Устройство слежения за солнцем для солнечных панелей гелиостат

Солнечный трекер своими руками

Канал “тяп-ляп” показал, как сделать самодельный солнечный трекер для панелей. Они будут автоматически поворачивается вслед за солнцем, увеличивая КПД энергетической установки.

Понадобятся две солнечные батареи мощностью по по 3,5 ватт. На на выходе у одной более 6 вольт, что при последовательном соединении двух батарей даст более 12 вольт. На обратной стороне USB гнездо. Три выхода из трех сегментов батареи. Каждый из которых генерируют по 2 вольта. То есть при необходимости можно подключиться соответствующим образом и получить 2, 4, 6 вольт.

Следующий важный узел – два сервопривода. Один будет поворачивать солнечную батарею по горизонтальной оси, а другой по вертикальной. Эти приводы непростые, их не так просто заставить вращаться. Необходима некоторая доработка. В наборе с каждым из двигателей идут пластиковые крестовины, диски, винты для крепления. Для двигателя приобретённые кронштейны. Также в наборе крепежные винты, подшипник и диски. Контроллер заряда. Он будет принимать энергию от солнечных батарей и передавать её в аккумулятор.

Начнем работу своими руками с электронной начинки. Схема трекера для солнечной панели ниже.
Электрическая схема, плата, программа для редактирования платы: https://cloud.mail.ru/public/DbmZ/5NBCG4vsJ
Схема очень простая и легкая для повторения. Она наиболее удачная из нескольких проверенных вариантов. Но даже ей автору пришлось немножко изменить. Пришлось изменить номиналы переменных и постоянных резисторов, была спроектирована схема печатной платы.

Для начала распечатаем схему печатной платы трекера на специальной бумаге. Это лазерно-утюжная технология. Бумага имеет глянцевый вид. С обратной стороны она обычная матовая. Печатать нужно на лазерном принтере на глянцевой стороне. После контакта с утюгом надо дать остыть и бумага легко отрывается от слоя.

Перед переносом текстолит обязательно нужно обезжирить. Лучше всего использовать мелкую наждачную бумагу. Прикладываем рисунок к плате и проглаживаем горячим утюгом 2 минуты.
Теперь нужно вытравить плату трекера. Можно использовать персульфат аммония. Продается в магазинах радиотоваров. Один и тот же раствор можно использовать несколько раз. Желательно перед применением подогрев жидкости до 45 градусов. Это сильно ускорит процесс травления. Через 20 минут правление успешно завершилось. Теперь нужно снять тонер. Опять используем наждачку или ацетон.

Теперь можно проделать отверстие в плате. Можно приступать к пайке деталей.

Сердце солнечного трекера – операционный усилитель lm324n. Два транзистора типа 41c, типа 42c. Один керамический конденсатор 104. Многие детали автор разработки заменил на smd тип. Вместо диодов 5408 использованные их аналоги smd типа. Главное использовать не менее 3 ампер. Один резистор на 15 килоом, 1 на 47 килоом. Два фоторезистора. 2 подстроечных резисторов на 100 и 10 килоом. Последний отвечает за чувствительность фото датчика.

Далее смотрите на видео об изготовлении своими руками трекера с 8 минуты

Устройство слежения за солнцем для солнечных панелей – гелиостат

Гелиостат, или по другому, трекер – это такое устройство для слежения за солнцем, в нашем случае для поворота солнечных панелей, что бы они всегда были перпендикулярно солнцу. Ведь не секрет, что именно в таком случае солнечная панель отдаёт максимальную мощность. На схеме вверху устройство для слежения за солнцем (гелиостат) использует импульсное регулирование и без всякой помощи человека способно ориентировать солнечную батарею по наилучшей освещенности.

Схема гелиостата состоит из тактового генератора (DD1.1, DD1.2), двух интегрирующих цепей (VD1R2C2, VD2R3C3), такого же числа формирователей (DD1.3, DD1.4), цифрового компаратора (DD2), двух инверторов (DD1.5, DD1.6) и транзисторного коммутатора (VT1—VT6) направления вращения электродвигателя М1, управляющего поворотом платформы, на которой установлена солнечная батарея. С поступлением питания генератор на элементах DD1.1, DD1.2 вырабатывает тактовые импульсы, следующие с частотой около 300 Гц. При работе устройства сравниваются длительности импульсов, сформированных инверторами DD1.3, DD1.4 и интегрирующими цепями VD1R2C2, VD2R3C3. Их крутизна меняется в зависимости от постоянной времени интегрирования, которая, в свою очередь, зависит от освещенности фотодиодов VD1 и VD2 (ток зарядки конденсаторов С2 и СЗ пропорционален их освещенности). Сигналы с выходов интегрирующих цепей поступают на формирователи уровня DD1.3, DD1.4 и далее — на цифровой компаратор, выполненный на элементах микросхемы DD2. В зависимости от соотношения длительностей импульсов, поступающих на входы компаратора, сигнал низкого уровня появляется на выходе элемента DD2.3 (вывод 11) или DD2.4 (вывод 4). При равной освещенности фотодиодов на обоих выходах компаратора присутствуют сигналы высокого уровня. Инверторы DD1.5 и DD1.6 необходимы для управления транзисторами VT1 и VT2. Высокий уровень сигнала на выходе первого инвертора открывает транзистор VT1, на выходе второго — VT2. Нагрузками этих транзисторов являются ключи на мощных транзисторах VT3, VT6 и VT4, VT5, которые коммутируют напряжение питания электродвигателя М1. Цепи R4C4R6 и R5C5R7 сглаживают пульсации на базах управляющих транзисторов VT1 HVT2. Направление вращения двигателя меняется в зависимости от полярности подключения к источнику питания. Цифровой компаратор не позволяет одновременно открыться всем ключевым транзисторам, и, таким образом, обеспечивает высокую надежность системы.

Утром с восходом солнца освещенность фотодиодов VD1 и VD2 окажется различной, и электродвигатель начнет поворачивать солнечную батарею с запада на восток. По мере уменьшения разницы в длительностях импульсов формирователей, будет уменьшаться длительность результирующего импульса, и скорость поворота солнечной батареи плавно будет замедляться, что обеспечит ее точное позиционирование на солнце. Таким образом, при импульсном управлении вращение вала электродвигателя можно передавать платформе с солнечной батареей непосредственно, без применения редуктора. В течение дня платформа с солнечной панелью будет поворачиваться за движением солнца. С наступлением сумерек длительности импульсов на входе цифрового компаратора окажутся одинаковыми, и система перейдет в дежурный режим. В этом состоянии потребляемый устройством ток не превышает 1,2 мА (в режиме ориентации он зависит от мощности двигателя).

Если дополнить конструкцию блоком вертикального отклонения, собранным по аналогичной схеме, можно полностью автоматизировать ориентацию батареи в обеих плоскостях. Если вдруг указанных на схеме микросхем не оказалось, их можно заменить на микросхемы серий К564, К176 (при напряжении питания 5…12 В). Транзисторы КТ315А заменимы любыми из серий КТ201, КТ315, КТ342, КТ3102, а КТ814А — любыми из серий КТ814, КТ816, КТ818, а также германиевыми П213—П215, П217. В последнем случае между эмиттерами и базами транзисторов VT3— VT6 следует включить резисторы сопротивлением 1…10 кОм, чтобы предотвратить их случайное открывание вследствие значительного обратного тока. Вместо фотодиодов ФД256 можно поставить кусочки от солнечных элементов (включенные с соблюдением полярности), фототранзисторы без цепей смещения, а также фоторезисторы, например, СФ2, СФЗ или ФСК любой модификации. Следует только подобрать (изменением сопротивления резистора R1) частоту тактового генератора по надежному срабатыванию цифрового компаратора. Для защиты фотодиодов от избыточного облучения применен зеленый светофильтр. Между фото датчиками помещают непрозрачную шторку. Ее закрепляют перпендикулярно плате с таким расчетом, чтобы при изменении угла освещения она затеняла один из фотодиодов.
Источник

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/

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.