2. Козырев, Деревянко. Автоматическое позиционирование солнечной батареи

[AndreyK]

Козырев Андрей Юрьевич, Деревянко Дмитрий Александрович, гр. 241-об
Научный руководитель доцент, к.т.н. Рыбалев А.Н.

Автоматическое позиционирование солнечной батареи

Миллиарды киловатт лучистой энергии посылает на Землю Солнце - источник жизни на нашей планете. Использование этой энергии и преобразование в столь необходимое нам электричество решается применением в качестве преобразователей солнечных батарей. Солнечные батареи - один из самых перспективных источников электроэнергии как для промышленных предприятий, так и для бытового использования.
В данной работе разрабатывается проект, задачей которого является подбор оптимального положения солнечной батареи, при котором вырабатывается максимально возможная мощность.
Основными элементами для выполнения поставленной задачи являются:
- солнечная батарея (10вт), 1 шт.;
- электропривод, 2 шт.;
- ПЛК73, 1 шт.;
- промежуточное реле, 4 шт.;
- блок питания 12В, 1 шт.;
- блок питания 24В, 1 шт.;
Структурная схема автоматического позиционирования солнечной батареи

Рисунок 1 - Структурная схема автоматического позиционирования солнечной батареи

На основе структурной схемы автоматического позиционирования были разработаны:
1. Функциональная схема;
2. Принципиальная электрическая схема;
3. Компоновочная схема щита автоматического управления;
4. Монтажная схема щита автоматического управления;
На данном этапе разработано ручное управление солнечной батареи, вывод на дисплей контроллера значений выходных параметров батареи, тока и напряжения, а также индикация на ПЛК направления движения электропривода в виде загорающихся светодиодов К1-К4.
Общий вид солнечной энергоустановки представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Солнечная энергоустановка

Общий вид щита автоматического управления представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Щит автоматического управления

На лицевой панели шкафа расположен ПЛК73, переключатель ручного и автоматического управления и 4 кнопки управления приводами.
В дальнейшем будет разработана программа автоматического позиционирования солнечной энергоустановки.
Программа контроллера разрабатывается в среде программирования CoDeSys v2.3. Суть разрабатываемой программы заключается в поиске оптимального положения, при котором вырабатывается максимально возможное напряжение.

[Жариков Денис]

Добрый день.

Суть программы заключается в считывании контроллером выходного сигнала с солнечной батареи и поиском наилучшего положения. При отклонении угла солнечных лучей на определенное значение, сигнал с контролера по цепи поступает на электроприводы

Судя по написанному, у Вас батарея каким-то образом измеряет "угол солнечных лучей". Как она это делает? В чем измеряется значение отклонения угла? в градусах? и что вообще такое "угол солнечных лучей"?.

Как поведёт себя батарея если мы выключим лампочки? (смоделируем тучку)

Какое положение займёт привод, вращающий батарею вокруг вертикальной оси, если солнце будет строго в зените (батарея расположена параллельно земле)?

Опишите принцип преобразования солнечного излучения в электрическую энергию в Вашей солнечной батарее.

Хотелось бы увидеть программную часть.

Спасибо.

[knoppix]

Так как судя по всему программная часть еще не написана, то хотелось бы увидеть хотя бы предполагаемый алгоритм. Что подразумевается под оптимальным положением, как оно будет определятся? Какие алгоритмы регулирования планируете использовать?
Ну и в завершении, чем ваша система система позиционирования будет отличаться от уже существующих.

[AndreyK]

Судя по написанному, у Вас батарея каким-то образом измеряет "угол солнечных лучей". Как она это делает? В чем измеряется значение отклонения угла? в градусах? и что вообще такое "угол солнечных лучей"?.

Как поведёт себя батарея если мы выключим лампочки? (смоделируем тучку)

Какое положение займёт привод, вращающий батарею вокруг вертикальной оси, если солнце будет строго в зените (батарея расположена параллельно земле)?

Опишите принцип преобразования солнечного излучения в электрическую энергию в Вашей солнечной батарее.

Хотелось бы увидеть программную часть.

1. Неправильно сформулированы предложения) Сейчас исправим. Суть заключается в поиске оптимального положения, при котором вырабатывается максимально возможное напряжение.  
2. Существует много алгоритмов, которые дают ответ на ваш вопрос. Мы еще не касались разработки программной части, поэтому на данный вопрос пока ответить не можем. В скором времени (уже после конференции) мы обязательно разместим информацию по этому вопросу в данной теме. Надеемся, что многим будет интересно понаблюдать за ходом разработки.
3. Касаемо этого вопроса есть небольшая проблема, которая в скором времени будет разрешена. Электропривод не может дойти до своего крайнего положения из - за небольшого недостатка конструкции.
4. Солнечная батарея состоит из кремниевой пластины сверху которой нанесено небольшое количество бора и фосфора. В слое кремния с добавками фосфора возникают свободные электроны, а в слое кремния с добавками бора - отсутствующие электроны. Когда на солнечную батарею попадает квант света в ней начинается движение частиц из одного слоя в другой, то есть возникает электрический ток. При направленном солнечном свете электричество собирается в каждой точке кремниевой пластинки, чтобы вывести ток, на пластинках расположены каналы, по которыми бежит электричество.  
5. Как было сказано выше, мы не касались разработки программной части. Единственное, что готово на данный момент - измерение и отображение параметров электрической энергии солнечной батареи на дисплей ПЛК, ручное управление и индикация движения электроприводов. Визуализацию и программу этих задач можем выложить. Только вопрос. Зачем?
Спасибо за вопросы, надеемся, что мы наиболее полно ответили на них.

[AndreyK]

Так как судя по всему программная часть еще не написана, то хотелось бы увидеть хотя бы предполагаемый алгоритм. Что подразумевается под оптимальным положением, как оно будет определятся? Какие алгоритмы регулирования планируете использовать?
Ну и в завершении, чем ваша система система позиционирования будет отличаться от уже существующих.

Суть разрабатываемой программы заключается в поиске оптимального положения, при котором вырабатывается максимально возможное напряжение. В данной работе в качестве алгоритма будет использоваться один из алгоритмов многомерной оптимизации. Какой - пока сложно сказать. Также от этого и будет зависеть отличия разрабатываемой системы, от уже существующих. Также, в существующих системах слежения, в качестве чувствительного элемента, в основном, используются фотоэлектрический датчик положения солнца,а у нас - сигнал от самой солнечной батареи. Позже обязательно разместим эту информацию в этой ветке, когда коснемся вопросов разработки программной части.

[knoppix]

Спасибо за ответы. Интересно. Я как из текста понял вы рассматриваете наземное применение, а солнце движется вполне себе предсказуемо (конечно колебания эклиптики присутствуют, но за разумное время никакого существенного влияния они не окажут, плюс их можно учесть в мат. модели). То самый очевидный вариант, это система в которую заносится текущее местоположение батарей (или берется из того же GPS), и на основе его вычисляется пусть солнца по небу, с последующим позиционированием.
Даст ли автоматическое позиционирование существенный прирост в работе, по сравнению с системой следования по эклиптике? Ну или как вариант совмещение двух подходов, сначала выставка батареи по солнцу исходя из модели его движения по небу, и уточнение его местоположения в автоматическом режиме. Но в итоге вопрос все тот же, даст ли это существенное увеличение качества работы.

[KudakIG]

Согласен с knoppix.

Помню Зайцев Евгений из 741а строил подобную систему, только там слежение было основано на отдельном датчики положения солнца и на микроконтроллере. Я ему уже тогда предлагал описать траекторию в зависимости от координат. Но тогда это обосновывалось желанием сделать устройство на МК.

И опять же то была система на МК, а тут аж на ПЛК, очень дорогое устройство получается.

[beatsman]

Помню Зайцев Евгений из 741а строил подобную систему, только там слежение было основано на отдельном датчики положения солнца и на микроконтроллере. Я ему уже тогда предлагал описать траекторию в зависимости от координат. Но тогда это обосновывалось желанием сделать устройство на МК.

Это и есть система, которую разработал в свое время Зайцев Евгений. Использование отдельных датчиков положения солнца имеет ряд недостатков, если мы, конечно же, говорим об одном и том же (я имею ввиду 4 фоторезистора, расположенных под углом 45 град.)

[beatsman]

И опять же то была система на МК, а тут аж на ПЛК, очень дорогое устройство получается.

Да, ПЛК в разы дороже, чем МК. Но вы принимайте во внимание, что разработка ПО тоже стоит своих денег. Так как реализовывать сложные алгоритмы на ПЛК гораздо проще, то в итоге общая стоимость устройства примерно будет равна.

[beatsman]

То самый очевидный вариант, это система в которую заносится текущее местоположение батарей (или берется из того же GPS), и на основе его вычисляется пусть солнца по небу, с последующим позиционированием.

Вы предлагаете одноосевую систему. Они имеют проигрыш, относительно двухосевых, но не много. И если разрабатывать одноосевую систему, то предпочтительнее было бы использовать шаговый двигатель, как мне кажется, а не коллекторный. Про это почему - то никто не говорит. Хотя, может быть я ошибаюсь.
Я думаю, что нужно сделать так: при инсталляции установки и с периодичностью, допустим, раз в месяц (для корректировки) запускалась программа по поиску максимального возможного вырабатываемого напряжения, а дальше продолжалась программа, в которой с некоторым периодом батарея будет "шагать" за солнцем (шаг в 30 минут, к примеру).

[knoppix]

И опять же то была система на МК, а тут аж на ПЛК, очень дорогое устройство получается.

Да, ПЛК в разы дороже, чем МК. Но вы принимайте во внимание, что разработка ПО тоже стоит своих денег. Так как реализовывать сложные алгоритмы на ПЛК гораздо проще, то в итоге общая стоимость устройства примерно будет равна.

Ну вы пока сложного алгоритма не представили, поэтому вопрос вполне разумен, вот как представите так и сможете говорить что на голом МК он трудно реализуем. Ну и второе утверждение тоже спорно, разработка ПО это фактически процесс оплачиваемый один раз, то есть в случае разработки МК+ПО, один раз будет разработано ПО, а потом за копейки покупаться МК. И думаю в долгосрочной перспективе и массовом производстве это выйдет дешевле, чем система на базе ПЛК. В случае единичного производства "для себя и мамы с папой", вопрос о стоимости разработки ПО смысла особого не имеет.

То самый очевидный вариант, это система в которую заносится текущее местоположение батарей (или берется из того же GPS), и на основе его вычисляется пусть солнца по небу, с последующим позиционированием.

Вы предлагаете одноосевую систему. Они имеют проигрыш, относительно двухосевых, но не много. И если разрабатывать одноосевую систему, то предпочтительнее было бы использовать шаговый двигатель, как мне кажется, а не коллекторный. Про это почему - то никто не говорит. Хотя, может быть я ошибаюсь.
Я думаю, что нужно сделать так: при инсталляции установки и с периодичностью, допустим, раз в месяц (для корректировки) запускалась программа по поиску максимального возможного вырабатываемого напряжения, а дальше продолжалась программа, в которой с некоторым периодом батарея будет "шагать" за солнцем (шаг в 30 минут, к примеру).

Вот вы оперируете понятиями много и немного, а фактически это сколько? В докладе вообще о типе двигателя не слово. К тому же я не вижу проблемы зная координаты установки и траекторию движения солнца сделать алгоритм позиционирования для двухосевой системы.

P.S. Если вы не соавтор доклада, то прошу прощения, тогда все вопросы к авторам

[ran]

Да, это система Зайцева, но только в части объекта управления ("металлоконструкция" + приводы ПОСТОЯННОГО ТОКА).
МК дешевле ПЛК, но только где этот МК? (Извините за стихи.) Система управления на МК делалась-делалась-делалась, но так и не доделалась. Это к вопросу стоимости разработки.

Главное: никому не нужна энергия этой жалкой батареи, она мизерная.
Задача стоит в разработке прототипа и разных алгоритмов позиционирования. Будет, надеюсь, и "программное управление" (практически точно известно, "где находится солнце" на текущую дату и в текущее время, а в ПЛК есть энергонезависимые "часы", выдающие дату и время, (а в МК нету!)) и оптимальное управление с поиском солнца (максимума напряжения, а точнее мощности, так как измеряется еще и ток). Кстати, никак не могу понять, зачем нужны "внешние" измерители освещенности, если сама батарея и является измерителем?  
Что касается "тиражирования": вполне возможен и такой ответ: если мы все опробуем на ПЛК (а на нем, согласитесь, намного проще все опробовать), то мы выясним требования к аппаратной и программной части системы на МК и тогда уже "позовем Зайцева" и он нам сделает.

[knoppix]

Спасибо за уточнения. Тема как и в тот раз одна из самых популярных
К МК можно добавить микросхему часов, или организовать их в нем с помощью асинхронного таймера! Но в целом да, тестировать на ПЛК удобнее будет в данном случае.

Я вот пока не могу понять зачем что-то измерять, то есть делать на этом такой акцент, как сделал автор в комментариях, солнце же движется предельно предсказуемо и падать пока не собирается.
Ну и пока не очень понятен метод определения степени освещенности самой батареей, мерить мощность со всей батареи, а потом немного туда-сюда ей поездить и определить максимум, или отдельно мерить мощность выдаваемую разными сегментами батареи, а потом по разности определять направление поиска?

[beatsman]

Ну и пока не очень понятен метод определения степени освещенности самой батареей, мерить мощность со всей батареи, а потом немного туда-сюда ей поездить и определить максимум, или отдельно мерить мощность выдаваемую разными сегментами батареи, а потом по разности определять направление поиска?

Планируется первый предложенный Вами вариант. "Мерить мощность со всей батареи, а потом немного туда-сюда ей поездить и определить максимум".

[beatsman]

P.S. Если вы не соавтор доклада, то прошу прощения, тогда все вопросы к авторам

Соавтор я.