Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.
Солнечная автономия в глубинке. 5 часть
Существуют некоторые хитрости, позволяющие, немного модифицировав основную систему, получить больше энергии от солнца. Первая из них – следить за солнцем, а вторая – за точкой максимальной мощности солнечных батарей.
Слежение за солнцем осуществляется с помощью солнечного трекера, с которого я и начну эту статью. Следующее видео демонстирует принцип действия трекера для солнечных панелей.
После монтажа солнечного трекера выработка энергии увеличится в 1,6 раза благодаря более длительному воздействию солнца на панели, а также оптимизации угла установки солнечных панелей по отношению к солнцу. Стоимость готового солнечного трекера составит около 52 000 рублей. Поскольку он сможет удержать всего пару панелей с общей мощностью до 600Вт, окупится такая система нескоро. Но сделать такое устройство можно и самостоятельно, причем самодельные трекеры довольно популярны.
При слежении за солнцем есть следующие главные задачи:
1. Создание крепкой платформы, способной выдержать и вес самих панелей, и порывы ветра.
2. Создание механики поворота тяжелой платформы с высокой парусностью.
3. Разработка логики управления механикой для слежения за солнцем.
Итак, пункт первый. Массивы батарей лучше разместить кратно необходимому напряжению, при этом они не должны затенять друг друга.
Для трекера потребуются крепкое железо и мощный фундамент. Для управления поворотной платформой оптимально подойдут актуаторы. На следующем снимке можно рассмотреть механику управления.
Такой трекер позволит контролировать положение солнечных панелей сразу в двух плоскостях. Но при желании можно настроить управление только по горизонтали, а по вертикали изменять угол пару два раза в год (осенью и весной).
Создавая логику всей системы можно выбрать один из нескольких вариантов:
1. Следить за максимально яркой точкой.
2. Установить наклон и поворот по таймеру (для каждого дня всегда известны время восхода и захода солнца).
3. Комбинированный вариант, предусматривающий постоянство угла поворота и поиск максимальной яркости.
Для первого способа есть два решения: соорудить трекер самостоятельно или купить готовый китайский, стоимостью около 100 долларов.
Но поскольку сделать такое устройство довольно несложно любому, кто разбирается в принципах работы контроллеров, многие предпочитают сделать все самостоятельно, при этом самодельный трекер обойдется в 10 раз дешевле.
Подробности изготовления солнечного трекера можно узнать на профильном форуме, где оптимальные конструкции уже вычислены и подобрано наилучшее оборудование. Слежение за МРРТ (точка максимальной мощности солнечных батарей) Для этой цели существует два типа солнечных контроллеров. Контроллер МРРТ (Maximum Power Point Tracking) следит за солнцем с другой позиции системы. Для обьяснения привожу следующий график.
Как видно из графика, максимум снимаемой мощности будет получен в точке максимальной мощности, которая непременно окажется на зеленой линии. Это невозможно для обычного ШИМ контроллера. Используя МРРТ контроллер можно также подключить последовательно соединенные солнечные панели. Такой способ позволит ощутимо снизить потери энергии в процессе транспортировки от солнечных батарей до аккумуляторов. Экономически целесообразно устанавливать МРРТ контроллеры при мощности СП, превышающей 300-400 Вт. Вполне обоснованной будет покупка солнечного контроллера «с запасом», если только вы не создаете мощную энергосистему, которая перекроет потребности дома с избытком. Последовательно наращивая число солнечных батарей, я получил мощность 800 Вт, чего вполне достаточно для загородного дачного домика летом.
В моем примере от энергосистемы в среднем ожидается по 4 кВт*ч электрической энергии в день с апреля по август. Такого количества энергии вполне достаточно для комфорта семьи из 4 человек при условии отказа от пользования электроплитой и микроволновой печью. Мощным потребителем энергии является бойлер для подогрева воды. Для 80 литрового бойлера в частном доме потребуется как раз приблизительно 4,5кВт*ч энергии. Таким образом, создаваемая автономная система окупится хотя бы при нагреве воды.
Предыдущая статья была посвящена гибридному инвертору, позволяющему забирать энергию преимущественно от солнечных батарей, получая от сети только недостающее количество. Компания МикроАрт уже наладила выпуск МРРТ-контроллеров, которые могут быть связаны с инверторами этой же фирмы по общей шине. Поскольку гибридный инвертор МикроАрт я уже установил, этот вариант для меня особенно удобен.
Главным достоинством этого контроллера для меня стала возможность подкачки нужного количества электричества, чтобы не заимствовать энергию от аккумулятора, снижая его ресурс. Самым популярным и при этом оптимальным по соотношению напряжение/ток является Контроллер ECO Энергия MPPT Pro 200/100. Он способен поддерживать входное напряжение до 200 В и выходной ток до 100 А. Мои аккумуляторы собраны на 24 В (напряжение аккумуляторов 12/24/48/96 В), так что максимальная мощность от контроллера составит 2400 Вт, таким образом я получаю двукратный запас при наращивании солнечных батарей. Максимальная мощность контроллера – 11 кВт при 110 В на аккумуляторах (буферное напряжение).
Связь контроллера с гибридным инвертором МАП SIN Энергия Pro HYBRID v.1 24В поддерживается по шине 12С. При этом возможно мгновенное добавление мощности в случае, когда инвертор выдает информацию о повышенном потреблении энергии. Поскольку оба устройства от одного производителя – понадобилось лишь включить шнурки в нужные разьемы устройств и активировать нужные параметры.
Продолжая исследовать возможности контроллера, я обнаружил три реле, которые можно запрограммировать. Например, при солнечной погоде, если дом не потребляет электроэнергию, можно подогреть дополнительный бойлер или бассейн. Другой вариант — погода пасмурная и напряжение аккумуляторов снижено до критического уровня, инвертор может вообще отключиться, а энергия потребляется. В таком случае возможен запуск отдельного бензо/дизель генератора, для чего достаточно просто замкнуть реле. При этом в генераторе должен быть сухой контакт запуска или же отдельная система автоматического пуска – САП (другое название – АВР, Автоматический Ввод Резерва). Генератор у меня простой китайский, но стартер имеется. Поинтересовавшись автоматизацией его запуска, и выяснив, что МикроАрт уже давно выпускает собственную автоматику, я был очень этим обрадован.
Вернемся к монтажу контроллера. Здесь все стандартно: сначала нужно подключить клеммы аккумулятора, потом клеммы солнечных батарей, после чего настраиваются параметры. При подключении внешнего датчика тока можно обнаружить мощность, потребляемую инвертором в режиме реального времени.
На следующем фото можно увидеть, как работает инвертор в гибридном режиме (получая часть энергии – от сети, основную же часть – от солнечных батарей).
Чтобы продемонстрировать работу солнечного контроллера с любым другим инвертором от стороннего производителя, контроллер специально подключается с помощью внешнего датчика тока.
Реальные характеристики контроллера полностью соответствуют заявленным. Он действительно подкачивает энергию, даже при подключении к «чужому» инвертору через датчик тока. Гибридный инвертор, как и планировалось, качает в сеть энергию солнца (на фотографии видно, что100 Вт, а это половина из 200 Вт потребляемых, поступает от солнечных батарей. То есть, минимальные 100 Вт будут забираться контроллером из сети, а недостающие – поступать от солнца. Такова особенность устройства). Таким образом, комплект начал окупать себя уже с момента подключения. А начиная с мая можно рассчитывать и на полное покрытие энергетических нужд солнечными батареями.
Последующая статья станет заключительной, в ней будут сравнены три солнечные контроллера, которые у меня уже имеются.
Источник
Исследование и разработка двухосевой системы слежения за Солнцем с датчиками с помощью Arduino
Рубрика: Технические науки
Дата публикации: 16.03.2020 2020-03-16
Статья просмотрена: 403 раза
Библиографическое описание:
Аль Гбури, Заидун Халаф Махмуд. Исследование и разработка двухосевой системы слежения за Солнцем с датчиками с помощью Arduino / Заидун Халаф Махмуд Аль Гбури, Мухаммед Ф Мансор Мансор. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 11 (301). — С. 29-32. — URL: https://moluch.ru/archive/301/68116/ (дата обращения: 16.06.2021).
Солнечная энергия давно привлекла внимание как один из основных устойчивых энергетических ресурсов. Трудность снижения стоимости преобразования солнечного света в электричество с помощью фотоэлектрических элементов заключается в повышении эффективности преобразования. В этом контексте система слежения за солнцем играет важную роль в повышении эффективности. Эта работа направлена на разработку и внедрение двухосевой системы слежения за Солнцем С датчиками, основанной на программе Arduino Uno и сервомотор.
Ключевые слова: солнечная электростанция, солнечный модуль, Arduino Uno
1. Введение
Возобновляемые источники энергии становятся альтернативой традиционным источникам энергии. Солнечная энергия является наиболее эффективным и последовательным из всех возобновляемых источников энергии. Эффективность солнечной фотоэлектрической системы может быть повышена либо за счет повышения КПД солнечных элементов, либо за счет использования системы слежения за солнечными лучами [1]. Максимальная мощность фотоэлектрической системы будет достигнута, если солнечные лучи будут падать на панель перпендикулярно [2]. Поскольку состояние окружающей среды является ключевым фактором для определения солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, солнечное излучение в таком случае нельзя контролировать. Но правильное использование солнечного излучения может быть обеспечено путем отслеживания солнечного света с помощью эффективной системы слежения [3]. С этой целью вводится система слежения для охвата солнечного света с целью повышения общей эффективности [4]. Двухосевая система слежения, которая имеет две степени свободы и отслеживает суточное и сезонное движение Солнца. В результате двухосевой трекер более точен в отслеживании [5], а эффективность может быть повышена до 40 %.
2. Описание системы автоматического управления
Для увеличения выработки солнечной энергии нужно увеличить количество солнечной энергии, попадающей на солнечные панели. Максимальное количество солнечной энергии попадает на солнечные панели если угол падения лучей составляет 90 градусов [6]. Таким образом, задачей системы автоматического регулирования является изменение положения солнечных панелей так, чтобы угол падения солнечных лучей составлял 90 градусов. Так как Солнце двигается с востока на запад в течение дня и совершает сезонное перемещение между северной и южной сторонами света, требуется двух координатное слежение [7]. Двухкоординатное слежение в системе организовано с помощью двух серводвигателей. Один из серводвигателей отвечает за изменение положения панелей по оси X, а второй по оси Y [8].
3. Компоненты система
Фоторезистор — это датчик, электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности падающего на него света [9]. Ldr в основном используются для обеспечения аналогового ввода в Arduino.
Устройство управления — в качестве микроконтроллера было принято решение использовать аппаратную платформу Arduino UNO. Этот выбор обусловлен функциональностью, доступностью, ценой и простотой работы. С Arduino пользователи могут измерить изменения в окружающей среде с помощью различных датчиков с данной платформой. Назначение микроконтроллера — контролировать положение сервомотор [10].
Приводной агрегат — в качестве электроприводов были выбраны сервоприводы. Данные приводы позволят с высокой точностью управлять положением солнечных панелей. Один из двигателей отвечает за изменение положения подставок вокруг оси X, а другой за изменение положения подставок вокруг оси Y. Серводвигатель может вращаться до максимального угла 180 градусов. в предложенном нами проекте используется двигатель 4,8 В. Серводвигатели питаются от PWM -выхода, полученного от Arduino.
Солнечная батарея — объединение фотоэлектрических преобразователей — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток [11].
4. Реализация
Принцип работы солнечной системы слежения сделан свет зависимым резистором (LDR). Четыре LDR подключены к аналоговому выводу Arduino AO — A4, который служит входом для системы. Встроенный аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговое значение LDR и преобразует его в цифровое. Входы от аналогового значения LDR, Arduino в качестве контроллера и серводвигателя будет выходной. LDR1 и LDR2, LDR3 и LDR4 принимаются за пару. Если один из LDR в паре получает больше интенсивности света, чем другой, будет различие в напряжениях узлов, отправляемых на соответствующий канал Arduino для принятия необходимых действий. Серводвигатель переместит солнечную панель в положение LDR высокой интенсивности, которое было при программировании.
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема и блок-схема
В следующей таблице показана мощность, генерируемая солнечной панелью с отслеживанием и без него отслеживания.
Мощность, генерируемая сотслеживанием ибез него
Время
Мощность, генерируемая сотслеживанием
Мощность, генерируемая без отслеживания
Источник