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

Текст из файла (страница 7)

Определим формулы для потока прямой солнечной радиации приходящего на поверхность ФМ с применением одно- и двухосной систем контроля.

При использовании двухосной системы контроля поверхность ФМ направлена на Солнце, следовательно, угол β между нормалью поверхности и солнечными лучами равен 0, тогда:

(4.18)

Выражение приходящей мощности солнечного излучения для ФМ с одноосной системой контроля будет иметь вид:

(4.19)

В данном случае учтен угол наклона поверхности к горизонту по второй оси (обычно угол равен широте местоположения ФМ).

Рассчитать приходящую мощность солнечного излучения на неподвижную поверхность, установленную под углом к горизонту, можно по формуле:

(4.20)

Формулы 4.18 – 4.20 отображают зависимость приходящей мощности солнечного излучения на поверхность ФМ с применением двухосной и одноосной системы контроля, а также на поверхность стационарно установленного ФМ под углом к горизонту.

Для оценки эффективности систем контроля необходимо сравнить мощность ФМ, выработанную с применением систем контроля, с мощностью стационарно установленного ФМ. Для этого необходимо определить зависимость выходной мощности ФМ от мощности солнечного излучения, приходящего на его поверхность.

Наиболее простая модель расчета мощности ФМ – это способ, при котором вырабатываемая мощность считается путем умножения КПД ФМ на солнечное излучение, пришедшее на поверхность ФМ [79-80].

(4.21)

где P_ФМ - выработанная мощность ФМ; КПД – коэффициент полезного действия ФМ; S_ФМ – площадь ФМ.

Совокупность формул 4.1 – 4.21 составляет математическую модель работы ФМ в течение дня. Описанная модель может быть использована при моделировании работы СЭС с целью предварительной оценки вырабатываемой мощности и расчета необходимого количества ФМ.

4.2 Применение математической модели для оценки эффективности систем контроля ориентации ФМ

На основе математической модели работы ФМ, вычислена мощность, выработанная ФМ в каждом месяце года. Расчеты проведены для ФМ установленных горизонтально, под углом к горизонту, соответствующему широте местности, с применением одно- и двухосной систем контроля.

Как видно из формул (4.18 – 4.21), влияющими величинами на мощность ФМ являются местное время, номер дня в году, широта местности, КПД ФМ и пространственная ориентация плоскости ФМ по отношению к горизонту.

Для определения выработанной мощности ФМ за месяц расчеты проведены в течение всего дня с интервалом времени 5 минут. С целью получения среднего значения за месяц для расчетов использовались номера дней 15 числа каждого месяца (для января номер дня – 15, для февраля – 30 и т.д.).

Расчеты проведены на примере ФМ, установленного в Хабаровске, географические координаты которого соответствуют 48° 29' с.ш. 135° 04' в.д. [76]. Наиболее эффективным углом наклона плоскости ФМ по оси эклиптики будет угол, соответствующий географической широте местоположения, т.е. для Хабаровска – 48°.

95% всех ФМ в мире изготовлены из кремния [81]. На сегодняшний день КПД кремниевого ФМ варьируется от 11 до 18 %. Для расчетов будем использовать наиболее распространенные кремниевые ФМ с КПД 15% [80].

Используя указанные выше значения величин, рассчитаны средние значения мощности ФМ в течение года с использованием систем контроля и без них, и построены графики зависимости среднемесячной мощности ФМ на примере Хабаровска (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6 – Значения среднемесячной мощности ФМ в течение года с использованием систем контроля и без них

Полученные данные позволяют сделать заключение об эффективности использования систем контроля. На рисунке 4.7 представлена зависимость выигрыша в процентах выработанной мощности ФМ с применением одно- и двухосной систем относительно выработанной мощности ФМ, установленного под углом 48°, который является наиболее эффективным для Хабаровска.

Рисунок 4.7 – Зависимость выигрыша мощности ФМ с применением одно и двухосной систем относительно установленного под углом 48°.

Из рисунка выше видно, что применение систем контроля приносят ощутимый выигрыш выработанной мощности ФМ. Одноосная система в разные месяцы приносит дополнительно от 28 до 41 % мощности ФМ, а двухосная – от 48 до 89 %.

Согласно расчетам, применение одноосной системы принесут дополнительно 37 % в год, а двухосная система контроля увеличит выработанную мощность ФМ на 56 %.

5 ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

5.1 Разработка и макет фотоэлектрического датчика

На основе проведенного анализа датчиков систем контроля, разработан фотоэлектрический датчик (ФЭД), позволяющий исключить влияние фонового излучения, решить проблему запуска системы утром, отличающийся низкой ценой, простотой конструкции и использования. Разработанный датчик позволяет определять положения яркого пятна в течение дня по одной оси, т.к. одноосные системы признаны рентабельнее двухосных, что было доказано выше.

Гелиотрекер и MLD- sensor, описанные в третьей главе, взяты в качестве прототипа для разработки датчика. Принцип работы обоих прототипов основан на сравнении показаний двух чувствительных элементов, этот же принцип лег в основу ФЭД. Для определения положения «яркого пятна» на небосводе по одной оси достаточно двух элементов, расположенных на разных сторонах перегородки. Также для исключения недостатков прототипов, а именно для определения необходимости ориентирования и для запуска системы утром, введен третий элемент, расположенный с тыльной стороны ФЭД.

Анализ методов контроля выявил оптический метод, как наилучший для ориентации ФМ, поэтому в качестве чувствительных элементов рассмотрены только фоточувствительные элементы. В качестве фоточувствительных элементов выбран кремниевый фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), т.к. 95 % всех ФМ в мире изготовлены из кремния [81].

В качестве выходного сигнала в датчиках часто используют напряжение ФЭП, однако из-за влияния температуры окружающей среды на значение напряжения повышается погрешность датчика. При нагреве элемента на один градус свыше 25 °С он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4 %/°. На рисунке 5.1 приведено семейство кривых ВАХ для температур 25 и 60 °С [82].

Рисунок 5.1 – Зависимость тока и напряжения кремниевого ФЭП от температуры

Менее зависим от температуры ток ФЭП, поэтому в предлагаемом датчике в качестве выходного сигнала чувствительных элементов используется ток, что позволяет повысить чувствительность датчика. Кроме того ток короткого замыкания, а соответственно и рабочий ток, прямо пропорциональны освещенности в отличии от напряжение холостого хода, мало зависящего от освещенности [82]. С уменьшением интенсивности солнечного излучения ВАХ ФЭП смещается вниз, что приводит к снижению тока коротко замыкания, напряжение холостого хода при этом уменьшается незначительно. Влияние интенсивности солнечного освещения на ВАХ иллюстрируется кривыми на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 – ВАХ кремниевого ФЭП при различной интенсивности солнечного освещения

Основываясь на сказанном выше, принято решение использовать в ФЭД в качестве чувствительных элементов три пластины ФЭП одного размера, а в качестве выходного сигнала – ток, близкий к току короткого замыкания.

Угол падения лучей на поверхность сильно влияет на коэффициент отражения, а следовательно, и на долю невоспринятой солнечной энергии. Для стекла при отклонении угла падения от перпендикуляра к его поверхности до 30° коэффициент отражения практически не меняется и составляет чуть менее 5 %. Эффективная площадь ФМ равна площади панели, умноженной на косинус угла между перпендикуляром к ФМ и направлением потока. Поэтому, если ФМ перпендикулярна солнечному потоку, её эффективная площадь равна её реальной площади.

В течении года угол максимального подъёма Солнца над горизонтом отклоняется от среднего положения не более чем на ± 23°. Эффективная площадь ФМ при отклонении от перпендикуляра на 23° остаётся большой — не менее 92 % от её реальной площади, а коэффициент отражения составляет менее 5 %. Исходя из этого, поворот ФМ необходимо осуществлять каждый раз, когда солнечный поток отклонится от перпендикуляра к ФМ на 20 %.

Разработанный датчик представлен на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Схематическое изображение ФЭД

В основе датчика два лицевых элемента для определения положения Солнца, третий тыловой элемент (С) – для определения уровня фонового излучения и для запуска системы утром.

Элементы А и В установлены на разные стороны перегородки, что позволяет скомпенсировать влияние разности температур. Элемент С необходим для исключения его влияния на два других датчика, измерения рассеянного излучения и запуска системы в утренние часы.

Все три элемента датчика имеют одинаковый размер, а значит и выходной сигнал при одинаковом уровне освещенности. Равенство сигналов элементов А, В и С означает пасмурную погоду или ночное время суток, ориентирование в этом случае не имеет смысла. Если сигнал с элемента С меньше остальных, то система подает команду поворота двигателя когда сигнал элемента А минимален, а сигнал элемента В максимален. Поворот будет осуществляться пока сигнал элемента В не станет максимальным, что произойдет при ориентации ФМ на Солнце или самое яркое пятно на небе.

В утреннее время, когда лицевые элементы отвернуты от Солнца, тыльный ориентирован на него, что воспринимает блок контроллера и подает команду поворота ФМ на восток. Таблица возможных вариантов освещения датчика представлена ниже.

Таблица 5.1 – Варианты освещения ФЭД

Элемент А	0	0	0	1	1
Элемент В	0	0	1	0	1
Элемент С	0	1	0	0	1
Положение яркого пятна	ночь	восход	точно	западнее	облачно
Команда поворотному устройству	стоять	на восток	стоять	на запад	стоять

5.2 Оптимизация конструкции фотоэлектрического датчика с использованием математической модели

Как сказано ранее, в качестве выходных сигналов ФЭД приняты токи трех его элементов.

Ток I_N определяется по формуле [86]:

(5.1)

где – интегральная чувствительность ФЭП; Е – освещенность ФЭП, лк.

Освещенность Е зависит от значения приходящей солнечной радиации и площади ФЭП S:

(5.2)

Расчет представлен в четвертой главе.

Как видно из формул 5.1 и 5.2, ток прямо пропорционально зависит от уровня светового потока. Следовательно, значение тока элемента также зависит от угла наклона, как и значение приходящей солнечной радиации на поверхность.

Построена модель ФЭД при угле между элементами А и В (рисунок 5.4).

(5.3)

(5.4)

где и – значения тока элементов А и В; – значение тока при =0, угол между элементами А и В; – угол отклонения Солнца от нормали ФЭД.

Характеристики

Список файлов ВКР