Универсальный солнечный трекер для солнечной батареи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Департамент образования города Москвы

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города Москвы «Гимназия № 1515» (ГБОУ Гимназия №1515)

Московский городской конкурс исследовательских и проектных работ обучающихся общеобразовательных учреждений

Исследовательская работа

Тема: Универсальный солнечный трекер для солнечной батареи

Авторы:

Мишуткин Александр

Москва, 2017

Содержание

Введение

1. Практическая значимость проекта для развития солнечной энергетики

2. Теоретическая разработка концепции универсального солнечного трекера

2.1 Использование слежения за солнцем для увеличения эффективности солнечной батареи

2.2 Конструкции солнечных трекеров

3. Практическая разработка универсального солнечного трекера

3.1 Трехмерная модель солнечного трекера в Комапс-3D Home

3.2 Предварительная электронная схема слежения за солнцем

3.3 Изготовление солнечного трекера и испытания конструкции

3.4 Перспективные исследования

Заключение

Литература

Введение

Цель нашей работы - разработать и создать полноразмерную действующую модель компактного и дешевого универсального солнечного трекера слежения за положением солнца, пригодного для использования с любым промышленно-изготовляемым типом прямоугольной солнечной батареи. Такой солнечный трекер позволит существенно повысить эффективность использования солнечных батарей в условиях российского климата. Кроме того мы предполагаем использовать эту действующую модель в исследовательской работе по выяснению эффективности применения батарей с солнечными трекерами.

Существует множество конструкций солнечных трекеров, позволяющих располагать поверхность солнечной батареи перпендикулярно солнечным лучам в любое время дня, что увеличивает сбор солнечной энергии и привлекательность солнечной энергетики как таковой. Но они, как правило, рассчитаны на использование с одним типоразмером солнечной батареи, и изменение размера батареи требует использования другой конструкции с существенным увеличением расхода металла. Мы предлагаем универсальную механическую конструкцию, позволяющую масштабирование под любой промышленный типоразмер солнечной батареи с минимальным изменением всего двух простых элементов конструкции.

Наша конструкция солнечного трекера может легко транспортироваться с места на место например в чехле от лыж или подобной упаковке в виде длинного тубуса или рулона, занимая минимум места. На наш взгляд такую конструкцию каждый желающий легко сможет использовать в автономном доме, использующим только возобновляемые источники энергии.

В ходе работы над проектом была спроектирована в программе трехмерной графики и изготовлена ( с применением нескольких выточенных токарных металлических деталей) действующая полнофункциональная модель универсального солнечного трекера. Помимо механической конструкции солнечного трекера нами была изготовлена электронная схема слежения за положением солнца по двум перпендикулярно расположенным фотодиодам. Эта схема двухканальная, то есть рассчитана на разворот солнечного трекера в двух перпендикулярных плоскостях. Схема предварительно опробована в работе и нуждается в улучшении характеристик чувствительности к разному уровню солнечного излучения на взаимно-перпендикулярных плоскостях фотодиодного датчика слежения за солнцем. Новизна проекта заключается в том, что мы предложили простую, дешевую и универсальную механическую конструкцию трекера, годную для использования с любым современным типоразмером промышленно-изготовляемой солнечно батареи, требующим минимального расхода металла и наращивания длины всего двух простых линейных элементов конструкции при переходе на другой типоразмер солнечной батареи. Кроме того мы собираемся использовать разработанную конструкцию в исследовательском проекте по определению эффективности солнечного трекинга как такового в условиях российского климата.

1. Практическая значимость проекта для развития солнечной энергетики

Солнце является основным источником энергии для Земли. Даже используя ископаемые горючие топлива мы фактически используем накопленную энергию солнца, запасенную за геологические эры в химических соединениях углеводородов органического происхождения, таких как нефть, газ, уголь. Ветер, используемый в современной ветряной энергетике, также порождается эффектом разности температур в разных точках земной поверхности и над водными пространствами, вызванной неравномерностью солнечного нагрева. Даже вода в реках, которая сегодня широко используется на гидроэлектростанциях, попадает в реки через испарение, вызываемое активностью солнца и последующее выпадение в виде дождей, которые питают реки и озера.

Наша цивилизация является сегодня цивилизацией, использующей углеводородное топливо, запасы которого на Земле не безграничны. Есть все основания считать, что раз сегодня в мире взялись разрабатывать труднодоступные месторождения нефти с глубины 1,5 км в Мексиканском заливе, несмотря на высокий экологический риск, а также сланцевые месторождения нефти и газа, разработка которых имеет повышенную себестоимость, то сегодня мир подошел к пику потребления нефти. Это значит, что пора всерьез задуматься об использовании Возобновляемых Источников Энергии (ВИЭ), основой которых является солнечная энергия.

Солнечные батареи являются полупроводниковыми преобразователями энергии падающего на них солнечного излучения непосредственно в электроэнергию. В этом смысле это самый технологичный способ получения электроэнергии, не требующий тепловых двигателей с движущимися частями и гигантских турбин. Солнечную панель достаточно просто выставить на солнце, и она сразу даст постоянный электрический ток, который с помощь. Электронных преобразователей можно при необходимости превратить в сетевой переменный ток напряжением 220 В. Однако у солнечных батарей есть два серьезных недостатка.

- До сих пор высокая себестоимость . Впрочем она постоянно снижается и сегодня вполне реально в Москве купить солнечную панель мощностью 100 Ватт всего за 6000 рублей, т.е. за 100 долларов.

- Неравномерность поставок электроэнергии, требующая наличия для автономных систем аккумуляторов электрической энергии, увеличивающих стоимость. Действительно, солнце светит непостоянно. Ночью совсем не светит. В пасмурную погоду падающая на солнечные панели мощность снижается на порядок и больше. Кроме того, фиксировано укрепленная солнечная батарея, которую обычно устанавливают под углом к земной поверхности, равным географической широте данной местности и в направлении на юг, даже в солнечный день поставляет неравномерно электроэнергию с максимумом в полдень и минимумами утром и вечером.

Именно поэтому возникла идея солнечного трекинга - слежения подвижной солнечной батареей за движением солнца по небу таким образом, чтобы поверхность солнечной батареи оставалась все время перпендикулярной к прямым лучам солнца. Это позволяет в солнечный день вырабатывать максимум электрической энергии. Кроме того и в пасмурный день, когда наступают прояснения, солнечная батарея может эффективно разворачивать свои поверхность к появившемуся из-за облаков солнцу и собирать дополнительную энергию.

Идея нашего проекта состоит в том, чтобы предложить наиболее эффективную и дешевую в изготовлении схему солнечного трекера, которая была бы универсальной, т.е. такой, которую можно было бы применять для солнечных батарей любых промышленных типоразмеров, от десятков ватт до сотен ватт на одну панель вырабатываемой мощности. Ее можно было бы использовать как для промышленных полей солнечных электростанций, где бы каждая панель следила за солнцем индивидуально, так и для бытового использования - на дачах, в сельских домах с автономным энергообеспечением. Кроме того, мы предполагаем, что подобные солнечные трекеры могли бы крутить солнечные панели, используемые сегодня для целей светодиодного уличного освещения или светодиодных светофоров. Такие панели сегодня используются в Москве кое-где для светофоров, но они неподвижны и на наш взгляд, не поставляют всей необходимой электроэнергии.

Поэтому главными задачами нашего проекта являются:

ь Изготовить действующую модель двухосевого солнечного трекера, полноценно приводящую в действие 10 ваттную солнечную батарею

ь Разработать электронно-оптическую схему слежения за солнцем на основе современной электроники

ь Провести исследование повышения эффективности солнечной батареи с помощью изготовленного солнечного трекера в полевых условиях

2. Теоретическая разработка концепции универсального солнечного трекера

2.1 Использование слежения за солнцем для увеличения эффективности солнечной батареи

Угол падения солнечных лучей по отношению к нормали приемной поверхности является ключевым параметром работы солнечной батареи. . Ячейка выдает ток нагрузки по закону

I = I0 cos б

где 10 - ток, который выдает ячейка при расположении ее плоскости перпендикулярно к падающим лучам, б - угол падения солнечных лучей, отложенный от нормали. Этот закон дает приемлемый результат для б от 0 до 50°. При увеличении б более 50° значения выходных параметров значительно отклоняются от косинусоидальной зависимости, а при б = 85° ячейка не генерирует никакой мощности. Фактическую зависимость генерируемой ячейкой мощности от угла солнечных лучей называют косинусом Kelly ( Таблица1 по данным [1] ).

Таблица 1. Значение cos Kelly для кремниевой ячейки

Рис. 1. Кривая косинуса Kelly для фотоэлектрической ячейки

Рассмотрим влияние движения солнца на генерацию солнечных панелей. Энергия, получаемая от солнечной панели, будет больше, если она снабжена приводом, обеспечивающим поворот панели за солнцем подобно подсолнечнику. солнечный батарея трекер резьбовой

Существует два типа таких приводов:

- привод с одной осью, который обеспечивает ориентацию панели в одной плоскости (в течение дня) при движении солнца с востока на запад (Рис. 2);

- привод с двумя осями, обеспечивающими ориентацию панели в одной плоскости, как в течение дня при движении солнца с востока на запад, так и в другой плоскости при смене сезонов в течение года при перемещении солнца с севера на юг (Рис. 3). Энергия, получаемая от

конструкций, отслеживающих движение солнца, на 40 % больше энергии, получаемой от зафиксированных солнечных панелей. Ориентация панели на солнце осуществляется с помощью двух двигателей с точностью до одного градуса. В течение дня такая конструкция отслеживает движение солнца с востока на запад, а ночью позиционируется на восток.

Когда солнце заходит за облако, привод начинает ориентировать панель на самую яркую область неба, которой является край облака. Когда солнце выходит, привод ориентирует

панель на солнце. Один из методов, реализующих ориентацию солнечной панели на солнце, заключается в следующем: две фотоэлектрические ячейки устанавливают на основании под углом 45° (Рис. 4 ), их выводы соединяют последовательно через привод двигателя, обеспечивающий поворот панели.

Рис. 4. Принцип работы привода, ориентирующего панель на солнце.

Соединение выполняют так, чтобы ячейки давали одинаковые выходные токи I0 когда лучи солнца падают на них под углом 90 0. Таким образом, когда солнечные лучи падают перпендикулярно к основанию, на котором установлены ячейки, выходные токи обоих ячеек равны I0 cos 45°. Как только солнце отклоняется от нормали, углы солнечных лучей становятся различными для этих ячеек, а значит, различны и значения выходных токов: В этом случае какой-либо из двух токов будет больше, что сигнализирует электронной схеме двигателей привода крутить ось до тех пор в одну сторону, пока ячейка не довернется на нужный угол и не установится равенство токов.

2.2 Конструкции солнечных трекеров

Как видим, большинство из используемых сегодня конструкций весьма громоздки и требуют большого расхода металла. Большинство этих конструкций не рассчитано для применения для одной батареи. Кроме того они практически не могут быть масштабируемы на батареи других размеров -это требует изменения не отдельных конструктивных элементов, а всей конструкции.

Это является следствием проектирования солнечных трекеров не как цельной конструкции, а как металлической подвижной рамы, подвешиваемой к двум осям вращения, и приводимой в действие так называемыми актуаторами. Это устройства, где применен принцип медленной подачи линейного штока по круговой резьбе вращаемого электродвигателем цилиндра. Медленная подача гарантирует развитие штоком большого усилия при относительно небольшой, потребляемой мотором электрической мощности. В общем по такому принципу работает обычный винтовой домкрат.

Линейный актуатор для солнечного трекера

Использование двух актуаторов, шарнирно присоединенных к массивной, вращаемой в двух плоскостях раме, решает проблему солнечного трекинга, но при этом не решает проблему избытка металла в конструкции, и не снимает проблему дороговизны самих линейных актуаторов.

С учетом этих недостатков мы и приступили к разработке нашего универсального солнечного трекера. Он должен быть цельной простой конструкцией, а не комбинацией доступных комплектующих частей.

3. Практическая разработка универсального солнечного трекера

3.1 Трехмерная модель солнечного трекера в Комапс-3D Home

Поскольку солнечный трекер - сложная конструкция, требующая изготовления некоторых точных деталей, то перед ее изготовлением мы смоделировали всю коснтрукцию трекера с помощью сборок в бесплатной программе трехмерного моделирования Комапс-3D Home, которая позволяет не только рисовать трехмерные и модели, но и делать чертежи для их изготовления.

3D-модель первого варианта солнечного трекера

На Рис. 6. показан первый вариант солнечного трекера. Он содержит вертикальную вращающуюся ось, которая закреплена в стальной трубе-кожухе с подшипниками с ограничительной трубкой, как показано в разрезе на Рис. 7.

Рис. 7. Кожух с подшипниками для вращения вертикальной оси.

Вертикальная ось вращения поворачивает трекер в направлении восток-запад. Менять угол наклона панели к горизонту позволяет разработанная нами конструкция на основе подвижного шарнирного рычага, закрепленного одним концом на солнечной батарее, другим на подвижной втулке, скользящей вдоль вертикальной оси. На втулке расположена вытянутая гайка, в которую вкручивается резьбовая шпилька, тем самым меняя угол наклона шарнирного рычага, а с ним и всей солнечной батареи. На верхнем пятачке вертикальной оси расположен мотор-редуктор, который и вращает резьбовую шпильку. Вся конструкция закреплена шестью 6 мм болтами на демонстрационной площадке, представляющей из себя две толстые оргстеклянные пластины, скрепленные между собой четырьмя стойками. Данная конструкция в процессе испытаний выявила недостаток. Нижний мотор-редуктор, поворачивающий вертикальную ось иногда выходит из соприкосновения с большой шестеренкой из-за ослабления крепления кожуха с подшипниками на верхней пластине из оргстекла. Кроме того, подобная конструкция, где нижний мотор-редуктор не закреплен на основной конструкции, а стоит на нижней оргстеклянной пластине делает всю конструкцию не удобной при транспортировке и установке.

В связи с этим выявленным недостатком нами была разработана другая конструкция нижнего узла, представленная на Рис. 8.

Рис. 8. Улучшенная конструкция нижнего узла вращения вертикальной оси трекера.

Данная конструкция предполагает применение такого же мотор-редуктора, как для вращения резьбовой шпильки - цилиндрической формы, но с гораздо большим передаточным числом, так как вертикальную ось не нужно вращать быстро - она должна вращаться достаточно медленно, чтобы на вращение всей конструкции не тратилась избыточная мощность. Этот мотор закрепляется винтами на круглой пластине, которая четырьмя стойками крепится к неподвижной заглушке кожуха с подшипниками. Вал мотор-редуктора соединяется с вертикальной осью вращения цилиндрическим переходником, который закрепляется на оси прижимным винтом по плоскому шлицу вала мотора. Вертикальная ось вращения заканчивается заглушкой с цилиндрическим валом диаметром 5 мм, который надевается с другой стороны на переходник.

Последнее конструктивное улучшение превращает весь механизм солнечного трекера в устройство, которое можно переносить в упаковке рулонного типа или чехле для лыж. Так как по сути он представляет собой просто вертикальную трубу с шарниром, который легко складывается вдоль трубы при транспортировке. Крепиться подобная конструкция может к любому выносному кронштейну, скрепленному с южной стеной здания, обычным стягивающим хомутом, который надевается на кожух для подшипников. Либо просто может устанавливаться на любой прочный вертикальный шест, к которому прикрепляется тем же стягивающим хомутом.

3.2 Предварительная электронная схема слежения за солнцем

Предварительную электронную схему, сравнивающую токи с солнечных датчиков - миниатюрных солнечных батареек, которые должны располагаться под углом 45 0 к основанию, как показано на Рис. 4, - мы сделали на основе схемы переключательного H-моста на биполярных транзисторах разной проводимости - ВС327 ( p-n-p) и ВС337 ( n-p-n) - Рис. 9. При этом каждый транзистор моста зашунтирован защитным диодом для предотвращения пробоя напряжением при старте или остановке мотора, когда может возникать импульс обратного напряжения из-за наличия индуктивности в обмотке мотора.

Рис. 9. Предварительная электронная схема управления движением поворотного мотора для вращения трекера в одной плоскости.

При подаче напряжения логической единицы ( напряжения близкого к напряжению питания) на точку A, что происходит когда на левую солнечную батарейку падает солнечный свет, и открывается транзистор T1, подсоединенный к солнечной батарее - и одновременном сохранении логического нуля, когда не открывается транзистор T2, подсоединенный к правой солнечной батарейке, если на нее падает недостаточный свет - открываются диагональные транзисторы H - моста T3 и T4. При этом мотор крутится в одном направлении и доворачивает конструкцию так, чтобы на правой солнечной батарейке появился достаточный уровень света, и в этом случае проводящая ток диагональ моста T3-T4 закрывается из-за закрытия транзистора T4. При этом транзистор T2 тоже закрыт. - Мотор останавливается. Схему мы сделали на монтажной плате - Рис. 10 ( не показан мотор и аккумулятор - они на конструкции трекера). Она хорошо работает от света фонарика смартфона. Если им посветить на одну батарею - мотор будет вращаться в одну сторону, если на другую - то будет вращаться в другую сторону.

Рис. 10. Электронная схема солнечного трекинга для вращения в одной плоскости, собранная на монтажной плате, не требующей пайки.

Установка двух таких электронных схем для каждого их двух моторов, вращающих кажый в своей плоскости, решает проблему трекинга в двух плоскостях, так как схемы действуют независимо друг от друга.

Данная схема имеет тот недостаток, что реагирует на абсолютный уровень засветки правой или левой солнечной батарейки, а не на их разность, что понижает точность установки слонечного трекера на солнце. Схема будет дорабатываться.

3.3 Изготовление солнечного трекера и испытания конструкции

По чертежам, сделанным программой Компас 3D Home по трехмерной модели были заказаны некоторые детали, требующие токарной работы. В настоящий момент собрана и испытана первая версия солнечного трекера, 3D модель которой показана на Рис. 6. Эта модель в сборе представлена на Рис. 11

Рис. 11. Первый вариант модели солнечного трекера в сборе.

В качестве мотор-редукторов использовались моторы серии IG-22СGM, которые состоят из реверсивного коллекторного двигателя постоянного тока и планетарного редуктора.

Рис. 12. Узел шарнирного перемещения солнечной батареи с помощью мотор-редуктора и резьбовой шпильки.

На Рис. 12 изображен узел вертикального наклона солнечной батареи на шарнирном креплении с помощью мотор-редуктора и резьбовой шпильки. Предварительные испытания вращения вертикальной оси мотором, закрепленным на демонстрационной подставке, как было описано выше, показали непродуманность данной конструкции, Новый нижний узел вращения с помощью мотор-редуктора с высоким передаточным числом, крепящийся прямо на кожух для подшипников ( см. Рис. 8) в настоящий момент находится в стадии изготовления по сделанным чертежам.

3.4 Перспективные исследования

Когда нижний узел вращения трекера будет переделан, мы планируем сначала улучшить аналоговую схему электронного трекинга, а затем перейти на микроконтроллерную систему управления на базе распространенного микроконтроллера Arduino, программируемого от персонального компьютера на языке СИ

Мы планируем с помощью нашего солнечного трекера и микроконтроллера провести длительное исследование в реальных условиях города Москвы на предмет эффективности сбора солнечной энергии двухосевым солнечным трекером. Солнечный трекер планируется установить на крыше нашей гимназии и записывать показания по мощности, выдаваемой солнечней батареей в течение дня в память микроконтроллера, а затем снимать показания и обрабатывать их с помощь персонального компьютера.

Заключение

Мы создали оригинальную схему солнечного трекера, которая годна при минимальной доработке для использования с батареей любого промышленного типоразмера от 10 ватт до 200 ватт и более. Действительно при увеличении поперечных размеров солнечной батареи требуется только наращивание длины вертикальной оси и резьбовой шпильки, а также, возможно изменение длины шарнирного рычага. Никаких принципиальных изменений конструкции не требуется. Мотор-редукторы имеют достаточно большие передаточные числа и потому не нагружаются большой мощностью при медленном вращении трекера в двух плоскостях.

Наша схема солнечного трекера легко транспортируется - для нее требуется только чехол рулонного типа. Фактически наш солнечный трекер можно переносить просто под мышкой, как трубу.

Наша схема не требует много металла, так как у нее нет никаких подвижных рам, охватывающих солнечную батарею, как в других конструкциях солнечных трекеров. Это существенное преимущество, позволяющее экономит на себестоимости конструкции.

Мы планируем улучшить электронную схему трекинга вплоть до применения микроконтроллерного узла управления и контроля поступления солнечной энергии. Это позволит в дальнейшем провести исследовательскую работу по эффективности двухосевого солнечного трекина в условиях средней полосы России.

Литература

1. С.Н. Удалов. «Возобновляемые источники энергии». Новосибирск: изд-во НГТУ, 2007.

Размещено на Allbest.ru