Выполнил: Колтунов Николай Сергеевич, студент 441-об
Научный руководитель: Рыбалев Андрей Николаевич, канд.техн. наук, доцент
Тема: "Система экстремального слежения для лабораторной солнечной установки"
ВВЕДЕНИЕ Амурская область является одним из лидеров в России по среднегодовому приходу солнечной радиации: 4-5 кВт/ч на квадратный метр в день (этот показатель соизмерим с югом Германии и севером Испании, где солнечная энергетика достаточно хорошо развита). Уже точно известно , что наиболее эффективное использование солнечных батарей достигается в случае применения систем слежения за Солнцем.
В данной работе рассматривается лабораторная установка позиционирования солнечной батареи, разработанная на кафедре автоматизации производственных процессов Амурского государственного университета бывшим аспирантом Зайцевым Е.И. и выпускниками Деревянко Д.А. и Козыревым А.Ю. Общий вид установки представлен на рис. 1.
Рисунок 1 - Общий вид установки
УСТАНОВКА "СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ" Поворот батареи относительно горизонтальной и вертикальной осей производится электроприводами постоянного тока с возвратно-поступательным движением рабочего органа.
Схематичные виды установки представлен в трех проекциях на рис.1, рис.2, рис.3.
Рисунок 2 - Вид сверху солнечной батареи
Рисунок 3 - Вид с тыла солнечной батареи
Рисунок 4 - Вид сбоку солнечной батареи
На 3 схемах присутствуют следующие обозначения:
1 - алюминиевая пластина;
2 - датчик положения;
3 -концевой выключатель;
4 - рейка;
5 - механизм нажатия на концевой выключатель;
6 - крепление пластины к электроприводу.
В состав системы управления установкой (рис. 5) входят программируемый логический контроллер (ПЛК), блок коммутации (БК), блок ограничения высоты (БОВ), электроприводы (ЭП), сама солнечная батарея (СБ), блок контроля направления (БКН), блок концевых выключателей (БКВ), датчики положения (ДП),блок ручного управления (БРУ).
Контроллер управляет электроприводами с помощью блока коммутации и блока ограничения высоты. На дискретные входы ПЛК поступают сигналы с датчиков положения, блока концевых выключателей, блока контроля направления. Сигнал с солнечной батареи и системы ручного управления приходит на аналоговые входы контроллера.
Рисунок 5 - Структурная схема системы управления
На данной схеме выше, присутствуют следующие обозначения:
ПЛК - Программируемый логический контроллер;
DO - Digital Output (цифровой выход);
DI - Digital Input (цифровой вход);
AI - Analog Input (аналоговый вход).
Ранее была разработана управляющий код для ПЛК на базе программы CODESYS V2.3, позиционирующая батарею на основе информации о текущих дате и времени, а также широты местности. Дата и время в начале вводятся вручную пользователем и в дальнейшем уже определяется с помощью встроенных энергонезависимых часов ПЛК. Широта также вводится в качестве настраиваемого параметра, которое также сохраняется.
В настоящее время разрабатываются алгоритмы и программный код для позиционирования батареи непосредственно на солнце на основе принципа экстремального регулирования.
Электрическая мощность, вырабатываемая солнечной батареи, в принципе может служить критерием такого регулирования. Однако мощность зависит не только от ориентации батареи относительно солнца, но и от потребителя электрической энергии. Учитывая достаточно сложную ВАХ(вольт-амперную характеристику) самой батареи, построить систему позиционирования с оптимизацией по мощности проблематично. В связи этим большинство систем оснащается дополнительными фотоэлектрическими датчиками, дающими информацию непосредственно об освещенности.
В данной работе на первом этапе отрабатываются алгоритмы экстремального регулирования. Величиной, максимум которой ищет система, является напряжение, выдаваемое батареей. Предполагается, что периодически батарея будет отключаться от нагрузки и переводиться в новое положение «на холостом ходу». В это время потребитель электрической энергии будет продолжать работать от аккумулятора.Такой подход существенно упрощает техническую реализацию системы.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ С СОЛНЕЧНОЙ УСТАНОВКОЙ С данной установкой, перед началом написания самой программы слежения, было сделано ряд экспериментов. Было изготовлено самодельное "солнце", в виде деревянного штатива с 5 лампами накаливания. Данный источник света был поставлен на расстояние 1 метра от алюминиевой пластины, так чтоб он был напротив центра панели. А занятое положение установкой по горизонтали было расположено в среднем положении.
Далее были осуществлены опыты с изменением положения солнечной установки, при которых измерялись ток и напряжение. Потом по полученным данным были построены графики с зависимостями, которые были построены в Matlabe R2016b.
Представленные ниже рисунки 6 и 7, отображают зависимость соответственно напряжения и мощности от угла поворота установки по оси x (горизонталь).
Рисунок 6 - Зависимость напряжения от угла поворота горизонтальной оси
Рисунок 7 - Зависимость мощности от угла поворота горизонтальной оси
Далее рисунки 8 и 9, показывают зависимость соответственно напряжения и мощности от угла поворота установки по оси x (вертикаль).
Рисунок 8 - Зависимость напряжения от угла поворота вертикальной оси
Рисунок 9 - Зависимость мощности от угла поворота вертикальной оси
А вот рисунок 10, показывает зависимость только напряжения от углов горизонтальной и вертикальной осей. Были получены кривые при разных фиксированных углах вертикальной оси (0, 30, 60, 90 град) и при изменяемом угле(-64...64) горизонтальной оси.
Рисунок 10 - Зависимость напряжения от углов горизонтальной и вертикальной осей
Рисунок 11 построен по тем же данным,что и рис. 10, но с примененной к нему интерполяцией.
Рисунок 11 - Зависимость напряжения от углов горизонтальной и вертикальной осей с интерполяцией
Изначальный алгоритм работы программы экстремального слежения, представлен на рисунке 12.
Рисунок 12 - Общий алгоритм программы позиционирования
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Как показали проведенные эксперименты со стендом, позиционирование только по напряжению не оправдывает ожиданий. В будущем, после отработки алгоритмов и программ, планируется модернизация системы с внедрением фотоэлектрических преобразователей. Большинство солнечных батарей в мире, имеющих функцию "поиска Солнца" имеют всегда несколько светочувствительных датчиков, с помощью которых очень легко найти и повернуть батарею на источник света.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК1. Рыбалев А.Н. Система позиционирования солнечной батареи/ Вестник Амурского государственного университета. Выпуск 75. - Благовещенск: АмГУ. -2016. - С.65-72.
2. Системы слежения за Солнцем/ М.В. Китаева, А.В. Юрченко, А.В. Скороходов, А.В. Охорзина // Вестник науки Сибири. - 2012. - № 3 (4). - С.61-67.
