Дана оценка преимуществ включения системы слежения за Солнцем в состав солнечной энергетической установки (СЭУ). Описаны режимы управления для облачной и солнечной погоды, приведены исходные данные для алгоритма системы слежения, состав механизма поворота, схема контроллера и его связей с агрегатами СЭУ, а также фрагмент программы, решающий одну из задач управления агрегатами СЭУ.
УДК 620.4:621.311.25:62-52 | ВАК 05.11.07 DOI: 10.22184/1992-4178.2019.183.2.120.125
Дана оценка преимуществ включения системы слежения за Солнцем в состав солнечной энергетической установки (СЭУ). Описаны режимы управления для облачной и солнечной погоды, приведены исходные данные для алгоритма системы слежения, состав механизма поворота, схема контроллера и его связей с агрегатами СЭУ, а также фрагмент программы, решающий одну из задач управления агрегатами СЭУ.
УДК 620.4:621.311.25:62-52 | ВАК 05.11.07 DOI: 10.22184/1992-4178.2019.183.2.120.125
Одним из главных критериев, по которому оцениваются эффективность и уровень производительности СЭУ, является КПД солнечных панелей. Повысить этот показатель можно несколькими способами. Можно применять многослойные панели, состоящие из набора материалов, расположенных так, чтобы улавливались кванты всех спектров солнечного излучения[1]. Но такие материалы слишком дороги для стационарных станций гражданского и общетехнического назначения. Использование различного вида концентраторов в виде линз, фоконов или фоклинов сопровождается повышением температуры панелей, что снижает их КПД, и для возвращения его к номинальным значениям требуется введение устройств принудительного охлаждения. Поэтому наиболее эффективным является применение систем непрерывного слежения за Солнцем, обеспечивающих существенное увеличение вырабатываемой мощности (на 20–60%, в зависимости от того, в какой точке мира установлена солнечная электростанция) и более равномерное генерирование электроэнергии в течение дня (рис. 1) [2, 3].
В течение дня выработка энергии солнечными панелями падает на 10% и более из-за их нагрева [1]. Поэтому очень важно увеличить выработку панелей в утренние часы, что наилучшим образом выполняется при помощи следящей системы. Дополнительным преимуществом, существенным для нашего климата, является отсутствие необходимости очищать панели от снега в зимний период, так как значительную часть времени они находятся в положении, близком к вертикальному. Использование следящих устройств позволяет при равной мощности уменьшить габаритные размеры СЭУ и сэкономить площадь земельного участка. Коллективом авторов Московского авиационного университета разрабатывается система слежения за Солнцем, состоящая из поворотного механизма и блока управления. Поворотный механизм состоит из гидроцилиндров, гидронасоса, системы циркуляции жидкости, преобразователя линейного движения штоков гидроцилиндров в угловое перемещение панелей и двух электромагнитов, фиксирующих положение осей вращения панелей. Включение насоса подачи гидравлической жидкости и управление направлением движения гидравлического механизма выполняется по командам, поступающим с блока управления. Логика выполнения основных функций блока управления реализована в контроллере, который получает информацию от ряда датчиков и каналов связи и выдает команды на исполнительные устройства. Помимо аппаратуры и программ, необходимых для выполнения основной задачи, контроллер содержит также схемы защиты аккумуляторной батареи от превышения допустимого уровня зарядки и отключения инвертора (нагрузки) при неприемлемом снижении напряжения на его входе. В составе блока управления имеются средства для отображения информации о текущей ориентации панелей и модем для передачи диагностических данных и приема команд в виде SMS на телефон пользователя или по электронной почте (SMTP) – в зависимости от настройки модема. Связи контроллера с другими устройствами блока управления и агрегатами солнечной энергетической установки схематически показаны на рис. 2. Можно видеть, что контроллер (Controller) получает сигналы точного времени и географических координат объекта с приемника (GPS receiver), формирует команды для силовых цепей управления поворотным механизмом и получает сигналы обратной связи по положению панелей (Rotary control), передает и принимает информацию от модема (Modem), управляет отключением / подключением аккумуляторной батареи (Accumulator) и инвертора (Invertor). Информация о режиме работы устройства выдается на светодиодную панель (Indicator). Разработанный контроллер позволяет управлять поворотом фотоэлектрических панелей в двух режимах. В облачную погоду панели поворачиваются через равные промежутки времени на углы, рассчитанные по программе, введенной в память контроллера. В ясную погоду панели непрерывно разворачиваются в направлении Солнца в соответствии с информацией, полученной от фотодатчиков; точность их ориентации в этом случае выше, чем в программном режиме. Для постоянной ориентации панелей перпендикулярно к потоку солнечных лучей необходимо изменять их положение в двух плоскостях, учитывая вращение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси [5]. В горизонтальной системе координат (рис. 3) в зависимости от широты местности (ϕ) определяются высота солнцестояния h (угол между направлением на Солнце и горизонтальной плоскостью) и азимут A (угол между плоскостью меридиана и вертикальной плоскостью). В экваториальной системе координат (рис. 4) в соответствии со временем суток рассчитываются склонение светила δ (угол между направлением на Солнце и экваториальной плоскостью) и часовой угол τ (угловое смещение Солнца от полудня). Угловые параметры расположения Солнца рассчитываются по формулам [6, 7] , τ = 15° · (Тс – 12), h = arccos (sin δ · sin ϕ + cos δ · cos τ · cos ϕ), , где n – порядковый номер дня года, Тс – местное солнечное время. Приведенные формулы лежат в основе заложенной в память контроллера программы, которая через определенные интервалы времени по полученным приемником GPS географической широте местности, местному времени и дате рассчитывает высоту h и азимут А Солнца. После этого исполнительные устройства переориентируют фотоэлектрические панели в расчетное положение, в котором они фиксируются до следующего цикла управления. В таком режиме система слежения работает в облачную погоду. Для организации обратной связи по углу поворота в конструкцию поворотного устройства введены пружины, закрепленные параллельно со штоками гидроцилиндров. Сила растяжения этих пружин, пропорциональная углу поворота панелей, измеряется тензометрическими датчиками силы EMS20 фирмы EMSYST [8]. По сравнению с датчиками других типов, которыми можно измерять угол поворота, EMS20 имеет невысокую цену и сравнительно просто устанавливается в конструкцию поворотного механизма. Во втором режиме система слежения начинает работать при поступлении через модем команды «Солнечный день». В этом случае для точного наведения панелей на Солнце используется механически связанная с ними сборка из двух расположенных под углом друг к другу фотодатчиков (рис. 5). Роль последних выполняют фоторезисторы на основе сульфида кадмия – ФСК-Г7, изменяющие величину сопротивления при облучении светом. Система регулирования поворачивает панели до выравнивания уровней сигналов от этих датчиков. При отсутствии сигнала рассогласования с фотодатчиков и остановке механизма на определенный период времени программа принимает решение о наличии облачности и начинает работать по алгоритму первого режима: рассчитывается текущее значение требуемого положения панелей в соответствии со временем суток, и механизм поворачивает панели в правильном направлении. Основным управляющим элементом контроллера является быстродействующий 16-разрядный микроконтроллер SAM4E (Cortex M4 Atmel) [9]. Электрическая схема контроллера приведена на рис. 6. Выводы микроконтроллера SAM4E (микросхема U4) сконфигурированы следующим образом: PB0, PB1 – как входы АЦП, выводы PA23-PA27, PD18-PD27 – как выходы, предназначенные для управления механизмом поворота панелей, вывод PB14 – как выход отладочного ЦАП, выводы PA9, PA10, PA21, PA22 – как два порта RS‑232. Функции микросхем контроллера приведены в табл. 1, назначение разъемов – в табл. 2. Поворот панелей является сложным динамическим процессом, и ему будет посвящена отдельная статья. Здесь же мы приводим фрагмент написанной на языке С программы управления агрегатами СЭУ, предназначенный для управления подключением нагрузки и отключением солнечных панелей от аккумуляторных батарей. Для отладки программного обеспечения был изготовлен макет контроллера. Приведенная программа проверена и отлажена; алгоритмы и программы отладки будут рассмотрены в следующих публикациях. ЛИТЕРАТУРА 1. Пчельникова-Гротова О. Проектирование и расчет автономных фотоэлектрических энергетических установок // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2019. № 1. С. 120–127. 2. Акулинин А., Смыков В. Оценка возможностей солнечной энергетики на основе точных наземных измерений солнечной радиации // Проблемы региональной энергетики. 2008. № 1. 3. Пчельникова-Гротова О.Н., Мин М. Т. Оценка ресурсов солнечной энергии для снабжения наземных систем обеспечения полетов в республике Мьянма // Труды МАИ. 2016. № 91. http://trudymai.ru / published.php? ID=75619. 4. Интернет-ресурс http://mirvetra.com.ua / suntracker.html 5. Жаров В. Е. Сферическая астрономия. – Фрязино: Век 2, 2006. 6. Фалеев Д. С. Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии. – Хабаровск: Издательство ДВГУПС, 2005. 7. Solar Position Algorithm (SPA) Электронный ресурс https://midcdmz.nrel.gov/spa/. 8. Чукан Й., Костиков К. Тензометрические датчики силы // Компоненты и технологии. 2010. № 1. С. 16–18. 9. ADSP‑21990: Implementation of PI Controllers. Analog Devices Inc., December, 2001. https://www.analog.com / media / en / technical-documentation / application-notes / PI_ctrl.pdf