы на ИВН для работы узла очистки). Узел очистки включает закрепленный в нижней части БПЛА электростатический экран 4 для очищения поверхности солнечного фотоэлектрического модуля от потока пылевых частиц 5, на верхней части электростатического экрана 4 установлен источник постоянного тока высокого напряжения 3, причем экран подключен к отрицательному потенциалу источника и соединен с системой управления (контроллером) БПЛА (основные его функции, это получение команд от пульта управления и отправка управляемых ШИМ - импульсов). Величина напряжения источника постоянного тока отрицательного потенциала составляет от 6 до 10 кВ, в зависимости от высоты облета (как показывают исследования, от 20 см до 70 см соответственно). Высота облета БПЛА над модулями менее 20 см может привести к повреждениям экрана или модуля; при высоте более 70 см очистка будет неэффективной из-за недостаточного значения напряженности электрического поля. Кроме того, установлено, что наиболее эффективной является площадь экрана, равная половине площади поверхности солнечного модуля 6, нижняя поверхность экрана 4 выполнена из металла, а верхняя из диэлектрического материала.

Устройство для мониторинга состояния и очистки солнечных фотоэлектрических модулей с использованием БПЛА используют следующим образом. БПЛА 1 с закрепленным электростатическим экраном 3 и камерой 2 совершает облет солнечной электростанции по заданной оператором маршрутной карте, установленной в системе управления БПЛА, где указаны траектория полета, угол наклона экрана и его высота над поверхностью солнечного фотоэлектрического модуля 5. Оператор по данным с камеры 2 в режиме реального времени определяет загрязненный/запыленный модуль и дает команду устройству по очистке запыленных модулей. Осевшие на поверхности модуля 6 пылевые частицы 5, имеющие положительный электрический заряд под действием сил электрического поля, создаваемого источником высокого напряжения 3, размещенного на верхней поверхности электростатического экрана 4, закрепленного на БПЛА, поднимаются вверх и осаждаются на нижней стороне электростатического экрана 4, имеющего отрицательный потенциал. Далее процесс повторяется в соответствии с заданной траекторией полета. Собранная с фотоэлектрических модулей 6 пыль остается на поверхности электростатического экрана 4, исключая тем самым ее повторное осаждение на модулях 6. По завершении облета всех модулей БПЛА прилетает на заданную оператором стартовую позицию для очистки электростатического экрана от пыли.

Достоверность предлагаемых технических решений подтвердилась теоретическими и экспериментальными исследованиями работы солнечных фотоэлектрических модулей 6 с использованием БПЛА 1, с размещенной на нем камерой видеонаблюдения 2 для проведения мониторинга состояния фотоэлектрических модулей на солнечных электростанциях и электростатическим экраном 4 для устранения причин снижения генерации модуля из-за запыления их поверхности и продления тем самым срока их эксплуатации в номинальных режимах.

Мониторинг состояния фотоэлектрических модулей 6 осуществляется при перемещении БПЛА 1 по разработанной траектории полета, учитывающей протяженность, время нахождения над каждым модулем, угол наклона при облете, кратность облета и др. Состояние модулей фиксируется оператором при помощи видеокамеры 2 через систему управления, в частности пульта управления БПЛА, информация о загрязненности модулей и их перегреве передается на диспетчерский пункт. При обнаружении запыленных поверхностей, оператор подает команду на снижение БПЛА над проблемной поверхностью, источник высокого напряжения 3 подает потенциал на электростатический экран 4 и частицы пыли 5, скопившиеся на поверхности модуля 6 и имеющие электрический заряд положительного знака, под действием сил электрического поля притягиваются к поверхности электростатического экрана 4. Собранная таким образом пыль 5 остается на экране 4, затем утилизируется, предотвращая ее повторное оседание на рядом расположенных модулях.

Пример осуществления предлагаемого устройства. Для очистки фотоэлектрического модуля AST-240/245/250/255 Multi, производителя «ООО «ХЕЛИОС-Ресурс», на практике можно использовать БПЛА марки А-40, компании ООО «Аэроглоуб» видеокамеру контроля состояния модулей использовать универсальную телевизионную камеру УФ диапазона УТК-УФ2, производства ЦНИИ «Электрон», в качестве источника высокого напряжения - (высоковольтный источник питания PS3 производства СибКонтакт, электростатический экран для модуля AST-240 Multi, с габаритами 1640×992×40 составит 820×500, из материала: верхняя поверхность из диэлектрического материала, нижняя поверхность из металла.

Таким образом, благодаря заявленной полезной модели возможно увеличить эффективность очистки фотоэлектрических модулей от пыли без остановки их эксплуатации, а также проводить мониторинг состояния фотоэлектрических модулей и при необходимости очищать их загрязненные/запыленные участки с наименьшими трудозатратами работников солнечной электростанции.

Claims (1)

1. Устройство для мониторинга состояния и очистки поверхности фотоэлектрического модуля, содержащее узел очистки, выполненный с возможностью крепления на беспилотном летательном аппарате (БПЛА) с видеокамерой контроля состояния фотоэлектрического модуля и системой управления БПЛА, отличающееся тем, что узел очистки состоит из закрепленного в нижней части беспилотного летательного аппарата электростатического экрана, площадь которого равна половине площади поверхности фотоэлектрического модуля, верхняя поверхность экрана выполнена из диэлектрического материала, а нижняя из металла, сверху на экране установлен источник постоянного тока высокого напряжения, причем экран подключен к отрицательному потенциалу источника постоянного тока с напряжением от 6 до 10 кВ и соединен с системой управления БПЛА.