Система слежения за солнцем трекеры

Для чего нужен солнечный трекер и как его собрать самому

Известно, что оптимальный КПД солнечные панели имеют в том случае, если они перпендикулярно расположены по отношению к лучам Солнца, падающим на них. Когда в конструкции присутствует солнечный трекер, его поворотный механизм позволяет батареям поворачиваться вслед за светилом, не теряя при этом уровня работоспособности.

Солнечный трекер обеспечивает регулярное слежение за Солнцем, позволяющее панелям «ловить» его лучи и вбирать в себя максимальное количество света.

Преимущества устройства и принцип его работы

Безусловно, главное преимущество — повышение КПД гелиосистемы почти на 50% (в среднем, от 40 до 45%). Оптимальный угол падения солнечных лучей — 90°. Именно трекер и обеспечивает такой угол наклона, поворачивая батареи в нужном направлении. Установка такого устройства позволит не беспокоиться о необходимости монтажа дополнительных панелей. Это может быть сопряжено с нехваткой места и иными техническими сложностями.

Благодаря электронной системе, в которую входит специальный приемник с функцией GPS навигации, трекер точно может определить, где находится Солнце. Спутник системы GPS дает сигнал, который система «ловит», и, исходя из этого, контролирует движение батарей в ту или иную сторону. Главный действующий элемент в данном случае — так называемый серводвигатель. Он изменяет то направление, в котором движется вал. Что же касается принципа перемещения, он может быть разным. Исходя из него, конструкции трекеров разделяются на несколько видов.

Виды солнечных трекеров

На основании действия осей вращения, устройства бывают:

с осью, вращающейся в горизонтальном направлении относительно земной поверхности;
ось вращается вертикально относительно земной поверхности;
происходит вращение оси «по наклонной» (средний вариант между первыми двумя);
с осью, ориентированной на Полярную звезду ;
двуосные трекеры, с большей амплитудой движения и широкими возможностями (обладают самой высокой степенью свободы).

Вопрос стоимости и целесообразность приобретения.

Такое устройство будет стоить очень дорого. Средняя стоимость любого подобного устройства начинается от 200 000 рублей и выше. Более того, его электромеханика довольно сложная и хрупкая. Под влиянием внешней среды с дорогостоящим прибором может случиться любой непредвиденный казус.

Поэтому любители электроники уже давно наловчились изготавливать солнечные трекеры самостоятельно. Это может показаться удивительным, но самодельные устройства чаще всего работают гораздо эффективнее и надежнее, а материальные вложения мастеру нужно будет сделать минимальные.

Безусловно, собранное своими руками устройство не будет таким «презентабельным» внешне, как покупное. Но простая двуосная конструкция, изготовленная самостоятельно, полностью окупит время и усилия. Важно и то, что если она по тем или иным причинам выйдет из строя, домашний мастер будет вполне в состоянии починить.

Основные элементы конструкции и их назначение

Для начала следует определиться, какие основные элементы гелиосистемы нам понадобятся:

две солнечные панели;
два сервопривода (или движка);
контроллер заряда.

Прежде всего, понадобятся две простые солнечные панели мощностью от 3 до 5 Вт каждая. На выходе у нее имеется напряжение 6 вольт, что при последовательном соединении двух батарей дает 12 вольт с небольшим. На обратной стороне панели имеется USB-гнездо, а также «пятачки», благодаря которым можно делать пайку.

Из трех сегментов батареи, соответственно, имеется три выхода. Каждый сегмент (выход) генерирует по 2 вольта. Иными словами, при подключении, в зависимости от надобности, можно получить на выходе 2,4 либо 6 вольт.

Следующий необходимый узел — это сервопривод, точнее, два. Один будет поворачивать солнечную батарею по горизонтальной оси, а другой — по вертикальной. Благодаря таким простым движкам можно получить настоящий электропривод гелиоустановки.

Эти движки — непростые, так просто они вращаться не станут. Их необходимо немного доработать. В наборе с каждым приводом идут пластиковые диски, крестовины и винты для их крепления. Для крепления двигателей можно приобрести металлические кронштейны — чтобы закрепить их между собой в единую конструкцию. В наборе с кронштейнами также идут несколько необходимых элементов — в частности, крепежные винты, подшипник и диски.

И последний элемент — контроллер заряда, который будет принимать энергию от солнечных батарей и передавать ее в аккумулятор.

Начинаем работу с электронной начинки. Схема проста и легка для повторения. В ней можно поменять все, что угодно, на свое усмотрение, перебрав в Интернете несколько вариантов и предварительно собрав их воедино. Можно, например, поменять номиналы переменных и постоянных резисторов, спроектировать схему печатной платы на свое усмотрение — и получится работающий и долговечный электропривод гелиоустановки.

Изготовление схемы методом ЛУТ

Для начала схему платы нужно распечатать на специальной бумаге для ЛУТа ( лазерно-утюжная технология). Бумага с наружной стороны глянцевая, с внутренней — обычная, матовая. Печатать придется на лазерном принтере, на глянцевой стороне. После контакта с утюгом плате нужно дать остыть, а потом отсоединить ее от матовой основы. Делается это легко, смывать ничего не потребуется.

Далее плата аккуратно переносится с бумаги на текстолит, который предварительно обезжиривается. Лучше всего сделать это мелкой наждачкой. Отрываем маленький кусочек и просто зашкуриваем. Далее прикладываем рисунок к плате и утюжим пару минут. Аккуратно снимаем приклеившуюся к текстолиту глянцевую основу. Если все было сделано аккуратно, схема благополучно будет перенесена на текстолит.

Обычно все переносится аккуратно, вплоть до мелкого текста. После этого главное — чтобы вытравились мелкие детали. При наличии на схеме небольших помарок они исправляются обычным маркером.

Далее плату необходимо вытравить. В качестве раствора для травления применяется персульфат аммония, его можно приобрести в радиотоварах. Один и тот же раствор можно использовать несколько раз. Перед использованием жидкость подогреть до 40-50°С, это значительно ускорит процесс травления. Травить следует минут 20, в специально подобранной пластиковой емкости. По истечении 20 минут нужно снять тонер — с помощью той же мелкой наждачной бумаги либо ацетона.

После этого в схеме аккуратно просверливаются все обозначенные отверстия, и можно приступать к постепенному спаиванию всей конструкции.

«Начинка» электросхемы и сборка

Для сборки понадобятся:

«сердце» устройства — электронный усилитель LM 324 N;
панель под усилитель;
два транзистора типа 40 2С;
два транзистора типа 40 1С;
один керамический конденсатор номер 104;
диоды (можно использовать любые, главное — чтобы они были не менее 3 ампер каждый; их понадобится 4 штуки);
один резистор на 15 кОм;
один резистор на 47 кОм;
два фоторезистора;
два подстроечных резистора — один на 100 кОм и другой на 10 кОм (резистор на 10 кОм отвечает за чувствительность фотодатчика).

После этого проводится спаивание схемы. При спаивании очень пригодится стандартный набор, состоящий из пластиковых гнезд и штекеров. Он прекрасно подходит для того, чтобы максимально качественно изготавливать любые самодельные схемы. На схеме, как правило, остается несколько перемычек. При всем старании сделать полностью печатную плату, без них все равно обойтись не получится.

В процессе отладки схемы обязательно понадобится такой элемент как концевой выключатель. Обычно их нужно два — чтобы своевременно прекращать вращение концевых двигателей, в том случае, если они начнут бесконтрольное вращение в процессе испытания. После того как устройство будет благополучно испытано, концевые двигатели собираются окончательно.

После отладки схемы следует приступить к вскрытию двигателя. Для этого нужно последовательно открутить четыре винта. Открываем верхнюю крышку двигателя. Внутри находится блок, состоящий из нескольких шестеренок. Все они металлические, вероятнее всего — из латуни. На главной шестерне имеется шпенечек, ограничивающий вращение двигателя. Лучше его сразу выдернуть небольшими плоскогубцами, так как физический ограничитель здесь не потребуется. Вместо ограничителей мы будем использовать те самые концевые выключатели, которые будут эффективно контролировать электропривод гелиоустановки во время его движения.

Плата управления находится с обратной стороны сервопривода. Под ней мы обнаруживаем всю «начинку». Провода, которые идут на плату управления, нужно будет отпаять и припаять напрямую на движок сервопривода. Таким образом, он превратится в небольшой двигатель постоянного тока. Он будет вращаться в обе стороны, в зависимости от полярности.

Напряжение и питание платы составляет 9-15 вольт. При желании можно выставить и меньше — например, 6,5 вольт.

При испытании схемы может оказаться так, что новоиспеченный электропривод гелиоустановки сразу начинает греться — по причине чрезмерного потребления тока. Ошибка часто заключается в том, что провода припаивают, прикасаясь к плате. При перепайке провода не должны касаться платы. Также их нельзя оставлять слишком близко к ней.

Предварительное испытание трекера

Готовое самодельное устройство слежения за Солнцем нужно предварительно испытать. Перед подключением оба резистора выкручиваются «в ноль» (против часовой стрелки), на них подается питание в 6,5 вольт, и двигатель, изготовленный из сервопривода, начинает быстро вращаться. При испытании можно сразу надеть на него насадку в виде двухлопастного пропеллера, идущую в комплектации, чтобы отслеживать вращение. При этом фоторезисторы должны иметь одинаковое освещение своих поверхностей.

Вращением 100-килоомного резистора по часовой стрелке (аккуратно, с помощью небольшой отвертки) добиваемся остановки двигателя. Находим то положение, в котором он либо почти останавливается, либо останавливается совсем. Теперь с помощью 10-килоомного резистора следует уменьшить чувствительность механизма, добавив ему немного сопротивления.

В процессе испытания следует время от времени слегка прикрывать пальцем поверхность то одного, то другого фоторезистора. Если на один резистор попадает меньше света, двигатель вращается в одну сторону, если на другой — двигатель вращается в другую сторону. В процессе испытания можно использовать лампу, которая послужит своего рода заменителем Солнца. По мере отворачивания конструкции от лампы двигатель, благодаря фоторезисторам, очень чутко реагирует на недостаток света и поворачивается в ту сторону, где его больше.

Далее проверяется работа концевых выключателей. Таким образом, готово устройство, которое будет вращать солнечную панель по оси Х. Чтобы она вращалась и по оси У, следует изготовить конструкцию, следуя абсолютно такой же схеме. В целом, понадобится два трекера для полноценного функционирования устройства.

Прикрепление трекеров к солнечным панелям

Сборка начинается с кронштейнов: двигатели собираются воедино. Для сопряжения двух частей кронштейна вставляем болтик и собираем «держатель» для двигателя, как и любой другой.
Далее принимаемся непосредственно за батарею. Вскрываем «коробочку» с электронной начинкой внутри и видим простой вариант: «один диод и десять граммов термоклея». Далее берутся два провода: со знаком «плюс» на первой панели, со знаком «минус» — на второй. П олярность, при желании, меняется так, как удобно.

Более надежно панели можно скрепить металлическим каркасом. Все крепится друг к другу с помощью термоклея и герметика. Главное, чтобы конструкция не имела прорех, а между двумя панелями посередине осталось расстояние в несколько сантиметров. Через него будут «выглядывать» фоторезисторы, следящие за Солнцем.

Далее на каркас (там же, посередине, над щелью) прикрепляется металлическая пластина из фольгированного текстолита. Фольгированный текстолит удобен своей практичностью. В отличие от пластика, он не плавится при нагревании на Солнце. Также в нем есть возможность легко проделать «дорожки» для фоторезисторов. На пластинку из текстолита наносятся контуры «дорожек» для светодиодов, по тому же принципу, что и основная схема — с применением специальной бумаги, проглаживанием утюгом и травлением.

Итак, концевой выключатель на движках обеспечивает ограничение их движения на 180 ° как по оси Х, так и по оси У. А высокочувствительные светодиоды «следят» за направлением солнечного света. Далее самодельная система отслеживания помещается в небольшой короб из дерева, предохраняющий провода от воздействия погодных условий и прочих неблагоприятных факторов.

Трекер для солнечных панелей — дорогостоящее и хрупкое устройство. Однако при его изготовлении своими руками оказывается, что есть прекрасная возможность обойтись без серьезных финансовых затрат. Движки, усовершенствованные собственноручно (с помощью концевых выключателей), — вариант более экономичный и надежный, который позволит панелям исправно поворачиваться в сторону Солнца в любую погоду и в любое время года.

Источник

Солнечные трекеры

Эффективность солнечных электростанций любого типа напрямую зависит от ориентации на солнце поверхностей панелей или отражающих зеркал. Обеспечить их оптимальное положение относительно светила помогают специальные конструкции – солнечные трекеры. Чем больше степеней свободы имеет поворотное устройство, и чем выше уровень его автоматизации, тем производительнее окажется ваша СЭС.

Общие сведения

Конструкция трекера универсальна и может управлять разворотом:

модульных полупроводниковых фотоэлектрических батарей;
параболических зеркал, предназначенных для фокусировки лучей на двигателе Стирлинга или нагревательном баке;
оптических устройств линзового типа;
прочих систем на базе PV, CPV, HCPV или CSP улавливателей излучения.

В зависимости от технологических возможностей механизма, трекер для солнечных панелей обеспечивает ориентацию рабочих поверхностей на солнце предельно близко к идеальным 90°. В бюджетных моделях периодическое изменение угла наклона приходится делать вручную. Устройства premium класса изменяют ориентацию автоматически, в режиме реального времени.

Стандартный трекер для солнечных батарей включает следующие комплектующие:

Несущую конструкцию. Исполняется в виде поворотного механизм на прочной опоре. Вращение может производиться в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Устройство позиционирования. Отвечает за управление подвижными механизмами, в технической документации обозначенными как актуаторы.
Блок систем безопасности. Электронная часть комплекса. Защищает систему от перегрузок, перепадов напряжения, ударов молнии и пр. Модели элитного класса оснащаются встроенной миниатюрной метеостанцией, которая при начинающихся сильных ветрах, снегопадах и ливнях дает команду на разворот модулей в безопасное положение.
Блок управляющих систем. Обеспечивает возможность удаленного управления системой с любого электронного гаджета, на котором установлено соответствующее ПО.
Система навигации. Обычно присутствует в трекерах на мобильных, способных перемещаться платформах. Предназначается для изменения данных о новом местоположении конструкции – географических параметров широты и долготы.
Инвертор. Выполняет функцию преобразователя, в том числе и для подачи питания 220V на электродвигатели самого трекера.

Примечание: Уровень технологичности трекера выбирается в зависимости от стоящих перед СЭС задач. Ввиду высокой стоимости оборудования использование подобных систем в маломощных системах экономически нецелесообразно.

Солнечный трекер – принципиальные характеристики

Обязательным набором требований к трекерам любого класса являются:

большой запас статической и динамической прочности, достаточный для обеспечения устойчивости конструкции при сильных ветрах, граде, ливнях и песчаных бурях;
максимальная устойчивость к коррозии;
долговечность и высокое качество поворотных механизмов, особенно частей, подвергающихся трению.

Для наиболее крупных систем желательно наличие встроенных метеостанций. Это даст безусловную гарантию автоматического разворота модулей значительного размера в безопасное положение – торцевой частью к направлению ветра.

Разновидности трекеров для солнечных панелей

Ввиду широкого диапазона спектра требований к этим дорогостоящим установкам, их ассортимент достаточно велик. Уровень технической оснащенности и «продвинутости» трекеров всегда подбирается под конкретные цели, с учетом финансовых затрат. Экономическая целесообразность их приобретения рассчитывается просто – как соотношение средств на приобретение к росту производительности станции, умноженному на стоимость киловатта. Если затраты оказываются меньше потенциальной прибыли, приобретение имеет смысл.

Трекеры одноосные

Отсутствие второй оси делает эту категорию менее дорогостоящей. Направление вращения произвольно и определяется индивидуально, в зависимости от места строительства СЭС.

Существует четыре вида таких трекеров:

по вертикали – VSAT;
по горизонтали – HSAT;
вокруг наклонной оси – TSAT;
полярное вращение, относительно стороны света – PASAT.

Управляющие алгоритмы носят название SPA (Solar Position Algorithm), и встраиваются в программное обеспечение.

Оптимальная единственная ось определяется по нескольким характеристикам.

1. Вертикальная – Vertical Single Axis Tracker (VSAT). Применяется преимущественно для станций, расположенных в высоких широтах, от 50° северной широты и выше. Вращение осуществляется с Востока на Запад. Выбор связан с низким расположением солнца и позволяет избежать взаимного затенения соседних солнечных блоков, по мере движения светила вдоль горизонта/

Читайте также: Что встает раньше солнца

2. Горизонтальная – Horizontal Single Axis Tracker (HSAT). Солнечные трекеры с таким направлением вращения оптимальны в низких широтах. Панели или зеркала на протяжении суток медленно поворачиваются с Севера на Юг. Во избежание частичного затенения трубные крепления модулей с системами HSAT необходимо монтировать строго параллельно.

3. Наклонная – Tilted single axis tracker (TSAT). Чаще всего применяется в электростанциях, расположенных на местностях с небольшим уклоном или ступенчато. Выбор направления обусловлен той же причиной – недопустимостью падения тени даже на незначительную часть любой батареи.

4. Полярная – Polar aligned single axis trackers(PASAT). Для средних широт данная конструкция с одной осью признана оптимальной. Поскольку система управления ориентируется на положение Полярной звезды, то угол наклона модулей всегда совпадает с географической широтой местности.

Двухосные солнечные трекеры

Поворотные механизмы с двумя степенями свободы обеспечивают солнечным панелям максимально точную ориентацию на солнце. Это повышает удельную производительность электростанций на 25-40%, и для систем большой мощности полностью оправдывает дополнительные расходы.

Существует две модификации двухосных конструкций трекеров:

Tip-Tilt Dual Axis Tracker (TTDAT). Основой механизма является крупный шаровой подшипник и удлиненная сверхпрочная опора. Вращение производится вдоль горизонтальной и вертикальной осей. Управление в большинстве случаев электронное.
Azimuth-Altitude Dual Axis Tracker (AADAT). Наиболее современный и функциональный вариант с азимутной базовой ориентацией. Оригинальным конструктивным решением служит замена шарового механизма поворота на кольцо, с размещением последнего на отдельной платформе. Преимуществом данной разновидности следует назвать возможность монтажа на солнечном трекере типа AADAT сразу значительного числа батарей. Вынужденный недостаток – необходимость увеличивать расстояние между соседними опорными конструкциями из-за большого диаметра кольца. Смена ориентации панелей осуществляется исключительно электроникой.

Варианты управления механизмов позиционирования

Таковых существует три – ручной, автоматический и полуавтоматический способы.

1. Ручное управление

Бюджетные, преимущественно одноосные модели трекеров для солнечных батарей предполагают механическое управление поворотными механизмами. Осуществляется оно полностью вручную, либо с помощью конструкций, называемых актуаторами. В отличие от изменения угла наклона панелей простым поворотом рук, актуаторы управляются специальными тумблерами. При большом количестве панелей это кратно экономит время и не требует применения физической силы. Полностью ручное изменение позиции солнечных панелей производится 2-4 раза в год, обычно весной и осенью. Система с актуаторами применяется для корректировки значительно чаще, примерно раз в месяц.

2. Автоматическое управление

Премиальный класс использует более дорогостоящие, но максимально эффективные автоматические системы изменения позиционирования. Специализированное программное обеспечение осуществляет управление по алгоритму SPA (SolarPosition Algorithm), в on-line режиме отслеживая положение солнца по ниже приведенной схеме.

Информацию о перемещении светила, исполнительные механизмы получают в результате математического расчета основанных на координатах расположения трекера. Преимущество автоматических систем заключается в постоянном определении идеальной позиции панелей без участия человека.

3. Полуавтоматическое управление

Применяется с целью экономии средств на дорогостоящую электронику и ПО. Вместо защищенного компьютерного блока используется достаточно простой логический контроллер с таймером. Время изменения позиции выставляется владельцем вручную.

Принципы выбора трекеров для солнечных панелей

Основным правилом выбора трекерной конструкции является её максимальная целесообразность для конкретных индивидуальных условий – мощности станции, места её расположения, наличия центральной сети и себестоимости элетроэнергии.

В качестве общих рекомендаций можно предложить:

Одноосный HSAT с вращением по горизонтали – для низких широт и сравнительно маломощных СЭС. Эти системы не слишком дороги, и максимально эффективны во 2-й половине дня, при увеличенном энергопотреблении.
Одноосный VSAT с вращением по вертикали – в северных регионах, где поворот за солнцем производится по направлению Восток-Запад.
Двухосные TTDAT и AADAT – для крупных электростанций, где прибыль от минимального повышения производительности с запасом перекрывает затраты на покупку солнечных трекеров.