СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНЫМ КОНЦЕНТРАТОРНЫМ МОДУЛЕМ
SYSTEM FOR REMOTE MONITORING AND CONTROL OF SOLAR CONCENTRATOR MODULE

Предлагаемая система относиться к гелиотехнике, в частности к средствам управления солнечным концентраторным модулем для получения электрической и тепловой энергии.
Известны солнечные модули с концентраторами и система контроля и управления ими (авт. св. СССР №1.620.784; патенты РФ №№2.158.045, 2.172.451, 2.172.903, 2.206.837, 2.378.655, 2.474.827, 2.488.915; Стребков Д.С., Тверьянович Э.В. Концентраторы солнечного излучения. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007, с. 180 и другие).
Из известных систем и устройств наиболее близким к предлагаемой является «Солнечный концентраторный модуль» (патент РФ №2.488.915, H04L 31/042, 2011), который и выбран в качестве прототипа.
Указанный модуль обеспечивает эффективную работу в течение всего светового дня в стационарном режиме без слежения за солнцем, увеличение концентрации солнечного излучения, а также повышение эффективности использования солнечной энергии в солнечном концентраторном модуле за счет отвода тепла от фотоприемника и использование его в режиме когенерации для производства энергии и тепла.
Следует отметить, что возобновляемые источники энергии (солнечные батареи, ветрогенераторы, микроГЭС) являются основными источниками автономной системы электроснабжения контейнерно-базовых несущих конструкций (КБНК), устанавливаемых и используемых в удаленных районах, в том числе и в районах Крайнего Севера. Контролировать и управлять указанными возобновляемыми источниками энергии целесообразно дистанционно с использованием радиоканала.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей системы путем повышения надежности централизованного контроля и управление солнечными концентраторными модулями с помощью дуплексной радиосвязи на двух частотах с использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
1
2
1
2
1
г2
пр1
2
г1
пр3
г1
г2
пр1
пр3
г2
г1
пр2
2
1
Поставленная задача решается тем, что система дистанционного контроля и управления солнечным концентраторным модулем, включающая солнечный концентраторный модуль, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, приемник с двухстороненней рабочей поверхностью, установленный в плоскости симметрии между фокальной осью концентратора и поверхностью концентратора, выполненного в виде зеркальных отражателей, при этом приемник установлен в плоскости симметрии цилиндрического концентратора, ветви концентратора в поперечном сечении образованы окружностями радиуса R, равного высоте Н приемника с центрами в точках O1 и O2, расположенными по краям приемника в верхней его кромке, фокальные оси ветвей цилиндрического концентратора, проходящие через центры окружностей O и O, расположенными по краям приемника в верхней его кромке, фокальные оси ветвей цилиндрического концентратора, проходящие через центры окружностей O и O параллельно верхней кромке приемника, ориентированы в направлении север-юг и наклонены в северном полушарии к плоскости горизонта в южном направлении под углом φ=90°-α, где α - широта местности, в южном полушарии фокальные оси наклонены к горизонтальной поверхности в северном направлении под углом φ-90°-α, а в экваториальной зоне с широтой от 30° южной широты до 30° северной широты фокальные оси цилиндрического концентратора параллельны горизонтальной поверхности, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена двумя модемами, первый из которых размещен на пункте контроля и управления, а второй вместе с солнечным концентраторным модулем размещены на удаленном объекте, при этом солнечный концентраторный модуль размещается в герметичной прозрачной полусфере, на которой сверху установлена штыревая приемо-передающая антенна, соединенная с коробкой, в которой размещены буферная щелочная батарея и второй модем, каждый модем состоит из последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом источника дискретных сообщений, первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилителя первой промежуточной частоты, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемо-передающей антенной, второго усилителя мощности, второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилителя второй промежуточной частоты, перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосового фильтра и фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход является выходом модема, причем первый модем излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте ω=ω=ω, а принимает на частоте ω=ω=ω, где ω, ω - частоты первого и второго гетеродинов, ω - первая промежуточная частота, ω - третья промежуточная частота, частоты гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты ω-ω=ω, а второй модем, наоборот, излучает сложные сигналы с фазовой манипуляцией на частоте ω, а принимает на частоте ω.
Поперечное сечение солнечного концентраторного модуля с двухсторонним приемником и линейным цилиндрическим концентратором с апертурой 120° представлено на фиг. 1. Общий вид герметичной прозрачной полусферы и коробки изображен на фиг. 2. Структурная схема первого модема 16.1 представлена на фиг. 3. Структурная схема второго модема 16.2 представлена на фиг. 4 Частотная диаграмма, иллюстрирующая процесс преобразования сигналов, показана на фиг. 5.
1
2
1
2
Приемник 1 с двухсторонней рабочей поверхностью 2 и 3 установлен в плоскости симметрии цилиндрического концентратора 5, ветви 6 и 7 которого в поперечном сечении образованы окружностями радиуса R, равного высоте Н приемника 1 с центрами О и O, расположенными по краям приемника в верхней его кромке, при этом фокальные оси ветвей цилиндрического концентратора, проходящие через центры окружностей O и O параллельно верхней кромке 8 приемника, ориентированы в направлении север-юг и наклонены в северном полушарии к плоскости горизонта в южном направлении под углом φ=90°-α, где α - широта местности, причем в южном полушарии фокальные оси наклонены к горизонтальной поверхности в северном направлении под углом φ=90°-α, а в экваториальной зоне с широтой от 30° южной широты до 30° северной широты фокальные оси цилиндрического концентратора параллельны горизонтальной поверхности 11.
Солнечный концентраторный модуль установлен в герметичном прозрачном полусферическом колпаке 12 на герметичной коробке 13, внутри которой расположены буферная щелочная батарея и второй модем 16.2. Штыревая приемо-передающая антенна 25.2 установлена в верхней части полусферы, и вся система закреплена на удаленном объекте 14 (КБНК)
Каждый модем 16.1 (16.2) содержит последовательно включенные задающий генератор 17.1 (17.2), фазовый манипулятор 19.1 (19.2), второй вход которого соединен с выходом источника 18.1 (18.2) дискретных сообщений, первый смеситель 21.1 (21.2), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 20.1 (20.2), усилитель 22.1 (22.2) первой промежуточной частоты, первый усилитель 23.1 (23.2) мощности, дуплексер 24.1 (24.2), вход-выход которого связан с приемо-передающей антенной 25.1 (25.2), второй усилитель 26.1 (26.2) мощности, второй смеситель 28.1 (28.2), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 27.1 (27.2), усилитель 29.1 (29.2) второй промежуточной частоты, перемножитель 30.1 (30.2), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 20.1 (20.2), полосовой фильтр 31.1 (31.2) и фазовый детектор 32.1 (32.2) второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 27.1 (27.2), а выход является выходом модема 16.1 (16.2).
Система работает следующим образом.
При опросе определенного удаленного объекта (КБНК) и передачи на него команд и сообщений на пункте контроля и управления включается задающий генератор 17.1, который формирует высокочастотное колебание.
c1
c1
c
c1
c1
u(t)=U·cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
c1
c
с1
c1
1
мн
где U, ω, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое поступает на первый вход фазового манипулятора 19.1. На второй вход фазового манипулятора 19.1 с выхода источника 18.1 дискретных сообщений подается моделирующий код M(t), который содержит идентификационный номер опрашиваемого удаленного объекта, а также различные команды управлений. На выходе фазового манипулятора 19.1 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (Ф)
c1
1
c
к1
c1
c1
u(t)=U·cos(ωt+φ(t)+φ), 0≤t≤T,
к1
1
к1
э
э
э
где φ(t)={0, π] - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t)=const при кτ<t<(к+1)τ и может изменяться скачком при t=кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (к=1, 2, …, N-1);
э
c1
c1
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T (T=N·τ), который поступает на первый вход первого смесителя 21.1, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина
г1
г1
г1
г1
u(t)=U·cos(ωt+φ).
На выходе смесителя 21.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 22.1 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты
пр1
пр1
пр1
к1
пр1
c1
u(t)=U·cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
где
пр1
с
г1
ω=ω+ω - первая промежуточная (суммарная) частота;
пр1
с1
г1
φ=φ+φ.
1
г2
пр1
Это напряжение после усиления в усилителе 23.1 мощности через дуплексер 24.1 поступает в приемо-передающую антенну 25.1, излучается ею в эфир на частоте ω=ω=ω, улавливается приемо-передающей антенной 25.2 удаленного опрашиваемого объекта и через дуплексер 24.2 и усилитель 26.2 мощности поступает на первый вход смесителя 28.2.
На второй вход смесителя 28.2 подается напряжение гетеродина 27.2
г1
г1
г1
г1
u(t)=U·cos(φt+φ)
На выходе смесителя 28.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 29.2 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты
пр2
пр2
пр2
к2
пр2
1
u(t)=U·cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤Tc,
где
пр2
пр1
г1
ω=ω-ω - первая промежуточная (разностная) частота;
пр2
пр1
г1
φ=φ-φ,
которое поступает на первый вход перемножителя 30.2, на второй вход последнего подается напряжение гетеродина 20.2
г2
г2
г2
г2
u(t)=U·cos(ωt+φ).
На выходе перемножителя 30.2 образуется напряжение
3
3
г1
к1
г1
c1
u(t)=U·cos[ωt-φ(t)+φ], 0≤t≤T,
где
г1
г2
пр2
ω=ω-ω;
г1
г2
пр2
φ=φ-φ,
г1
которое выделяется полосовым фильтром 31.2 и поступает на первый информационный вход фазового детектора 32.2. На второй (опорный) вход которого подается напряжение U(t) с выхода гетеродина 27.2 в качестве опорного напряжения. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 32.2 образуется низкочастотное напряжение
н1
н1
к1
c
u(t)=U·cosφ(t), 0≤t≤T,
где ,
1
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение поступает на выход модема 16.2 на соответствующие исполнительные блоки и устройства и включает второй модем 16.2
При этом солнечный концентраторный модуль, установленный на удаленном объекте (КБНК), работает следующим образом.
2
2
Фотоприемник 1 размером 1,2 м × 2,5 м содержит 8 параллельных секций, в каждой из которых последовательно соединены 36 двухсторонних солнечных элементов размером 125×61,25 мм, каждая секция имеет развязывающие диоды (не показаны). Концентратор 5 выполнен из двух ветвей, поперечное сечение представляет собой окружности, равные высоте приемника в верхних его точках. Угловая апертура солнечного концентраторного модуля составляет 120°, геометрический коэффициент концентрации в полдень равен к=1,75. Площадь фотоприемника 3 м, пиковая электрическая мощность фотоприемника при стандартной освещенности 1 кВт/м составляет 450 Вт, КПД 15%, пиковая электрическая мощность солнечного концентраторного модуля при оптическом КПД концентратора 0,88 и геометрическом коэффициенте концентрации 1,75 составляет 693 Вт. Солнечный концентраторный модуль с угловой апертурой 120° работает 8 часов в сутки. При этом он подзаряжает буферную щелочную батарею для работы в ночное время. Солнечное излучение попадает на концентратор, отраженное концентрированное излучение приходит на приемник 1 с двухсторонней рабочей поверхностью 2 и 3. Если концентратор 5 установлен стационарно, в первой половине дня работает одна ветвь концентратора, со стороны приемника, во второй половине дня - другая ветвь концентратора и другая сторона приемника. В полуденные часы концентратор обеспечивает освещение двух рабочих поверхностей приемника.
При включении второго модема 16.2 генератором 17.2 формируется высокочастотное колебание
c2
c2
c2
с2
c2
u(t)=U·cos(ω+φ), 0≤t≤T,
2
мн
которое поступает на первый вход фазового манипулятора 19.2, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода источника 18.2 дискретных сообщений, который содержит информацию о параметрах и состоянии солнечного концентраторного модуля. На выходе фазового манипулятора 19.2 формируется сложный Ф сигнал
4
4
c2
к2
с2
c2
u(t)=U·cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
к2
2
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом М(t), который поступает на первый вход смесителя 21.2, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 20.2
г2
г2
г2
г2
u(t)=U·cos(ωt+φ).
На выходе смесителя 21.2 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 22.2 выделяется напряжение третьей промежуточной частоты
пр3
пр3
пр3
к2
пр3
c2
u(t)=U·cos [ωt-φ(t)+φ], 0≤t≤T,
где
пр3
г2
с
ω=ω-ω - третья промежуточная (разностная) частота;
пр3
г2
с2
φ=φ-φ.
2
г1
пр3
Это напряжение после усиления в усилителе 23.2 мощности через дуплексер 24.2 поступает в приемо-передающую антенну 25.2, излучается ею в эфир на частоте ω=ω=ω улавливается приемо-передающей антенной 25.1 пункта контроля и управления и через дуплексер 24.1 и усилитель 26.1 мощности поступает на первый вход смесителя 28.1, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 27.1
г2
г2
г2
г2
u(t)=U·cos(ωt+φ).
На выходе смесителя 28.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 29.1 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты
пp4
пр4
пр2
к2
пр4
c2
u(t)=U·cos[ωt-φ(t)+φ], 0≤t≤T,
где
пр2
г2
пр3
ω=ω-ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр4
пр3
г2
φ=φ-φ,
которое поступает на первый вход перемножителя 30.1, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 20.1
г1
г1
г1
г1
u(t)=U·cos(ωt+φ).
На выходе перемножителя 30.1 образуется напряжение
5
5
u2
к2
u2
c2
u(t)=U·cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
где
г2
пр2
г1
ω=ω+ω,
г2
которое выделяется полосовым фильтром 31.1 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 32.1. На второй вход (опорный) фазового детектора 32.1 подается напряжение u(t) гетеродина 27.1, в результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 32.1 образуется низкочастотное напряжение
н2
н2
к2
c2
u(t)=U·cosφ(t), 0≤t≤T,
где
2
пропорциональное модулирующему коду M(t).
Это напряжение поступает на выход модема 16.1, например на вход блока регламентации и анализа.
1
2
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение надежности централизованного контроля и управления солнечными концентраторными модулями, установленными на удаленных объектах (КБНК). Это достигается установлением между пунктом контроля и управлением и удаленными объектами дуплексной радиосвязи на двух частотах ω и ω с использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Указанные сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
мн
мн
мн
Энергетическая скрытность сложных Ф сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный Ф сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного Ф сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
мн
мн
Структурная скрытность сложных Ф сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных Ф сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.
мн
Следовательно, использование сложных Ф сигналов позволяет осуществлять уверенный обмен дискретной информации между пунктом контроля и управления и удаленными объектами (КБНК), на которых установлены солнечные концентраторные модули.
Для защиты от воздействия окружающей внешней среды солнечный концентраторный модуль установлен в герметичном прозрачном полусферическом колпаке на герметичной коробке, внутри которой расположены буферная щелочная батарея и второй модем. Указанное устройство может выполнять роль и антивандального устройства.
Тем самым функциональные возможности системы расширены.