eng
Выпуск #2/2019
О. Пчельникова-Гротова, А. Иванов, В. Латыпов
Устройство слежения за солнцем в фотоэлектрических энергетических установках
Устройство слежения за солнцем в фотоэлектрических энергетических установках
Просмотры: 1703
Дана оценка преимуществ включения системы слежения за Солнцем в состав солнечной энергетической установки (СЭУ). Описаны режимы управления для облачной и солнечной погоды, приведены исходные данные для алгоритма системы слежения, состав механизма поворота, схема контроллера и его связей с агрегатами СЭУ, а также фрагмент программы, решающий одну из задач управления агрегатами СЭУ.
УДК 620.4:621.311.25:62-52 | ВАК 05.11.07
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.183.2.120.125
УДК 620.4:621.311.25:62-52 | ВАК 05.11.07
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.183.2.120.125
Теги: controller control unit rotation mechanism solar power station sun tracking system блок управления контроллер механизм поворота система слежения за солнцем солнечная энергетическая установка
Одним из главных критериев, по которому оцениваются эффективность и уровень производительности СЭУ, является КПД солнечных панелей. Повысить этот показатель можно несколькими способами. Можно применять многослойные панели, состоящие из набора материалов, расположенных так, чтобы улавливались кванты всех спектров солнечного излучения[1]. Но такие материалы слишком дороги для стационарных станций гражданского и общетехнического назначения. Использование различного вида концентраторов в виде линз, фоконов или фоклинов сопровождается повышением температуры панелей, что снижает их КПД, и для возвращения его к номинальным значениям требуется введение устройств принудительного охлаждения. Поэтому наиболее эффективным является применение систем непрерывного слежения за Солнцем, обеспечивающих существенное увеличение вырабатываемой мощности (на 20–60%, в зависимости от того, в какой точке мира установлена солнечная электростанция) и более равномерное генерирование электроэнергии в течение дня (рис. 1) [2, 3].
В течение дня выработка энергии солнечными панелями падает на 10% и более из-за их нагрева [1]. Поэтому очень важно увеличить выработку панелей в утренние часы, что наилучшим образом выполняется при помощи следящей системы. Дополнительным преимуществом, существенным для нашего климата, является отсутствие необходимости очищать панели от снега в зимний период, так как значительную часть времени они находятся в положении, близком к вертикальному. Использование следящих устройств позволяет при равной мощности уменьшить габаритные размеры СЭУ и сэкономить площадь земельного участка.
Коллективом авторов Московского авиационного университета разрабатывается система слежения за Солнцем, состоящая из поворотного механизма и блока управления. Поворотный механизм состоит из гидроцилиндров, гидронасоса, системы циркуляции жидкости, преобразователя линейного движения штоков гидроцилиндров в угловое перемещение панелей и двух электромагнитов, фиксирующих положение осей вращения панелей.
Включение насоса подачи гидравлической жидкости и управление направлением движения гидравлического механизма выполняется по командам, поступающим с блока управления. Логика выполнения основных функций блока управления реализована в контроллере, который получает информацию от ряда датчиков и каналов связи и выдает команды на исполнительные устройства. Помимо аппаратуры и программ, необходимых для выполнения основной задачи, контроллер содержит также схемы защиты аккумуляторной батареи от превышения допустимого уровня зарядки и отключения инвертора (нагрузки) при неприемлемом снижении напряжения на его входе. В составе блока управления имеются средства для отображения информации о текущей ориентации панелей и модем для передачи диагностических данных и приема команд в виде SMS на телефон пользователя или по электронной почте (SMTP) – в зависимости от настройки модема.
Связи контроллера с другими устройствами блока управления и агрегатами солнечной энергетической установки схематически показаны на рис. 2. Можно видеть, что контроллер (Controller) получает сигналы точного времени и географических координат объекта с приемника (GPS receiver), формирует команды для силовых цепей управления поворотным механизмом и получает сигналы обратной связи по положению панелей (Rotary control), передает и принимает информацию от модема (Modem), управляет отключением / подключением аккумуляторной батареи (Accumulator) и инвертора (Invertor). Информация о режиме работы устройства выдается на светодиодную панель (Indicator).
Разработанный контроллер позволяет управлять поворотом фотоэлектрических панелей в двух режимах. В облачную погоду панели поворачиваются через равные промежутки времени на углы, рассчитанные по программе, введенной в память контроллера. В ясную погоду панели непрерывно разворачиваются в направлении Солнца в соответствии с информацией, полученной от фотодатчиков; точность их ориентации в этом случае выше, чем в программном режиме.
Для постоянной ориентации панелей перпендикулярно к потоку солнечных лучей необходимо изменять их положение в двух плоскостях, учитывая вращение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси [5]. В горизонтальной системе координат (рис. 3) в зависимости от широты местности (ϕ) определяются высота солнцестояния h (угол между направлением на Солнце и горизонтальной плоскостью) и азимут A (угол между плоскостью меридиана и вертикальной плоскостью). В экваториальной системе координат (рис. 4) в соответствии со временем суток рассчитываются склонение светила δ (угол между направлением на Солнце и экваториальной плоскостью) и часовой угол τ (угловое смещение Солнца от полудня).
Угловые параметры расположения Солнца рассчитываются по формулам [6, 7]
,
τ = 15° · (Тс – 12),
h = arccos (sin δ · sin ϕ + cos δ · cos τ · cos ϕ),
,
где
n – порядковый номер дня года,
Тс – местное солнечное время.
Приведенные формулы лежат в основе заложенной в память контроллера программы, которая через определенные интервалы времени по полученным приемником GPS географической широте местности, местному времени и дате рассчитывает высоту h и азимут А Солнца. После этого исполнительные устройства переориентируют фотоэлектрические панели в расчетное положение, в котором они фиксируются до следующего цикла управления.
В таком режиме система слежения работает в облачную погоду. Для организации обратной связи по углу поворота в конструкцию поворотного устройства введены пружины, закрепленные параллельно со штоками гидроцилиндров. Сила растяжения этих пружин, пропорциональная углу поворота панелей, измеряется тензометрическими датчиками силы EMS20 фирмы EMSYST [8]. По сравнению с датчиками других типов, которыми можно измерять угол поворота, EMS20 имеет невысокую цену и сравнительно просто устанавливается в конструкцию поворотного механизма.
Во втором режиме система слежения начинает работать при поступлении через модем команды «Солнечный день». В этом случае для точного наведения панелей на Солнце используется механически связанная с ними сборка из двух расположенных под углом друг к другу фотодатчиков (рис. 5). Роль последних выполняют фоторезисторы на основе сульфида кадмия – ФСК-Г7, изменяющие величину сопротивления при облучении светом. Система регулирования поворачивает панели до выравнивания уровней сигналов от этих датчиков.
При отсутствии сигнала рассогласования с фотодатчиков и остановке механизма на определенный период времени программа принимает решение о наличии облачности и начинает работать по алгоритму первого режима: рассчитывается текущее значение требуемого положения панелей в соответствии со временем суток, и механизм поворачивает панели в правильном направлении.
Основным управляющим элементом контроллера является быстродействующий 16-разрядный микроконтроллер SAM4E (Cortex M4 Atmel) [9]. Электрическая схема контроллера приведена на рис. 6.
Выводы микроконтроллера SAM4E (микросхема U4) сконфигурированы следующим образом: PB0, PB1 – как входы АЦП, выводы PA23-PA27, PD18-PD27 – как выходы, предназначенные для управления механизмом поворота панелей, вывод PB14 – как выход отладочного ЦАП, выводы PA9, PA10, PA21, PA22 – как два порта RS‑232. Функции микросхем контроллера приведены в табл. 1, назначение разъемов – в табл. 2.
Поворот панелей является сложным динамическим процессом, и ему будет посвящена отдельная статья. Здесь же мы приводим фрагмент написанной на языке С программы управления агрегатами СЭУ, предназначенный для управления подключением нагрузки и отключением солнечных панелей от аккумуляторных батарей.
Для отладки программного обеспечения был изготовлен макет контроллера. Приведенная программа проверена и отлажена; алгоритмы и программы отладки будут рассмотрены в следующих публикациях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пчельникова-Гротова О. Проектирование и расчет автономных фотоэлектрических энергетических установок // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 1. С. 120–127.
2. Акулинин А., Смыков В. Оценка возможностей солнечной энергетики на основе точных наземных измерений солнечной радиации // Проблемы региональной энергетики. 2008. № 1.
3. Пчельникова-Гротова О.Н., Мин М. Т. Оценка ресурсов солнечной энергии для снабжения наземных систем обеспечения полетов в республике Мьянма // Труды МАИ. 2016. № 91.
http://trudymai.ru / published.php? ID=75619.
4. Интернет-ресурс http://mirvetra.com.ua / suntracker.html
5. Жаров В. Е. Сферическая астрономия. – Фрязино: Век 2, 2006.
6. Фалеев Д. С. Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии. – Хабаровск: Издательство ДВГУПС, 2005.
7. Solar Position Algorithm (SPA) Электронный ресурс
https://midcdmz.nrel.gov/spa/.
8. Чукан Й., Костиков К. Тензометрические датчики силы // Компоненты и технологии. 2010. № 1. С. 16–18.
9. ADSP‑21990: Implementation of PI Controllers. Analog Devices Inc., December, 2001.
https://www.analog.com / media / en / technical-documentation / application-notes / PI_ctrl.pdf
В течение дня выработка энергии солнечными панелями падает на 10% и более из-за их нагрева [1]. Поэтому очень важно увеличить выработку панелей в утренние часы, что наилучшим образом выполняется при помощи следящей системы. Дополнительным преимуществом, существенным для нашего климата, является отсутствие необходимости очищать панели от снега в зимний период, так как значительную часть времени они находятся в положении, близком к вертикальному. Использование следящих устройств позволяет при равной мощности уменьшить габаритные размеры СЭУ и сэкономить площадь земельного участка.
Коллективом авторов Московского авиационного университета разрабатывается система слежения за Солнцем, состоящая из поворотного механизма и блока управления. Поворотный механизм состоит из гидроцилиндров, гидронасоса, системы циркуляции жидкости, преобразователя линейного движения штоков гидроцилиндров в угловое перемещение панелей и двух электромагнитов, фиксирующих положение осей вращения панелей.
Включение насоса подачи гидравлической жидкости и управление направлением движения гидравлического механизма выполняется по командам, поступающим с блока управления. Логика выполнения основных функций блока управления реализована в контроллере, который получает информацию от ряда датчиков и каналов связи и выдает команды на исполнительные устройства. Помимо аппаратуры и программ, необходимых для выполнения основной задачи, контроллер содержит также схемы защиты аккумуляторной батареи от превышения допустимого уровня зарядки и отключения инвертора (нагрузки) при неприемлемом снижении напряжения на его входе. В составе блока управления имеются средства для отображения информации о текущей ориентации панелей и модем для передачи диагностических данных и приема команд в виде SMS на телефон пользователя или по электронной почте (SMTP) – в зависимости от настройки модема.
Связи контроллера с другими устройствами блока управления и агрегатами солнечной энергетической установки схематически показаны на рис. 2. Можно видеть, что контроллер (Controller) получает сигналы точного времени и географических координат объекта с приемника (GPS receiver), формирует команды для силовых цепей управления поворотным механизмом и получает сигналы обратной связи по положению панелей (Rotary control), передает и принимает информацию от модема (Modem), управляет отключением / подключением аккумуляторной батареи (Accumulator) и инвертора (Invertor). Информация о режиме работы устройства выдается на светодиодную панель (Indicator).
Разработанный контроллер позволяет управлять поворотом фотоэлектрических панелей в двух режимах. В облачную погоду панели поворачиваются через равные промежутки времени на углы, рассчитанные по программе, введенной в память контроллера. В ясную погоду панели непрерывно разворачиваются в направлении Солнца в соответствии с информацией, полученной от фотодатчиков; точность их ориентации в этом случае выше, чем в программном режиме.
Для постоянной ориентации панелей перпендикулярно к потоку солнечных лучей необходимо изменять их положение в двух плоскостях, учитывая вращение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси [5]. В горизонтальной системе координат (рис. 3) в зависимости от широты местности (ϕ) определяются высота солнцестояния h (угол между направлением на Солнце и горизонтальной плоскостью) и азимут A (угол между плоскостью меридиана и вертикальной плоскостью). В экваториальной системе координат (рис. 4) в соответствии со временем суток рассчитываются склонение светила δ (угол между направлением на Солнце и экваториальной плоскостью) и часовой угол τ (угловое смещение Солнца от полудня).
Угловые параметры расположения Солнца рассчитываются по формулам [6, 7]
,
τ = 15° · (Тс – 12),
h = arccos (sin δ · sin ϕ + cos δ · cos τ · cos ϕ),
,
где
n – порядковый номер дня года,
Тс – местное солнечное время.
Приведенные формулы лежат в основе заложенной в память контроллера программы, которая через определенные интервалы времени по полученным приемником GPS географической широте местности, местному времени и дате рассчитывает высоту h и азимут А Солнца. После этого исполнительные устройства переориентируют фотоэлектрические панели в расчетное положение, в котором они фиксируются до следующего цикла управления.
В таком режиме система слежения работает в облачную погоду. Для организации обратной связи по углу поворота в конструкцию поворотного устройства введены пружины, закрепленные параллельно со штоками гидроцилиндров. Сила растяжения этих пружин, пропорциональная углу поворота панелей, измеряется тензометрическими датчиками силы EMS20 фирмы EMSYST [8]. По сравнению с датчиками других типов, которыми можно измерять угол поворота, EMS20 имеет невысокую цену и сравнительно просто устанавливается в конструкцию поворотного механизма.
Во втором режиме система слежения начинает работать при поступлении через модем команды «Солнечный день». В этом случае для точного наведения панелей на Солнце используется механически связанная с ними сборка из двух расположенных под углом друг к другу фотодатчиков (рис. 5). Роль последних выполняют фоторезисторы на основе сульфида кадмия – ФСК-Г7, изменяющие величину сопротивления при облучении светом. Система регулирования поворачивает панели до выравнивания уровней сигналов от этих датчиков.
При отсутствии сигнала рассогласования с фотодатчиков и остановке механизма на определенный период времени программа принимает решение о наличии облачности и начинает работать по алгоритму первого режима: рассчитывается текущее значение требуемого положения панелей в соответствии со временем суток, и механизм поворачивает панели в правильном направлении.
Основным управляющим элементом контроллера является быстродействующий 16-разрядный микроконтроллер SAM4E (Cortex M4 Atmel) [9]. Электрическая схема контроллера приведена на рис. 6.
Выводы микроконтроллера SAM4E (микросхема U4) сконфигурированы следующим образом: PB0, PB1 – как входы АЦП, выводы PA23-PA27, PD18-PD27 – как выходы, предназначенные для управления механизмом поворота панелей, вывод PB14 – как выход отладочного ЦАП, выводы PA9, PA10, PA21, PA22 – как два порта RS‑232. Функции микросхем контроллера приведены в табл. 1, назначение разъемов – в табл. 2.
Поворот панелей является сложным динамическим процессом, и ему будет посвящена отдельная статья. Здесь же мы приводим фрагмент написанной на языке С программы управления агрегатами СЭУ, предназначенный для управления подключением нагрузки и отключением солнечных панелей от аккумуляторных батарей.
Для отладки программного обеспечения был изготовлен макет контроллера. Приведенная программа проверена и отлажена; алгоритмы и программы отладки будут рассмотрены в следующих публикациях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пчельникова-Гротова О. Проектирование и расчет автономных фотоэлектрических энергетических установок // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 1. С. 120–127.
2. Акулинин А., Смыков В. Оценка возможностей солнечной энергетики на основе точных наземных измерений солнечной радиации // Проблемы региональной энергетики. 2008. № 1.
3. Пчельникова-Гротова О.Н., Мин М. Т. Оценка ресурсов солнечной энергии для снабжения наземных систем обеспечения полетов в республике Мьянма // Труды МАИ. 2016. № 91.
http://trudymai.ru / published.php? ID=75619.
4. Интернет-ресурс http://mirvetra.com.ua / suntracker.html
5. Жаров В. Е. Сферическая астрономия. – Фрязино: Век 2, 2006.
6. Фалеев Д. С. Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии. – Хабаровск: Издательство ДВГУПС, 2005.
7. Solar Position Algorithm (SPA) Электронный ресурс
https://midcdmz.nrel.gov/spa/.
8. Чукан Й., Костиков К. Тензометрические датчики силы // Компоненты и технологии. 2010. № 1. С. 16–18.
9. ADSP‑21990: Implementation of PI Controllers. Analog Devices Inc., December, 2001.
https://www.analog.com / media / en / technical-documentation / application-notes / PI_ctrl.pdf
Отзывы читателей
