ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ СОЛНЦА

Полезная модель относится к гелиоэнергетике и может быть использована для наведения солнечных энергоустановок на Солнце.
Известен датчик светового излучения (RU №2054165), который содержит основание, на котором закреплена светоэкранирующая шторка с галтелью и установлены четыре квадратных фотоэлектрических элемента, фотоэлектрические элементы расположены с зазором по отношению друг к другу симметрично относительно продольной и поперечной плоскостей симметрии датчика, в которых расположена светоэкранирующая шторка с галтелью, выполненной в виде креста, расположенного так, что нормальные проекции вершин его внутренних прямых углов совпадают с центрами фотоэлектрических элементов, выполненных квадратными.
Недостатком данного устройства является следующее: отсутствует фотоэлектрический элемент позволяющий развернуть солнечную энергоустановку в направлении Солнца после его захода, на следующий день.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является фотоэлектрический датчик положения Солнца из патента на солнечную энергоустановку (RU №2459156 С1). 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 по 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 в прототипе не обеспечивается равномерное нагревание всех фотоэлементов, так как нет теплопроводящего каркаса под командным фотоэлементом.
Задачей, на которую направлено предлагаемое решение полезной модели, является создание новой конструкции фотоэлектрического датчика положения Солнца, обеспечивающей расширение функциональных возможностей, а именно, обеспечение наведения по азимуту и углу места, и выравнивание температуры под всеми фотоэлементами (при этом осуществляется стабилизация выходных параметров датчика за счет выравнивания температуры на всех фотоэлементах датчика).
Фотоэлектрический датчик положения Солнца по заявляемой полезной модели, так же как и прототип содержит теплопроводный каркас с гранями, на которых расположены фотоэлементы слежения за Солнцем и командный фотоэлемент.
Новым является то, что теплопроводящий каркас выполнен в форме четырехгранной усеченной пирамиды. В четырех гранях пирамиды и в ее основании выполнены посадочные места под четыре фотоэлемента слежения за Солнцем и под пятый - командный фотоэлемент, все фотоэлементы зафиксированы в посадочных местах, и закрыты защитными стеклами, в основании усеченной пирамиды выполнены элементы крепления. Применение четырехгранной пирамиды, основание которой является квадрат, обеспечило возможность наведения по двум координатам (по азимуту и углу места).
Сущность полезной модели поясняется с помощью рисунка, где на фиг. 1а показан вид сверху, и 1б показан вид снизу фотоэлектрического датчика положения Солнца.
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.
Для точного наведения на Солнце солнечной энергоустановки необходимо выравнивание температуры во всех фотоэлементах 2-6 фотодатчика. Это обеспечивается теплопроводящим каркасом датчика, изготовленного в форме четырехгранной усеченной пирамиды 1 из дюралюминиевого сплава.
Фотоэлементы 2-6 имеют одинаковые технические характеристики, а именно, выдают одинаковый ток при одинаковой освещенности.
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, составляющую примерно 5% 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 на величину зоны нечувствительности, составляющую примерно 5% от среднего тока фотоэлементов 3 и 5, то перемещать поворотную раму солнечной энергоустановки не требуется, то есть поворотная рама солнечной энергоустановки точно направлена на Солнце или 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
ср2
Вышеуказанные перемещения (наведение установки на Солнце) реализованы в реальной установке. Перемещение в реализованной солнечной установке осуществляется по координатам (азимуту и углу места) только тогда, когда разница в токе фотоэлементов противоположных граней превышает пороговое значение, а именно, зону нечувствительности (0,05I и 0,05I). Это необходимо для исключения дерганий и ненужного реверса при наведении установки на Солнце.
В таблице 1 приведены условия перемещения по двум координатам.
Таблица 1. Взаимосвязь токов фотоэлементов с перемещением рамы солнечной установки.
Наведение по азимуту
Направление перемещения рамы солнечной установки
I<sub>2</sub>-I<sub>4</sub>≥0,05I<sub>ср1</sub>
Влево
I<sub>2</sub>-I<sub>4</sub>≤-0,05I<sub>ср1</sub>
Вправо
-0,05I<sub>ср1</sub>≤I<sub>2</sub>-I<sub>4</sub>≤0,05I<sub>ср1</sub>
Нет перемещения (рама точно направлено на Солнце)
I<sub>2</sub>=I<sub>4</sub>=I<sub>6</sub>
Нет перемещения (рама в тени)
I<sub>6</sub>>I<sub>4</sub>, I<sub>6</sub>>I<sub>2</sub>
Перемещение в начальное положение
Наведение по углу места
Направление перемещения рамы солнечной установки
I<sub>3</sub>-I<sub>5</sub>≥0,05I<sub>ср2</sub>
Вверх
I<sub>3</sub>-I<sub>5</sub>≤-0,05I<sub>ср2</sub>
Вниз
-0,05I<sub>ср2</sub>≤I<sub>3</sub>-I<sub>5</sub>≤0,05I<sub>ср2</sub>
Нет перемещения (рама точно направлена на Солнце)
Примечание: I<sub>2</sub> - ток фотоэлемента 2, I<sub>4</sub> - ток фотоэлемента 4, I<sub>3</sub> - ток фотоэлемента 3, I<sub>5</sub> - ток фотоэлемента 5, I<sub>6</sub> - ток фотоэлемента 6, I<sub>ср1</sub> - средний ток фотоэлементов 2 и 4, I<sub>ср2</sub> - средний ток фотоэлементов 3 и 5.
Средние токи определяются по выражениям:
ср1
2
4
I=(I+I)/2
ср2
3
5
I=(I+I)/2
Известно, что повышение температуры фотоэлемента приводит к понижению вырабатываемого им тока. Если не обеспечить выравнивание температуры фотоэлементов датчика, то может происходить следующее: при перемещении Солнца в датчике может нагреться более освещаемая поверхность, например, поверхность фотоэлемента 2 нагреется сильнее, чем поверхность фотоэлемента 4 (противоположная грань пирамиды). При этом упадет выходной ток фотоэлемента 2, хотя освещенность фотоэлемента 2 выше, чем освещенность фотоэлемента 4. В этом случае перемещение не произойдет, несмотря на разность освещенностей фотоэлементов 2 и 4. То же самое относится к фотоэлементам 3 и 5, а также к фотоэлементу 6 относительно остальных фотоэлементов. Поэтому для обеспечения правильности и точности наведения целесообразно осуществлять выравнивание температуры во всех плоскостях, на которых установлены фотоэлементы датчика, что и выполняется с помощью каркаса, грани которого имеют одинаковую теплопроводность.