VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Солнечная энергия характеризуется максимальной простотой использования, наибольшими ресурсами, экологической чистотой и повсеместным распространением.

Количество солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, изменяется вследствие движения Солнца. Таким образом, чтобы вырабатываемая энергия солнечной установки была максимальна, необходимо обеспечить слежение за Солнцем. Для выполнения этого условия необходимо разработать приводы, которые будут поворачивать установку вслед за Солнцем.

Конструкция солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ) основана на использовании фотоэлектрических модулей (ФЭ) (рис. 1) в сочетании с плоскими зеркальными концентраторами. Используемые концентраторы увеличивают мощность панелей на 40 %.

1 – вид спереди; 2 – вид сзади.

Рис. 1. ФЭ модуль MSW150/24

Для данной СФЭУ используется ФЭ модуль MSW150/24. Кремниевый монокристаллический модуль под стеклом в алюминиевой рамке. На обратной стороне находится клеммная коробка. В этом модуле применено специальное закаленное текстурированное стекло, в котором потери световой энергии минимизированы. Это позволило получить примерно на 15% больше мощности с единицы площади модуля [1].

Модуль имеет двустороннюю чувствительность. При освещении обратной стороны можно получить дополнительно до 75 Вт мощности.

Следящая система, обеспечивает автоматическое слежение за движением Солнца по небосклону от его восхода и до захода.

Кинематическая схема установки приведена на рисунке 2.

Конструкция установки поднята над поверхностью земли. Это обеспечивает защищенность от климатических факторов (заметание снегом в зимнее время года). Несущая рама 1 для крепления панели с концентраторами имеет возможность поворота вокруг двух осей. Опорно-поворотное устройство может вращаться по азимуту (вокруг оси АА) на угол от 0 до 360 градусов, а по зениту (вокруг оси ВВ) – в пределах 70 градусов.

Поворотное устройство предназначено для слежения по азимуту и углу возвышения (углу места, элевации) за Солнцем такими объектами как солнечная панель с концентратором. Для выполнения этой задачи поворотное устройство состоит из механической части и блока управления (контроллер).

Для данной фотоэлектрической установки был выбран фотоэлектрический датчик. Фотоэлектрический датчик в течение светового дня выдает команды для блока управления приводом азимутального поворота солнечного модуля, который при этом разворачивается в направлении Солнца. Для нашей установки необходим еще поворот вокруг горизонтальной оси, поэтому выбираем два фотоэлектрических датчика, которые будут обеспечивать ориентацию по двум осям (по зенитному и азимутальному углам). Расположение датчиков представлено на кинематической схеме рис. 2.

1 – несущая рама; 2 – опорно-поворотное устройство (азимутальный привод); 3 – актуатор (поворот по зенитному углу); 4 – датчик Солнца.

Рис. 2. Кинематическая схема установки

За поворот по азимуту отвечает опорно-поворотное устройство 2, в состав которого входит шаговый двигатель серии FL57STH - 0.9° и червячная пара. За наклон панели относительно плоскости горизонта отвечает линейный актуатор 3.

Выбор актуатора зависит от силы, которая будет действовать на солнечную фотоэлектрическую установку. Сила, действующая на установку, рассчитывается из расчета ветровой, снеговой нагрузок, и момента, действующего на установку. Ветровая и снеговая нагрузки были рассчитаны в соответствии со СНиП 2.01.07-85 [2]. На данную установку действует сила F=1319 Н, чтобы ее преодолеть выбираем линейный актуатор LAM1-S1.

Линейные актуаторы (линейные приводы) – компактные устройства, которые предназначены для эффективного и простого решения задач в технике линейных перемещений. Актуаторы представляют собой готовую систему позиционирования с двигателем постоянного или переменного тока, редуктором и выдвижным штоком. При выдвижении, шток не проворачивается, а движется поступательно.

Линейный актуатор LAM1-S1 состоит из шагового двигателя постоянного тока, редуктора и винта, интегрированных в единый механизм компактного размера для совершения линейных перемещений с шагом 0.9^о [3].

Таблица 1. Основные характеристики линейных актуаторов LAM1

	LAM1-S0	LAM1-S1
Напряжение питания двигателя	24 В постоянного тока
Усилие толкания, Н	3000	6000
Усилие втягивания, Н	2000	4000
Максимальная длина, мм	500
Скорость движения, мм/с	6,2 – 8,2	2,6 – 4,2
Номинальный ток, А (при 24 В)	2,4	2,8
Температура окружающей среды, °С	-26…+65
Класс защиты	IP54

Электрическая схема датчика Солнца представлена на рис. 3.

На электрической схеме роль датчика Солнца выполняет DD1. Датчик Солнца представляет собой три ФП. Сигнал с фотоэлектрических преобразователей поступает на вход операционных усилителей DA1, DA2, DA3 соответственно. На этих операционных усилителях выполнены преобразователи тока в напряжение. Сигнал с этих преобразователей поступает на следующие усилители выполненные на ОУ DA4, DA5, DA6, коэффициент усиления К=10, что обеспечивает на выходе напряжение U=5 В. Сигнал с усилителей поступает на микроконтроллер, который обрабатывает полученную информацию, затем она поступает на шаговые двигатели ХР2 и ХР3. Они поворачивают установку на необходимый угол.

Основная функция диодов – защита транзисторов от бросков напряжений при коммутации.

Транзисторы выполняют роль ключей. Схема Дарлингтона применяется в связи с малой нагрузочной способностью выводов микроконтроллера. Шаговые двигатели управляются при помощи сигналов микроконтроллера.

Емкости и индуктивности необходимы для фильтрации высокочастотных помех.

Рис. 3. Электрическая схема датчика Солнца

В данной работе был спроектирован привод для управления солнечной фотоэлектрической установкой. Общий вид установки представлен на рис. 4. Солнечная фотоэлектрическая установка имеет возможность применения для частного потребителя в районах Сибирского региона. Разработана система слежения за Солнцем, которая позволяет отслеживать положение Солнца по двум координатам, что увеличивает количество получаемой энергии. Механизм привода по азимуту обеспечивает поворот установки в горизонтальной плоскости в пределах от 0 до 360⁰, а привод по зенитному углу (актуатор) обеспечивает наклон панелей в пределах 70⁰.

1 – каркас; 2 – стойка; 3 – Опорно-поворотное устройство (ОПУ); 4 – солнечная панель с концентраторами; 5 – платформа; 6 – мачта; 7 – плита поворотная; 8 – актуатор LAM1; 9 – датчик Солнца

Рис. 4. Общий вид солнечной фотоэлектрической установки

Литература:

1. ФЭ модуль КСМ 150-24 Т [Электронный ресурс]. – Режим доступа http://www.solbat.ru/tovar.php?nmb=71 , свободный.

2 Нагрузки и воздействия. СНиП 2.01.07-85.

3 Электропривод, март 2012.

Код для цитирования: Скопировать