Система позиционирования солнечной батареи
Данная статья является завершающей в цикле статей о разработке системы позиционирования солнечной батареи. Первая статья была посвящена разработке аппаратного и программного обеспечения схемы слежения за точкой максимальной мощности солнечной батареи для контроллера солнечной батареи.[2] Вторая статья посвящена устройству управления шаговым двигателем на основе микроконтроллера.[3]
Структурная схема системы позиционирования солнечной батареи представлена на рис. 1. В схему входят следующие блоки: преобразователь USB ( схеме установлен блок преобразователя USB в RS-232); фотодатчик – их в данной схеме 2 и они предназначены для преобразования светового потока в электрический сигнал – напряжение; МК – микроконтроллер, который управляет всей периферией устройства, обработкой событий от клавиатуры, тактированием и заданием режимов работы драйвера управления ШД; клавиатура – предназначена для ручного управления вращением солнечной батареи; ЖКИ – жидкокристаллический индикатор, отображающий информацию о текущем состоянии устройства и уровня интенсивности солнечного излучения; блок питания; драйвер шагового двигателя, осуществляющий управление шаговым двигателем, с его помощью задаются параметры, такие как скорость, шаг; ШД – шаговый двигатель, предназначенный для вращения солнечной батареи; солнечная батарея, преобразующая солнечную энергию в постоянный электрический ток; контроллер заряда, контролирующий уровень заряда аккумулятора; аккумулятор; инвертор, преобразующий 12 В постоянного напряжения в 220 В переменного напряжения; нагрузка (различные электрические приборы) [4].
Принципиальная электрическая схема системы позиционирования солнечной батареи изображена на рис. 2.
Главным узлом устройства является микроконтроллер R5F100LE серии G13. Данный микроконтроллер питается от сети с постоянным напряжением 5В, которое прикладывается к выводам Vdd и Vss. Подключение конденсатора С1 в цепь питания микроконтроллера рекомендовано производителем и выполняет функцию фильтра. К портам микроконтроллера подключаются кнопки S1 и S2. для подключения выводов кнопок используются порты ввода/вывода микроконтроллера P60…P61, которые настроены на вход. Кнопки работают следующим образом, по умолчанию на выводах кнопок устанавливается логический «0», с помощью подтягивающих резисторов R10 и R11. При нажатии кнопки S1 на порту P60 устанавливается логическая «1» и происходит соответствующее действие, аналогично с кнопкой S2, только уже на порту P61. [5]
Рис. 1. Структурная схема системы позиционирования солнечной батареи
Жидкокристаллический индикатор на контроллере HD44780 подключается к системе позиционирования солнечной батареи по стандартной схеме, рекомендованной производителем данного изделия. У этого дисплея 8 выводов данных и три вывода управления, не считая выводов питания, подсветки и контроля контрастности. 8 информационных выводов подключаются к порту P1, а три управляющих вывода подключаются к портам Р53 .. Р55. Информационные входы подключены к одному восьмиразрядному порту с целью упрощения программы и увеличения быстродействия работы.
Выводы LED+ и LED- предназначены для подсветки. для регулировки контрастности дисплея используется потенциометр на 10 КОм, регулирующий вывод потенциометра подключен к выводу V0 дисплея.
Сопряжение микросхемы L297 драйвера шагового двигателя с микроконтроллером осуществляется с помощью портов ввода/вывода P01 .. P06, для управления драйверами требуется лишь установка логического нуля или единицы на вывода драйвера, кроме вывода для тактирования CLK. Тактирование осуществляется с помощью порта P04. Данный порт является портом ввода/вывода, который настроен на вывод и генерирует на выходе гармонический сигнал прямоугольной амплитуды, при изменении частоты которого можно менять скорость вращения вала двигателя.
Микросхема L297 является формирователем управляющих сигналов, соединяется с микросхемой L298 по рекомендованной производителем схеме, в основном это четыре линии управления – A,B,C,D. К выходным выводам микросхемы L298 подключается диодная защита, которая исполнена в данном случае в виде микросхемы. Такое включение диодов в цепь обмоток двигателя позволяет срезать выброс напряжений отрицательной амплитуды на выводах двигателя, без данной защиты это напряжение может пробить внутреннюю цепь компонента L298.
Элемент А1, представляет собой солнечную батарею, которая состоит из параллельно и последовательно соединенных фотоэлементов SC1…SC6, предназначенных для преобразования солнечной энергии в постоянный электрический ток. Так же в системе присутствует контроллер заряда, который контролирует заряд аккумулятора и представлен на схеме как контакты Х1. Он имеет следующие выводы: +SB и -SB к которым соединяются плюсовой и минусовой вывод солнечной батареи, +Battery и – Battery, данные выводы идут к соответствующим выводам аккумулятора, и выводы +Load и –Load, предназначены для подключения нагрузки, в данном случае это светодиод.
Для накопления преобразованной солнечной батареей энергии, используется аккумулятор Bat1, который подключен к контроллеру заряда, как описано выше и также подключен к инвертору, который представлен на схеме как контакты Х2. Инвертор предназначен для преобразования постоянного тока в переменный и имеет следующие выводы +12В и -12В соединенные к аккумулятору и выводы с переменным напряжением 220 В к которым может быть подключена нагрузка.
Для питания всей периферии устройства используются два блока питания, с выходными напряжениями 5 и 12в.
Внешний вид системы позиционирования солнечной батареи показан на рис. 3.
Система позиционирования солнечной батареи состоит из платформы с вращающейся на 120° солнечной батарей и контроллера SOLBAT.
Рис. 2. Электрическая принципиальная схема системы позиционирования солнечной батареи
Рис. 3. Внешний вид системы позиционирования солнечной батареи
Недостатком используемого алгоритма слежения за точкой максимальной мощности солнечного излучения является отсутствие вращения платформы вокруг вертикальной оси. для устранения этого недостатка необходимо включить в устройство дополнительный шаговый двигатель для реализации механизма вращения платформы вокруг вертикальной оси. Это даст возможность дополнить алгоритм слежения за точкой максимальной мощности солнечного излучения составляющей, позволяющей осуществлять автоматическое слежение во все времена года.
Используя систему позиционирования солнечной батареи для точных измерений солнечной радиации в южных регионах можно получить данные о количестве падающей солнечной энергии на солнечную панель. Это позволит определить оптимальную ориентацию солнечных панелей и предполагаемый объем выработки электроэнергии при строительстве солнечных электростанций.
Источник
Позиционирование солнечных модулей
Солнечные лучи, которые достигают поверхности Земли, подразделяют на два вида: прямые и рассеянные. Прямые солнечные лучи — это лучи, которые непосредственно с поверхности Солнца достигают поверхности Земли. Мощность прямого солнечного излучения зависит от чистоты атмосферы, высоты Солнца над линией горизонта (зависит от географической широты и времени дня), а также от положения поверхности по отношению к Солнцу. Рассеянные солнечные лучи поступают из верхних слоев атмосферы и зависят от того, каким образом прямые солнечные лучи отражаются от Земли и окружающей среды. Благодаря повторяющемуся процессу отражения между покрытой снегом поверхностью Земли и нижней стороной облаков мощность рассеянного солнечного излучения может достигать больших значений. Солнечные лучи несут с собой неиссякаемый поток солнечной энергии. Они постоянно доставляют на Землю большее количество энергии, чем нам сегодня необходимо Плотность солнечных лучей в космосе равняется примерно 1,4 кВт/м2. Из них около 30% отражается назад в космос, так и не достигнув Земли. На поверхности Земли плотность солнечных лучей составляет 1 кВт/м2.
- Прямое солнечное излучение
- Поглощенное в атмосфере земли солнечное излучение
- Отраженное солнечное излучение
- Рассеянное солнечное излучение
Солнечные батареи генерируют электричество даже в пасмурную погоду при отсутствии прямого солнечного излучения. Поэтому, даже при облачной погоде АСЭ будет производить электричество, но наилучшие условия для генерации электроэнергии будут при ярком солнечной погоде и позиционировании модулей перпендикулярно солнечному свету.
Солнечные батареи должны быть ориентированы под определенным углом к горизонтальной поверхности. Это зависит от географического положения объекта. Небольшие отклонения от оптимальных значений не оказывают большого влияния на эффективность генерации, потому что в течение дня линия движения солнца проходит с востока на запад. При этом угол падения солнечных лучей будет постоянно меняться.
Линия движения солнца проходит с востока на запад. Наиболее эффективная работа солнечных модулей происходит при полном освещении модуля и перпендикулярном падении солнечных лучей на модуль. Солнечные батареи, как правило, устанавливаются на крыше при помощи монтажной конструкции в фиксированном положении, и не могут следовать за солнцем в течение дня. По этой причине Солнечные батареи не могут работать с полной отдачей в течение всего дня.
Так как на протяжении года Земля движется вокруг Солнца, также происходят сезонные изменения угла падения солнечных лучей на поверхность земли.
- Угол падения солнечных лучей зимой
- Угол падения солнечных лучей летом
Зимой солнце достигает более низкого угла, чем летом, поэтому солнечные модули зимой должны быть расположены под большим углом, чем летом. Это обеспечивает их более эффективную работу и позволяет солнечным модулям поглощать отраженный солнечный свет от снега. Расположив солнечные модули под большим углом, Вы также частично решаете проблему со скопившимся снегом на панелях. Во многих случаях он просто не будет задерживаться на солнечном модуле.
Обратная ситуация с углом наклона происходит в летний период. Чем меньше угол, тем лучше, естественно оптимальные углы зависят от Вашего географического местоположения. В идеале, крепить Солнечные баттреи лучше на конструкцию с изменяемым углом наклона или на треккер. Если нет возможности менять угол наклона дважды в год (лето/зима), то модули лучше закрепить под оптимальным углом, значение которого составляет среднее значение между оптимальным летним и зимним углом. Для каждой широты есть свой оптимальный угол наклона солнечных модулей.
Обычно принимается для весны и осени оптимальный угол наклона равным значению широты местности. Для зимы к этому значению прибавляется 10-15 градусов, а летом от этого значения отнимается 10-15 градусов. Поэтому обычно мы рекомендуем изменять угол наклона дважды в год лето/зима.
Небольшие отклонения до 5 градусов от оптимальных значений не существенно сказываются на эффективности генерации.
Предлагаем Вам рассмотреть 3 варианта монтажных конструкций солнечных модулей и наглядно показать эффективность применения таких решений. Смоделируем работу автономной энергосистемы в профессиональном ПО в условиях г. Москвы. Установленная мощность системы 1 кВт (6 Солнечных модулей мощностью 170 Ватт), ориентация на Юг.
Вариант 1. Фиксированный угол наклона.
Наиболее распространенный способ крепления солнечных панелей на крыше дома под углом 45 градусов.
Вариант 2. Сезонное изменение угла наклона лето/зима.
В том случае, если у Вас установлена система с изменяемым углом наклона лето/зима, Вы получаете прибавку сгенерированной электроэнергии около 10-12%, что является достаточно высоким показателем. Это особенно актуально в зимний период, когда использование АСЭ малоэффективно в условиях средней полосы.
Вариант 3. Использование треккера с отслеживанием оптимального угла по двум осям.
Данный способ является наиболее эффективным и дорогостоящим. В случае использования треккера, Вы можете получить около 50% дополнительной электроэнергии в течение года. Установка треккера практически невозможна на крыше дома. Треккеры бывают 2х типов. С отслеживанием угла по оси X и системы отслеживания по обеим осям X и Y. Треккеры представляют собой отдельно стоящие конструкции, которые, как правило, устанавливаются на земле. Принцип работы основан на фото датчике, который определяет оптимальный угол падения солнечных лучей.
Очевидно, что углы наклона и позиционирование солнечных модулей играют огромную роль в эффективности генерации. Поэтому мы настоятельно рекомендуем использовать конструкции с изменяемым углом наклона лето/зима.
Источник
Солнечные трекеры
Солнечный трекер — это система, предназначенная для ориентации на Солнце рабочих поверхностей систем генерирующих электричество, либо систем концентрирующих (генерирующих) тепловую энергию, установленных на трекере.
Точная ориентация рабочих поверхностей систем на Солнце необходима для достижения их максимальной производительности. При этом задача трекера — уменьшить угол падения солнца на рабочую поверхность солнечных панелей (PV- модулей, СPV-концентрированных фотоэлектрических модулей, CSP систем, HCPV систем, параболических отражателей и др.).
Состав солнечного трекера
Необходимость полной комплектации трекера не всегда экономически целесообразна, зависит от вида трекера, назначения, и других факторов, поэтому в практике часто многие указанные выше составляющие элементы трекера отсутствуют.
Виды солнечных трекеров
Виды солнечных трекеров описаны в статье «Классификация трекеров» на нашем сайте. Ознакомиться можно здесь.
Системы ориентации солнечных батарей
Задача трекера — установить углы наклона рабочей поверхности нагрузки, сориентировав, её строго на солнце. Проще говоря, солнечные лучи должны падать перпендикулярно плоскости солнечной батареи.
Такой ориентации можно добиться несколькими способами:
Переориентировать систему можно вручную, либо, управляя актуаторами, подавая управляющие сигналы с помощью переключателей. Но такой способ приемлем в основном для сезонной ориентации трекеров, когда на какой то период времени выставляется соответствующий угол наклона (на картинке данный угол обозначен как Zenith (зенитный угол наклона солнца (Рис 1.)). Точность ориентации при этом невелика, постоянно оператор не может находиться у трекера, поэтому данный способ распространён мало, но для сезонной ориентации малобюджетных систем он вполне подходит.
Управление движением трекера по Азимутальному и Зенитному углам возможно устройством управления, в состав которого входит таймер. При этом актуаторы начинают свою работу по суточной программе таймера (при необходимости, и по годовой программе). Точность ориентации при этом не велика, так как солнце в течение года постоянно меняет время, место восхода и захода, зенитный угол.
К примеру, летом в наших широтах зенитный угол мал, а зимой солнце идёт по горизонту и зенитный угол велик. Данный способ приемлем для недорогих систем.
Наиболее эффективным стал способ управления актуаторами по программе, которая в определенные интервалы времени рассчитывает местоположение солнца. По внутренним часам устройства программа на блок управления будет выдавать информацию о значении Азимутального (Azimuth) и Зенитного(Zenith) углов (Рис.1), с учётом местоположения трекера (широта, долгота, высота над уровнем моря), после чего исполнительным устройством производится соответствующая переориентация трекера в расчётное положение. Данная программа для расчёта местоположения солнца, называется — SPA (Алгоритм солнечной позиции).
Устройства управления трекерами могут быть выполнены на защищённых компьютерах, PLC — Программируемых логических контроллерах, либо в виде отдельных законченных устройств, программируемых поставщиком при поставке трекера, с привязкой к местности своего изделия. Группа трекеров может управляться одним компьютером, что снижает себестоимось электростанции.
UST — Юрий Студёнов
Приобрести солнечный трекер вы можете на нашем сайте. Выбирайте одноосевые и двухосевые трекеры производства компании «ЮСТ».
Источник