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


Датчики положення Сонця для керування рухом автономних фотоелектричних енергетичних установок



бет6/19
Дата17.05.2020
өлшемі5.31 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   19
1.7 Датчики положення Сонця для керування рухом автономних фотоелектричних енергетичних установок
В даний час для АСУ стеження розроблено велику кількість різноманітних датчиків положення Сонця, заснованих на різних принципах визначення положення Сонця, в тому числі щілинні сонячні датчики, датчики на ефекті Саньяка, геліотрекери різних конструктивних виконань, а також інші оригінальні пристрої та конструкції.

В якості чутливих щільових сонячних елементів датчиків використовуються кремнієві фотодіоди [20]. Суть функціонування цих датчиків основана на порівнянні сигналів, що надходять з кожного фотодіода, які розташовані кожен у своїй щілині, і виявлення максимального сигналу (рисунок 1.27). Датчик розташований таким чином, що при переміщенні Сонця по екліптиці один з фотодіодів освітлений, а інші в цей час знаходяться в тіні, створеною перегородками.



Рисунок 1.27 - Щілинні сонячні датчики


Таким чином, сигнал з найбільш освітленого фотодіода буде максимальний, що являється системою управління і подається команда повороту СБ на кут, відповідний положенню цього фотодіода, тобто датчики формують релейні сигнали наявності Сонця в заданих полях огляду. Основними недоліками щілинних датчиків є висока вартість і складність конструкції, необхідність використання складної системи контролю і управління.

Принцип дії оптичного гіроскопа оснований на ефекті Саньяка. По круговому оптичному шляху, завдяки розщеплення променя, світло поширюється у двох протилежних напрямках. Якщо при цьому площина СБ перпендикулярна до променів Сонця, то обидва світлових променя поширюються зустрічно по оптичному шляху однакової довжини. Тому при додаванні променів в розщеплювачі по завершенні шляху немає фазового зсуву. Однак, коли Сонце переміщається з кутовою швидкістю, між світловими хвилями виникає різниця фаз. Це явище і називається ефектом Саньяка [20].



Геліотрекер дослівно можна перекласти як «відстежувач шляху Сонця». Завдання його бути постійно спрямованим на Сонце. Один з варіантів [21] показаний на рисунку 1.28. Він складається з фотоприймача, контролера і виконавчого механізму у вигляді двох двигунів з редукторами, що повертають СБ і закріплений на ньому фотоприймач. Фотоприймач являє собою невелику плату і закріпленими на ній 4 фотодатчиками. Всі фотодатчики розділені між собою хрестоподібною перегородкою. При орієнтації на Сонце висвітлені всі чотири фотодатчика. Сонце в процесі свого руху по небосхилу змінює освітленість фотоприймача, тому 2 або 3 фотодатчика перебувають в тіні. В алгоритмі роботи датчика всього 9 команд в залежності від положень фотоприймача. На рисунк 1.28 кожен фотодатчик позначений буквою. Всі можливі варіанти освітлення датчиків представлені в таблицях 1.2 і 1.3.

Рисунок 1.28 – Геліотрекер


Таблиця 1.2 Можливі варіанти освітлення датчиків для двокоординатної системи стеження

Датчик А

1

0

1

1

0

Датчик В

0

1

1

0

0

Датчик C

0

0

0

0

1

Датчик D

0

0

0

1

0

Примітка

Сонце вище з заходу

Сонце вище з сходу

Сонце вище

Сонце з заходу

Сонце нижче з сходу

Вертикальний рух

Вгору

Вгору

Вгору

Стоїть

Вниз

Гориз-ний рух

На захід

На схід

Стоїть

На захід

На схід

Таблиця 1.3 Можливі варіанти освітлення датчиків для двокоординатної системи стеження



Датчик А

0

0

0

1

Датчик B

1

0

0

1

Датчик C

1

1

0

1

Датчик D

0

1

1

1

Примітка

Сонце з сходу

Сонце нижче

Сонце нижче з заходу

Точно на Сонце

Вертикальний рух

Стоїть

Вниз

Вниз

Стоїть

Горизонтальний рух

На схід

Стоїть

На захід

Стоїть

У таблицях 1.2 і 1.3 прийняті наступні позначення: 1 − датчик освітлений; 0 − датчик в тіні перегородки.



Групою розробників з малазійського університету (UNIMAS) розроблений датчик положення Cонця [22]. Конструкція близька до вищезазначеного геліотрекеру, але особливістю є використання фоторезисторів в якості чутливого елемента. Датчик складається з чотирьох фоторезисторів (LDRs), які закріплені в пірамідоподібному блоці . Коли Сонце висвітлює центр системи, фоторезистори отримують однакову кількість світла і мають однаковий опір. Коли Сонце зміщується, перегородка, розташована між фоторезисторами, створює тінь, що викликає зміну інтенсивності світла, яке вимірюється за допомогою датчиків LDR. На рисунку 1.29 показаний фотодатчик. Система стеження має 10-розрядний АЦП.

Рисунок 1.29 - Датчик положення Сонця



У сонячних енергетичних установках ФТИ імені О.Ф. Йоффе застосовують свій датчик [2], одна з конструкцій наведена на рисунку 1.30. Відзначають, що особливістю датчика є його складність конструкції і неоднозначність характеристик при зміні температури.

Рисунок 1.30 - ДПС розробки ФТИ РАН імені О.Ф. Йоффе



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

Вітрове навантаження істотно впливає на момент наванаження, що прикладається до валу електромеханічного виконавчого механізму АФЕУ. Великі вітрові навантаження можуть не дозволити здійснити стеження рами з СБ за Сонцем, а в електромеханічному виконавчому механізмі з КД за браком моменту, що розвивається КД, ураганний вітер (більше 25 м / с) може вивести з ладу виконавчий механізм стеження фотоелектричної енергоустановки.

Розрахунок вітрового навантаження для конкретної установки є складним завданням, оскільки необхідно враховувати не тільки метеорологічні особливості району, де планується розміщення установки, але також особливості місцевості, наявність сусідніх будівель і споруд, штучних і природних перешкод, вплив деталей і елементів конструкції самої фотоелектричної енергоустановки на розподіл вітрового потоку. Тому доцільно поставити завдання узагальненого для різних варіантів виконання розрахунку вітрових навантажень в рамках обраних умов. Такий підхід дозволить спростити розрахунки, не вдаючись до конкретних особливостей місцевості та варіанту виконання установки.

Нормативне значення середньої складової вітрового впливу визначається за формулою [23]:



, (1.1)

де W0 − нормоване значення вітрового тиску; k − коефіцієнт, що враховує зміну вітрового тиску по висоті; С − аеродинамічний коефіцієнт.


При цьому нормативне значення вітрового тиску W0, яке визначається для певної місцевості шляхом використання даних метеостанцій, слід визначати за формулою [23]:

, (1.2)

де V0 − швидкість вітру (м / с).

Швидкість вітру на рівні 10 м над поверхнею землі для місцевості типу А, відповідна 10-хвилинному інтервалу усереднення і перевищує в середньому раз в 5 років (якщо технічними умовами, затверджені в установленому порядку, не регламентовані в інші періоди повторення швидкості вітру). Нормативне значення вітрового тиску W0 слід приймати в залежності від вітрового району за даними таблиці 1.4 [23]. Коефіцієнт k, що враховує зміну вітрового тиску по висоті (z), визначається по таблиці 1.5 в залежності від типу місцевості. Встановлено такі типи місцевості: А − відкриті узбережжя морів, озер і водосховищ, пустелі, степи, лісостепи, тундра; B − міські території, лісові масиви та інші місцевості, рівномірно покриті перешкодами висотою більше 10 м; С − міські райони з будинками висотою більше 25 м. Споруда вважається розташованою в місцевості даного типу, якщо ця місцевість зберігається з вітряної сторони споруди на відстані 30 h при висоті споруди h до 60 м і 2 км − при більшій висоті.

Таблиця 1.4 Нормативне значення вітрового тиску



Вітрові райони


I

II

III

IV

V

VI

VII


W0, кПа

(кгс/м2)



0,17

(17)


0,23

(23)


0,30

(30)


0,38

(38)


0,48

(48)


0,60

(60)


0,73

(73)


0,85

(85)

Таблиця 1.5 Коефіцієнт k в залежності від типу місцевості

Висота z, м

≤ 5

10

20

40

60

80

100

150

200

250

300

350

Коеф.

k для типу місце-вості



A

0,75

1

1,25

1,5

1,7

1,85

2

2,25

2,45

2,65

2,75

2,75

B

0,5

0,65

0,85

1,1

1,3

1,45

1,6

1,9

2,1

2,3

2,5

2,75

C

0,4

0,4

0,55

0,8

1

1,15

1,25

1,55

1,8

2

2,2

2,35

В АСУ стеження в АФЕУ в електромеханічнії частині при дії вітрового навантаження необхідно або збільшувати максимальний момент двигуна (ставити двигун з більшою потужністю і моментом), або вводити додатковий контур управління зі зв'язком по датчикам, що визначає момент від дії вітрового навантаження, щоб реалізувати компенсацію впливу цього моменту, якщо дозволяє потужність двигуна. Це можливо шляхом установки на АФЕУ, зміною алгоритму роботи контролера стеження за Сонцем і блоку управління електромеханічними виконавчими механізмами, що забезпечують компенсацію моменту вітрового навантаження.



В енергетичній установці, розробленій в МЕІ [15], в електромеханічнії частині використовується ДПС, в систему управління введений додатковий контур зі зворотним зв'язком по спеціальному датчику вітрового навантаження. На рисунку 1.31 наведена зазначена вище функціональна схема системи стеження, на якій прийняті наступні позначення: РР − релейний регулятор положення; Д − двигун; Р − редуктор; ВМ − виконавчий механізм; α − кут неузгодженості; ПП − пристрій перетворення; ДН − датчик неузгодженості; БП − блок перетворення; ДВН - датчик вітрового навантаження.

Рисунок 1.31 - Функціональна схема системи стеження з урахуванням вітрового навантаження

Компенсація вітрового навантаження в даній системі стеження здійснюється шляхом збільшення заданого моменту на ДПС за допомогою регулятора струму і датчика вітрового навантаження. У цій системі встановлюється складний датчик тиску.

Для захисту сонячної електростанції [24] від високих вітрових навантажень запропоновано відстежувати швидкість вітру і при необхідності переміщати СБ в горизонтальне положення. Система захисту від вітру складається з датчика вітру і контролера управління. В АСУ стеження додатково відбувається опитування датчиків в реальному часі і контролер стеження оцінює ці дані. СБ переміщується в горизонтальне положення, коли швидкість вітру перевищує 46 км / год. Крім того, контролер стеження постійно здійснює самодіагностику всієї системи і переводить сонячну електростанцію в горизонтальне положення в разі несправності. На рисунку 1.32 показаний датчик вітру. Датчик вітру включає в себе додатково інтегрований нагрівач, щоб забезпечити безперервну роботу системи стеження навіть при низьких температурах.



Фірма Merlin Power Systems (США) [8] в своїх сонячних установках використовує датчики вітру, які автоматично за допомогою контролера і виконавчих механізмів переводять панелі в горизонтальне положення при високій швидкості вітру, щоб запобігти пошкодженню установки.

Рисунок 1.32 - Датчик вітру


З огляду на вищесказане, необхідно для АФЕУ розрахувати величину додаткового моменту в електромеханічної частини з КД від дії вітрового навантаження і розробити алгоритм управління в АСУ стеження, що забезпечує зменшення впливу вітрового навантаження на електромеханічну частину з КД при реалізації режиму стеження за Сонцем. Також слід забезпечити формування алгоритму управління в АСУ при оголошенні штормового попередження, що подається службами МНС.
1.9 Вимоги до систем стеження автономних фотоелектричних енергетичних установок як об'єкта АСУТП і основні напрямки дослідження
Аналіз відомих технічних рішень в області АФЕУ [2] показує, що для найбільш ефективного виробництва електричної енергії за допомогою СБ необхідно створювати АСУ стеження за Сонцем при мінімізації витрат електричної енергії на управління і стеження.

Для створення енергетично ефективної наземної автономної системи АФЕУ потужністю 3-5 кВт необхідно сформувати основні вимоги до АСУ стеженням АФЕУ за Сонцем, а саме: 1 до необхідної точності стеження АФЕУ на Сонце; 2 до датчиків положення Сонця; 3 до мікропроцесорної системи управління двокоординатним електромеханічним виконавчим механізмом стеження; 4 до двокоординатної механічної системи переміщення.

Визначена необхідна точність стеження АФЕУ за Сонцем для забезпечення мінімальних втрат енергії, що виробляється СБ. Відносна величина втрат енергії ∆Е в залежності від помилок стеження по азимуту і куту місця визначається за такою формулою:

 (1.3)

де ∆α − помилка стеження по азимуту; ∆β − помилка стеження за кутом місця.

У таблиці 1.6 наведені втрати енергії від СБ при різних точностях стеження сонячних батарей за Сонцем.
Таблиця 1.6 Втрати енергії від СБ при різних точностях стеження

Помилка під час стеження СБ за

Сонцем, градус



0,5

1

2

3

4

5

Втрати енергії від СБ під час стеження,%

0,0076

0,03

0,12

0,27

0,48

0,76

На рисунку 1.33 показаний графік втрат енергії від похибки стеження.


Рисунок 1.33 - Графік втрат енергії від помилки стеження


З таблиці 1.6 видно, що зменшувати помилку (підвищувати точність) менше одного градуса при спостереженні СБ за Сонцем немає необхідності, так як підвищення точності до 0,5 градуса забезпечує несуттєве зменшення втрати потужності за рахунок помилки стеження (зменшення втрати енергії від СБ на 0, 0224%).

Технічні вимоги, що представленні системою АФЕУ до датчика положення Сонця, такі:

- виконання двокоординатної (по азимуту і кута місця), причому датчик повинен бути виготовлений відразу як двокоординатний для виключення неточності за координатами (помилки) при установці під час монтажу системи стеження і для забезпечення однакової температури у вимірювальних фотоелементах датчика;

- наявність режиму вимірювання освітленості датчиком при зміні інтервалу освітленості не менше ніж 1:10 (для можливості стеження СБ за Сонцем при зменшенні освітленості в 10 разів);

- чутливість датчика не менше 0,25 градуса за полеженням по обох координатах для забезпечення точності стеження в 1 градус;

- визначення з урахуванням чутливості датчика і діапазону зміни освітленості заданої розрядності АЦП(аналого-цифровий перетворювач) спеціалізованого контролера стеження виходячи з режиму регулювання (для забезпечення заданої точності стеження);

- мінімальні габарити, простота виготовлення і мінімальна вартість датчика.

Технічні вимоги АСУ стеження, що представленні до конструкцій АФЕУ, автоматизованої системи управління, мікропроцесорної системи управління електромеханічним виконавчим механізмом установки, такі:

- задана точність спостереження СБ на Сонце має бути менше одного градуса за положенням;

- механічна конструкція і автоматизоване управління системою АФЕУ повинні забезпечувати розворот рами з СБ на 270 градусів по азимуту і 90 градусів за кутом місця;

- мікропроцесорна АСУ стеження повинна забезпечувати багатофункціональність роботи: режим автоматичного стеження за Сонцем; режим ручного наведення на Сонце (для пусконалагоджувального режиму); режим управління стеженням за Сонце від зовнішнього комп'ютера з контролем і управлінням параметрами позиційної системи стеження;

- АСУ стеження повинна мати безперервну самодіагностику: діагностику всієї системи; діагностику силового драйвера КД і самого КД; діагностику контролера заряду акумуляторної батареї; повинен проводитися безперервний опитування кінцевих вимикачів; повинна бути забезпечена передача інформації оператору при аварійному стані системи;

- повинна бути забезпечена мінімізація енергоспоживання електромеханічним виконавчим механізмом установки під час стеження АФЕУ за Сонцем;

- двокоординатний електромеханічний виконавчий механізм АФЕУ повинен забезпечувати задані режими переміщення (стеження) по обох координатах, в тому числі при дії значного вітрового навантаження;

- швидкодія і розрядність мікроконтролера, розрядність вхідного АЦП мікроконтролера, необхідну кількість входів - виходів контролера стеження повинні забезпечувати управління по двох координатах одночасно із заданою точністю стеження і можливість підключення зовнішнього комп'ютера і блоку зв'язку з GPRS;

- зовнішній комп'ютер повинен забезпечувати: контроль параметрів переміщення по азимуту і кута місця; завдання параметрів обмежень по швидкості, прискоренні і ривка в траєкторії переміщення; завдання параметрів нелінійного струму в двигуні; завдання параметрів в алгоритмі управління стеженням при використанні датчика положення Сонця (зовнішній комп'ютер може використовуватися в режимі пуско-налагодження);

- в АСУ стеження повинна бути передбачена можливість переведення рами з СБ в горизонтальне (захисне) положення при ураганних вітрах, при цьому зв'язок в контролері стеження повинна бути по GPRS від МНС або іншого аварійного розповсюджувача інформації;

− апаратура, закріплена на рамі фотоелектричної енергоустановки (двигуни, датчики, кінцеві вимикачі, редуктори), повинна бути захищена від зовнішніх впливів і витримувати перепад температур від -40 до +70 ° С.



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