Національний технічний університет україни «київський політехнічний інститут імені ігоря сікорського»



бет1/19
Дата17.05.2020
өлшемі5.31 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   19
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ
ІМЕНІ ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»


Інститут енергозбереження та енергоменеджменту

(повна назва інституту/факультету)

Автоматизації управління електротехнічними комплексами

(повна назва кафедри)


«На правах рукопису»

УДК ______________



«До захисту допущено»

Завідувач кафедри

__________ _В.П. Розен_

«___»_____________20__ р.





Магістерська дисертація

на здобуття ступеня магістра

зі спеціальності: 141 – «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»

спеціалізації: «Інжиніринг електротехнічних комплексів»

на тему: «Підвищення рівня енергоефективності функціонування сонячних панелей із застосуванням поворотних систем»
Виконав:

студент VI курсу, групи ОА - 71мп

Хотян Артем Анатолійович __________

Керівник:

доцент, канд. техн. наук,

Чермалих О.В. __________

Рецензент:

_______________________________________________________



(посада, науковий ступінь, вчене звання, прізвище та ініціали)
Засвідчую, що у цій магістерській дисертації немає запозичень з праць інших авторів без відповідних посилань.

Студент _____________


Київ – 2018 року
Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Інститут енергозбереження та енергоменеджменту

Кафедра автоматизації управління електротехнічними комплексами
Рівень вищої освіти – другий (магістерський) за освітньо-професійною програмою

Спеціальність (спеціалізація) – 141«Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка» («Інжиніринг електротехнічних комплексів»)


ЗАТВЕРДЖУЮ

Завідувач кафедри

_____________ Розен В.П.

(підпис)

«___»_____________20__ р.


ЗАВДАННЯ

на магістерську дисертацію студенту
Хотяну Артему Анатолійовичу

1. Тема дисертації

Підвищення рівня енергоефективності функціонування

сонячних панелей із застосуванням поворотних систем

науковий керівник дисертації

Чермалих Олександр Валентинович, кандидат

технічних наук, доцент




затверджені наказом по університету від «___» _________ 2018 р. № _____

2. Термін подання студентом дисертації «___»__________ 2018 р.

3. Об’єкт дослідження: автономна фотоелектрична енергетична установка.

4. Вихідними даними: є дослідження підвищення рівня енергетичної ефективності АФЕУ за рахунок зменшення витрат енергії, шляхом реалізації АСУ з автоматичним стеженням СБ за Сонцем зменшуючи споживану енергію електромеханічними виконавчими механізмами системи стеження.

5. Перелік завдань, які потрібно розробити: провести аналіз конструкцій наземних фотоелектричних енергоустановок, систем автоматизованого управління режимом стеження сонячних батарей за Сонцем, застосованих електромеханічних виконавчих механізмів, датчиків положення Сонця(ДПС) і формування вимог до АСУ стеження АФЕУ за Сонцем з метою підвищення їх енергетичної ефективності; Дослідження та розробка структурної, функ ціональної схеми і алгоритмів керування АСУ стеження фотоелектричних енергоустановок за Сонцем з двокоординатними електромеханічними виконавчими механізмами, що забезпечують задану точність спостереження при мінімізації споживання електричної енергії двокоординатними електромеханічними виконавчими механізмами під час стеження за Сонцем, при зміні поточної освітленості, випадкового навантаження; Дослідження енергетичних характеристик системи стеження на установці АФЕУ; Розробка математичної моделі одноконтурного стежучого електроприводу сонячної фотоелектричної станції та ситеми управління зі змінною структурою стежучого електроприводу СФЕС; Розробка стартап - проекту.

6. Орієнтовний перелік ілюстративного матеріалу: 50.

7. Орієнтовний перелік публікацій: 1.

8. Дата видачі завдання «___»__________ 20__ р.


Календарний план

з/п


Назва етапів виконання магістерської дисертації

Термін виконання етапів роботи

Примітка

1.

Огляд літератури з питань підвищення ефективності автономних фотоелектричних енергоустановок з системою автоматизації

01.09.2018- 24.09.2018

виконано

2.

Аналіз технічних характеристик відомих фотоелектричних енергоустановок з автоматизованим стеження сонячних батарей за Сонцем і їх складових частин.

25.09.2018-28.10.2018

виконано

3.

Розробка АСУ стеження сонячних батарей за Сонцем з використання крокового двигуна і датчиків положення Сонця

29.10.2018-19.11.2018

виконано

4.

Дослідження технічних та енергетичних характеристик автономних фотоелектричних установок

20.11.2018-30.11.2018

виконано

5.

Аналіз отриманих результатів. Висновки до роботи.

01.12.2018-15.12.2018

виконано

Студент










А.А. Хотян










(підпис)










Науковий керівник дисертації










О.В.Чермалих









(підпис)











РЕФЕРАТ

Пояснювальна записка містить: 150 сторінок, 83 рисунки, 32 таблиці, 46 джерел.



Метою даної магістерської дисертації є підвищення рівня енергетичної ефективності технологічного процесу виробництва електричної енергії АФЕУ шляхом розробки автоматизованої системи управління, яка забезпечує за рахунок стеження за Сонцем максимальну енергетичну ефективність сонячних батарей.

Об’єктом дослідження є автономна фотоелектрична енергетична установка.

Предметом досліджень є підвищення рівня енергетичної ефективності АФЕУ за рахунок зменшення витрат енергії на стеження і управління не менше ніж на 30% шляхом реалізації АСУ з автоматичним стеженням СБ за Сонцем при мінімізації споживаної енергії електромеханічними виконавчими механізмами системи.

Перший розділ має оглядово-аналітичний характер і містить результати роботи з аналізу існуючої в світі інформації по тематиці дисертаційної роботи. Наведено: призначення і область застосування слідкуючих електроприводів, принципи побудови систем управління поворотом сонячних батарей на базі різних механізмів. Проведено огляд: існуючих фотоелектричних енергетичних установок, що застосовувують системи стеження, фотоелектричні датчики положення Сонця, електромеханічні виконавчі механізми та систем управління, які враховують вітрове навантаження. Виконано аналіз вимог по точності стеження в автоматизованих фотоелектричних енергоустановках, та наведено висновки до розділу.

У другому розділі проведено дослідження і розробка АСУ стеження сонячних батарей за Сонцем з використанням крокового двигуна і датчиків положення сонця. Було створено функціональну схему стеження сонячних батарей за Сонцем на основі принципу безперервно-дискретного переміщення в режимі стеження. Запропоновано структуру і алгоритм управління АСУ стеження для АФЕУ з безперервно-дискретним стеженням СБ за Сонцем з регульованим дискретним кроком переміщення в функції поточної освітленості. Розроблено алгоритм управління двокоординатною системою стеження при обліку зовнішніх збурень. Було проведено розрахунок моменту інерції механізмів переміщення і величини додаткового моменту від дії вітрового навантаження для автономних фотоелектричних енергоустановок. Виконано дослідження енергетичних характеристик системи стеження АФЕУ-1 та розрахованки вольт-ватних характеристик СБ типу КСМ-160 при різній освітленості .

У третьому розділі наведено основні результати дипломної роботи. Приведено відомі варіанти застосування слідкуючих електроприводів та вимоги до них. Здійснено аналіз структур й математичне забезпечення існуючих слідкуючих систем. Виконано технологічний розрахунок поворотних систем сонячних панелей та вибрано систему слідкуючого електроприводу на базі двигуна постійного струму зі збудженням від постійних магнітів. Для моделювання режимів роботи в пакеті MATLAB-Simulink була синтезована структурна модель та виконано розрахунки відповідно вихідних даних. В результаті прοведеного мοделювання було отримано діаграми контрольованих змінних та підведено виснοвки дο рοзділу.

У четвертому розділі розроблено стартап проект в якому передбачається організація сонячної електростанції з використанням системи управління поворотним механізмом для збільшення продуктивності фотоелектричної установки, орієнтуючи її робочу поверхню на Сонце. Виконано опис ідеї, проектування та системний інжиніринг. Розраховано точку безбитковості наземної сонячної електростанції потужністю 1 МВт. Також приведено ринкові тенденції, можливості та бар'єри на шляху реалізації стартапу. Зрοблені виснοвки дο рοзділу.

Ключові слова: слідкуючий електропривод, системи стеження, сонячний трекер, енергоефективність, сонячна батарея.

ABSTRACT

The explanatory note contains: 150 pages, 83 figures, 32 tables, 46 sources.



The purpose of this master's dissertation is to increase the level of energy efficiency of the technological process of electric energy production of AEEU by developing an automated control system that provides solar monitoring through the maximum energy efficiency of solar cells.

The object of the study is an autonomous photoelectric power plant.

The subject of studies is to increase the energy efficiency of AEEU by reducing energy costs for monitoring and control by at least 30% by implementing an automatic control system for monitoring the solar radiation on the Sun while minimizing energy consumption by electromechanical actuators of the system.

The first section is of a survey-analytical nature and contains the results of an analysis of existing information in the world on the topics of dissertation work. The following is the purpose and scope of the following electric drives, the principles of construction of control systems for turning solar panels on the basis of various mechanisms. A review was carried out: existing photovoltaic power plants using tracking systems, photovoltaic sensors for the position of the Sun, electromechanical actuators and control systems taking into account the wind load. The analysis of requirements for precision of tracking in automated photovoltaic power plants is made, and conclusions are given to the section.

In the second section, the research and development of the ACS tracking of solar panels in the sun with the use of stepper motor and sensors of the position of the sun was carried out. A functional scheme for tracking solar cells on the Sun was created based on the principle of continuously-discrete movement in tracking mode. The structure and algorithm of control of ACS tracking for AEU with continuously discrete SB observation on the Sun with the adjustable discrete motion step in the function of current illumination is proposed. The algorithm of control of two-coordinate tracking system with the account of external perturbations is developed. The moment of inertia of the displacement mechanisms and the magnitude of the additional moment from the action of the wind load for autonomous photovoltaic power plants were calculated. The research of the power characteristics of the AFEU-1 tracking system and the calculation of volt-watt characteristics of the SB-type KSM-160 with different illumination are performed.

The third chapter presents the main results of the thesis. The known variants of application of following electric drives and requirements to them are given. The analysis of structures and mathematical support of existing tracking systems is carried out. Technological calculation of turning systems of solar panels is executed and the system of following electric drive on the basis of the DC motor with excitation from permanent magnets is selected. To simulate the operating modes in the MATLAB-Simulink package, a structural model was synthesized and the calculations of the output data were performed. As a result of the completed mapping, the diagrams of the controlled variables were obtained and the drawings for the partition were added.

In the fourth section a startup project has been developed in which it is planned to organize a solar power plant using a turning mechanism control system to increase the productivity of the photoelectric plant, orienting its working surface to the Sun. A description of the idea, design and system engineering has been completed. The point of impassability of a land-based solar power plant with a capacity of 1 MW is calculated. Also presented are market trends, opportunities and barriers for the implementation of the startup. Pictured for the showdown.

Keywords: following electric drive, tracking system, solar tracker, energy efficiency, solar battery.

ЗМІСТ


ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ..................................................................11

ВСТУП………….…………………………………......................….....................13

РОЗДІЛ 1 ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ З ПИТАНЬ КЕРУВАННЯ РУХОМ СОНЯЧНИХ ПАНЕЛЕЙ ЗА РІЗНИМИ КРИТЕРІЯМИ ...................................17


    1. Призначення і область застосування слідкуючих електроприводів.....17

    2. Пристрій стеження на основі трекера ....................................................18

    3. Огляд систем управління актуаторами трекерів ...................................19

      1. Управління за допомогою декількох фотоприймачів....................19

      2. Управління згідно азимутальних і зенітних кутів.........................20

      3. Спосіб управління за програмою розрахунку місця розташування Сонця.....................................................................................................21

    4. Механізми повороту і нахилу батарей в залежності від напрямку сонячних променів ............................................................................................22

    5. Огляд існуючих фотоелектричних енергоустановок спостереження за Сонцем.........................................................................................................22

    6. Структура АСУ стеження АФЕУ за Сонцем і технічні характеристики схем спостереження за Сонцем................................................................30

    7. Датчики положення Сонця для керування рухом автономних фотоелектричних енергетичних установок...........................................................40

    8. Вплив вітрового навантаження на автономну фотоелектричну енергетичну установку, особливості структур систем стеження, що враховують вплив вітрового навантаження..........................................................44

    9. Вимоги до систем стеження автономних фотоелектричних енергетичних установок як об'єкта АСУТП і основні напрямки дослідження....48

Висновки до першого розділу...................................................................51

РОЗДІЛ 2 АНАЛІЗ МЕТОДІВ Й МЕТОДИК ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ ФУНКЦІОНУВАННЯ СОНЯЧНИХ ПАНЕЛЕЙ ........................................................................................................................53





    1. Дослідження функціональної та структурної схеми системи стеження сонячних батарей за Сонцем на основі принципу безперервно-дискретного переміщення в режимі стеження........................................53

    2. Дослідження та розробка алгоритму стеження сонячних батарей за Сонцем з використанням датчика положення Сонця.............................62

    3. Мінімізація енергоспоживання електромеханічним виконавчим механізмом в позиційній системі стеження сонячних батарей за Сонцем...76

    4. Дослідження енергетичних характеристик системи стеження АФЕУ-1.......................................................................................................83

      1. Дослідження споживаної енергії виконавчими механізмами при переміщенні рами з сонячною батареєю по азимуту і по куту місця......................................................................................................85

      2. Дослідження споживаної енергії виконавчими механізмами з КД при зміні величини дискретного кроку переміщення в автономній фотоелектричній установці по азимуту і куту місця........................90

      3. Визначення добової сумарної споживаної енергії виконавчим механізмом з КД установки АФЕУ-1.....................................................92

      4. Визначення точності стеження рами з сонячною батареєю за Сонцем.......................................................................................................93

Висновки до другого розділу....................................................................94

РОЗДІЛ 3 ТЕХНОЛОГІЧНИЙ РОЗРАХУНОК ПОВОРОТНИХ СИСТЕМ СОНЯЧНИХ ПАНЕЛЕЙ ТА ВИБІР СИСТЕМИ ЕЛЕКТРОПРИВОДА ........97





    1. Відомі варіанти застосування слідкуючих електроприводів ................97

    2. Вимоги до слідкуючих електроприводів …………………....................98

    3. Аналіз структур й математичне забезпечення існуючих слідкуючих систем............................................................................................................100

      1. Слідкуючий привід в режимі позиціонування............................103

      2. Система управління положенням в режимі стеження.................108

    4. Технологічний розрахунок поворотних систем сонячних панелей та вибір системи електропривода................................................................119

    5. Вибір електроприводу.............................................................................120

    6. Вибір системи електроприводу й моделювання режимів роботи пристрою стеження за траєкторією руху Сонця……………………….....122

Висновки до третього розділу.................................................................129

РОЗДІЛ 4 СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ ЗА ТРАЄКТОРІЄЮ СОНЦЯ СОНЯЧНИМИ ПАНЕЛЯМИ ДЛЯ ЇХ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ (СТАРТАП).......131





    1. Глобальна ситуація в сфері ВДЕ у світі та Україні..............................131

    2. Тенденції розвитку відновлюваної енергетики в Україні....................133

    3. Інвестиційна привабливість проектів сонячної електрогенерації в Україні.......................................................................................................135

      1. Застосування поворотних механізмів у сонячних електростанціях..........................................................................................................136

    4. Опис ідеї стартапу....................................................................................137

    5. Системний інжиніринг та проектування................................................137

    6. Реалізація інвестиційних капіталовкладень..........................................140

Висновки до четвертого розділу.............................................................144
ВИСНОВКИ.........................................................................................................145

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ …………………………..................146



ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ
АД – асинхронний двигун

АСУ − автоматизована система управління

АСУ ТП − автоматизована система управління технологічним процесом

АФЕУ − автономна фотоелектрична енергоустановка

АЦП − аналого-цифровий перетворювач

БДПС – блок датчика положення Сонця

ВД – вентильний двигун

ВДЕ - відновнювальні джерела енергії

ВІРД − вентильний індукторно-реактивний двигун

ВМ − виконавчий механізм

ДВН – датчик вітрового навантаження

ДКД – драйвер крокового двигуна

ДПР – датчик положення ротора

ДПС датчик положення Сонця

ЕОМ − електронна обчислювальна машина

ЕРС електрорушійна сила

ЗП − задаючий пристрій

КД – кроковий двигун

КСС − контролер стеження за Сонцем

ККД коефіцієнт корисної дії

МНС − міністерство надзвичайних ситуацій

ОУ − об'єкт управління

ПЗ − програмне забезпечення

ПІ-регулятор – пропорційно-інтегральний регулятор

ПІД-регулятор – пропорційно-інтегрально-диференціальний регулятор



РП − регулюючий пристрій

СБ − сонячна батарея

САУ − систему автоматичного управління

СЕС - сонячна електростанція

СФЕС - сонячна фотоелектрична станція

ТПЧ – транзисторний перетворювач частоти

ТрП-Д - транзисторний перетворювач-двигун

ТЕО - те́хніко-економі́чне обґрунтува́ння

ШІМ – широтно-імпульсна модуляція

GPRS −  General Packet Radio Service

PV - Photovoltaics

USB − Universal Serial Bus

ВСТУП


Актуальність теми. В даний час у зв'язку з багатьма факторами, такими як виснаження енергоресурсів, збільшення їх вартості і загальний негативний вплив традиційної енергетики на навколишнє середовище, все гостріше постає питання про знаходження нових, чистих і поновлюваних джерел енергії. В галузі поновлюваних джерел енергії одним з найбільш перспективних напрямків є сонячна енергетика, так як сонячна енергія загально поширена і невичерпна.

Мета і задачі дослідження. Підвищення рівня енергетичної ефективності технологічного процесу виробництва електричної енергії АФЕУ шляхом розробки автоматизованої системи управління, яка забезпечує за рахунок стеження за Сонцем максимальну енергетичну ефективність сонячних батарей при мінімізації енергоспоживання і управління при врахуванні збурюючих впливів, в тому числі вітрового навантаження.

Для реалізації поставленої мети визначені наступні задачі дослідження:

- аналіз конструкцій наземних фотоелектричних енергоустановок, систем автоматизованого управління режимом стеження сонячних батарей за Сонцем, застосованих електромеханічних виконавчих механізмів, датчиків положення Сонця (ДПС) і формування вимог до АСУ стеження АФЕУ за Сонцем з метою підвищення їх енергетичної ефективності; А також аналіз принципів роботи рухомих фотоелектричних систем;

- розробка математичної моделі одноконтурного стежучого електроприводу сонячної фотоелектричної станції та системи управління зі змінною структурою стежучого електроприводу СФЕС;

- дослідження та розробка структурної, функціональної схеми і алгоритмів керування АСУ стеження фотоелектричних енергоустановок за Сонцем з двокоординатними електромеханічними виконавчими механізмами, що забезпечують задану точність спостереження при мінімізації споживання електричної енергії двокоординатними електромеханічними виконавчими механізмами під час стеження за Сонцем, при зміні поточної освітленості, випадкового навантаження;

- дослідження енергетичних характеристик системи стеження на установці АФЕУ-1;

- розробка стартап - проекту.

Об’єктом дослідження є автономна фотоелектрична енергетична установка.

Предметом дослідження є підвищення рівня енергетичної ефективності АФЕУ за рахунок зменшення витрат енергії, шляхом реалізації АСУ з автоматичним стеженням СБ за Сонцем зменшуючи споживану енергію електромеханічними виконавчими механізмами системи стеження.

Методи дослідження базуються на загальних положеннях теорії електричних ланцюгів, теорії автоматичного управління, обчислювальних методах і використанні сучасних інструментальних систем і методів математичного моделювання MATLAB (Simulink). Перевірка основних теоретичних положень здійснювалася шляхом математичного моделювання.

Наукова новизна роботи

1. Для підвищення енергетичної ефективності технологічного процесу виробництва електричної енергії розроблена автоматизована система стеження за Сонцем, в якій використовується розроблений алгоритм стеження з регульованим дискретним кроком переміщення в функції поточної освітленості.

2. Розроблено спосіб і алгоритм управління електромеханічним виконавчим механізмом АФЕУ, який працює в режимі позиціонування, забезпечує мінімізацію споживання енергії на управління за рахунок використання нелінійного обмеження по швидкості і прискоренні.

3. Розроблено функціональну схему і алгоритм стеження АФЕУ, що включає релейний регулятор положення з нелінійною характеристикою зони нечутливості, який змінюється в залежності від поточної освітленості, і коригує задану траєкторію позиціонування в залежності від похибки стеження, щоб забезпечити підтримку заданої точності стеження при зміні поточної освітленості і зовнішніх впливів випадкового навантаження.

4. Розроблено структуру і розраховані параметри контуру управління амплітудою струму в електромеханічному виконавчому механізмі, керовані в функції від непрямої помилки стеження і її похідної, що забезпечують збільшення плавності і безперервності руху АФЕУ в процесі стеження при дії зовнішніх впливів випадкового навантаження, в тому числі вітру.

5. Розроблена нова схема для універсальної системи управління електроприводом постійного струму.

6. Запропонована математична модель одноконтурної системи СЕП СФЕС, що забезпечує оптимальне відпрацювання збурюючих впливів.

7. Запропонована математична модель одноконтурної системи наведення зі змінною структурою (СЗС) і датчиком стеження, яка нечутлива до зміни параметрів системи управління.

8. Розроблено стартап-проект сонячної електростанції з використанням системи управління поворотним механізмом для збільшення продуктивності енергосистеми.

Практична цінність роботи

1. Розроблено структуру і алгоритми управління АСУ стеження фотоелектричних енергоустановок за Сонцем, що забезпечують задану точність спостереження при мінімізації споживання електричної енергії електромеханічним виконавчим механізмом.

2. Розроблено двокоординатний електромеханічний виконавчий механізм для системи стеження фотоелектричної енергоустановки, що забезпечує стеження за Сонцем по азимуту від 0 градусів до 270 градусів і по куту місця від 0 градусів до 90 градусів.

3. Результати теоретичних і експериментальних досліджень можуть бути використані в задачах проектування та оптимізації режимів роботи СЕП СФЕС різної потужності.

4. СФЕС може бути використана для живлення об'єктів, віддалених від електричних мереж для підтримки їх роботоздатності.

Апробація результатів магістерської роботи. Основні результати роботи доповідалися та отримали позитивну оцінку на I науково-технічної конференції магістрантів ІЕЕ (за результатами дисертаційних досліджень магістрантів).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано дві статті, одна в науковому журналі, друга - у збірнику матеріалів науково-технічної конференції та зроблена доповідь на I науково-технічній конференції магістрантів ІЕЕ.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 46 найменувань, містить 83 рисунки, 32 таблиці, 78 формул. Загальний обсяг роботи становить 150 сторінок.

РОЗДІЛ 1 ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ З ПИТАНЬ КЕРУВАННЯ РУХОМ СОНЯЧНИХ ПАНЕЛЕЙ ЗА РІЗНИМИ КРИТЕРІЯМИ


Після початку використання сонячних батарей для виробництва електроенергії в промислових масштабах інженери і проектувальники стали шукати способи підвищення ефективності таких електростанцій. Загальна дисперсія світла Сонця, яка визначається зміною напрямку падіння сонячних променів на панелі, не дозволяла раціонально використовувати сонячні батареї протягом усього світлового дня. Виходом з такої ситуації стало встановлення сонячних панелей на рухомому підставі, підключеному до системи стеження за траєкторією переміщення Сонця.

Для отримання максимальної потужності від сонячних батарей необхідно, щоб сонячні промені потрапляли на площину батарей перпендикулярно. При такому напрямку променів ККД сонячних батарей може досягати 50-55%. Для стаціонарно встановлених батарей цей показник може знижуватися до 10-15% з-за зміни кута падіння сонячних променів.

Освітленість сонячних батарей повинна підтримуватися на оптимальному рівні. Для підтримання цього рівня розроблені різноманітні системи спостереження - від найпростіших аналогових до аналогово-цифрових.

Система стеження за сонцем - це пристрій для орієнтування панелі сонячних батарей або для утримання сонячного відбивача поверненим до Сонця [1].


1.1 Призначення і область застосування слідкуючих електроприводів


Слідкуючі електроприводи або системи управління положенням представляють собою замкнуті електроприводи, керуючі переміщенням і забезпечуючи стабілізацію положення об'єкта регулювання відносно деякої базової системи координат.

При цьому регульована величина (положення об'єкту) з тим або іншим ступенем точності повинна відповідати прикладеному до системи керуючому впливу. Слідкуючі електроприводи можуть забезпечувати як лінійне, так і кутове переміщення регульованого об'єкта. Наприклад, це може бути система наведення сонячної батареї.


1.2 Пристрій стеження на основі трекера


Для досягнення максимальної продуктивності робочих поверхонь систем необхідна їх точна орієнтація на Сонце. При цьому завданням пристрою стеження (трекера) є зменшення кута падіння сонця на робочу поверхню сонячних панелей. Положення рухомої частини трекера може змінюватися за допомогою ручного приводу або за допомогою так званих актуаторів - пристроїв, виконаних на електродвигунах.

Таким чином, трекер встановлює кути нахилу робочої поверхні приладів, зорієнтувавши її строго на Сонце. Інакше кажучи, сонячні промені повинні падати перпендикулярно площині сонячної батареї.

Трекери можуть бути реалізовані на основі різних принципів.

Одноосьові трекери мають одну ступінь свободи, яка є віссю обертання. Такі трекери діляться горизонтальні, вертикальні і похилі.

Трекери з горизонтальною віссю. Вісь обертання горизонтально орієнтована по відношенню до землі. Такі пристрої забезпечують високу ефективність протягом весни і літа, коли сонце високо в небі. Жорсткий каркас і простий механізм є основою високої надійності.

Трекери з вертикальною віссю. Вісь обертання вертикально орієнтована по відношенню до землі. Ці трекери обертаються зі сходу на захід протягом дня.   Вертикальні одновісні системи обертаються тільки навколо вертикальної осі, панелі на них закріплюються вертикально під фіксованим, регульованим кутом нахилу.

Трекери з однією похилою віссю обертання. Такими вважаються всі трекери з осями обертання між горизонтальною і вертикальною.

Трекери з двома осями обертання мають два ступені свободи, які виступають в якості осей обертання. Як правило, ці осі не пов'язані одна з одною, але працюють разом. Одна вісь фіксується за відношенням до землі. Вона є основною. Інша вісь може розглядатися як вторинна, і навпаки.

За оцінками експертів, ефективність сонячних батарей підвищується до 60% , якщо їх повертати слідом за сонцем з використанням систем спостереження за положенням сонця.  

В цілому пристрій стеження за рухом Сонця складається з двох основних частин: схеми управління, яка визначає положення Сонця та механізмів повороту і нахилу батарей в залежності від напрямку сонячних променів.


1.3 Огляд систем управління актуаторами трекерів


1.3.1 Управління за допомогою декількох фотоприймачів

Загальна схема трекера на фотоелементах наведена на рис. 1.1.



Такий пристрій має два або більше фотодіодів. При русі сонця освітленість фотодіодів стає різною, пристрій аналізує освітленість і передає керуючі сигнали на актуатори до моменту, коли потік світла на всіх фотоелементах буде однаковий. При цьому, електродвигун повертає сонячну батарею із заходу на схід.

Рисунок 1.1 – Трекер на фотоелементах

Протягом дня платформа з сонячною батареєю буде повертатися слідом за рухом сонця. З настанням сутінків система перейде в режим очікування. Принципові схеми таких пристроїв нескладні та недорогі. Але у них є один істотний недолік: у похмуру погоду і забрудненні фотоприймачів працездатність системи погіршується.

Найпростіша типова схема пристрою стеження за рухом сонця (SolarTracker) наведена на рис. 1.2.



Рисунок 1.2 – Схема пристрою стеження на фоторезисторах

Для визначення позиції Сонця, використовуються два фоторезистори.

В склад схеми трекера входять:

– електричний двигун актуатора М;

– мікросхема операційного підсилювача LM1458 (К140УД20);

– транзистори BD139 (КТ815Г, КТ961А) і BD140 (КТ814Г,КТ626В);


– фоторезистори LDR;
– діоди 1N4004 (КД243Г);
– прості й підстроювальні резистори.

1.3.2 Управління згідно азимутальних і зенітних кутів

Ідея роботи таких пристроїв заснована на тому, що для правильного позиціонування сонячних панелей, потрібно компенсувати два переміщення Землі:

- добове переміщення, пов'язане з обертання Землі навколо своєї осі;

- річне переміщення, пов'язане з обертання Землі навколо Сонця.

До складу такого пристрою входить таймер. Актуатори починають свою роботу з добовою програмою таймера (при бажанні, і за річною програмою). Але точність орієнтації за допомогою таких пристроїв невелика, так як Сонце протягом року постійно змінює час, місце сходу і заходу, зенітний кут.

1.3.3 Спосіб управління за програмою розрахунку місця розташування Сонця

Такий спосіб можна вважати найбільш ефективним. За внутрішнім годинником пристрою програма видає інформацію про значення азимута і зенітного кута (рис. 1.3) на блок управління. При цьому обов'язково буде враховуватися місце розташування трекера, тобто такі параметри як широта, довгота і висота над рівнем моря. Після цього розраховується нове (необхідне) положення трекера і проводиться його переорієнтація.



Рисунок 1.3 – Схема визначення положення сонця за азимутом і зенітним кутом



Каталог: jspui -> bitstream -> 123456789
123456789 -> Развитие фондового рынк
123456789 -> Всеукраинская партия духовности и патриотизма
123456789 -> Реферат: Статья посвящена анализу «философии практики»
123456789 -> Філософські проблеми ідеології: теоретико-методологічний аспект галина Сімченко
123456789 -> Особливості інвестиційного банкінгу в умовах кризи
123456789 -> Тортуга цитадель флибустьеров (1630 – 1692 гг.)
123456789 -> Методичні рекомендації щодо організації самостійної роботи студентів з вибіркової навчальної дисципліни циклу гуманітарної підготовки


Достарыңызбен бөлісу:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   19


©netref.ru 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет