ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ СОЛНЦА

Полезная модель относится к гелиоэнергетике и может быть использована для наведения солнечных энергоустановок на Солнце.
Известен датчик положения Солнца из патента па солнечную энергоустановку [1]. Фотоэлектрический датчик положения Солнца состоит из каркаса в форме прямой трехгранной призмы, на двух боковых гранях которой, выполненных под углом 15-25 градусов, размещены фотоэлементы слежения за Солнцем, а на третьей грани установлен командный фотоэлемент разворота модулей с запада на восток. Каркас датчика выполнен из теплопроводного материала, обеспечивающего выравнивание температуры в боковых фотоэлементах.
Недостатком данного устройства является невозможность слежения за Солнцем по двум координатам (азимуту и углу места). Возможно реализовать перемещение по двум координатам только с использованием двух датчиков прототипа, но при этом получается один лишний командный фотоэлемент (он не используется). Для слежения но двум координатам необходимо точно устанавливать два датчика прототипа под углом - 90 градусов между собой, иначе не будет точного наведения на Солнце по азимуту и углу места. Так же не обеспечивается равномерное нагревание всех фотоэлементов, так как нет теплопроводящего каркаса под командным фотоэлементом.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является фотоэлектрический датчик положения Солнца [2], содержащий теплопроводный каркас с гранями, на которых расположены фотоэлементы слежения за Солнцем и командный фотоэлемент, теплопроводящий каркас выполнен в форме четырехгранной усеченной пирамиды. В четырех гранях пирамиды выполнены посадочные места под четыре фотоэлемента слежения за Солнцем, и в ее основании - под пятый - командный фотоэлемент, все фотоэлементы зафиксированы в посадочных местах, и закрыты защитными стеклами, в основании усеченной пирамиды выполнены элементы крепления.
Недостатком данного устройства является ухудшение точности наведения при уменьшении освещенности датчика положения от Солнца (и соответственно уменьшении освещенности солнечной энергоустановки), за счет ухудшения соотношения сигнал/шум (выходных сигналов с фотоэлементов датчика положения Солнца). При этом при малых освещенностях (малый световой поток от Солнца) может происходить дерганье и реверсирование по положению рамы солнечной установки, то есть ухудшается точность наведения солнечной установки на Солнце и увеличиваются энергетические затраты (затраты электрической энергии) на наведение солнечной установки.
Задачей, на которую направлено предлагаемое решение полезной модели, является расширение функциональных возможностей фотоэлектрического датчика положения Солнца и повышение точности наведения при уменьшении освещенности.
Поставленная задача решается тем, что в фотоэлектрический датчик положения Солнца, содержащий теплопроводный каркас, выполненный из дюралюминиевого сплава в форме четырехгранной пирамиды в четырех гранях которой установлены фотоэлементы слежения за Солнцем, а в нижнем основании - посадочное место под командный фотоэлемент, фотоэлементы зафиксированы в посадочных местах и закрыты защитными стеклами и в нижнем основании пирамиды выполнены элементы крепления датчика, дополнительно введен шестой фотоэлемент, измеряющий текущую освещенность, расположенный и зафиксированный в посадочном месте в верхнем основании усеченной пирамиды и закрытый защитным стеклом.
Расширение функциональных возможностей фотоэлектрического датчика положения Солнца осуществляется за счет измерения текущей освещенности. Измерение текущей освещенности дает возможность регулирования зоны нечувствительности в функции текущей освещенности и повышения точности наведения при пониженной освещенности.
Сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков, где на фиг. 1а показан вид сверху фотоэлектрического датчика положения Солнца, на фиг. 1б показан вид снизу фотоэлектрического датчика положения Солнца, на фиг. 2 показана характеристика коэффициента зоны нечувствительности.
Теплопроводящий каркас датчика выполнен в форме усеченной четырехгранной пирамиды 1 с наклоном противоположных граней в 20 градусов. Пирамида изготовлена из дюралюминиевого сплава, в четырех гранях пирамиды и в основании выполнены (например, посредством фрезерования) посадочные места под четыре фотоэлемента 2-5 слежения за Солнцем и под пятый - командный фотоэлемент 6. Все фотоэлементы 2-6 зафиксированы в посадочных местах, например, с помощью клея, и закрыты защитными стеклами 7-11. В основании пирамиды имеются элементы 12 и 13 для крепления датчика к поворотной раме солнечной энергоустановки, например, выполненных в виде двух отверстий с резьбой. Шестой фотоэлемент 14, расположен в посадочном месте в верхнем основании усеченной пирамиды 1, причем шестой фотоэлемент 14 зафиксирован в посадочном месте и закрыт защитным стеклом 15.
Принцип слежения за Солнцем с помощью заявляемого фотоэлектрического датчика положения Солнца заключается в следующем: если фотоэлемент 2 и фотоэлемент 4 выдают одинаковый ток, или различающийся на величину зоны нечувствительности (Кзн), составляющую от 5% до 20% от среднего тока фотоэлементов 2 и 4, то перемещать поворотную раму солнечной энергоустановки не требуется, то есть рама солнечной энергоустановки точно направлена на Солнце или она находится в тени. Если фотоэлемент 2 и фотоэлемент 4 выдают различные токи (разница превышает зону нечувствительности), то это означает, что Солнце светит со стороны фотоэлемента, где больший ток. При этом необходимо выполнить перемещение поворотной рамы солнечной энергоустановки в таком направлении, чтобы скомпенсировать эту разницу по току в фотоэлементах 2 и 4.
Если фотоэлемент 3 и фотоэлемент 5 выдают одинаковый ток, или различающийся па величину зоны нечувствительности (Кзн), составляющую от 5% до 20% от среднего тока фотоэлементов 3 и 5, то перемещать поворотную раму солнечной энергоустановки пе требуется, то есть поворотная рама солнечной энергоустановки направлена точно на Солнце либо она находится в тени. Если фотоэлемент 3 и фотоэлемент 5 выдают различные токи (разница превышает зону нечувствительности), то это означает, что Солнце светит со стороны фотоэлемента, где больший ток. При этом необходимо выполнить перемещение поворотной рамы солнечной энергоустановки в таком направлении, чтобы скомпенсировать эту разницу по току в фотоэлементах 3 и 5.
Если командный фотоэлемент 6 выдает самый больший ток по сравнению с фотоэлементами 2 и 4, то это означает, что Солнце светит с обратной стороны поворотной рамы солнечной энергоустановки (на следующий день, после восхода Солнца). В этом случае необходимо развернуть поворотную раму солнечной энергоустановки в направлении Солнца.
ср1
ср1
ср2
ср2
Перемещение в солнечной установке осуществляется по координатам (азимуту и углу места) только тогда, когда разница в токе фотоэлементов противоположных граней превышает пороговое значение, а именно: регулируемую зону нечувствительности (приведенную, на фиг. 2) умноженную на средний ток в противоположных гранях усеченной пирамиды (Кзн умножить на I (Кзн I) и Кзн умножить на I (Кзн I). Это необходимо для исключения дерганий и ненужного реверсирования по положению при наведении солнечной установки на Солнце при уменьшении светового потока от Солнца.
макс
ср1
ср2
макс
ср1
ср2
макс
Величина зоны нечувствительности Кзн (составляющая от 5% до 20% от текущей освещенности) регулируется в функции текущей освещенности (E), которая измеряется шестым фотоэлементом 14. Причем при максимальной освещенности (E) Кзн составляет 5% от I (и 5% от I), а при минимальной освещенности (0,2 E) Кзн составляет 20% от I (и 20% от I). Обосновывается это следующим: в условиях низкой освещенности (датчика положения Солнца и солнечной установки) в системе слежения ухудшается соотношение сигнал/шум на выходе датчика положения Солнца (сигнал шума - это фоновая засветка датчика, отраженный сигнал света от посторонних предметов, шумы и наводки от длинного многожильного кабеля (солнечная установка может находиться в 20 метрах и более от блока управления системой слежения) и другое). Поэтому увеличение величины зоны нечувствительности, а именно, значения коэффициента зоны нечувствительности (Кзн) при уменьшении текущей освещенности (E) приводит к улучшению фильтрации в системе слежения за Солнцем, к отсутствию случайных дерганий и реверсирования по положению рамы солнечной установки. Это приводит к уменьшению ошибки по положению от сигнала помех и шума, к увеличению точности наведения при уменьшении текущей освещенности солнечной установки, а также приводит к уменьшению энергетических затрат на наведение солнечной установки на Солнце. При освещенности менее 20% от максимальной освещенности (0,2 E) энергетическая эффективность солнечной установки (выработка электрической энергии) резко падает, а в автономных солнечных установках даже не происходит заряд аккумуляторов (накапливающих электрическую энергию), из-за низкого тока и напряжения, вырабатываемого солнечной батареей.
В таблице 1 приведены условия перемещения рамы солнечной установки по двум координатам (наведения установки на Солнце) с учетом значения коэффициента зоны нечувствительности.
Средние токи определяются по выражениям:
ср1
2
4
I=(I+I)/2
ср2
2
5
I=(I+I)/2
Измерение текущей освещенности (E) происходит с помощью дополнительного фотоэлемента 14. При этом измеряется ток фотоэлемента 14 причем ток фотоэлемента 14 прямо пропорционален текущей освещенности. Изменение величины коэффициента зоны нечувствительности (Кзн) показано на графике, приведенном на фиг. 2.
Введение фотоэлемента, измеряющего текущую освещенность, обеспечило технический эффект, заключающийся в том, что при малой освещенности (малый световой поток от Солнца) случайные сигналы от помех (на выходе датчика положения Солнца) не проходят через нелинейный элемент типа зона нечувствительности, и не возникает случайных дерганий и реверсирования по положению рамы солнечной установки. При этом повышается точность наведения солнечной установки па Солнце при малых уровнях освещенности и уменьшаются энергетические затраты на наведение солнечной установки на Солнце.
Список используемых источников
1. Патент РФ №2459156 C1.
2. Патент на полезную модель №135126 C1.