Бондаренко (1189809), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Существует несколько способов реализации «сканирующих» датчиков. Один из них является аналогом гелиотрекера, описанного раннее (рисунок 3.9) [65].
Рисунок 3.9 – Датчик, сканирующий небосвод (вариант 1)
Датчик состоит из четырех чувствительных элементов, разделенных между собой перегородкой. Располагается он в непосредственной близости к ФМ на отдельной неподвижной платформе. При включении датчик сканирует небосвод, записывая значения выходных сигналов чувствительных элементов в каждом положении. Угол, при котором все четыре датчика максимально освещены, характеризует положение Солнца (или самого яркого пятна) на небе. Блок контроллера подает команду поворота ФМ на заданный угол. Далее система работает по принципу гелиотрекера.
При низкой освещенности чувствительных элементов датчика, система перезапускается, т.е. снова сканирует небо и находит самое яркое пятно. В пасмурные дни и ночью блок контроллера после сканирования не выявляет максимального значения и подает команду перехода системы в «спящий режим» на время, соответствующее заданному алгоритму. Другой вариант сканирующего датчика изображен на рисунке 3.10.
Рисунок 3.10 – Датчик, сканирующий небосвод (вариант 2)
Датчик состоит из трех чувствительных элементов, разнесенных и расположенных на поверхности ФМ. Элемент 1 расположен в непрозрачном цилиндре на поверхности ФМ. Ось цилиндра расположена под прямым углом к поверхности ФМ. Таким образом, элемент 1 освещен только при ориентировании ФМ на Солнце. Когда Солнце изменит положение, элемент 1 будет в тени стенок цилиндра и выходной сигнал элемента станет равным нулю.
Элемент 2 расположен на поверхности ФМ и служит для определения необходимости ориентирования. Если сигнал с элемента 2 выше порогового значения срабатывания и сигнал элемента 1 равен нулю, то блок контроллера запускает «режим сканирования неба» в поисках солнца. Когда элемент 1 будет освещен, т.е. плоскость ФМ станет перпендикулярной солнечным лучам, блок контроллера подает команду остановки поворотному механизму.
В пасмурные дни и ночью сигнал элемента 2 ниже порогового значения и блок контроллера делает вывод об отсутствии необходимости ориентирования и переходит в «спящий режим» на время, определенное алгоритмом управления.
Элемент 3 расположен на обратной стороне поверхности ФМ. В течение всего дня он отвернут от солнца, поэтому его сигнал равен нулю. Он необходим для запуска системы утром. Вечером ФМ повернут на запад и в таком положении переходит в «спящий режим». Утром элемент 1 и 2 оказываются отвернутыми от восходящего Солнца, в то время как элемент 3 направлен к нему. Наличие сигнала на элементе 3 является признаком восхода, и блок контроллера подает команду поворота системы на восток.
Далее блок контроллера определяет сигналы с элементов 2 и 3 и при необходимости ориентирования запускает «режим сканирования».
Одним из главных недостатков сканирующих датчиков, относительно представленных выше, является потребление поворотного устройства в течение дня для определения положения яркого пятна на небе. Это особенно неоправданно в пасмурную погоду, когда сканировать небосвод приходится несколько раз в день. Для варианта датчика, изображенного на рисунке 3.9, требуется отдельно стоящая неподвижная площадка вблизи ФМ.
3.1.6 Щелевые солнечные датчики
Щелевые солнечные датчики получили широкое распространение в космической отрасли для ориентирования на Солнце ФМ и концентраторов солнечной энергии для космических аппаратов [66].
Один из вариантов исполнения щелевого солнечного датчика представлен на рисунке 3.11. Чувствительными элементами являются кремниевые фотодиоды, расположенные на полукруглом основании, каждый в своей щели.
Рисунок 3.11 – Щелевой солнечный датчик
Принцип работы датчика основан на сравнении сигналов, поступающих с фотодиодов, и выявлении максимального сигнала. Датчик расположен так, чтобы при любом положении Солнца один из фотодиодов был освещен, а другие находились в тени перегородок. Блок контроля определяет положение фотодиода с максимальным сигналом и подает команду поворота ФМ на угол, соответствующий положению этого фотодиода. Чем больше количество фотодиодов, тем больше чувствительность и точность ориентации. Щелевые датчики могут быть одноосными и двухосными.
Основными недостатками щелевых датчиков являются их большие размеры, дороговизна и сложность конструкции. Кроме того, принцип работы данных датчиков исключает возможность их размещения на поверхности ФМ, т.е. требует дополнительной неподвижной поверхности вблизи с ФМ.
3.1.7 Экваториальный датчик
Признаки гелиотрекера и щелевых датчиков сочетает в себе экваториальный датчик [67].
Датчик состоит из двух одинаковых панелей, соединенных под прямым углом. На каждой панели размещены чувствительные элементы, представляющие собой кремниевые фотоэлектрические преобразователи (рисунок 3.12). Чувствительные элементы каждой панели соединены последовательно.
Рисунок 3.12 – Экваториальный датчик
Датчик устанавливается таким образом, чтобы в полдень стык панелей был направлен на Солнце. Благодаря такому положению, от рассвета и до заката одна из частей устройства будет освещена. Следовательно, на выходе датчика всегда будет вырабатываться электрический сигнал независимо от положения Солнца на небосклоне.
При достаточных размерах элементов, датчик может являться источником питания блока контроллера. Таким образом, решается вопрос необходимости ориентации ФМ. Если уровня освещения не достаточно для работы блока контроля (например, ночью, при наличии тумана или облачности), значит и уровень сигнала меньше порога срабатывания, система не включается, ФМ стоит неподвижно. Когда появиться Солнце, один из элементов будет освещен, и выработанного им напряжения будет достаточно для включения блока контроллера.
Блок контроллера сравнивает сигналы двух панелей и подает команду для поворота ФМ в сторону большего. Для определения угла поворота необходимо использовать два дополнительных фотодатчика (например, фоторезисторы), расположенных непосредственно на поверхности ФМ на противоположных сторонах. Как только освещенность дополнительных фотодатчиков сравняется, блок контроллера подаст команду остановки работы поворотного устройства. Таким образом, плоскость ФМ будет направлена на Солнце (или яркое пятно). Как только Солнце сместиться, освещенность дополнительных фотодатчиков станет разная, и блок контроллера запустит поворотный механизм, пока снова не восстановиться нужное направление ФМ на Солнце.
К недостаткам данного датчика можно отнести излишнее количество чувствительных элементов (минимум 6 на панелях датчика и 2 на плоскости ФМ), низкую чувствительность датчика, Аналогично щелевым датчикам экваториальное устройство требует стационарной горизонтальной поверхности для установки. Как и в системах без использования датчика, на выходные сигналы чувствительных элементов будет влиять температура их нагрева, что может увеличить погрешность ориентирования ФМ. Авторами также не сказано как расположить два чувствительных элемента на поверхности или сторонах ФМ, а от этого зависит чувствительность и точность ориентирования.
3.2 Датчики, применяемые в преобразовании солнечной энергии в тепловую
3.2.1 Термотрекер
По принципу работы гелиотрекера, описанного ранее, можно создать датчик контроля на основе температурных преобразователей. Конструкция датчика аналогична конструкции гелиотрекера, только чувствительными элементами являются термопреобразователи. При ориентации на яркое пятно освещены все четыре элемента, следовательно, и температура их нагрева одинакова. При перемещении Солнца (или яркого пятна) некоторые чувствительные элементы окажутся в тени, и их температура уменьшится, что отследит блок контроля и подаст команду поворота ФМ в сторону элемента с максимальной температурой. Аналогично гелиотрекеру, возможна реализация одно- и двухосных термотрекеров.
Недостатками описанного термотрекера являются температурная нестабильность, возникающая из-за влияния ветра. Кроме того, не решены проблемы необходимости ориентирования и запуска системы утром.
3.2.2 Двигатель Стирлинга
Двигатель Стирлинга – тепловой двигатель, использующий для перемещения поршней расширяющийся газ (рабочее тело), которым может являться гелий или водород [68]. Если на поршни установить ФМ, то двигатель Стирлинга будет являться и датчиком, и поворотным механизмом системы контроля. Рабочее тело находится в замкнутом пространстве – в двух цилиндрах с поршнями, на которых расположен ФМ. Освещенная область цилиндра нагревается, что приводит к расширению газа и перемещению поршня. Неосвещенная область имеет более низкую температуру, и низкое положение поршня. Таким образом, изменяется угол наклона ФМ, чтобы поверхность его была ориентирована на яркое пятно. При изменении положения яркого пятна, изменяется нагрев цилиндров, следовательно, и положения поршней, и как результат угол наклона ФМ. Таким образом, происходит контроль максимума освещенности ФМ.
Одним из важных недостатков данного способа контроля является сложность и дороговизна конструкции. К тому же подобная конструкция не может обеспечить высокую точность ориентирования в течение всего года. Так же могут возникнуть проблемы с рабочим телом в цилиндрах. Гелий – летучий газ, из-за чего объем его со временем может уменьшиться, что приведет к большой погрешности ориентирования. Водород является взрывоопасным газом, использование его требует большой осторожности и опыта. Для установки и обслуживания систем типа двигателя Стирлинга потребуются опытные рабочие, что приведет к удорожанию системы.
3.2.3 Термомеханическая самонаводящаяся система контроля
В термомеханической самонаводящейся системе контроля чувствительными элементами и поворотным устройством являются термочувствительные элементы (ТЧЭ) с большим температурным коэффициентом линейного расширения. Каждый ТЧЭ представляет собой полосу твердого материала, имеющего плоскую зачерненную поверхность [69].
Принцип работы системы основан на изменении длины ТЧЭ в зависимости от их температуры. При одинаковой освещенности всех ТЧЭ температуры их, а, следовательно, и длины одинаковы, в таком случае ФМ ориентирован горизонтально. Если освещенность одного ТЧЭ отличается от уровня освещенности другого, появляется необходимость ориентирования ФМ. Наиболее освещенный ТЧЭ под действие большей температуры удлиняется, что приводит к наклону плоскости ФМ в сторону положения Солнца (или яркого пятна). При перемещение Солнца в течение дня меняется освещенность ТЧЭ, их температура, как следствие их длина и угол наклона ФМ. Описанная система контроля может быть выполнена в одноосном и двухосном варианте.
Основным недостатком термомеханической самонаводящейся системы является тепловая инерционность нагрева ТЧЭ при восходе Солнца и в условиях переменной облачности. Кроме того, на точность ориентации ФМ будет оказывать влияние температура окружающего воздуха, скорость и направление ветра.
3.3 Анализ способов, методов и датчиков контроля
В результате анализа способов контроля выявлены три способа: ручной, пассивный и активный. Анализ показал, что в системах с ручной наводкой на Солнце точность ориентирования, а значит и выработанная мощность напрямую зависит от работы оператора: выбора им оптимального угла наклона ФМ, количества совершенных поворотов. 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 этому способу 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.
На пассивном способе ориентирования основаны системы, использующие заданный алгоритм поворота ФМ в течение дня. Пассивные системы не обеспечивают ориентирование плоскости ФМ на максимальный поток солнечного излучения, что приводит к потере вырабатываемой мощности по сравнению с активными системами. В пасмурные дни работа по заданному алгоритму приводит к необоснованной работе двигателя, а, следовательно, и его энергопотреблению. Существенным недостатком пассивных систем является необходимость корректировки алгоритма для каждого конкретного местоположения ФМ на основе данных метеослужб. Из-за этого данные системы не являются универсальными для любого ФМ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
