Устройство для поворота солнечных батарей

КОНТРОЛЛЕР ПОВОРОТА СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИ

Попросил недавно друг собрать ему «гелиостат» для ориентации солнечной панели за солнцем, под использование небольших моторов. Схема была взята из просторов интернета, проверена авторская плата, работает. Но я нарисовал также свою печатную плату, покомпактней, в которой резисторы и конденсаторы можно ставить планарного типа SMD.

Схема гелиостата

Далее идёт описание схемы от автора. Это устройство использует импульсное регулирование и автоматически способно ориентировать солнечную батарею по наилучшей освещенности. Принципиальная схема состоит из тактового генератора (DD1.1, DD1.2), двух интегрирующих цепей (VD1R2C2, VD2R3C3), такого же числа формирователей (DD1.3, DD1.4), цифрового компаратора (DD2), двух инверторов (DD1.5, DD1.6) и транзисторного коммутатора (VT1—VT6) направления вращения электродвигателя М1, управляющего поворотом платформы, на которой установлена солнечная батарея.

С подачей питания (от самой солнечной батареи или от аккумулятора) генератор на элементах DD1.1, DD1.2 начинает вырабатывать тактовые импульсы, следующие с частотой около 300 Гц. При работе устройства сравниваются длительности импульсов, сформированных инверторами DD1.3, DD1.4 и интегрирующими цепями VD1R2C2, VD2R3C3. Их крутизна меняется в зависимости от постоянной времени интегрирования, которая, в свою очередь, зависит от освещенности фотодиодов VD1 и VD2 (ток зарядки конденсаторов С2 и СЗ пропорционален их освещенности).

Сигналы с выходов интегрирующих цепей поступают на формирователи уровня DD1.3, DD1.4 и далее — на цифровой компаратор, выполненный на элементах микросхемы DD2. В зависимости от соотношения длительностей импульсов, поступающих на входы компаратора, сигнал низкого уровня появляется на выходе элемента DD2.3 (вывод 11) или DD2.4 (вывод 4). При равной освещенности фотодиодов на обоих выходах компаратора присутствуют сигналы высокого уровня.

Инверторы DD1.5 и DD1.6 необходимы для управления транзисторами VT1 и VT2. Высокий уровень сигнала на выходе первого инвертора открывает транзистор VT1, на выходе второго — VT2. Нагрузками этих транзисторов являются ключи на мощных транзисторах VT3, VT6 и VT4, VT5, которые коммутируют напряжение питания электродвигателя М1. Цепи R4C4R6 и R5C5R7 сглаживают пульсации на базах управляющих транзисторов VT1 HVT2. Направление вращения двигателя меняется в зависимости от полярности подключения к источнику питания. Цифровой компаратор не позволяет одновременно открыться всем ключевым транзисторам, и, таким образом, обеспечивает высокую надежность системы.

С восходом солнца освещенность фотодиодов VD1 и VD2 окажется различной, и электродвигатель начнет поворачивать солнечную батарею с запада на восток. По мере уменьшения разницы в длительностях импульсов, вырабатываемых формирователями, будет уменьшаться длительность результирующего импульса, и скорость поворота солнечной батареи плавно замедлится, что обеспечит ее точное позиционирование. Таким образом, при импульсном управлении вращение вала электродвигателя можно передавать платформе с солнечной батареей непосредственно, без применения редуктора.

В течение дня платформа с солнечной батареей будет поворачиваться вслед за движением солнца. С наступлением сумерек длительности импульсов на входе цифрового компаратора окажутся одинаковыми, и система перейдет в дежурный режим. В этом состоянии потребляемый устройством ток не превышает 1,2 мА (в режиме ориентации он зависит от мощности двигателя).

Аккумулятор гелиостата используется для накопления энергии, вырабатываемой солнечной батареей, и питания самого электронного блока. Поскольку электродвигатель включается лишь для поворота батареи (на короткое время), выключатель питания не предусмотрен. Данная схема ориентирует солнечную батарею в горизонтальной плоскости. Однако при ее позиционировании следует учитывать географическую широту местности и время года. Если дополнить конструкцию блоком вертикального отклонения, собранным по аналогичной схеме, можно полностью автоматизировать ориентацию батареи в обеих плоскостях.

Для защиты фотодиодов от избыточного облучения применен зеленый светофильтр. Между фотодатчиками помещают непрозрачную шторку. Ее закрепляют перпендикулярно плате с таким расчетом, чтобы при изменении угла освещения она затеняла один из фотодиодов. Подробнее читайте в статье в прилагаемом архиве. Общий вид печатной платы:

После сборки проверил работу прибора — всё срабатывает как надо, при засвете одного и второго светодиода срабатывает мотор по часовой и против часовой стрелки.

Радиатор несколько великоват, столь большого размера не требуется, но другу такой понравился, потом сказал порежет на две половины для двух готовых плат, тестирует пока, поскольку с мощностью моторов ещё не определился.

Эти радиаторы всё сняты с блоков питания АТХ, у меня их много накопилось, а люди всё несут и несут. Разработка — И. Цаплин. Сборка и испытание схемы — Igoran.

Источник

Трекеры для солнечных панелей: зачем нужны и в чем их преимущества

Солнечные трекеры представляют собой специализированные конструкции, задачей которых является периодическое изменение ориентации фотоэлектрических панелей или зеркал относительно солнца. Угол наклона рабочих поверхностей регулируется вручную или автоматически, что позволяет добиться максимально возможной производительности солнечных систем любого типа.

Общие сведения

В роли улавливателя излучения, закрепленном на трекере, могут выступать:

• гелио модуль, объединяющий батарею полупроводниковых ячеек;
• параболическое зеркало, фокусирующее лучи на приемнике в виде нагревательного бака либо двигателе Стирлинга;
• специальные оптические устройства – чаще всего линзы;
• другие PV, CPV, HCPV и CSP системы.

Задача трекера для солнечных батарей – обеспечить максимально приближенный к перпендикуляру 90° угол падения лучей в любой момент времени.

В комплект стандартного трекера для солнечных панелей входят следующие элементы:

1. Несущая конструкция. Состоит из неподвижной опоры и поворотного устройства, позволяющего осуществлять вращение в одной или двух плоскостях.
2. Система механического позиционирования. Управляет подвижной частью с помощью механизмов, называемых актуаторами.
3. Комплексная системы безопасности. Обеспечивает различные типы защиты – от грозовых разрядов, скачков напряжения в сети, механических перегрузок. В наиболее дорогостоящих моделях имеется собственная мини метеостанция. При угрозе бурь, ураганов и прочих опасных погодных явлений система временно изменяет угол наклона рабочих поверхностей на максимально безопасное положение.
4. Системы управления. Предназначены для удобного управления трекерами, включая удаленный доступ и их техническое обслуживание.
5. Навигационная система. Входит в комплект только перемещаемых устройств с мобильной базой. Позволяет вводить в управляющий контур данные о географическом расположении – долготу, широту, высоту над уровнем моря.

Примечание: уровень сложности комплектации трекеров зависит от поставленных перед системой задач и экономической целесообразности.

Солнечный трекер для одной солнечной панели – требования к конструкции

Для всех типов трекеров существует обязательное требование – высокая прочность и устойчивость. Главная опасность для конструкций подобного рода – сильные ветры, которые могут опрокинуть батареи вместе с опорными мачтами.

Характерными чертами крупных модулей является значительный вес и большая рабочая площадь, а, значит, и парусность. Именно поэтому наиболее продвинутые системы с метеостанциями на борту разворачивают во время бурь солнечные батареи таким образом, чтобы модули располагались к направлению ветра торцом.

Виды трекеров для солнечных батарей

Большой ассортимент существующих моделей обусловлен различными требованиями к функциональности системы в тех или иных условиях. Таковыми являются географические широта и долгота, а также климатические особенности места установки. Влияет на выбор и экономическая эффективность использования трекеров. Для небольших маломощных станций покупка дорогостоящих поворотных установок нецелесообразна.

Солнечные трекеры с одной осью вращения (одноосные)

Вращение рабочих поверхностей в таких системах производится только вокруг одной оси. Управление осуществляется специальным программным обеспечением по алгоритму SPA (Solar Position Algorithm).

В зависимости от выбора приоритетного координатного направления, различают трекеры с вращением вокруг таких осей:

• вертикальной – VSAT;
• горизонтальной – HSAT;
• наклонной – TSAT;
• с ориентацией на сторону света (полярной) – PASAT.

1. Vertical single axis tracker (VSAT) – вертикальные.

Эта группа трекеров используется преимущественно в высоких широтах и заставляет вращаться солнечные батареи с востока на запад. Данное направление поворота требует соблюдать такое расстояние между элементами на опорах, чтобы не допустить при поворотах частичного затенения соседних панелей.

2. Horizontal single axis tracker (HSAT) – горизонтальные.

Горизонтальные солнечные трекеры характерны для низких широт. Вращение ориентировано по линии Север-Юг, что требует строго параллельного относительно друг друга размещения трубок крепления на каждой панели.

3. Tilted single axis tracke(TSAT) – наклонные.

Эта разновидность поворачивает рабочие поверхности по диагонали относительно вертикальной и горизонтальной осей. Особенности движения также требуют недопущения падения тени одних модулей на другие.

4. Polar aligned single axis trackers (PASAT) – полярные.

Ориентиром для трекерной системы является полярная звезда. Для одноосных конструкций эта считается классической и наиболее распространенной. Угол наклона батарей всегда оказывается равным географической широте.

Солнечные трекеры с двумя осями вращения — Dual axis trackers (DAT)

Два уровня регуляции позволяют таким системам постоянно поддерживать оптимальное расположение солнечных панелей относительно солнца. Это максимизирует их производительность, и на крупных солнечных фермах оправдывает финансовые затраты на покупку.

1. Модификация Tip-tilt dual axis tracker (TTDAT).

Основой поворотной системы служит длинная опора с шаровым подшипником. Вертикальная ось — вторичная для такой конструкции, основное движение идет в горизонтальной плоскости. Для двухосных конструкций расстояние между элементами должно быть еще большим, чем для одноосных вариантов.

2. Модификация Azimuth-altitude dual axis tracker (AADAT).

В отличие от предыдущего типа конструкций, AADAT используют не один крупный подшипник на опоре, а кольцо с платформой.

Преимуществом такого решения является большая устойчивость и возможность размещения на одной платформе модуля с достаточно большим количеством панелей. Недостаток конструкции – в необходимости учитывать размеры кольца, что требует большей площади участка.

Механизмы ориентирования солнечных батарей

Подвижные элементы трекеров могут управляться вручную либо автоматически. Второй вариант предполагает наличие в системе работающих от электродвигателя одного или двух актуаторов.

Поддержку нужного направления на солнце (может выдаваться программно в виде Рис.1 алгоритма солнечной позиции – SPA) эти устройства осуществляют следующим образом.

Способ №1. Использование датчиков с чувствительными фотоэлементами.

При оптимальной ориентации поток излучения на датчики одинаков. По мере перемещения солнца определенные фотоэлементы начинают получать меньше света, на что тут же реагирует система управления и посылает сигнал на актуаторы для совершения коррекции.

Достоинство такой системы – в полной автоматизации и расчете азимутного и зенитного углов в режиме реального времени. Недостаток – в полной потере работоспособности при отсутствии достаточного освещения, во время сильного дождя, снега или загрязнения поверхности датчика.

Способ №2. Ручное управление актуаторами.

Как и прямая корректировка угла наклона панелей своими руками, управление актуаторами с помощью тумблеров позволяет изменять ориентацию вручную, но гораздо быстрее. Обычно ручная коррекция производится нечасто, 2-4 раза в год, чего вполне достаточно для относительно малобюджетных СЭС.

Возможно и полуавтоматическое управление трекерами, для чего используется запрограммированный таймер на логическом контроллере, а не сложное ПО на защищенном компьютере.

Правила выбора трекеров для солнечных панелей

Трекерную систему определенного вида выбирают исходя из таких факторов, как климатические условия данной местности, размеры модулей, площадь участка и т.д.

Оптимальным выбором является:

• HSAT с горизонтальной осью – для систем в низких широтах. Они сравнительно недорогие, проще в эксплуатации и обеспечивают максимальную производительность во второй половине суток, когда потребление наибольшее.
• VSAT с вертикальной осью – в высоких широтах, где более важным является следование за низко стоящим солнцем с востока на запад.
• двухосные TTDAT и AADAT – в масштабных высокопроизводительных СЭС, где даже незначительное повышение КПД одной панели за счет оптимального направления на солнце дает серьезный рост общей генерации системы.

Источник

Солнечный трекер

Пост опубликован: 21 июля, 2017

Солнечные электростанции все увереннее входят в повседневную жизнь жителей различных уголков нашей страны и многих других государств.
Для того, чтобы повысить КПД использования солнечных панелей, конструкторы и инженеры, разрабатывают новые устройства и приспособления, одним из которых является солнечный трекер.

Что это такое и зачем он нужен

Солнечный трекер – это устройство, позволяющее следить за движением солнца по небосводу, и перемещать солнечную панель в положение, в котором поглощение солнечных лучей происходит наиболее эффективно.

Достоинства солнечного трекера

Достоинства установки трекера можно сформулировать следующим образом:

• КПД солнечных панелей возрастает на 40 -45%. Увеличение достигается за счет того, что наиболее эффективная работа панелей происходит, когда солнечные лучи падают под углом 90* на фотоэлементы панели;
• За счет установки трекера КПД солнечных панелей значительно повышается, количество вырабатываемой электрической энергии, увеличивается.
• В связи с увеличением производительности отдельно взятой панели, отпадает необходимость в установке дополнительных панелей, что в свою очередь, снижает стоимость всего комплекта солнечной электростанции.

Принцип работы

По своей сути, солнечный трекер, это комплексная система, следящая за местоположением солнца.

Для того, чтобы выполнить эту задачу, трекер должен выполнить следующие функции:

1. Определить месторасположение солнца, относительно солнечной панели;
2. Выполнить перемещение солнечной панели, в положение, в котором поглощение солнечных лучей будет максимальным.

За определение расположения Солнца отвечает электронная система, состоящая из GPS приемника, определяющего месторасположение солнца в месте установки солнечной электростанции, а также время текущих суток. В зависимости от полученного сигнала со спутника системы GPS-навигатора, электронная система дает ту, или иную команду на систему перемещения солнечных панелей.

В системе перемещения панелей устанавливается серводвигатель, позволяющий изменять направление вращения вала, что позволяет перемещать панель в разные стороны. Конструкция системы перемещения может быть различного типа, в зависимости с которой, солнечные трекера разделяются на два вида.

Виды трекеров

В зависимости от конструкции, трекера подразделяются на:

• С одной осью вращения – одноосные, устройства, обладающие одной степенью свободы. У данного вида трекеров степень свободы определяется осью вращения, которая ориентируется с севера на юг.

Данный вид подразделяется на:

1. С горизонтальной осью вращения – ось вращения находится в горизонтальной плоскости по отношению к поверхности земли;
2. С вертикальной осью вращения – ось вращения расположена в вертикальной плоскости по отношению к поверхности земли;
3. С наклонной осью вращения – ось вращения расположена в промежутке между вертикально и горизонтально расположенными осями, по отношению к поверхности земли;
4. С полярно ориентированной осью вращения – ось устанавливается в соответствии с расположением полярной звезды. Для каждого конкретного случая, угол наклона, при данном расположении оси вращения, определяется индивидуально и зависит от широты месторасположения устройства.

• С двумя осями вращения – двуосные, устройства обладающий двумя степенями свободы. У данного вида трекеров, имеются две оси вращения, которые определяют степень свободы устройства. Оси вращения работают не зависимо друг от друга, но увязаны в общий комплекс устройств, приводящий трекер в движение, в соответствии с заданными параметрами.
• Трекер с двумя осями вращения и опорной плоскостью.

Данный вид подразделяется на:

1. С двумя осями вращения на несущем столбе – несущие конструкции солнечных панелей монтируются на столбовой конструкции. В этом случае, в верхней части столба устраивается площадка, на которой монтируется поворотный механизм, при помощи которого осуществляется поворот несущих конструкций панелей в плоскости поверхности земли. Вторая степень свободы осуществляется как у одноосных трекеров.
2. С двумя осями вращения и опорной плоскостью – несущие конструкции солнечных панелей монтируются на плоскости, которая в свою очередь крепится на круглой платформе или кольце, в виде направляющего рельса. Поворот осуществляется аналогично повороту на столбчатой конструкции, разница лишь в том, что на опорной плоскости можно смонтировать большее количество солнечных панелей, нежели на опорном столбе. Минус этой конструкции в том, что требуется большая площадь поверхности земли для монтажа подобного типа механизмов.

Средние цены

В зависимости от вида, комплектации, фирмы производителя и технических характеристик, стоимость трекеров может составлять:

ООО «Энергосистемы» г. Пенза, предлагает к реализации комплект трекера с двумя осями вращения и опорной плоскостью — стоимостью 1450000,00 рублей.

Технические характеристики данного комплекта:

1. Осей вращения — 2 (горизонтальная и вертикальная);
2. Рабочая поверхность – 96,0 м2;
3. Максимальная рабочая поверхность – 108,0 м2;
4. Электрическая мощность – 13,76 кВт;
5. В составе комплекта предусмотрена метеостанция;
6. Несущая рама — V-образная конструкция на опорно-поворотном устройстве;
7. Вес, без солнечных панелей и основания — 3000 кг;
8. Максимальный вес монтируемых солнечных панелей — 1300 кг;
9. Системой автоматики предусмотрена защита солнечных панелей от тяжелых осадков (перевод панелей в вертикальное положение);
10. Габариты — по высоте до 9,4 м, по вертикальной оси вращения — 12 м.

ООО «Экологичные технологии» (ООО «ЭкоТех») г. Ростов-на-Дону предлагает к реализации следующие модели трекеров:
Модель ED-8000 dual – стоимостью 667000,00 рублей.

Технические характеристики:

1. Тип – с двумя осями вращения;
2. Количество монтируемых модулей (размером 1580х808 мм) – до 60 шт.;
3. Мощность электрического привода (2 привода) – 100 Вт.

Модель ED-5000 dual 0 стоимостью 490000,00 рублей.

Технические характеристики:

1. Тип – с двумя осями вращения;
2. Количество монтируемых модулей (размером 1580х808 мм) – до 42 шт.;
3. Мощность электрического привода (2 привода) – 50 Вт.

Модель ED-3500 dual – стоимостью 397000,00 рублей.

Технические характеристики:

1. Тип – с двумя осями вращения;
2. Количество монтируемых модулей (размером 1580х808 мм) – до 30 шт.;
3. Мощность электрического привода (2 привода) – 30 Вт.

Модель ED-5000 – стоимостью 299000, рублей.

Технические характеристики:

1. Тип – с одной осью вращения;
2. Количество монтируемых модулей (размером 1580х808 мм) – до 36 шт.;
3. Мощность электрического привода – 5,0 Вт.

Модель ED-2500 – стоимостью 235000,00 рублей.

Технические характеристики:

1. Тип – с одной осью вращения;
2. Количество монтируемых модулей (размером 1580х808 мм) – до 18 шт.;
3. Мощность электрического привода – 5,0 Вт.

Модель ED-1500 – стоимостью 175000,00 рублей.

Технические характеристики:

1. Тип – с одной осью вращения;
2. Количество монтируемых модулей (размером 1580х808 мм) – до 12 шт.;
3. Мощность электрического привода – 5,0 Вт.

Из приведенных выше примеров видно, что при необходимости, можно выбрать необходимое устройство по виду, техническим характеристикам и стоимости.

Где купить

Как и прочие, сложные и дорогостоящие технические устройства, солнечные трекера лучше приобретать у представителей компаний производителей данного оборудования.

Также можно воспользоваться услугами в специализированных организациях, занимающихся продажей солнечных электростанций и комплектующих к ним. В таких организациях можно получить квалифицированную консультацию по выбору устройства и способу его монтажа.

Для того, чтобы избежать лишних трат времени и финансов, всегда необходимо ознакомиться с отзывами покупателей, уже воспользовавшихся услугами тех либо иных производителей и торгующих организаций.

Как сделать своими руками схема

Для того, чтобы собрать солнечный трекер своими руками, необходимо изготовить все составные элементы этого устройства:

• Основание (каркас) – несущая конструкция. которую можно изготовить из металлического профиля различных сечений.
• Устройство обеспечивающее поворот каркаса и осуществляющее контроль за процессом поворота.
• Защитные элементы. Детали, защищающие солнечные панели от непогоды.
• Система автоматического управления работой трекера.
• Устройство, обеспечивающее преобразование энергии (питание серводвигателей осуществляется от солнечных панелей).

Последовательность изготовления трекера своими руками:

1. Несущую конструкцию (каркас), можно изготовить из металлического профиля различных сечений. Размер конструкции определяет количество монтируемых на ней солнечных панелей. Этот элемент, определяет вид трекера, т.е. количество подвижных осей и их расположение в пространстве.
   Для изготовления металлоконструкций необходимо уметь работать с электрическим ручным инструментом и сварочными устройствами.
2. Для обеспечения поворота трекера в горизонтальной плоскости, используется серводвигатель, обеспечивающий вращения в разные стороны. Для управления серводвигателем необходимо собрать электронную схему управления, в основу работы которой, заложена работа фоторезисторов. При необходимости установки более сложной схемы, лучшим вариантом будет – приобрести готовое устройство.
3. Для обеспечения поворота вокруг вертикальной оси можно воспользоваться часовым механизмом механических часов, припаяв электрические контакты к стрелке часов (подвижный контакт) и к часовым отметкам на циферблате (неподвижные контакты). Сделав такой 1 контакт (на 12 часах циферблата), двигатель будет включаться 1 раз в час. Сделав еще один неподвижный контакт на отметке в 6 часов, двигатель будет включаться через 30 минут. Работа (включение) двигателя привода включается в следующей последовательности: длинная стрелка поворачивается и проходит через двенадцать часов, контакты замыкаются, цепь управления двигателем привода замыкается, двигатель поворачивает панель.
   Для поворота в горизонтальной оси, также можно использовать принцип водяных часов. В этом случае, солнечная панель устанавливается горизонтально (используется горизонтальная ось вращения), с одной стороны к панели прикрепляется утяжеление (любой предмет с постоянной массой), с другой стороны прикрепляется емкость с водой, того же веса, что и утяжеление с противоположной стороны. В емкости с водой делаются отверстия, вода вытекает, под действием утяжеления солнечная панель поворачивается. Количество отверстий и их диаметр, необходимо определить опытным путем.
4. Защитные элементы от дождя, града и прочих атмосферных явлений каждый выбирает индивидуально.
5. Наличие системы автоматики определяется схемой управления, о которой писалось выше. Для создания безопасных условий работы установки, и способности работы в автоматическом режиме, можно приобрести блок управления трекером заводского производства.
6. Устройство для преобразования энергии – инвертор. Данный электронный элемент лучше приобрести промышленного изготовления, хотя при наличии знаний в области электроники и умении работы с паяльником, изготовить своими руками тоже возможно.

Источник