УСТРОЙСТВО ОРИЕНТИРОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ
DEVICE FOR ORIENTATION OF SOLAR BATTERY

Изобретение относится к области солнечной энергетики (гелиоэнергетике) и предназначено для автоматической ориентации батареи солнечных панелей в положение по отношению к Солнцу с максимально возможной вырабатываемой мощностью. Сферами применения изобретения могут быть, например, электроэнергетические солнечные установки, используемые в частном секторе или на промышленных объектах.
Известна солнечная энергоустановка (см. патент РФ №2548244, МПК F24J 2/54, H02S 10/00, опубл. 20.04.2015), содержащая принимающую солнечную энергию плоскость, систему управления приводами азимутального и зенитального поворотов плоскости и разворота ее с запада на восток, валы приводов, систему слежения за Солнцем. Система слежения включает в себя два фотоэлектрических модуля, закрепленных на выносной платформе, которая установлена параллельно принимающей солнечную энергию плоскости энергоустановки. Первый фотоэлектрический модуль представляет собой датчик положения Солнца по азимуту, в конструкции которого размещены два фотоэлемента слежения за Солнцем и командный фотоэлемент разворота принимающей солнечную энергию плоскости солнечной энергоустановки с запада на восток. Второй фотоэлектрический модуль представляет собой датчик положения Солнца по зениту, содержащий два фотоэлемента слежения за Солнцем.
Известно также поворотное устройство для солнечного энергомодуля (см. патент РФ №2381426, МПК F24J 2/54, опубл. 10.02.2010) состоящее из конструкции, включающей датчик освещенности, устройство обработки сигнала и электронный таймер. Датчик освещенности включает в себя два фотодиода, которые закреплены на несущей пластине, установленной на подвижной раме, параллельно плоскости солнечной батареи, и отражатель, представляющий собой пластину с белой матовой поверхностью, установленную параллельно оси вращения батареи и перпендикулярно ее плоскости таким образом, чтобы не попадать в тень батареи при любом положении Солнца.
Недостатком известных устройств является наличие дополнительных датчиков освещенности для слежения за Солнцем, что уменьшает надежность системы, а также увеличивает нестабильность работы в пасмурную погоду. Кроме того, возможны ошибки ориентирования в связи с бликами. Все это снижает энергоэффективность вышеописанных систем.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является устройство для автоматической ориентации солнечной батареи (см патент РФ №171448, МПК H02S 20/10, опубл. 01.06.2017). Устройство содержит систему автоматического регулирования, состоящую из солнечной батареи, электромеханического привода, осуществляющего ориентирование в азимутальной плоскости, блока управления на основе микроконтроллера, системы обратной связи на основе датчика положения, линейного актуатора и солнечной панели в роли датчика освещенности. Описанное устройство принято за прототип.
Недостатками прототипа являются:
- использование пассивного алгоритма ориентирования;
- низкая эффективность ориентирования за счет регулирования зенитного угла человеком.
Данные недостатки значительно снижают энергоэффективность и доступность предложенной разработки.
Технический результат изобретения заключается в повышении энергоэффективности работы солнечной батареи путем ее ориентации в положение с максимальной выработкой мощности, при снижении энергетических затрат на осуществление ориентации.
Технический результат достигается тем, что устройство ориентирования солнечных батарей, содержащее подвижную раму, на которой установлены солнечные батареи, снабженную системой поворота рамы, а также систему автоматического регулирования, содержащую электромеханические приводы, блок управления на основе микроконтроллера и модуль обратной связи, отличается тем, что система поворота рамы выполнена в виде вертикального вала, на котором установлена рама, и горизонтального вала, установленного между рамой и вертикальным валом, при этом валы установлены с возможностью вращения вокруг оси и приводятся в движение электромеханическими приводами, выполненными в виде электродвигателей постоянного тока с понижающим редуктором, модуль обратной связи содержит датчики напряжения и тока, подключенные к выходу солнечной батареи, а также датчики положения вертикального и горизонтального валов, и подключен к центральному микроконтроллеру, который, при помощи датчиков напряжения и тока, определяет величину вырабатываемой солнечной батареей мощности, определяет положение солнечной батареи с максимальной вырабатываемой мощностью, и выдает команду на поворот солнечной батареи через силовой модуль, содержащий транзисторные или релейные ключи, включающие электродвигатели электроприводов вертикального и горизонтального валов.
Устройство отличается также тем, что датчики положения вертикального и горизонтального валов выполнены в виде потенциометров, расположенных непосредственно на валах.
Устройство отличается также тем, что датчики положения вертикального и горизонтального валов выполнены в виде гироскопа, расположенного под рамой.
На фигуре 1 изображен внешний вид устройства. Устройство состоит из подставки 1 с вертикальным вращающимся валом 2 для азимутального поворота батареи в горизонтальной плоскости, на котором установлена рама 3 для размещения солнечной батареи, поворачиваемая горизонтальным вращающимся валом 4 для зенитального поворота батареи в вертикальной плоскости, валы приводятся в движение электромеханическими приводами 5 и 6 соответственно. В качестве электромеханических приводов используются электродвигатели постоянного тока с понижающим редуктором.
В роли датчиков положения установки используются потенциометры (переменные сопротивления) 7 и 8, регулирующий орган которых соединяется с соответствующим валом. При изменении угла поворота вала изменится напряжение на среднем выводе потенциометра, что в итоге даст аналоговый сигнал положения вала. В качестве вспомогательного датчика положения используется гироскоп 9. Гироскоп закрепляется под рамкой 3 и позволяет отслеживать изменение угла поворота солнечной батареи в двух плоскостях.
На фигуре 2 изображена схема блока управления системы автоматического регулирования. Блок управления содержит модуль обратной связи 10, к которому по сигнальным линиям 11 подключаются датчики положения 7, 8 или 9. Также к модулю обратной связи подключается линия силового выхода солнечной батареи 12. Модуль обратной связи содержит внутри себя датчики напряжения и тока для измерения параметров электроэнергии, вырабатываемой солнечной батареей. С модуля обратной связи выработанная электроэнергия поступает по линии 13 в сеть потребителя или на аккумуляторную батарею 14. По цифровой сигнальной линии 15 модуль обратной связи соединяется с центральным микроконтроллером 16, который управляет силовым модулем 17 по цифровой сигнальной линии 18. Силовой модуль получает питание из сети потребителя по линии 19 и соединяется с электродвигателями электромеханических приводов по линии 20.
Устройство работает следующим образом:
Центральный микроконтроллер 16 отдает силовому модулю 17 команды на поворот валов 2 и 4 на определенный угол с целью ориентирования рамы 3, с установленной солнечной батареей, в определенные точки небосвода. При этом осуществляется обход нескольких точек (обычно 8) в заданной окрестности от начального положения солнечной батареи. В каждой точке, при помощи датчиков напряжения и тока модуля обратной связи, производится замер соответствующих параметров электроэнергии, вырабатываемой солнечной батареей. Полученные значения оцифровываются аналогово-цифровым преобразователем модуля обратной связи и в оцифрованном виде отправляются на центральный микроконтроллер. Центральный микроконтроллер выполняет вычисление вырабатываемой солнечной батареей мощности путем перемножения величины напряжения на силу тока. Полученная мощность для каждой точки запоминается в памяти микроконтроллера.
После обхода всех точек производится сравнение выработанных мощностей, и центральный микроконтроллер отправляет силовому модулю команду на поворот валов устройства в точку с максимальной выработанной мощностью. Силовой модуль при помощи ключей осуществляет включение электромеханических приводов 5 и 6, которые поворачивают валы 2 и 4 до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое положение рамы. Текущее положение рамы отслеживается датчиками 7, 8 или 9.
После этого устройство переходит в ждущий режим на заранее заданный интервал времени. Затем цикл повторяется снова.
Если уровень вырабатываемой солнечной батареей мощности ниже порогового значения, устройство переходит в энергосберегающий режим на период ночного времени суток и переориентируется на восток в положение для захвата восходящего солнца.
Предложенное изобретение позволяет повысить уровень вырабатываемой солнечной батареей мощности за счет ее ориентирования в вертикальной и горизонтальной плоскости в автоматическом режиме в точку с максимальной выработкой мощности. В устройстве не используются дополнительные датчики освещенности, поскольку основным параметром ориентирования является вырабатываемая батареей мощность, что позволяет упростить и повысить надежность системы. Использование в качестве основного параметра ориентирования вырабатываемой батареей мощности позволяет находить наиболее оптимальное положение солнечной батареи в условиях частичного перекрытия небосвода облаками и иными помехами для прохождения солнечного излучения. Также уменьшаются энергетические затраты на ложные повороты солнечной батареи, свойственные алгоритмам ориентирования без обратной связи (по таймеру) или использующим датчики освещенности, подверженные воздействию солнечных бликов. Модульная структура блока управления устройства обеспечивает высокую ремонтопригодность и простоту расширяемости системы.