Разработка мехатронной системы управления ориентацией солнечной батареи

Размещено на http://www.allbest.ru

Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова

Разработка мехатронной системы управления ориентацией солнечной батареи

Закураев Р.А.

магистрант

Zakuraev R.A.

Kabardino-Balkarian State University named after H.M. Berbekov

(Nalchik, Russia)

DEVELOPMENT OF A MECHATRONIC SOLAR BATTERY ORIENTATION CONTROL SYSTEM

Abstract

currently, the topic of developing alternative methods of energy production is as relevant as possible, since traditional sources are rapidly running out. Energy resources are already quite expensive and have a great impact on the economy of many countries. All this forces the inhabitants of our planet to look for new ways of obtaining energy. And one of the most promising areas is the production of solar energy. The result of many years of work of scientists was such a device as a solar battery. To date, the solar cells produced have an efficiency of just over 20%.

During daylight hours, the angle of inclination of the sun to the solar panel is constantly changing. Accordingly, the energy output of the solar panel changes. The maximum efficiency of a solar panel is achieved when it is perpendicular to the sun. Therefore, the aiming mechanism is used in modern systems. And this paper presents the development of a mechatronic system for controlling the orientation of a solar battery. Such a mechatronic system provides automatic maintenance of the sun tracker's perpendicular to the sun's rays.

Keywords: mechatronic system, solar battery, mechanism, panels, tracker.

Аннотация

в настоящее время тема разработки альтернативных методов получения энергии является максимально актуальной, поскольку традиционные источники быстро иссякают. Энергетические ресурсы уже достаточно дороги и оказывают большое влияние на экономику многих стран. Все это заставляет жителей нашей планеты искать новые способы получения энергии. И одним из наиболее перспективных направлений является получение солнечной энергии. Результатом многолетней работы ученых стало такое устройство, как солнечная батарея. На сегодняшний день производимые солнечные элементы имеют КПД чуть более 20%.

В светлое время суток угол наклона солнца к солнечной панели постоянно меняется. Соответственно изменяется выработка энергии солнечной панелью. Максимальная эффективность солнечной панели достигается, когда она перпендикулярна солнцу. Поэтому в современных системах используется механизм прицеливания. И в данной работе представлена разработка мехатронной системы управления ориентацией солнечной батареи. Такая мехатронная система, обеспечивает автоматическое поддержание перпендикулярности солнечного трекера солнечным лучам.

Ключевые слова: мехатронная система, солнечная батарея, механизм, панели, трекер.

Введение

Первые солнечные обогреватели появились во Франции в 18 веке. Ученый-естествоиспытатель Ж. Бюффон создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало отраженные лучи солнца в одной точке. Это зеркало было способно быстро воспламенять сухое дерево на расстоянии 68 метров в ясный день. Вскоре после этого шведский ученый Н.Соссюр построил первый водонагреватель. Это был всего лишь деревянный ящик со стеклянной крышкой, но вода, налитая в него, была нагрета солнцем до 88 градусов. В 1774 году французский ученый А. Лавуазье впервые использовал линзы для концентрации тепловой энергии Солнца.

Но Солнце способно удовлетворить гораздо большие человеческие потребности. По оценкам ученых, человечеству необходимо 10 миллиардов тонн топлива, а Солнце может обеспечить около 100 триллионов тонн в год.тонн, то есть в 10 раз больше энергии, чем требуется. Поэтому этот вопрос очень актуален для науки.

Результатом многолетней работы ученых стало такое устройство, как солнечная батарея. Отправной точкой для развития солнечных элементов является 1839 год, когда был открыт фотоэлектрический эффект - преобразование солнечной энергии в электричество. Это открытие было сделано Александром Эдмон Беккерель. Следующим этапом в истории солнечных батарей стала деятельность Чарльза Фриттса, который в 1883 году разработал первый модуль, использующий солнечную энергию. Основа изобретенияслужил селеном, покрытым тонким слоем золота. Исследователь пришел к выводу, что такое сочетание элементов позволяет, хотя и до минимума (не более 1%), преобразовывать солнечную энергию в электричество. Первые солнечные панели, способные преобразовывать солнечную энергию в механическую энергию из пара, были построены во Франции. В конце XIX века.на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо продемонстрировал инсолятор - аппарат, который с помощью зеркала фокусировал лучи на паровом котле. Котел приводил в действие печатный станок, который производил 500 газетных отпечатков в час. Несколько лет спустя аналогичное устройство мощностью 15 лошадиных сил было построено в США.

Конечно, до создания современных солнечных панелей еще предстоял долгий путь. В течение следующих десятилетий эта область научных исследований развивалась неустойчиво. Периоды интенсивной активности сменялись резкими спадами. Многие люди склонны считать, что история солнечных батарей восходит к работам Альберта Эйнштейна. В частности, великий ученый получил Нобелевскую премию в 1921 году именно за изучение особенностей внешнего фотоэффекта, а не за обоснование знаменитой теории относительности. В 30-е годы. Советские физики во главе с академиком А. Ф. Иоффе получил электрический ток с помощью фотоэффекта. Правда, коэффициент полезного действия (КС) тогда не превышал 1%, но это тоже был серьезный научный шаг. Уже в 1954 году группа американских ученых достигла 6% эффективности. В этом году увидела свет первая кремниевая солнечная батарея. В 1958 году солнечная батарея стала основным источником электроэнергии для космических аппаратов. Но инструменты продолжали совершенствоваться. В 70-е годы. Эффективность уже составляла 10%. Такие показатели были вполне приемлемы для использования альтернативных устройств для получения энергии на космических аппаратах, но использовать солнечные батареи на Земле пока не имело смысла. И они были очень дорогими из-за высокой стоимости материалов: цена 1 кг кремния составляла около 100 долларов. Успешное и стабильное производство солнечных панелей былосозданная только в конце 80 -х и в 90-х гг. группа ученых из США смогла добиться значительного повышения эффективности таких аккумуляторов, создав особый чувствительный к цвету тип, отличающийся простотой производства, низкой стоимостью материалов и экономичностью. На сегодняшний день производимые солнечные элементы имеют КПД чуть более 20%.

В светлое время суток угол наклона солнца к солнечной панели постоянно меняется. Соответственно изменяется выработка энергии солнечной панелью. Максимальная эффективность солнечной панели достигается, когда она перпендикулярна солнцу. Поэтому в современных системах используется механизм прицеливания.

Такие устройства называются солнечными трекерами.

Мехатронная система управления ориентацией солнечной батареи

На рисунке 1 представленна структурная схема разработанной мехатронной системы управления ориентацией солнечной батареи. Она состоит из поворотного устройства, управляющего микроконтроллера и цифтового датчика освещенности. Для вращения солнечной батареи вокруг продольной оси используется шаговый двигатель. Шаговый двигатель управляется микроконтроллером. Направление вращения определяется в зависимости от показаний двух цифровых датчиков освещенности установленных под углом 90 градусов по отношению друг к другу. Вращение солнечной батареи производится при разнице освещенности датчика. Цифровой индикатор служит для отображения текущих значений освещенности датчика.

Рис. 1. Структура системы управления

На рисунке 2 показан трехмерный вид солнечного трекера.

Рис. 2. Трехмерный вид солнечного трекера На рисунке 3 представленна принципиальная электрическая схема системы управления солнечным трекером. Сстема управления включает управляющий микроконтроллер (DD1), Раземы для подключения датчиков освещенности подключаются к микроконтроллеру по интерфейсу I2C, цифрового индикатора (DD2), стабилизатора питания (DD3) и разема для подключения драйвера шагового двигателя.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема

На рисунке 4 представлен алгоритм работы управляющей программы микроконтроллера. В начале работы программы производится настройка и инициализация всех переферийных устройств микроконтроллера. После этого начинается выполнение основного цикла программы.

Рис. 4. Алгоритм работы управляющей программы микроконтроллера

Измерение освещенности производится каждые 10 минут. По истечении 10 минут проиходит считывание показаний датчиков освещенности, если значение освещенности ниже порогового значения (пасмурная погода), управление трекером не производится. Если значение освещенности выше порогового, производится сравнение показаний первого и второго датчиков. В зависимости от показаний датчиков производится вращение трекера в ту или иную сторону до выравнивания значений освещенности датчиков. солнечная батарея мехатронный микроконтроллер

Выводы и заключение

Солнечные электростанции используют энергию солнца для создания чистой возобновляемой электроэнергии. В отличие от ископаемого топлива, такого как уголь, производство электроэнергии из возобновляемых источников, таких как солнечная энергия, не приводит к выбросам, которые вредны для здоровья человека и окружающей среды. Однако солнечные электростанции также создают реальные экологические проблемы, включая деградацию среды обитания и вред дикой природе.

В работе разработана конструкция солнечного трекера, включая механизм поворота солнечной панели, принципиальную электрическую схему системы управления, алгоритм работы и управляющую программу микроконтроллера. Материал работы может быть использован при создании систем управления ориентации солнечной батарей.

Список литературы

Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы,

алгоритмы, программы. - М.: Издательский дом «Додека-ХХ1», 2006. -288 с.

Хартов В.Я. Микроконтроллеры AVR. Практикум для начинающих. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. -240 с.

Ревич Ю.В. Практическое программирование микроконтроллеров AtmelAVR на языке ассемблера. - СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 384 с.

Шпак Ю.А. Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров. - К.: «МК-Пресс», 2006. -400 с.

Воротников С.А. Информационные устройства робототехнических систем. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. -384 с.

Распопов В. Я. Микромеханические приборы. - М.: Машиностроение, 2007. -400с.

Размещено на Allbest.ru/