ВЫБОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МЕХАНИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ БЕЗ СЕНСОРНОГО ТРЕКЕРА СОЛНЕЧНОЙ ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены методика выбора электрических и механических компонентов для без сенсорного трекера солнечной параболоцилиндрической установки. Также показана методика расчёта основных параметров трекера и результаты экспериментальных исследований.

ABSTRACT

The article provides a methodology for the selection of electrical and mechanical components for a non-sensor tracker solar parabolic cylindrical installation. Also shown is the methodology for calculating the main parameters of the tracker and the results of experimental studies.

Ключевые слова: солнечная параболоцилиндрическая установка, без сенсорные солнечные трекеры, контроллер, шаговые двигатели, угол азимута, механические и электрические компоненты.

Keywords: parabolic-cylinder installation, sensorless dual-axes solar tracker, controller, stepper motors, azimuth angle, mechanical and electrical components.  

В настоящее время в разработке и практическом применении солнечных установок достигнуты определенные успехи, однако они все еще остаются дорогостоящими, что сдерживает применение их в широком масштабе. Поэтому, одной из основных задач на пути развития практических разработок по использованию солнечной энергии являются создание солнечных энергетических установок с приемлемыми технико-экономическими характеристиками. Это требует постоянного усовершенствования существующих установок, а также создания и тщательных исследований более совершенных вариантов различных конструктивных схем [1-7]. 

Проведенные в последние годы исследования показали, что одним из перспективных, потенциально и экономически конкурентоспособных направлений утилизации солнечной энергии является создание солнечных установок на базе параболоцилиндрических коллекторов. Полученная в подобных установках энергия может быть использована в сельском и коммунальном хозяйстве, промышленности и в быту для различных целей, в том числе для теплоснабжения, получения холода, производства электроэнергии с помощью паротурбинного цикла или в устройствах прямого преобразования энергии. [8-10]

Для повышения энергоэффективности солнечной параболоцилиндрической установки необходим механизм системы ориентации за Солнцем. Можно рассмотреть следующие системы ориентации:

а) двухосевое слежение с непрерывной корректировкой для обеспечения перпендикулярности падения прямой радиации на поверхность концентратора;

б) одноосевое слежение параллельно оси вращения Земли с непрерывной корректировкой для получения максимума энергии падающей радиации;

в) одноосевое слежение вокруг горизонтальной оси север – юг с корректировкой для получения максимума энергии падающей радиации;

г) одноосевое слежение вокруг горизонтальной оси восток-запад с постоянной корректировкой для получения максимума энергии падающей радиации.

Система ориентации двухосевой дает возможность использовать максимум падающей радиации, но такие системы имеют большую стоимость капитальных затрат. Системы ориентации одноосевой позволяют использовать минимум энергии падающей радиации, но зато имеют низкую стоимость.

Следящие системы снабжаются датчиками для регистрации отклонения от правильной ориентации, а также системами для осуществления необходимых коррекций. В некоторых случаях ориентирующие системы в конце рабочего дня позволяют установить концентратор зеркальной поверхностью вниз или в положение, соответствующее началу следующего дня.

Анализ разработанных конструкций ориентирующих систем показал, что для стандартных конструкций     погрешность        слежения порядка 0,1-0,6 град. считается допустимой [2]. Однако необходимо отметить, что чем выше точность слежения, тем выше эффективность параболоцилиндрической установки.

Исследователями разработаны многочисленные варианты ориентации солнечных параболоцилиндрических систем с фотоэлектрическими датчиками или с компьютерным микропроцессорным программным управлением. Однако разработка этих систем достаточно сложная и не дает из-за различных ошибок вышеуказанной допустимой погрешности. В этой связи нами разработана наиболее простая, но достаточно эффективная конструкция солнечной системы слежения – солнечного трекера для параболоцилиндрической установки.

Рисунок 1. Структура параболоцилиндрической системы двухосного слежения, включающей в себя предложенный без сенсорный солнечный трекер

Как отмечалось выше, для достижения максимальной энергетической эффективности параболоцилиндрической установки необходима одно- или двухосная система слежения за Солнцем. Исследования, проведенные в работах [1] показали, что, с применением одно- и двухосного трекера энергоэффективность солнечной установки может быть повышена на 20-50% в зависимости от географического положения.

Например, в работе [2] выходная мощность фотоэлектрического модуля увеличена до 33% по сравнению к стационарному фотоэлектрическому модулю с помощью двухосевого солнечного трекера, при этом величина фактора улучшения зависит от широты местности и др.

Применяемые в солнечных энергетических установках одно- и двухосные трекеры подразделяются на два типа: сенсорные и без сенсорные солнечные трекеры. На основе датчика солнечный трекер действует как замкнутая система, в которой фотодатчики используются для предоставления соответствующих сигналов обратной связи для отслеживания направления солнца с использованием системы управления с обратной связью [11]. Например, одноосный солнечный трекер, который использует два датчика свет зависимого резистора (LDR) для обеспечения сигналов обратной связи, чтобы получить правильный угол азимута, показывающий ежедневный путь солнца [12-13].

Разработка и реализация предлагаемого без сенсорного солнечного трекера для параболоцилиндрической установки двухосного слежения

Солнечный трекер состоит из контроллера, шагового двигателя 1, который соединен с коробкой передач высоты, шаговый двигатель 2, которой соединен с коробкой передач азимута, коробка передач высоты, которая вращает фотоэлектрическую панель в вертикальной плоскости вокруг оси высоты, и азимутальная коробка передач, которая аналогичным образом вращает фотоэлектрическую панель в плоскости горизонта вокруг оси азимута. Контроллер рассчитывает высотные и азимутальные углы и выдает набор соответствующих управляющих сигналов для двух шаговых двигателей, который объясняет следующее. 

Угол склонения рассчитывается первым контроллером как:

где δ - угол склонения, а d - номер годового дня, так что 1 января учитывается как d = 1. Высота над уровнем моря - угол, обозначенный буквой α, получается:

α=

где φ - широта расположения солнечного трекера, а МСВ - местное солнечное время. После этого определяется азимутальный угол, обозначенный буквой β:

Угол азимута составляет от 0 до 180^о, когда часовой угол (15^о (МСВ- 12) отрицательно (утром) и составляет от 180 до 360, когда часовой угол положителен (во второй половине дня). [14-15]

Внедрение без сенсорной системы солнечного слежения

Без сенсорная система солнечного слежения состоит из небольшого фотоэлектрического модуля, прикрепленного к параболоцилиндрической установке, преобразователя постоянного тока / ШИМ, контроллера, двух приводов шаговых двигателей, двух шаговых двигателей и двух коробок передач. Для построения точного солнечного трекера, набор электрических и механических компонентов должен быть выбран так, чтобы могло быть установлено очень точное вращение фотоэлектрической панели вокруг высотной и азимутальной осей. В этом исследовании, чтобы обеспечить вращение высокого разрешения для фотоэлектрической панели, так, чтобы каждый шаг вращения будучи равным всего 0,12, были выбраны нижеследующие компоненты:

- Шаговые двигатели: были использованы два одинаковых шаговых двигателя с шагом угла 1,8^о; один для регулировки угла высоты, а другой для регулировки угла азимута.

- Драйверы шаговых двигателей: для точного автоматического управления, бесперебойной и точной работы двух шаговых двигателей служат два идентичных драйвера шаговых двигателей. Каждый драйвер подает соответствующие сигналы управления и напряжение питания на шаговый двигатель, вследствие чего он вращается в соответствии с направлением и количеством шагов, запрашиваемых контроллером.

- DC / PWM преобразователь: простой преобразователь DC / PWM, используемый в построенной системе показан на рис. 3. Он состоит только из одного MOSFETпереключателя S, который переключается с постоянным периодом переключения Ti = 1/fi и коэффициентом заполнения DS =tS-on/Ti, где fi и tS-on - это частота переключения, а время включения S соответственно. Когда S включен, нагрузка Ток IL(t) протекает через S и поступает на нагрузку RL. Когда S выключен, IL(t) сразу достигает нуля, поэтому во время tSon, ток нагрузки IL(t) выражается как:

где Rds - статический сток на сопротивление источника МОП-транзистора переключатель S. В установившемся режиме Vpv приблизительно постоянен, а потери напряжения на фильтре индуктивности Lpv незначительны, поэтому нагрузка Ток IL(t) можно рассматривать как постоянный ток IB во время tS-on на. Таким образом, ток нагрузки IL(t) можно оценить как ШИМ Форма сигнала показана на рис. 4. Член постоянного (среднего) тока нагрузки обозначаемый IL DC может быть получен как:

Это выводится из уравнения. (5) что коэффициент заполнения DS является управляющим сигналом, который регулирует постоянный ток нагрузки до определенного уровня. [6]

- Контроллер: контроллер рассчитывает высоту и азимутальные углы, используя уравнения (1) - (3), а затем выдает управляющие сигналы, которые должны поступать на два шаговых драйвера двигателя для правильного вращения двух шаговых двигателей направления с углами поворота, рассчитанными по контроллер.

- Параболоцилиндрическая установка: новый дизайн использует только один датчик, который на самом деле является солнечной панелью меньшего размера и мощности 5 Вт прикрепленной к концентратору энергетической установки. Этот датчик не зависит от напряжения смещения. Сама панель может генерировать напряжение в зависимости от солнечного излучения. Изменение свойства датчика не влияет на алгоритм обнаружения, поэтому легко избегает проблемы ложного срабатывания. Кроме того, площадь поверхности датчика является значительной. Следовательно, меньше вероятность ложного срабатывания из-за теней облака. Также установлено, что разработанный здесь солнечный трекер вызывает меньшую ошибку в определении положения солнца.

- Механические компоненты: система представляет собой две идентичные коробки передач, показанные на рис. 1. Высотный редуктор используется для вращения фотоэлектрического модуля в вертикальной плоскости вокруг оси высоты, и азимутальная коробка передач вращает фотоэлектрический модуль в горизонте плоскость вокруг оси азимута. Таким образом, коробка передач высоты была установлена горизонтально на оси фотоэлектрического модуля, в то время как азимутальная коробка передач расположена вертикально. Каждая коробка передач состоит из двух колес; одно первичное колесо и одно вторичное колесо с передаточным числом N1 = N2 ¼ 1 = 15. 

Преимущества использования этих двух коробок передач:

- Каждый шаговый двигатель имеет угол поворота 1,8^о, а его специальная коробка передач имеет передаточное число 1/15, поэтому каждый оборот шаг шагового двигателя (1.8^о) преобразуется в шаг вращения 0,12 на вторичном валу редуктора, соединенный с валом параболоцилиндрического концентратора энергетической установки, на котором прикреплена фотоэлектрическая панель (датчик мощностью 5 Вт). Это обеспечивает очень малый шаг вращения, всего 0,12, для вращения фотоэлектрической панели вокруг высотной и азимутальной осей, и, таким образом, значительно уменьшает ошибку отслеживания.

- Поскольку передаточное число составляет N1 = N2 ¼ 1 = 15, каждая коробка передач увеличивает удерживающий момент соответствующего шагового двигателя двигатель в 15 раз. Таким образом, крутящий момент на вторичный вал редуктора используется для вращения ПВ модуль / панель значительно увеличивается. Например, каждый шаговый двигатель, используемый в этом исследовании, имеет удерживающий момент 9 кг-см, поэтому крутящий момент составляет около 135 кг-см что достаточно для перемещения даже тяжелого и большого фотоэлектрической панели в практических приложениях.

- Комбинация коробки передач, соединенной с шаговым двигателем позволяет нам не использовать какую-либо тормозную систему или редуктор крутящего момента, и это не только значительно уменьшает производство стоимость, но также упрощает структуру солнечного трекера

- Каждая коробка передач состоит только из двух очень простых колес, поэтому на практике это не какие-либо расходы или проблемы для их поддержания.

Без сенсорный солнечный трекер: экспериментальные результаты и оценка производительности

Фотоэлектрическая система была построена для экспериментальной оценки производительности предлагаемого солнечного трекера без датчика. Электрическая схема фотоэлектрической системы, построенная для реализации без сенсорного солнечного трекера, показана на рис. 2.

Контроллер реализован с использованием микроконтроллера MC68HC11A8. Оптодиак С выдает периодический импульс переключения с периодом Ti ¼ 100 лс (f i ¼ 10 кГц) и коэффициент заполнения DS, который производится и регулируется микроконтроллером в соответствии с командой пользователя. Использовались два драйвера шагового двигателя, один для управления высотный шаговый двигатель и еще один для управления азимутальным шаговым двигателем двигатель. Каждый производный был подключен к микроконтроллеру через пять проводов, и получает пять сигналов управления от контроллера. Также были использованы два шаговых двигателя с удерживающим моментом 9 кг-см; один для регулировки угла высоты α, а другой для азимутального угла β.

Рисунок 2. Электрическая схема построенной фотоэлектрической системы, в том числе предлагаемого без сенсорного солнечного трекера

Микроконтроллер был запрограммирован с использованием языка C ++ для численно решить уравнения. (1) - (3). На каждом этапе отслеживания процесса, он рассчитывает высоту и азимутальные углы, используя уравнения. (1) - (3), а затем выдает управляющие сигналы, которые должны быть подается на два драйвера шагового двигателя для вращения двух шаговых двигателей двигатели в правильном направлении с углами поворота, рассчитанными по микроконтроллеру.

Вышеописанный процесс повторяется до высоты и азимутальные углы сходятся к правильным углам слежения αT и β_Т. Подробно, когда следующий угол высоты / азимута больше чем текущая сумма, микроконтроллер устанавливает управление сигнал высокого уровня (+5 В), и подается управляющий сигнал соответствующим количеством импульсов от 0 В до +5 В. Для получения количества импульсов, которое необходимо, микроконтроллер первым вычитает следующую величину угла из текущей суммы, а затем делит результат на 0,12^о. Аналогичным образом, когда следующий угол высоты / азимута меньше текущей величины, микроконтроллер устанавливает низкий уровень сигнала управления (0 В), и количество  импульсов получается делением разности между и следующей величинами угла на 0,12^о.

Рисунок 3. Сравнение фактической высоты и азимутальных углов, измеренных от часа к часу при дневном свете (6:00–21:00), и углов, отслеживаемых без сенсорными и сенсорными солнечными трекерами

Каждый драйвер шагового двигателя также сначала включается и настраивается микроконтроллер через контакты последовательного периферийного интерфейса (SPI), состоящий из DI (вход данных SPI), CS (выбор микросхемы SPI) и CLK (SPI вход часов). Таким образом, микроконтроллер выдает десять контрольных сигналов, подаваемых на два драйвера шагового двигателя. Контроллер также производит соответствующий коэффициент заполнения DS для поставки к преобразователю DC / PWM на основе команды использования для обеспечения уровень выходной мощности, запрошенный пользователем. [16-17] .

Рисунок 4. Сравнение дневной выходной мощности фотоэлектрического модуля в без сенсорном режиме,  с сенсорами и в фиксированном режиме

На рис. 3 представлено сравнение фактических значений высотных и азимутальных углов Солнца Положение до высотных и азимутальных углов отслеживается предлагаемым без сенсорным солнечным трекером. Сравнение показывает, что максимальное значение ошибки отслеживания составляет 0,43, поэтому ошибка отслеживания предлагаемого без сенсорного солнечного трекера составляет 0,43 по азимуту и высотные углы.

Заключение В целом, проведенное исследование электрических и механических компонентов для без сенсорного солнечного трекера параболоцилиндрической установки позволило сделать вывод, что использование без сенсорного датчика на основе двухосного солнечного трекера параболоцилиндрической установки будет полезно при получении повышения энергоэффективности. Если же производство стоимости важнее, без сенсорный двухосный солнечный трекер будет хорошим выбором. 

Список литературы:

1. Abdurakhmanov A. A. et al. The optimization of the optical-geometric characteristics of mirror concentrating systems //Applied Solar Energy. – 2014. – Т. 50. – №. 4. – С. 244-251.
2. Klychev S. I., Abdurakhmanov A. A., Kuchkarov A. A. Optical-geometric parameters of a linear Fresnel mirror with flat facets //Applied Solar Energy. – 2014. – Т. 50. – №. 3. – С. 168-170.
3. Kuchkarov A. A. et al. Optical energy characteristics of the optimal module of a solar composite parabolic-cylindrical plant //Applied Solar Energy. – 2018. – Т. 54. – №. 4. – С. 293-296.
4. Yusupov Y. А. et al. Development of an Automated Stand for Measuring the Thermal Characteristics of Solar Parabolic Trough Collectors //International Journal of Sustainable and Green Energy. – 2021. – Т. 10. – №. 1. – С. 28.
5. Akbarov R. Y., Kuchkarov A. A. Modeling and Calculation of Optical-Geometric Characteristics of a Solar Concentrator with Flat Fresnel Mirrors //Applied Solar Energy. – 2018. – Т. 54. – №. 3. – С. 183-188.
6. Кучкаров А. А., Муминов Ш. А. У. Моделирование и создание плоского френелевского линейного зеркального солнечного концентратора //Universum: технические науки. – 2020. – №. 3-2 (72). – С. 80-85.
7. Кучкаров А. А., Муминов Ш. А., Абдурахманов А. А. Комбинированное энергообеспечение 62 гелиостатов Большой Солнечной Печи //Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. – 2020. – Т. 13. – №. 4.
8.  Axmadaliyevich K. A. et al. Possibilities of getting electricity with the help of a small Solar Furnace //EPRA International Journal of Research & Development. – 2021. – Т. 6. – №. 6. – С. 147-151.
9. Мухитдинов М. М., Эргашев С. Ф. Солнечные параболоцилиндрические установки // Изд.«Фан», г. Ташкент. – 1995.
10. Эргашев С. Ф., Хайдаров А., Мамадиева Д. Система автоматизации солнечных коллекторов //Точная наука. – 2019. – №. 43. – С. 6-8.
11. M.R. Patel, Wind and Solar Power Systems Design, Analysis and Operations, 2nd ed., Boca Raton, CRC Press, 2006.
12. Clifford M. J. and Eastwood D. “Design of a novel passive solar tracker”, in Solar Energy, 2004, volume 77, p. 269-280.
13.   Yusupov Y. А. et al. Development of an Automated Stand for Measuring the Thermal Characteristics of Solar Parabolic Trough Collectors //International Journal of Sustainable and Green Energy. – 2021. – Т. 10. – №. 1. – С. 28.
14. Ritchie E.,  Argeseanu A. and Leban K. “Robust Solar Position Sensor for Tracking Systems”, in WSEAS, 2009, volume 9, p.49-54.
15. Nayak S. R. and Pradhan C. R.  “Solar Tracking Application”, in IOSR Journal of Engineering, 2012, volume 2, p. 1278-1281.
16. Xakimov M. F., Oshepkova E. A. Features field emission in ultrathin discharge cell with a semiconductor electrode //ACADEMICIA: An International Multidisciplinary Research Journal. – 2020. – Т. 10. – №. 11. – С. 1334-1336.
17. Эргашев С. Ф. и др. Энергоэффективный трекер без использования светозависимых датчиков (фоторезисторов, фотодиодов и тд) //Известия Ошского технологического университета. – 2019. – №. 3. – С. 234-236.