Меню

Гелиостат для солнечных батарей

Гелиостат для солнечных батарей

И. Цаплин, г. Краснодар

Одним из направлений гелиоэнергетики является прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных батарей. В статье описывается несложное устройство, позволяющее автоматически ориентировать солнечную батарею на солнце.

Как известно, мощность светового потока у поверхности Земли на экваторе достигает 1,1 кВт/м2 (на широте Москвы — около 0,5 кВт/м2). Примерно 40 % этой энергии может быть преобразовано в электрическую солнечными батареями, созданными английской компанией Sandia National Laboratories на основе нитридо-арсенида галлия-индия. В ряде случаев целесообразно использование и обычных солнечных батарей с КПД 20 % [1].

КПД солнечных батарей зависит от многих факторов, но решающим является ориентация ее элементов относительно источника излучения. Для поддержания оптимальной освещенности солнечных батарей разработаны разнообразные системы слежения — от простейших аналоговых до аналого-цифровых [2]. Регулировка подобных устройств осложнена тем, что порог их срабатывания меняется в зависимости не только от дифференциальной, но и от общей интенсивности освещения. Кроме того, для установки таких систем в исходное состояние требуется вмешательство обслуживающего персонала.

Предлагаемое устройство (гелиостат) использует импульсное регулирование и без вмешательства извне способно ориентировать солнечную батарею по наилучшей освещенности.

Принципиальная схема гелиостата изображена на рис. 1. Он 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 oт 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 тран зисторах VT3, VT6 и VT4, VT5, которые коммутируют напряжение питания электродвигателя Ml. Цепи R4C4R6 и R5C5R7 сглаживают пульсации на базах управляющих транзисторов VT1 и VT2

Направление вращения двигателя меняется в зависимости от полярности подключения к источнику питании. 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).

Читайте также:  Тепловые режимы солнечных батарей

Аккумулятор гелиостата используется для накопления энергии, вырабатываемой солнечной батареей, и питания самого электронного блока. Поскольку электродвигатель включается лишь для поворота батареи (т. е. на непродолжительное время), выключатель питания не предусмотрен.

Описываемое устройство 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.

Кроме указанных на схеме, в устройстве можно применить микросхемы серий К564, К176 (при напряжении питания 5. 12 В). Транзисторы КТ315А заменимы любыми из серий КТ201, КТ315,КТ342, КТ3102, а КТ814А — любыми из серий КТ814, КТ816, КТ818, а также германиевыми П213—П215, П217 с любыми буквенными индексами. В последнем случае между эмиттерами и базами транзисторов VT3-VT6 следует включить резисторы сопротивлением 1. 10 кОм, чтобы предотвратить их случайное открывание вследствие значительного обратного тока.

Вместо фотодиодов ФД256 допустимо использовать отдельные солнечные элементы самой батареи (включенные с соблюдением полярности), фототранзисторы без цепей смещения, а также фоторезисторы, например, СФ2, СФ3 или ФСК любой модификации. Следует только подобрать (изменением сопротивления резистора R1) частоту тактового генератора по надежному срабатыванию цифрового компаратора.

Все детали устройства смонтированы на печатной плате (рис. 2) из двусторонне фольгированного стеклотекстолита. Транзисторы VT3—VT6 привинчены к плате и снабжены теплоотводами Г-образной формы площадью около 10 см2, согнутыми из полосок листового алюминиевого сплава толщиной 1,5 мм. При использовании более мощного электродвигателя эти транзисторы размещают вне платы на отдельных теплоотводах, обеспечивающих эффективнное теплорассеяние. Плата помещена в герметичный пластмассовый корпус, закрепленный на одном уровне с солнечной батареей.

Для защиты фотодиодов от избыточного облучения применен зеленый светофильт. Между фотодатчиками помещают непрозрачную шторку.

Её закрепляют перпендикулярно плате с таким расчетом, чтобы при изменении угла освещения она затеняла один из фотодиодов.

Солнечная батарея установлена на платформе, под которой смонтирован электродвигатель МП-3-015 (напряжение питания 6 В), вращающий ее в горизонтальной плоскости. Возможно применение более мощного двигателя, у которого направление вращения вала также изменяется в зависимости от полярности напряжения.

К батарее через токосъемник подключен аккумулятор, зарядный ток которого соответствует максимальному току, вырабатываемому батареей.

Собранное из исправных деталей устройство не требует наладки и сразу же начинает работать. Его чувствительность такова, что батарея уверенно ориентируется по световому потоку от лампы МН 2,5 В-0,15 А, находящейся на расстоянии 3 м oт фотдатчиков.

Источник

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.

Читайте также:  Солнечные батареи для обогрева курятника

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

Энергия будущего: схема сборки солнечного гелиостата своими руками

Дата публикации: 25 сентября 2019

Солнце производит огромное количество света, и цель людей — преобразовать эту световую энергию во что-то, что можно использовать. Есть несколько методов, применяемых для улучшения сбора и хранения солнечной электроэнергии. Один из них — аккумулятор, который накапливает энергию, позволяя потреблять её ночью и в пасмурные дни. Другой — использовать гелиостат.

Механизмы специального назначения

Гелиостат — устройство, которое включает в себя зеркало, чаще всего плоское, вращающееся таким образом, чтобы сохранить отражаемый солнечный свет направленным к заранее определенной цели. Согласно научным источникам, гелиотроп, как его называли вначале, был изобретен Уиллемом Грейвзандом (1688-1742). Другие претенденты: Джованни Альфонсо Борелли (1608-1679) и Даниэль Габриэль Фаренгейт (1686-1736).

Читайте также:  Зарядка солнечных батарей лампы

Сейчас большинство приборов используются для дневного освещения или производства концентрированной солнечной энергии, чтобы вырабатывать электроэнергию. Некоторые из них применяются экспериментально или отражают неподвижные лучи в солнечных телескопах. До появления лазеров и других электрических источников света гелиостаты широко использовались для создания интенсивных, стационарных пучков в научных и других целях. Большинство приборов управляются компьютерами.

Виды устройства

Существуют старые типы приборов, в которых не используются компьютеры, устройства частично или полностью управляются вручную, датчиками света. Сейчас их можно встретить редко. По типу управления различают:

  1. Механические (ручные). Использовались для дневного освещения в древнем Египте более 4 тыс. лет назад. Интерьеры египетских зданий были тщательно декорированы, а дым от пылающих факелов мог повредить убранство. Для отражения солнечного света применялись полированные металлические «зеркала». Слуги или рабы перемещали их вручную, чтобы задать лучу правильное направление.
  2. Полуавтоматические. Гелиостат приводился в движение с помощью часового механизма, поворачивая отражатель каждые 24 часа в направлении, противоположном вращению Земли. Позднее были созданы автоматические приборы.
  3. Датчик. Если есть электричество, возможно применение гелиостатов, использующих датчики света для определения положения светила на небе. Простая конструкция использует основную ось вращения, которая выровнена так, чтобы указывать на цель, на которую должен отражаться свет. Вторичная ось перпендикулярна первой. Датчики посылают сигналы на двигатели, которые вращаются вокруг обеих осей.
  4. Компьютерное управление. Программное обеспечение рассчитывает, исходя из астрономической теории, где солнце находится на небе. Датчики не нужны, и при расчете учитываются как дневные, так и сезонные движения источника света. Эта последовательность операций повторяется, чтобы отражатель был правильно ориентирован.

Поля гелиостатов включают большие установки, состоящие из огромного количества зеркал, управляемые одним компьютером. Приборы иногда прикрепляются к космическим телескопам, чтобы позволить непрерывно наблюдать за Солнцем без необходимости перемещения оптики. Геодезисты использовали их в качестве ярких огней.

Как сделать гелиостат своими руками

Собрать такой прибор под силу каждому человеку. Почти все составляющие элементы доступны. Следует помнить, что были сообщения о пожарах и других видах ущерба, наносимых гелиостатами. Если зеркало слегка вогнутое, что может быть получено случайно при изготовлении, оно может фокусировать (концентрировать) отражённые лучи на цели, которые находятся на некотором расстоянии от него. Устройство отражает солнечный свет длительное время, позволяя температуре подняться до опасного уровня. Не стоит пренебрегать мерами предосторожности. Схема гелиостата:

1. Несущий каркас

Опорная рама для установки зеркала должна обеспечить вращение вокруг горизонтальной, вертикальной осей. Изготовлена из квадратной трубы размером 1″ x 1″ (толщина стенки 1/16″).

2. Двигатель

Используется для поворота устройства влево, вправо, вверх и вниз. Представляет собой шаговый двигатель размера 17 с отрезком 1 / 4-20 резьбового стержня, прикрепленным к его валу. Это нижний из двух двигателей на изображениях. Подходящий двигатель — Jameco.

3. Зеркала

Подойдут недорогие модели. Для этого типа применения точность, плоскостность — не слишком нужные характеристики. Если будет возможность, можно использовать отражатели из акрила, поликарбоната или другого прочного материала.

4. Программное обеспечение

Гелиостат лучше автоматизировать, адаптировав под задачи рабочую книгу Excel с пользовательскими функциями для расчета:

  • рассвета, восхода, полудня и заката;
  • сумерек, азимута и высоты Солнца;
  • положения зеркала.

Гелиостат может улавливать свет ранним утром и поздним вечером, а несколько приборов можно использовать для отражения через одно небольшое окно, обращенное на север. По этим причинам отопление дома этим методом может быть даже более эффективным процессом, чем пассивное солнечное отопление через большие окна, выходящие на юг.

  • Солнечная энергетика захватывает новые стихии
  • Красота в деталях: солнечные батареи для клавиатуры и ноутбуков
  • Раз, два, три….расчет произвели…
  • 5 солнечных автомобилей

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Источник