XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Проведена разработка полноценной солнечной батареи, для использования на частной территории загородного дома, с целью полной независимости от систем общего электропитания. Была спроектирована конструкция крепления солнечных панелей, а также прописан алгоритм работы следящей системы, с целью повышения эффективности работы панелей. Проведен расчет на ветровые нагрузки, и выбраны соответствующие материалы и профили опорной конструкции.

Ключевые слова: Солнечная панель, солнечная батарея, альтернативный источник энергии, Solar Panel.

Обзор солнечных трекеров. Выбор прототипа

1.1 Солнечная установка тарельчатого типа

Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а количество зеркал - нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Они фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки (Рисунок 1). Жидкость в приемнике нагревается до 1000 С и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал-двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий.

Такие установки могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий.

Рисунок 1 – Установка тарельчатого типа

1.2 Автономная гелиоэлектрическая установка с плоскими зеркальными концентраторами

Автономная гелиоэлектрическая установка с плоскими зеркальными концентраторами, с пиковой мощностью 1,5 кВт, предназначена для электрообеспечения индивидуального потребителя (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Общий вид ГЭУ-1,5

Преимущества установки основаны на использовании фотоэлектрических модулей в сочетании с плоскими зеркальными концентраторами, увеличивающими эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую в 1,5 - 2 раза, и следящей системы, обеспечивающей автоматическое слежение за движением Солнцем по небосклону от его восхода и до захода, и тем самым повышенную «собираемость» падающей солнечной энергии.

Конструктивно установка ГЭУ-1,5 состоит из одноосевого опорно-поворотного устройства, рамы-основания решетчатой конструкции с закрепленными на ней 25-ю фотоэлектрическими модулями МС-40 с пиковой мощностью вырабатываемой электроэнергии 40 Вт. каждый, и 50-ю плоскими зеркальными концентраторами солнечного излучения.

Вращение опорно-поворотного устройства (ОПУ) осуществляется вокруг вертикальной оси (по азимуту) системой следящих приводов с оптико-электронным датчиком положения Солнца, которые размещаются на станине ОПУ и решетчатой раме-основании.

1.3 Солнечная установка (солнечная батарея), стационарная

Установка состоит из двух солнечных модулей, установленных стационарно, под углом, на мачте (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Стационарная солнечная установка (солнечный модуль)

Солнечная электрическая установка с одним модулем «выдает» на аккумуляторную батарею в солнечную погоду до 5,5 ампер зарядного тока в течение всего времени, пока солнце над горизонтом. 135 Вт энергии непрерывно в течение 8-10 часов. А два модуля соответственно удвоят количество вырабатываемой энергии.

- Срок службы солнечного модуля не менее 10 лет.

- Гарантия на изделие 1 год. Но, по сути, там нечему ломаться.

- Солнечный модуль исполнен в ударозащищенном варианте. Выдерживает удар градин диаметром 4 см. со скоростью 15 м/сек.

- Обслуживание модуля заключается в удалении пыли и снега с поверхности. При монтаже модуля на мачте легко удалить снег или воду, кратковременно увеличив угол наклона. Высота мачты такова, что Вы легко достанете до гладкой зеркальной поверхности модуля, чтобы убрать пыль. Но и достаточно большой слой пыли снижает эффективность работы модуля всего на 5-7 %. Поэтому солнечный модуль не требует постоянного ухода.

- Желательно для повышения КПД периодически поворачивать модуль вслед за солнцем и ориентировать угол его наклона так, чтобы солнечные лучи падали на поверхность под углом около 90 град. Это действие занимает менее 1 минуты.

1.5 Солнечная установка с двухкоординатным слежением за Солнцем

Установка имеет возможность вращаться относительно двух осей и поднята над землей (рисунок 5).

Рисунок 5 – Общий вид установки

В качестве наклонного устройства выступает актуатор.

Этот тип установки наиболее благоприятен для условий Томской области, потому как имеется возможность отслеживания Солнца, а также обеспечивается защищенность от климатических факторов (заметание снега).

Разработка конструкции трекера солнечных батарей

Разработка кинематической схемы

В связи с тем, что по условиям ТЗ, данная батарея будет использоваться на территории частного дома в условиях Сибири, тем самым зимой будет выпадать снег, который будет покрывать элементы солнечной батареи. Таким образом, с целью увеличения срока службы солнечной батареи в конструкцию необходимо ввести мачту, чтобы обеспечить установку солнечной батареи на определенной высоте и тем самым исключить влияние заметания установки снегом и дальнейшего затекания воды в электрические элементы. Все основные исполнительные механизмы будут установлены наверху мачты, в непосредственно близости к солнечной батареи, с целью дальнейшей доступности ремонта и обслуживания системы.

Кинематическая схема установки солнечной батареи изображена на рисунке 6.

Рисунок 6 ­– Кинематическая схема солнечной батареи

Расчет требуемой площади панелей солнечных батарей

Расчет требуемой площади панелей зависит от величины требуемой мощности на выходе солнечных панелей, а также величины инсоляции на данной территории.

Вырезка из технического задания:

Производительность	до 10 кВт*ч/сутки электроэнергии
Напряжение, мощность	Напряжение 220В, 50Гц Выходная мощность без учета собственных нужд: Номинальная: 2 кВт Продолжительная (30 мин): 4 кВт Пиковая (5 сек): 6 кВт

Требование напряжения и выходной мощности возлагается на модули преобразования напряжение, которые должны обеспечить требуемую мощность.

Для расчета площади панелей потребуется два параметра, входные и выходные. Входными параметрами будем считать величину инсоляции на территории Томской области, а также величину КПД, для расчета максимально отдаваемой мощности Солнцем потребителю, данный параметр будет максимумом того, что может дать Солнце. Выходными же параметрами будем считать величину, максимально мощности, которую может выдать панель солнечной батареи, данный параметр напрямую связан с электрической составляющей солнечной панели.

Таким образом, при выборе солнечной панели, нужно брать максимально высокую выходную мощность преобразователя установленного непосредственно на панели, однако не стоит забывать, что данная мощность не должна превышать максимально отдаваемую мощность Солнца с учетом КПД панели.

Зададимся параметрами для расчета:

Производительность не менее 10кВт·ч/сутки;

КПД солнечной батареи 10%;

Длительность светового дня, при максимальной выработки солнечной панели, равна 7 часов;

Минимальная инсоляция (L) в расчетный период;

Ниже представлен таблица и график величин инсоляции на территории Томской области в зависимости от месяца года.

Таблица 1 – Величина солнечной инсоляции (L) на территории Томской области

Рисунок 7 – График зависимости инсоляции от месяца (на территории Томской области) [1]

Таким образом, в расчетный период (с апреля по октябрь) худшей величиной инсоляции, является в октябре, равная L = 2.31 кВт·ч/м².

Расчет входной мощности солнечной батареи:

Входной мощностью, был принят тот параметр, который включает в себя максимальную величину отдаваемой мощности Солнцем в солнечную батарею, с учетом инсоляции и КПД солнечной панели.

Таким образом, максимальная мощность на выходе солнечной батареи, без учета выходных параметров батарей, равна:

Таким образом, максимальная мощность воспринимаемая солнечной панелью на 1 квадратный метр равна 231 Вт·ч, выше этой мощности не получить на территории Томской области в Октябре.

Соответственно, при длительности солнечного дня, равным 7 часам, за сутки максимум воспринимаемой энергии солнечной панелью, площадью 1 кв. метр, будет равна:

Полученное значение показывает, что достаточно 6 кв. метров солнечной панели для достижения почти 10 кВт·ч/сутки, обеспечивая условие, не менее 10 кВт·ч/сутки. Однако, помимо КПД преобразовательной части солнечной панели, присутствует такое понятие как, максимально выходная мощность панели, которая является условно называемым выходным параметром солнечной панели.

Расчет выходной мощности солнечной батареи:

Выходная мощность солнечной батареи в основном зависит от конструкции и вида преобразовательной электрической части солнечной панели. Величина данной мощности варьируется от производителя к производителю, а также в зависимости от цены, от 50 Вт·ч, до 350 Вт·ч.

Чтобы не увеличивать общую стоимость солнечной батареи для частного лица, зададимся величиной выходной мощности, равной 200 Вт·ч.

Таким образом, при длительности светового дня, равного 7 часам, данная батарея будет способна отдать:

Для обеспечения электроэнергией, не менее 8 кВт·ч/сутки, потребуется количество таких панелей, равное:

Расчет необходимой площади солнечных панелей:

Солнечная энергия способна отдать потребителю , с учетом КПД фотопреобразователей.

У выбранной солнечной панели выходная мощность должна быть равна

Рассчитаем необходимую площадь панелей:

Увеличим минимальное значение площади солнечной панели на 50%, с целью исключения зависимости отклонения солнечного луча от направления к нормали, на угол не более 15º, в связи с тем что поворот солнечны панелей будет осуществляться 1 раз в час. Также увеличение минимального значения площади панелей, позволит уменьшить влияние туманности, облачности и дождя на выходную требуемую мощность потребителя.

Таким образом, требуется 8 панелей с площадью не менее , и выходной мощностью, равной 200 Вт·ч.

Выбор типа солнечных батарей

Условия выбора солнечной панели:

Количество панелей в наличии, не менее 8 шт.;

Площадь одной панели, не менее ;

Выходная мощность одной панели

Российский производитель;

Поиск солнечной панели осуществлялся в сети интернет. При недолгом поиске была найдена солнечная панель российского производства, кампании РЗМКП, солнечная батарея RZMP-200-T. Параметры данной панели представлены в таблице 2 [2].

Таблица 2 – Параметры выбранной солнечной панели

Наименование	Солнечная батарея серии RZMP-200-T
Номинальная пиковая мощность, Вт	200
Напряжение в точке Max Power, В	27.7
Ток в точке Max Power, А	7.25
Напряжение холостого хода, В	35.7
Ток короткого замыкания, А	7.9

Продолжение таблицы 2

Напряжение рабочее, В	18.1
Номинальное напряжение, В	24
Габариты, мм	1640х980х36
Масса, кг	21.5

Модуль состоит из 60 солнечных элементов, с размерами 156х156 мм, таким образом, общая площадь фотоэлектрической части будет равна:

На основе выбора солнечной панели, можно сказать, что:

Условие минимальной площади фотоэлектрических преобразователей обеспечивается;

Номинальная мощность солнечной панели соответствует расчётной,

Солнечная панель производится на территории РФ.

Расчёт и выбор основных элементов системы ориентации (двигатель, датчики ориентации на Солнце, процессор, передаточный механизм (редуктор), кабели др.)

Основными элементами конструкции трекера солнечной батареи, являются:

Мачта (для установки солнечной батареи на высоте, с целью исключения затекания воды в электронные преобразователи и механические компоненты солнечной батареи в условиях таяния снега)

Высота мачты зависит от максимальной высоты сугроба на территории Томской области. Согласно РИА Томск максимально рекордная высота сугроба в середине зимы наблюдалась в 1941 году и составила 1 метр [3]. Таким образом, высота мачты должна быть не менее 1 метра в длину, однако следует добавить в высоту половину габаритного размера составной солнечной панели в связи с тем, что при повороте по зенитному углу на максимальное положение, солнечная панель будет находиться на уровне ниже одного метра, относительно земли.

Крепление солнечных панелей будет осуществляться в два ряда по 4 штуки, общая опора лежит в геометрическом центре составной панели. Половина габаритного размера составной солнечной панели, равна длине одной солнечной панели, согласно рисунку 8.

Рисунок 8 – Относительное расположение солнечных панелей

Таким образом, высота мачты должна быть не менее 2.64 метров.

Крепление мачты

Крепление мачты в землю, будет осуществляться путем вкручивания анкерных болтов в бетон, который изначально потребуется залить в заранее подготовленную яму. Восемь анкерных болтов М30, привинченные по кругу с шагом 36º.

С другой стороны к мачте прикручивается опорно-поворотное устройство, которое будет выполнять непосредственный поворот солнечных панелей по азимутальному углу. Устройство будет крепиться при помощи 10 болтов М14.

Рисунок 9 – 3D модель мачты крепления солнечной батарей

Также для увеличения жесткости системы, на мачте изготовлены ребра жесткости.

Вывод по выбору мачты для крепления солнечных панелей:

Высота мачты должна быть не менее 2.64 м;

Крепление в землю осуществляется при помощи 8 анкерных болтов М30;

С другой стороны прикрепляется опорно-поворотное устройство 10-ю болтами М14;

Выбор материала и толщина стенок мачты, будет определяться на этапе механического анализа в пункте 2.5 настоящего документа;

Поворотный механизм по азимутальному углу (двигатель)

Поворотный механизм представляет собой готовую сборку опорно-поворотного устройства, который включает в себя червячную передачу для осуществления поворота плоскости одной стороны относительно другой. Данный механизм включает в себя различного рода подшипники, предназначенные для работы, как на радиальную, так и на упорную нагрузки.

Выбор данных устройств основывается только на величине нагрузки со стороны солнечных панелей, таких как: статическая нагрузка – масса всей конструкции солнечных панелей, включая опоры и систему крепления, помимо мачты, поскольку она является опорой для опорно-поворотного механизма; динамическая нагрузка – данная нагрузка представляет собой реакцию всей системы, в основном, на ветровые потоки.

Определение статической нагрузки:

Для определения данной нагрузки, требуется просто посчитать общую массу находящуюся над опорно-поворотным механизмом. Элементы конструкции и их масса указаны в таблице 3.

Опора солнечной батареи представляет собой сваренные куски проф трубы, параметры которой указаны в таблице 3. Данная проф труба изготавливается из материала марки ВСт6ПС, сталь имеющая высокую прочность на изгиб и растяжение/сжатие. Данный материал используется для деталей повышенной прочности. Масса одного метра трубы того или иного сечения определяется по таблице указанной в источнике [4].

Таблица 3 – Определение статической нагрузки

№	Название элемента	Количество, шт.	Суммарная масса, кг
1	Профтруба 50х30х2.5; L = 820 мм	2	4.69
2	Профтруба 50х30х2.5; L = 4060 мм	3	34.83
3	Профтруба 50х30х2.5; L = 3340 мм	5	47.76
4	Профтруба 50х30х2.5; L = 1110 мм	1	3.17
5	Профтруба 60х60х3; L = 450 мм	4	9.45
6	Профтруба 50х30х2.5; L = 820 мм	2	4.69

Продолжение таблицы 3

7	Профтруба 50х30х2.5; L = 760 мм	2	4.35
8	Профтруба 50х30х2.5; L = 1550 мм	4	17.73
9	Солнечные панели серии RZMP-200-T	8	172
10	Швеллер 8С, углеродистая сталь 80х45х5.5х9; L = 3260 мм;	1	30.2
11	Актуатор	2	10
12	Шарнирные крепления	8	1.5
13	Основной элемент крепления с опорно-поворотным устройством	1	5
	ИТОГО	44	345.5

Примечание: Актуатор еще не был выбран, поэтому заложим для него 5 кг веса, с запасом.

На рисунке 10 изображена конструкция опоры солнечных панелей, массу которой требуется выдерживать опорно-поворотному устройству.

Рисунок 10 – 3D модель крепления солнечных панелей

Таким образом, общая масса элементов, которые необходимо поворачивать по азимутальному углу, составила 345.5 кг. Увеличим данную массу до 350 кг, поскольку в таблице и в модели не указаны датчики света, на основе которых будет реализована следящая система, и различного рода электрические проводники, для передачи энергии с солнечных панелей. Данная масса представляет собой осевую статическую нагрузку.

Также из-за несовпадения геометрического центра и центра масс, появляется еще статическая радиальная нагрузка на опорно-поворотное устройство. Данная нагрузка представляет собой величину опрокидывающей массы. Для грубой оценки данной радиальной нагрузки, достаточно просто определить сумму масс элементов, которые не являются симметричными, знак которых будет определяться относительно их расположения от геометрического центра.

Таким образом, по рисунку 10 можно определить, что система крепления актуаторов и сами актуаторы, являются опрокидывающей массой, сумму которой требуется посчитать. Согласно таблице 3, данные элементы расположены под пунктами 4, 6, 7 и 11.

Опрокидывающая сила будет равна:

Данная опрокидывающая сила будет действовать на опорно-поворотное устройство, по схеме, представленной на рисунке 11.

Рисунок 11 – Действие опрокидывающей нагрузки на опорно-поворотное устройство

Таким образом, сила Fопр действует на опорно-поворотное устройство с рычагом, длинной 300 мм.

Следовательно, радиальная нагрузка будет равна:

Промежуточный итог:

Первым условием выбора опорно-поворотного устройства, является – величина максимальной осевой статической нагрузки должна быть не менее (увеличим на 10% от общей массы):

Опорно-поворотное устройство должно выдерживать радиальную нагрузку величиной 8 кН;

Определение динамической нагрузки:

Динамическая нагрузка на опорно-поворотное устройство исходит от величин ветра и показателей парусности солнечной батареи. Таким образом, данную нагрузку можно полностью свести к определению парусности солнечных панелей.

Динамическая нагрузка бывает, также как и статическая, радиальной и осевой.

Радиальная динамическая нагрузка:

Данная нагрузка максимальна в том случае, когда нормаль плоскости солнечных панелей параллельна плоскости горизонта. В этом случае ветер максимально будет давить на панели. Условное изображение ситуации представлено на рисунке 12.

Рисунок 12 – Ориентация солнечной батареи и направление ветра

Для определения давящей силы на панель от ветра, требуется узнать величину максимального ветра на территории Томска. Согласно источнику [5], максимальная скорость ветра которая была зарегистрирована на территории Томской области, равна 30 м/с.

Определим величину силы, давящей на 1 кв. метр, со скоростью 20 м/с, по таблице 4 [6].

Таблица 4 – Ветровая нагрузка, при величине плотности воздуха 1.2 кг/м³ [6]

	Скорость ветра в м/с
	1	5	10	15	20	25	30	40	50
Сила на 1 кв. метр, Н	0.6	15	60	135	240	375	540	960	1500
Сила на 4 кв. метр, Н	2.4	60	240	540	960	1500	2160	3840	6000

Соответственно, согласно таблице 4, при максимальной скорости ветра в Томской области величиной в 20 м/с, сила, действующая на площадь в 1 кв. метр, будет равна 240 Н.

Общая площадь солнечных панелей, равна:

Следовательно, сила действующая на панели будет равна:

Осевая динамическая нагрузка:

Осевая динамическая нагрузка представляет собой силу вырывания солнечной панели под действием ветреной нагрузки. Максимальная величина силы вырывания будет в том случае, когда нормаль плоскости солнечных панелей будет лежать под углом в 45º к плоскости горизонта, а направление ветра останется по тому же направлению – к горизонту. А сила, действующая на солнечную панель сократиться ровно в два раза по отношению к величине силы рассчитанной на радиальной динамической нагрузке.

Рисунок 13 – Ориентация солнечной батареи при максимальной осевой динамической нагрузке

Величина осевой нагрузки будет равна:

Выбор опорно-поворотного устройства:

Условия для выбора опорно-поворотного устройства:

Устройство должно выдерживать статические нагрузки:

Радиальные: 8000 Н;

Осевые: 3780 Н;

Динамические нагрузки:

Радиальные: 3086 Н;

Осевые: 1543 Н;

Требования по геометрическим размерам – не устанавливается.

Крепление должно осуществляться при помощи не менее 10 болтов М14, как с одной, так и с другой стороны.

Под поставленные требования/условия походит опорно-поворотное устройство серии SE, а именно ОПУ SE5. Характеристики данного опорно-поворотного устройства приведены в таблице 5. Также в приложении А, приведен общий вид ОПУ.

Таблица 5 – Характеристики ОПУ SE5 [7]

Наименование параметра	Значение
Выходной момент, кН*м	0.6
Крутящий момент, кН*м	3
Статическая осевая нагрузка, кН	45
Статическая радиальная нагрузка, кН	22
Динамическая осевая нагрузка, кН	14.4
Динамическая радиальная нагрузка, кН	11.1
Передаточное отношение	62:1
Вес, кг	20

По нагрузкам, есть большой запас, это связано с тем, что, во-первых при максимально тяжелых погодных условиях, все динамические и статические нагрузки суммируются, тем самым общая нагрузка на опору сильно увеличиваться. Этот ОПУ максимально подходит как к общей конструкции, так и по параметрам.

Также к данному ОПУ сразу имеется в наличие двигатель, который позволяет осуществлять вращение со скоростью 3 рад/мин, что в принципе нас удовлетворяет. Это является большим плюсом, поскольку изначально заводом изготовителем рекомендуется использование этого двигателя для работы с ОПУ SE5.

Рисунок 14 – Внешний вид ОПУ SE5 [7]

Поворотный механизм по зенитному углу (актуатор)

На актуатор возлагается в основном только величины динамической нагрузки, чтобы обеспечить бесперебойную работу при высоких скоростях ветра и жесткое зацепление с панелями солнечных батарей. Для поворота солнечной батареи, прикладываемая сила намного ниже, чем динамическая нагрузка.

Таким образом, требования возлагаемые для выбора актуатора:

Работа на нагрузку величиной, не менее 3086 Н;

Длина выдвижной части должна быть, не менее 0.8 метра. Примерная длинна одной солнечной панели, в связи с типом конструкции данного размера будет достаточно для поворота панелей по зенитному углу в диапазоне от 0º до 80º.

Под данные требования подходит актуатор производителя JOICE. Параметр указан в таблице 6.

Таблица 6 – Характеристики актуатора JOICE [8]

Наименование параметра	Значение
Статическая нагрузка, Н	5500
Динамическая нагрузка, Н	4000
Напряжение питания, В	24
Длина выдвижной части, мм	900
Крепление	Передвижное крепление, с установленными подшипниками

Рисунок 15 – Внешний вид актуатора фирмы JOICE

Датчики ориентации на Солнце

Датчик ориентации на Солнце должен обеспечить слежку за Солнцем по двум координатам. Самый простой для реализации и дешевый по исполнению способ, это разделение четырех фотодатчиков путем внедрения невысоких стенок, которые будут создавать тень на датчик, при изменении угла падения лучей Солнца. Данные датчики должны иметь высокую чувствительность к изменению интенсивности солнечного света, чтобы обеспечить работу при невысокой облачности или туманности.

Остальные же параметры фотодатчиков не важны, поскольку дальше требования возлагаются на саму конструкцию фотодатчика.

Фоточувствительный элемент: Фоторезистор MLG4416 (90 мВт; 5-10 кОм/1.0 МОм) – 4 шт.

Основная идея конструкции изображена на рисунке 16.

Рисунок 16 – Принцип работы фотодатчиков.

Таким образом, данная конструкция позволяет осуществлять слежение за Солнцем по одной координате, при добавлении пары датчиков по другой оси, позволит получить двухкоординатный фотодатчик слежения за Солнцем.

Идея тут проста, при получении сигналов с двух датчиков, они сравниваются, и в том датчике где сигнал выше, следовательно, в ту сторону требуется совершать движение.

Для увеличения чувствительности работы фотодатчика, необходимо располагать фоторезисторы максимально близко к стенке, либо увеличить высоту этой перегородки, также можно внедрить две перегородки.

Рисунок 17 – Увеличение чувствительности фотодатчика

Устройство обработки информации и управлением двигателями

Устройство будет представлять собой небольшую управляющую плату, которая будет включать в себя центральный процессор, управляющие элементы, ключи и так далее и тому подобной.

Есть два варианта реализации управляющего устройство, это внедрение микроконтроллера на базе STM или ATMega, либо разработка схемы на простейших логических элементах.

Данное устройство должно иметь 4 входа, для поступления сигнала с фоторезисторов, и 2 выхода для управления опорно-поворотного устройства и двух актуаторов. Процесс синтеза данной схемы представлен в главе 3 настоящего документа.

Также данное устройство должно иметь защиту от перезаряда АКБ.

Преобразователь напряжения.

Поскольку потребительское напряжение составляет 220 В 50/60 Гц, а на выходе солнечных батарей напряжение постоянное, величиной в 24 В, соответственно понадобится преобразователь DC/AC с 24 В на 220 В. Также требуется высокий КПД преобразования, в связи с большой потерей энергии на преобразовании со световой энергии в электрическую. Так сказать каждая копейка на счету.

Таблица 7 – Требуемые параметры преобразователя напряжения

Наименование параметра	Значение
Преобразование напряжения DC/AC	24 В / 220 В
Пульсации напряжения	Не устанавливаются
КПД, не менее, %	90
Выходная мощность:
Номинальная, кВт	2
Продолжительная (30 мин), кВт	4
Пиковая (5 сек), кВт	6

Под данные требование подходит преобразователь напряжения российского производителя, кампании СибВольт. Внешний вид преобразователя представлен на рисунке 18, а вырезка из технических параметров в таблице 8. Полная таблица всех параметров преобразователя представлены в приложении Б.

Таблица 8 – Часть характеристик инвертора СибВольт 3024 [9]

Наименование параметра	Значение
Номинальное значение входного питания, В	25.6
Выходное напряжение, В	220 ± 10
Номинальная выходная мощность, кВт	3
Максимальная выходная мощность (в течение не более 5 сек), кВт	6
КПД, не менее, %	90

Рисунок 18 – Внешний вид инвертора СибВольт 3024 [9]

Аккумуляторная батареи

Аккумуляторную батарею выбираем по принципу максимальной потребляемой энергии инвертором, плюс потребление двигателя ОПУ и актуатора, а также потребление всего устройства управления.

Вторым параметром для выбора АКБ, это величина емкости батареи, данная параметр определяется пожеланиями заказчика. Поскольку заряд АКБ может производиться в то время пока на участке никого нет. Таким образом, выберем емкость АКБ для обеспечения номинального потребления электроэнергии в течение одного дня. Дневная норма потребления электроэнергии это 10 кВт·ч/сутки. Соответственно требуемая емкость батарей, равна:

Поскольку полный разряд батарей не желателен, поэтому возьмем суммарную требуемую емкость АКБ, равной 600 А·ч.

С ёмкостью определились. Теперь требуется определить максимальную требуемую величину выходного тока АКБ.

Таблица 9 – Определение 123максимального потребления электроэнергии

Потребитель	Величина потребления, А
Инвертор СибВольт	250
ОПУ SE5	10
Актуатор, 2 шт.
Устройство Управления	0.2

Итого, максимально возможная величина тока равна 265.8 А. Максимальный выходной ток у каждого аккумулятора определяется как тройная величина емкости. Таким образом для обеспечения 300 А максимального тока, потребуется ставить аккумуляторы с емкостью 100 А·ч, однако такую величину аккумулятор сможет дать не более чем на 30 секунд. В нашем же случае требуется выдавать такую нагрузку только в течение 5 секунд.

Также для обеспечения 24 В, требуется подключать АКБ по два в последовательное подключение, и дополнительно в параллель для обеспечения нужной емкости. Пример подключения изображен на рисунке 19.

Рисунок 19 – Подключение АКБ, для обеспечения 24 В, 200 А·ч

Для обеспечения 600 А·ч, потребуется подключить еще две пары по 4 аккумулятора.

Компоновка элементов конструкции с учетом сбалансированности, прочности и жесткости элементов (механический анализ)

С целью уменьшения массогабаритных параметров было принято решение расположения центра масс максимально близко к геометрическому центру конструкции. Данное расположение солнечных панелей позволит уменьшить габаритные размеры силовых деталей, поскольку нагрузки на растяжение/сжатие имеют наиболее высокую величину, нежели деформации на кручение и изгиб.

Проведем расчет, для выбора размеров сечения трубы мачты. Условия работы мачты:

Осевая нагрузка, равна общей массе всей конструкции за исключением массы мачты. Общая масса была рассчитана в разделе 2.4 пункт 2. Однако, к этой массе надо добавить еще опорно-поворотное устройство. Также на величину максимальной нагрузки будет влиять осевая динамическая нагрузка, рассчитанная ранее в разделе 2.4 пункт 2. Таким образом, максимальная осевая нагрузка будет равна:

Нагрузка на изгиб. Данная нагрузка представляет собой реакцию мачты на давление ветра, действующее на солнечные панели. Допустим, что мачта жестко закреплена к земле, и вырывание с «корнем» невозможно. Таким образом, сила, действующая на панели при максимальной скорости ветра на территории Томской области, будет прикладываться к опоре в виде момента сил. Сила, действующая на панели при максимальной скорости ветра, была рассчитана в разделе 2.4 пункт 2. Плечо будет равно сумме длинны мачты (2.64 м) и плеча рассчитанного ранее (310 мм), при расчете радиальной нагрузки ОПУ. Таким образом, момент приложенный к опоре будет равен:

Соответственно, изгибающий момент является самым опасным для конструкции мачты. Поэтому если выбранная толщина стенки и диаметр мачты сможет выдержать изгибающий момент при консольном закреплении, соответственно эта мачта сможет выдержать собственный вес конструкции.

Заложим параметры мачты, для расчёта:

Диаметр трубы, равен 98 мм.

Толщина стенки 9 мм.

Длина 2.64 м.

Материал изготовления, Ст2.

Рисунок 20 – Внешний вид мачты

Для ускорения процесса, воспользуемся онлайн калькулятором [10].

Результат расчета [10]:

Материал трубы Ст2;

Допускаемое напряжение при изгибе 1428 кг/см²;

Максимальный изгибающий момент Мх 61720 кг/см;

Расчетное напряжение при изгибе балки 1202 кг/см².

Расчетное напряжение получилось меньше допускаемого, это говорит о том, что параметры данной мачты подходят для использования в конструкции солнечной батареи, также имеется запас по напряжению в 16%.

Также с целью увеличения жесткости конструкции крепления солнечных панелей, были введены упоры (ребра жесткости), по двум осям, по оси силы тяжести, и по оси параллельной плоскости горизонта, с целью увеличения жесткости при влиянии сильного ветра.

Окончательная разработка конструкции с учетом результатов анализа

Окончательный вид разработанной конструкции изображен на рисунке 21, 22 и 23.

Рисунок 21 – Общий вид разработанной конструкции

Рисунок 22 – 3D модель вид спереди

Рисунок 23 – 3D модель, вид сбоку

Рисунок 24 – Общий вид конструкции солнечной батареи

Конструкция включает в себя следующие элементы:

Мачта (длинна 2.64 м);

ОПУ SE5;

Силовая конструкция, для крепления солнечных панелей;

Актуатор JOICE (2 шт.);

Солнечная панель серии RZMP-200-T (8 шт.);

Фотоэлектрический датчик (на основе фоторезисторов);

Чертеж общего вида представлен в приложении В.

Синтез следящей системы

Следящая система будет позволять поворачивать солнечные панели к Солнцу, для обеспечения максимально получаемой электрической энергии. Данная система необходима при использовании солнечных панелей на территории частных домов и особенно на территории с невысокой инсоляцией, а также с небольшим количеством солнечных дней.

Целесообразность использования следящей системы заключается в том, что при изменении угла солнечных лучей от перпендикулярного положения по отношению к плоскости панелей на 9º, увеличивает потери на 1.9%, при угле в 45º на 29%. Поскольку Солнце изменяет свое положение со скоростью 15º в час, соответственно, потребуется поворачивать солнечную панель, примерно каждые 40 минут, чтобы потери не превышали 2%.

Разработка системы управления приводом

Управление по зенитному и азимутальному углам, происходит наипростейшим образом. С целью упрощения систем управления, были подобранны актуаторы рассчитанные на напряжение питания 24 В, а также двигатель на ОПУ SE5, рассчитан на 24 В. Направление движения актуатора или двигателя определяется полярностью поданного напряжения.

Скорость поворота всей системы по азимутальному углу, не превышает 3 рад/мин. Поворот по зенитному углу, также не превышает 2 рад/мин.

Датчик солнца представляет собой матрицу 2х2 фоторезисторов, огороженных друг от друга стенками (рис. 25).

Рисунок 25 – Конструкция фотоэлектрического датчика: 1 – фоторезисторы;

2 – стенки; 3 – защитный корпус

Алгоритм формирования управляющего сигнала на привод от датчиков Солнца

Алгоритм формирования управляющего сигнала можно реализовать по двум принципам: 1. Использование микроконтроллера (функциональная схема рисунок 26); 2. Реализация на простейших радиоэлектронных компонентах (функциональная схема рисунок 27).

Рисунок 26 – Функциональная схема устройства управления (на микроконтроллере)

Принятые сокращения:

ФЭД – фотоэлектрический датчик (фоторезистор);

МК – Микроконтроллер;

ТМ – Транзисторный мост;

М1.1, М1.2 – Акутаторы;

М2 – Двигатель ОПУ;

СУ – Суммирующее устройство;

УР – Усилитель рассогласования;

Др – Драйвер;

Рисунок 27 – Функциональная схема устройства управления (на простейших элементах)

В связи с развитием полупроводниковых приборов, микроконтроллеров и процессоров, устройство управление будет реализовано на основе микроконтроллера. Данная схема позволяет существенно сократить количество радиоэлементов, тем самым повысив надежность электрической части конструкции.

На ФЭД подается напряжение питания, в зависимости от величины светового потока электрическое сопротивление ФЭД будет изменяться, параллельно данному устройству будут подключенные вывод АЦП микроконтроллера, с целью съема информации о световом потоке. Программная составляющая микроконтроллера будет обеспечивать сравнение сигналов двух ФЭД, по одной координате и двух ФЭД по другой координате, одновременно. Далее в зависимости от величины сигнала на ФЭД, происходит управление транзисторным мостом (рис. 28), тем самым обеспечивая включения требуемой полярности питания мотора, для осуществления поворота солнечных панелей в сторону ФЭД на котором сигнал был выше, относительно другого ФЭД по данной координате.

Рисунок 28 – Транзисторный мост, для управления электродвигателем

Для исключения постоянного потребления питания устройством управления и электродвигателями актуаторов и мотора ОПУ, в микроконтроллере будет реализован таймер, с целью опроса датчиков ФЭД с периодом опрашивания 40 минут.

Управление следящим приводом

Управление транзисторными мостами будет осуществляться при помощи микроконтроллера. Поскольку данная конструкция требует управления двумя двигателями, по двум направлениям, соответственно требуется использовать по два цифровых входа на управление каждого двигателя.

Управление транзисторными ключами будет осуществляться непосредственно с выходов микроконтроллера без использования драйвера. В связи с использованием полевых транзисторов с индуцируемым каналом, потребление у таких транзисторов минимальное, и выхода микроконтроллера будет достаточно.

В качестве микроконтроллера, будет использован ATmega8A, стоимость такого микроконтроллера невелика, и характеристики достаточны под поставленную задачу.

Для обеспечения обработки информации и управления электродвигателями микроконтроллер потребуется запрограммировать.

Рисунок 29 – Внешний вид микроконтроллера ATmega8A

Элементы электрической схемы системы ориентации

Согласно функциональной схеме, выбранного микроконтроллера, была разработана принципиальная схема устройства управления.

Для обеспечения коммутации 10 А, подходят полевые транзисторы IRFP4332. Максимальный ток стока у которых равен 15 А.

Рисунок 30 – Внешний вид транзистора IRFP4332

Определение массогабаритных параметров

Габаритные размеры составляют 4060х3340х2070. Общая масса, равна 430 кг. Масса отдельных частей конструкции представлена в таблице 10.

Таблица 10 – Масса отдельных частей конструкции солнечной батареи

№	Название элемента	Количество, шт.	Суммарная масса, кг
1	Профтруба 50х30х2.5; L = 820 мм	2	4.69
2	Профтруба 50х30х2.5; L = 4060 мм	3	34.83
3	Профтруба 50х30х2.5; L = 3340 мм	5	47.76
4	Профтруба 50х30х2.5; L = 1110 мм	1	3.17
5	Профтруба 60х60х3; L = 450 мм	4	9.45
6	Профтруба 50х30х2.5; L = 820 мм	2	4.69
7	Профтруба 50х30х2.5; L = 760 мм	2	4.35
8	Профтруба 50х30х2.5; L = 1550 мм	4	17.73
9	Солнечные панели серии RZMP-200-T	8	172
10	Швеллер 8С, углеродистая сталь 80х45х5.5х9; L = 3260 мм;	1	30.2
11	Актуатор	2	10
12	Шарнирные крепления	8	1.5
13	Основной элемент крепления с опорно-поворотным устройством	1	5
14	ОПУ SE5	1	20
15	Мачта	1	60

Заключение

В ходе выполнения работы была спроектирована солнечная батарея, для использования на территории частного дома в условиях Сибири. Данная установка позволяет получать ежедневно 10 кВт·ч электроэнергии, что согласно ТЗ достаточно для полной автономии электропитания дома.

Солнечная батарея будет способна отдавать 10 кВт·ч энергии только в период с Апреля по Октябрь, в остальные месяца работа солнечной батареи не планируется.

Данная установка включает в себя 8 солнечных панелей, с общей площадью 11 кв. метров. С целью уменьшения используемой площади земли, а так же с целью защиты всех электроустройств батареи, установка закрепляется на мачте, позволяющая поднять все основные механизмы на 3 метра в высоту. Такой вид закрепления исключит влияние затекания растаявшего снега весной, и дальнейшего выхода из строя электронных устройств.

Общая масса солнечной батареи составляет 430 кг. Конструкция позволяет собственноручно установить и закрепить все элементы батареи без специального оборудования.

Список используемой литературы

Инсоляция на территории Томской области [электронный ресурс] // B Energy. – доступа: https://www.betaenergy.ru/insolation/tomsk/ (Дата обращения: 10.10.18)

Солнечные батареи RZMP-220-T [электронный ресурс] // Свободная энергия. – Режим доступа: http://www.solarroof.ru/products/5/49/(Дата обращения: 25.10.18)

Высота снега в Томске [электронный ресурс] // РИА ТОМСК. – Режим доступа: https://www.riatomsk.ru/article/20150123/visota-snega-v-tomske-dostigla-maksimaljnoj-otmetki-vpervie-za-74-goda/(Дата обращения: 26.10.18)

Вес метра профильной трубы [электронный ресурс] // Металлобаза. – Режим доступа: https://ros-met.com/ves-truby-stalnoy-ves-truby-profil/(Дата обращения: 5.11.18)

Ветра в Томской области [электронный ресурс] // Energy Wing. – Режим доступа: http://energywind.ru/recomendacii/karta-rossii/sibir/tomskaya-oblast (Дата обращения: 6.11.18)

Ветровая нагрузка в первом приближении [электронный ресурс] // TehTab. – Режим доступа: https://tehtab.ru/Guide/GuidePhysics/Climate/WindPressure/(Дата обращения: 15.11.18)

Опорно-поворотные устройства серии SE [электронный ресурс] // Гидровалв. – Режим доступа: http://dcv.by/oporno-povorotnye-ustroystva-serii-se(Дата обращения: 20.11.18)

Electric Cylinders Actuator [электронный ресурс] // JOYCE. – Режим доступа: https://www.joycedayton.com/(Дата обращения: 5.12.12)

СибВольт 3024 инвертор DC/AC, 20В/3000Вт [электронный ресурс] // СибконтакТ. – Режим доступа: https://sibcontact.com/eshop/preobrazovateli-napryazheniya/vhodnoe-napryazhenie-24v/sibvolt-3024-invertor-dc-ac-24v-3000vt/ (Дата обращения: 10.12.18)

Расчет трубы на изгиб [электронный ресурс] // TRUBALET. – Режим доступа: https://trubanet.ru/onlajjn-kalkulyatory/raschet-balok-iz-trub-na-izgib.html(Дата обращения: 20.12.18)

ГОСТ 14.202-73. Правила выбора показателей технологичности конструкции изделий.

Код для цитирования: Скопировать