Разработка трекера для солнечных модулей



В представленной статье рассмотрены устройство и принцип работы солнечного трекера (датчика положения Солнца) для использования совместно с солнечными модулями с концентраторами. Также в статье описаны протоколы взаимодействия и совместимость данных устройств между собой. Рассматриваемая тематика имеет большие возможности развития в будущем, благодаря стремительному росту популярности и удешевлению солнечных элементов и коллекторов.

Ключевые слова: движение Солнца, солнечная энергетика, увеличение КПД солнечных модулей, электроника, вычислительная техника, детектор, солнечный трекер, аналоговый мультиплексор, схемотехника.

Введение. Внастоящее время технологии, позволяющие получать тепловую и электрическую энергию из солнечного излучения, получили широкое распространение. Это происходит по экономическим и политическим причинам. Постоянно идет совершенствование оборудования. Стоимость солнечных элементов снижается с каждым днем. Изначально солнечные панели использовались на искусственных спутниках Земли, но теперь они доступны и частным лицам, в том числе фермерам, дачникам и владельцам частных домов. Задача нашего проекта — разработать решение, которое позволяло бы увеличить эффективность существующих методов преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, которую планируется решить с помощью рассматриваемой разработки — трекер слежения за Солнцем. Это устройство позволяет определять направление солнечного излучения по двум осям с точностью до 10 градусов и передавать эту информацию на установку, которая будет осуществлять поворот на нужный угол. Для стандартных солнечных панелей это позволит повысить коэффициент полезного действия (КПД). Для устройств с параболическим концентратором использование трекера является необходимым условием его работы.

Принцип действия. Принцип действия основывается на свойстве полупроводников [1, 2] менять своё сопротивление в зависимости от внешних факторов. В данном случае, в зависимости от интенсивности светового потока. Для измерения по каждой оси используются 13 фоторезисторов, расположенных вдоль кругового сектора в 120 градусов.За начальное и конечное положение солнечной панели взят наклон в 30 градусов относительно крепежа, перпендикулярного плоскости земли. Расположение элементов показано на рисунке 1.

Рис. 1. Схема разрабатываемого трекера слежения за Солнцем

Сопротивление каждого фотоэлемента определяется косвенным методом через резистивный делитель напряжения (рисунок 2).

Рис. 2. Схема определения сопротивления каждого фотоэлемента

Для упрощения сбора данных все резисторы подключаются к аналого-цифровому преобразователю [3], встроенному в микроконтроллер через аналоговые мультиплексоры. Аналоговый мультиплексор — устройство, коммутирующее сигнал с заданного входа на единый выход, что позволяет поочередно измерить сигнал на нескольких источниках. Для синхронного переключения входов четырех мультиплексоров (север, юг, запад, восток) используется счётчик, который реагирует на импульсы, подаваемые микроконтроллером. Контроллер поочередно измеряет параметры выходного напряжения на каждом фоторезисторе и производит их программную обработку.

Программное обеспечение. Перед началом измерений все счётчики сбрасываются в начальное положение, после чего измеряются значения на входе микроконтроллера. Далее импульс увеличивает значение на счётчике на единицу. Данный процесс повторяется до тех пор, пока не будут опрошены все фоторезисторы. Все измерения записываются в массив. Затем из массива выбирается наибольшее значение. Происходит определение позиции, с которой было получено данное значение. Переводится в градусную величину. Расчёты происходят по двум осям.

Изменения положения Солнца втечение времени. Позиция Солнца непостоянна и изменяется в течение дня и года. За 24 часа наша планета Земля делает полный оборот вокруг Солнца. Один световой день длится несколько часов в зависимости от региона и положения Земли на орбите. Относительно нас Солнце движется с Востока на Запад и проходит зону видимости за время светового дня. В течение года, позиция источника солнечного света также меняется с Юга на Север относительно экватора. Из-за этого есть смысл изменять угол наклона солнечных модулей. За световой день были взяли приблизительно 12 часов. Точность измерения до 10 градусов. Соответственно, данные по оси Восток — Запад необходимо обновлять каждый час. На протяжении года, необходимо подстраивать положение солнечных модулей относительно положения Солнца над горизонтом. Крайние положения Солнца по данной оси можно зафиксировать в дни летнего (самое нижнее) и зимнего (самое высокое) солнцестояния. Для использования в южном полушарии устройство выполнено симметричным.

Протокол передачи данных исовместимость. Данные в градусном отсчете от востока и от юга передаются по кабельной линии в поворотное устройство. На поворотном устройстве данные обрабатываются, и происходит подстройка под полученные данные о направлении светового излучения. Для соединения используются разъемы RJ-11. Это позволит использовать различные трекеры с разнообразными подстроечными механизмами.

Корпус. Корпус представляет собой полусферу с отверстиями для монтажа фоторезисторов и светофильтров, а также с крепёжным отверстием под опору, на которой происходит фиксация устройства.Корпус, разрабатываемого устройства, предполагает исполнение из биоразлагаемого PLA-пластика [4]. Данный материал выбран не случайно. Натуральное природное сырье в его составе позволяет без угрозы для здоровья человека применять его для различных целей.При изготовлении PLA-пластика значительно сокращаются выбросы углекислого газа в атмосферу по сравнению с изготовлением «нефтяных» полимеров. Один из вариантов производства корпуса в первых моделях — трёхмерная печать. Этот пластик отлично подходит для рассматриваемой задачи. Корпус прототипа изображён на рисунке 3.

Рис. 3. Корпус прототипа трекера, изготовленный из PLA-пластика с помощью трёхмерной печати

Также этот материал имеет и недостатки. Он биоразлагаемый, т. е. деформируется от условий внешней среды. Поэтому корпус приходится проектировать достаточно толстым, чтобы его ресурса хватило на весь запланированный срок использования, который составляет около 10 лет.

Внутри корпуса предусмотрены крепления для печатных плат. В связи с использованием в уличных условиях, необходимо предусмотреть защиту корпуса от пыли и влаги по технологии IP54W, которая предусматривает защиту от пыли и от брызг воды, а также от неблагоприятных погодных условий.

Светофильтры. Для ликвидации засвета фоторезисторов, т.е получения постоянного максимального значения на всех элементах, используются светофильтры [5], выполняемые из небольших элементов полупрозрачного тёмного оргстекла, что позволяет получать достоверные результаты замера для точного определения положения Солнца и поворота солнечных модулей.

Интеграция сконцентраторными солнечными модулями. Вкачестве примера использования трекера слежения за Солнцем можно проиллюстрировать его применение совместно с концентраторным солнечным теплофотоэлектрическим модулем, который в своём составе имеет солнечные элементы различных типов, радиатор водяного охлаждения и концентратор солнечного излучения (рисунок 4) [6–12].

Рис. 4. Солнечный теплофотоэлектрический модуль с концентратором параболоидного типа

Используемый концентратор параболоидного типа имеет специальный профиль, обеспечивающий равномерную засветку фотоэлектрического приёмника, однако для его полноценного функционирования необходима двухосевая система слежения за Солнцем, в качестве которой и предлагается применить разрабатываемый трекер.

Перспективы. Вближайшей перспективе планируется разработать поворотный модуль, а также разработать новую версию трекера, которую можно будет представить потребителю.Планируется заменить фоторезисторы на фотодиоды, увеличить их количество и повысить точность установки до 1 градуса. Усовершенствовать программное обеспечение для избавления от ошибок, вызванных рассеянием солнечного света облаками.

Заключение. Вданной статье проведён обзор солнечного трекера для применения совместно с солнечными модулями, показано его устройство, принцип работы и возможности применения.Рассматриваемый трекер имеет перспективы для развития и выхода на рынок, а разработки будут продолжаться и в ближайшее время планируется перейти с прототипов на образцы для мелкосерийного изготовления.

Литература:

1. Ушакова Л. В. Электронная техника. Учебное пособие.- // М., УМЦ СПО 2000.
2. Ушакова Л. В. Электронная техника. Учебное пособие.- // М., УМЦ СПО 2008.
3. Электронный ресурс. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Аналого-цифровой преобразователь.
4. Электронный ресурс. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Полилактид.
5. Электронный ресурс. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Светофильтр.
6. Стребков Д. С., Майоров В. А., Панченко В. А. Исследование концентраторной установки с матричными солнечными элементами // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2012, № 2, С. 14–16.
7. Панченко В. А., Майоров В. А. Изготовление и исследование составного параболоторического концентратора солнечного излучения для различных преобразователей солнечной энергии // Труды 8-й Международной научно-технической конференции, 17–18 мая 2012 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2012, Часть 4, С. 89–94.
8. Стребков Д. С., Майоров В. А., Панченко В. А. Солнечный фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором // Энергобезопаность и энергосбережение, 2012, № 5, C. 15–17.
9. Майоров В. А., Панченко В. А. Исследование параболоторического концентратора в установке с солнечными элементами // Материалы восьмой всероссийской научной молодёжной школы с международным участием (20–23.11.2012, Москва, МГУ). Возобновляемые источники энергии, 2012. С. 284–289.
10. Стребков Д. С., Майоров В. А., Панченко В. А. Солнечный тепло-фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором // Альтернативная энергетика и экология, 2013, № 1/2, С. 35–39.
11. Стребков Д. С., Майоров В. А., Панченко В.А, Осьмаков М. И., Плохих С. А. Солнечная установка с матричными фотоэлементами и концентратором // Электро, 2013, № 2, С. 50–52.
12. Стребков Д. С., Майоров В. А., Панченко В. А. Солнечный модуль с параболоторическим концентратором и фотоэлектрическим приёмником // Энергетик, 2013, № 5, С. 42–44.