Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

б – одноосная зенитальная, в – двухосная

Одноосные системы вращают ФМ только в одной плоскости, осуществляющие контроль при перемещении Солнца по азимуту или эклиптике. На практике системы контроля по оси эклиптике не применяются, т.к. перемещение Солнца в течение дня по оси азимута значительнее.

Для достижения большей эффективности при одноосном слежении по эклиптике вторую ось выставляют параллельно оси Земли [52], т.е. на юг под углом к горизонту, соответствующему широте местности (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Расположение ФМ относительно горизонта

Двухосные системы контролируют положение Солнца в двух плоскостях (азимуту и эклиптике Солнца), что обеспечивает точное отслеживание солнечного перемещения в течение дня.

Двухосные системы имеют большую эффективность по сравнению с одноосными, однако стоимость их гораздо выше в связи с усложнением их конструкции и блока контроллера. Поэтому чаще используют системы с одной осью контроля, а вторую ось, как говорилось ранее, выставляют параллельно оси Земли или для достижения большей эффективности выставляют вручную 3-4 раза в год на наиболее эффективный угол.

2.1 Способы и системы контроля ориентации ФМ

Существует три способа контроля ориентации ФМ [53]:

• ручной способ, при котором наводка на Солнце производится оператором;

• пассивный способ, при котором поворот ФМ в течение дня производится по заданному алгоритму управления;

• активный способ, обеспечивающий постоянную ориентацию на максимальный поток солнечного излучения.

Стоит отметить, что рассмотренные в главе способы, методы, датчики и системы на их основе также применимы для концентраторов солнечного излучения и гибридных теплосолнечных установок. Однако в рамках тематики диссертации они рассматриваются для контроля ориентации ФМ.

Рассмотрим системы, основанные на данных способах контроля. Системы контроля на основе ручного способа называются системы ручной наводки на Солнце, а использующие пассивный и активный способ контроля - пассивные системы контроля и активные системы контроля.

2.1.1 Системы ручной наводки на Солнце

В системах с ручной наводкой ФМ на Солнце контроль производится оператором. Для ориентации большого количества ФМ используется пульт управления общим приводом. Точность, а, как результат, и выработанная в течение дня мощность напрямую зависит от работы оператора: его выбора угла наклона ФМ, количества поворотов ФМ в течение дня и времени работы поворотного устройства [13].

Системы ручной наводки на Солнце получили наименьшее распространение. Однако данный способ позволяет оператору быстро отследить наличие поломки в случае ее возникновения. Ручной способ чаще всего используется в качестве резервного для большого количества ФМ, управляемых одним приводом. Также к ручной наводке прибегают при использовании активного способа контроля, в случае отказа по какой-либо причине датчика системы контроля. Некоторые фирмы используют ручной способ совместно с активным для ориентирования ФМ утром на восходящее Солнце, если в использующемся датчике не решена проблема запуска утром.

2.1.2 Пассивные системы контроля

Все пассивные системы контроля имеют один принцип работы – управление скоростью вращения ФМ, на основе расчетно-постоянных характеристиках для данного географического положения ФМ.

Исходные величины для разработки алгоритма работы системы контроля являются постоянными: географическая широта местности, продолжительность дня для данной местности, изменение высоты солнцестояния в течение дня и в течение года.

Угол и скорость поворота ФМ определяется исходя из данных метеослужбы о продолжительности дня, высоты Солнца утром, максимальной высоты в полдень и вечером в определенное время, координат местоположения ФМ [54].

Пассивные системы имеют ряд недостатков, являющихся причиной их непопулярности на сегодняшний день.

Для использования таких систем необходимы данные метеослужбы для каждого конкретного местоположения ФМ и требуют перерасчета угла и скорости поворота ФМ, а, следовательно, изменения программы. Для перерасчета и перепрограммирования микроконтроллера необходима работа специалистов, что лишает ее универсальности и увеличивает стоимость установки.

При использовании пассивной системы контроля необходима точная установка ФМ по сторонам света, что возможно при использовании дополнительных приборов и требует опыта работы.

К тому же, работа по алгоритму не может обеспечить ориентирование ФМ на максимальный поток солнечного излучения, который может не соответствовать положению Солнца при облачном небе.

Несмотря на уровень приходящей солнечной радиации и погодные условия, пассивная система работает по заданному алгоритму, что приводит к неэффективному использованию в пасмурные дни, двигатель будет потреблять электроэнергию при отсутствии необходимости ориентирования. Иногда это проблема решается с помощью датчика освещенности, что приводит к использованию систем с датчиком, т.е. активных, о которых будет рассказано в следующем пункте.

2.1.3 Активные системы контроля

Активные системы контроля получили наибольшее развитие и распространение на сегодняшний день. В отличие от пассивных систем активные ориентируют поверхность ФМ на максимальный поток солнечного излучения, другими словами на самое яркое пятно на небе, которое в ряде случаев не соответствует положению Солнца на небе.

Активные системы принимают во внимание не только прямое солнечное излучение, но также, например, свет, который отражается от снега, воды или камня светлого цвета (рисунок 2.5 а), диффузное солнечное излучение (рисунок 2.5 б, в), которое проникает через облака – и делает это индивидуально для каждой системы (рисунок 2.5 г). Оценить математически прирост мощности в зависимости от этих факторов не просто, однако многочисленные натурные испытания ФМ подтверждают, что влияние описанных факторов на мощность, выработанную ФМ, существенно [55].

а) б) в)

г)

Рисунок 2.5 – Ориентация на яркое пятно при различных погодных условиях

В активных системах важно то, что производятся только те движения модуля, которые приведут к увеличению выработанной мощности.

На сегодняшний день существует большое количество способов реализации активных систем контроля и принципов их работы. Активные системы состоят из трех основных блоков: датчик, блок обработки сигнала датчика и выработки управляющего сигнала для поворотного устройства и самого поворотного устройства. Исключения составляют системы на основе термочувствительных элементов, которые являются и датчиком, и поворотным устройством, а блок контроля отсутствует. Более подробно о таких системах будет рассказано позже.

В общем виде все активные системы имеют одинаковый принцип работы и блок схему, изображенную на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Структурная схема активной системы контроля ориентации ФМ

Принцип работы активных систем заключается в следующем: датчик реагирует на изменение положения яркого пятна на небе и подает сигнал блоку контроля, который его обрабатывает по заданному алгоритму и при необходимости выдает команду поворотному устройству.

Основная проблема реализации схемы – формирование управляющего сигнала от датчика к блоку контроля и алгоритм управления системой контроля.

Блок контроля может быть реализован в любом варианте: от дискретных элементов до программируемых микроконтроллеров. Датчик является наиболее важным элементом системы, т.к. именно от него зависит точность ориентирования и адаптируемость к природным явлениям. Поэтому актуальна разработка датчика, реагирующего на изменение положения яркого пятна на небе, или, при отсутствии такового, способного подать сигнал об отсутствии необходимости ориентироваться.

К датчику системы контроля предъявляются следующие требования: погрешность определения положения яркого пятна на небе не более 10°, температурная стабильность, возможность работы в полевых условиях, удобство установки и эксплуатации.

3 УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ МАКСИМАЛЬНОГО ПОТОКА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Устройства контроля максимального потока солнечного излучения зависят от физических свойств потока солнечного излучения. Падающий на поверхность какого-либо тела поток солнечного (оптического) излучения частично отражается, частично проходит через тело и частично поглощается им.

Поглощенная часть энергии оптического излучения преобразуется в тепло, повышая температуру тела, что представляет собой преобразование солнечной энергии в тепловую. Другой вид преобразования энергии оптического излучения - фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия), фотолюминесценция, фотохимические превращения и пр., что представляет собой преобразование солнечной энергии в электрическую [56].

Исходя из этого, можно сделать вывод, что устройства контроля следует разрабатывать, основываясь на двух свойствах излучения Солнца – повышение температуры освещенного тела и поглощения им лучистой энергии. Рассмотрим устройства, основанные на преобразовании солнечной энергии в электрическую и тепловую.

3.1 Датчики, применяемые в преобразовании солнечной энергии в электрическую

Все датчики оптического излучения можно разделить на следующие основные группы:

• системы без использования датчиков;

• сканирующий датчик;

• щелевые солнечные датчики;

• датчики на эффекте Саньяка;

• гелиотрекер.

3.1.1 Системы контроля без использования датчика

Самой простой активной системой контроля является система, без применения дополнительных датчиков [57]. В качестве чувствительных элементов используют несколько ФМ, количество которых зависит от количества осей слежения.

Одноосные системы имеют два одинаковых ФМ, расположенных на одной из осей: Запад-Восток для контроля положения яркого пятна по оси азимута или на оси Север-Юг – для контроля по оси эклиптики. Двухосные системы имеют дополнительные ФМ, расположенные по второй оси (рисунок 3.1).

Сигналы (значения тока или напряжения) с обоих ФМ поступают в блок контроля. Сигналы сравниваются и, если одно из значений больше, поворотному устройству (или нескольким, в зависимости от конструкции) поступает сигнал для поворота поверхностей в сторону ФМ с большим значением выходного сигнала.

а) б)

Рисунок 3.1 – Активные системы контроля без использования датчика:

а– одноосная, б – двухосная.

К недостаткам описанной системы относятся низкая точность и чувствительность. Это объясняется распределенностью чувствительных элементов, и как следствие, их неравномерным нагреванием, которое, как известно, влияет на выходной сигнал [58]. Кроме того, такой способ контроля подходит только для двух и более ФМ.

Система контроля без использования датчика может быть использована только для ФМ. Предпочтительнее иметь систему с датчиком в виде малогабаритного отдельного блока, который может быть освоен в производстве и пригоден для использования с любым типом и количеством солнечных модулей (тепловых коллекторов, концентраторов солнечного излучения или ФМ).

3.1.2 Датчик на эффекте Саньяка

Датчиком является оптический гироскоп, принцип действия которого основан на эффекте Саньяка. Через расщепитель солнечный луч распространяется в двух направлениях на поверхность ФМ, затем два луча отражаются от нее и суммируются в расщепителе. Если при этом плоскость ФМ направлена на Солнце, два луча имеют одинаковую длину, и при их сложении нет фазового сдвига. Когда Солнце находится под некоторым углом к плоскости ФМ, между двумя световыми волнами возникает разность фаз. Это явление называется эффектом Саньяка. Измерив разность фаз, можно определить положение источника света. Поскольку частота света составляет несколько сотен терагерц, даже ее незначительные изменения позволяют измерить разность частот, поэтому данный датчик характеризуется высокой чувствительностью и разрешающей способностью порядка 0,001°/ч. Главными источниками погрешностей для датчика на эффекте Саньяка является дрейф нуля, вызванный изменением температур, магнитными полями и т.д. [59].

На сегодняшний день существует ряд нерешенных проблем использования данного датчика: нелинейность выходного сигнала, дрейф выходного сигнала, изменение длины оптического пути под воздействием теплового расширения, давления и механических деформаций.

Характеристики

Список файлов ВКР