Гелиостат. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Одним из направлений гелиоэнергетики является прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных батарей. В статье описывается несложное устройство, позволяющее автоматически ориентировать солнечную батарею на солнце.

Как известно, мощность светового потока у поверхности Земли на экваторе достигает 1,1 кВт/м2 (на широте Москвы около 0,5 кВт/м2).

Примерно 40% этой энергии может быть преобразовано в электрическую солнечными батареями, созданными английской компанией Sandia National Laboratories на основе нитридо-арсенида галлия-индия. В ряде случаев целесообразно использование и обычных солнечных батарей с КПД 20% [1].

КПД солнечных батарей зависит от многих факторов, но решающим является ориентация ее элементов относительно источника излучения. Для поддержания оптимальной освещенности солнечных батарей разработаны разнообразные системы слежения - от простейших аналоговых до аналого-цифровых [2]. Регулировка подобных устройств осложнена тем, что порог их срабатывания меняется в зависимости не только от дифференциальной, но и от общей интенсивности освещения. Кроме того, для установки таких систем в исходное состояние требуется вмешательство обслуживающего персонала.

Предлагаемое устройство (гелиостат) использует импульсное регулирование и без вмешательства извне способно ориентировать солнечную батарею по наилучшей освещенности. Принципиальная схема гелиостата изображена на рис. 1. Он состоит из тактового генератора (DD1.1, DD1.2), двух интегрирующих цепей (VD1R2C2, VD2R3C3), такого же числа формирователей (DD1.3, DD1.4), цифрового компаратора (DD2), двух инверторов (DD1.5, DD1.6) и транзисторного коммутатора (VT1-VT6) направления вращения электродвигателя М1, управляющего поворотом платформы, на которой установлена солнечная батарея.

(нажмите для увеличения)

С подачей питания (от самой солнечной батареи или от аккумулятора) генератор на элементах DD1.1, DD1.2 начинает вырабатывать тактовые импульсы, следующие с частотой около 300 Гц. При работе устройства сравниваются длительности импульсов, сформированных инверторами DD1.3, DD1.4 и интегрирующими цепями VD1R2C2, VD2R3C3. Их крутизна меняется в зависимости от постоянной времени интегрирования, которая, в свою очередь, зависит от освещенности фотодиодов VD1 и VD2 (ток зарядки конденсаторов С2 и C3 пропорционален их освещенности).

Сигналы с выходов интегрирующих цепей поступают на формирователи уровня DD1.3, DD1.4 и далее - на цифровой компаратор, выполненный на элементах микросхемы DD2. В зависимости от соотношения длительностей импульсов, поступающих на входы компаратора, сигнал низкого уровня появляется на выходе элемента DD2.3 (вывод 11) или DD2.4 (вывод 4). При равной освещенности фотодиодов на обоих выходах компаратора присутствуют сигналы высокого уровня.

Инверторы DD1.5 и DD1.6 необходимы для управления транзисторами VT1 и VT2. Высокий уровень сигнала на выходе первого инвертора открывает транзистор VT1, на выходе второго - VT2. Нагрузками этих транзисторов являются ключи на мощных транзисторах VT3, VT6 и VT4, VT5, которые коммутируют напряжение питания электродвигателя М1. Цепи R4C4R6 и R5C5R7 сглаживают пульсации на базах управляющих транзисторов VT1 и VT2.

Направление вращения двигателя меняется в зависимости от полярности подключения к источнику питания. Цифровой компаратор не позволяет одновременно открыться всем ключевым транзисторам, и, таким образом, обеспечивает высокую надежность системы.

С восходом солнца освещенность фотодиодов VD1 и VD2 окажется различной и электродвигатель начнет поворачивать солнечную батарею с запада на восток. По мере уменьшения разницы в длительностях импульсов, вырабатываемых формирователями, будет уменьшаться длительность результирующего импульса и скорость поворота солнечной батареи плавно замедлится, что обеспечит ее точное позиционирование. Таким образом, при импульсном управлении вращение вала электродвигателя можно передавать платформе с солнечной батареей непосредственно, без применения редуктора.

В течение дня платформа с солнечной батареей будет поворачиваться вслед за движением солнца. С наступлением сумерек длительности импульсов на входе цифрового компаратора окажутся одинаковыми и система перейдет в дежурный режим. В этом состоянии потребляемый устройством ток не превышает 1,2 мА (в режиме ориентации он зависит от мощности двигателя).

Аккумулятор гелиостата используется для накопления энергии, вырабатываемой солнечной батареей, и питания самого электронного блока. Поскольку электродвигатель включается лишь для поворота батареи (т. е. на непродолжительное время), выключатель питания не предусмотрен.

Описываемое устройство ориентирует солнечную батарею в горизонтальной плоскости. Однако при ее позиционировании следует учитывать географическую широту местности и время года. Если дополнить конструкцию блоком вертикального отклонения, собранным по аналогичной схеме, можно полностью автоматизировать ориентацию батареи в обеих плоскостях.

Кроме указанных на схеме, в устройстве можно применить микросхемы серий К564, К176 (при напряжении питания 5... 12 В). Транзисторы КТ315А заменимы любыми из серий КТ201, КТ315, КТ342, КТ3102, а КТ814А - любыми из серий КТ814, КТ816, КТ818, а также германиевыми П213-П215, П217 с любыми буквенными индексами. В последнем случае между эмиттерами и базами транзисторов VT3- VT6 следует включить резисторы сопротивлением 1...10 кОм, чтобы предотвратить их случайное открывание вследствие значительного обратного тока.

Вместо фотодиодов ФД256 допустимо использовать отдельные солнечные элементы самой батареи (включенные с соблюдением полярности), фототранзисторы без цепей смещения, а также фоторезисторы, например, СФ2, СФЗ или ФСК любой модификации. Следует только подобрать (изменением сопротивления резистора R1) частоту тактового генератора по надежному срабатыванию цифрового компаратора.

Все детали устройства смонтированы на печатной плате (рис. 2) из двусторонне фольгированного стеклотекстолита. Транзисторы VT3 - VT6 привинчены к плате и снабжены теплоотводами Г-образной формы площадью около 10 см2, согнутыми из полосок листового алюминиевого сплава толщиной 1,5 мм. При использовании более мощного электродвигателя эти транзисторы размещают вне платы на отдельных теплоотводах, обеспечивающих эффективное теплорассеяние. Плата помещена в герметичный пластмассовый корпус, закрепленный на одном уровне с солнечной батареей.

Для защиты фотодиодов от избыточного облучения применен зеленый светофильтр. Между фотодатчиками помещают непрозрачную шторку. Ее закрепляют перпендикулярно плате с таким расчетом, чтобы при изменении угла освещения она затеняла один из фотодиодов.

Солнечная батарея установлена на платформе, под которой смонтирован электродвигатель МП-3-015 (напряжение питания 6 В), вращающий ее в горизонтальной плоскости. Возможно применение более мощного двигателя, у которого направление вращения вала также изменяется в зависимости от полярности напряжения.

К батарее через токосъемник подключен аккумулятор, зарядный ток которого соответствует максимальному току, вырабатываемому батареей.

Собранное из исправных деталей устройство не требует наладки и сразу же начинает работать. Его чувствительность такова, что батарея уверенно ориентируется по световому потоку от лампы МН 2,5 В-0,15 А, находящейся на расстоянии 3 м от фотодатчиков.

Литература

1. Зиновьев К., Пантуев В. Солнечно-аккумуляторные батареи для питания РЭА. - Радио, 1995, № 1, с. 44; № 2, с. 43, 44.
2. Байере Т. 20 конструкций с солнечными элементами. - М.: Мир, 1988.

Автор: И.Цаплин, г.Краснодар

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Хорошо управляемые луга могут компенсировать выбросы от скота 15.02.2026

Животноводство, особенно разведение крупного рогатого скота, часто обвиняют в значительном вкладе в глобальное потепление из-за мощного парникового газа - метана, который выделяется при пищеварении у жвачных животных. Это вызывает острые политические споры и призывы к сокращению потребления мяса. Однако ученые напоминают, что полная картина климатического воздействия отрасли не ограничивается только выбросами от животных: огромную роль играет окружающая экосистема - пастбища, почва и растительность, которые способны активно поглощать углекислый газ из атмосферы. Исследователи из Университета Небраски-Линкольна решили глубже изучить этот баланс. Группа под руководством профессора Галена Эриксона сосредоточилась на том, как правильно организованные пастбища накапливают углерод в растениях и грунте благодаря естественным процессам, стимулируемым выпасом скота. Ученые подчеркивают, что при достаточном уровне осадков и грамотном управлении такие луга превращаются в мощные природные погло ...>>

NASA тестирует инновационную технологию крыла 15.02.2026

Коммерческая авиация ежегодно расходует колоссальные объемы керосина, что сказывается не только на бюджете авиакомпаний, но и на состоянии окружающей среды. В 2024 году глобальные затраты на авиационное топливо достигли 291 миллиарда долларов, и эта сумма продолжает расти. Чтобы справиться с этими вызовами, NASA активно работает над технологиями, способными заметно повысить аэродинамическую эффективность самолетов. Одним из самых перспективных направлений стало создание специальной конструкции крыла, которая максимизирует естественный ламинарный поток воздуха и минимизирует сопротивление. В январе 2026 года специалисты NASA Armstrong Flight Research Center успешно провели важный этап наземных испытаний концепции Crossflow Attenuated Natural Laminar Flow (CATNLF). Для эксперимента под фюзеляж исследовательского самолета F-15B закрепили вертикально ориентированную масштабную модель высотой около 0,9 м (3 фута), напоминающую узкий киль. Такая компоновка позволила подвергнуть прототип р ...>>

Забота о внуках очень полезна для здоровья мозга 14.02.2026

Общение между поколениями приносит радость всей семье, но мало кто задумывается, насколько активно бабушки и дедушки, заботящиеся о внуках, поддерживают свою умственную форму. Регулярное взаимодействие с детьми стимулирует мозг пожилых людей, помогая сохранять память, скорость мышления и общую когнитивную активность. Новые научные данные подтверждают, что такая добровольная помощь не только важна для общества, но и может замедлять возрастные изменения в мозге. Исследователи из Тилбургского университета в Нидерландах провели анализ, чтобы понять, приносит ли уход за внуками реальную пользу здоровью пожилых людей. Ведущий автор работы Флавия Черечес отметила, что многие бабушки и дедушки регулярно присматривают за детьми, и оставался открытым вопрос, насколько это положительно сказывается на их собственном благополучии, особенно в плане когнитивных функций. Ученые поставили цель выяснить, способен ли регулярный уход за внуками замедлить снижение памяти и других умственных способ ...>>

Случайная новость из Архива Миниатюрные датчики силы Honeywell FMA 25.09.2021 Компания Honeywell представила новые датчики серии FMA. Они имеют пьезорезистривный чувствительный элемент. Полная заводская калибровка и температурная компенсация минимизируют начальное смещение и нелинейность чувствительности. Прямой механический контакт обеспечивает простое подведение измеряемого усилия. Выходные данные прямо пропорциональны силе, приложенной к датчику. Датчики FMA имеют цифровой выход для простого подключения к микроконтроллеру. Области применения: Медицина: инфузионные насосы; амбулаторные насосы; насосы для энтерального питания; аппараты для диализа почек. Промышленность: измерение нагрузки и сжатия; сенсорные панели; замена переключателя; робототехника; измерение веса; оборудование для измерения силы/захвата. Серия FMA - компенсированные усиленные датчики силы, имеющие цифровой выход и обеспечивающие широкий диапазон измерений, обладающие небольшим размером, а также имеющие повышенную надежность и точность. Несколько пределов измерения позволяют заказчику выбирать диапазон силы, чтобы максимизировать чувствительность и улучшить разрешение своей системы. Малый размер позволяет использовать серию FMA в приложениях с ограниченным пространством. Прочная конструкция обеспечивает повышенную надежность в приложениях, где может существовать избыточное усилие. Цифровой выход повышает производительность за счет снижения требований к преобразованию и обеспечивает прямой интерфейс с микроконтроллером. Благодаря контролю состояний "обрыв" и "короткое замыкание" внутри датчика диагностические функции позволяют пользователю определить правильность работы прибора. Особенности датчиков серии FMA: малый форм-фактор 5х5 мм; типовая точность +- 2%; цифровой интерфейс SPI/I2C; полная калибровка при производстве; температурная компенсация в диапазоне 5...50°C; устойчивость к перегрузкам: 3-кратный диапазон избыточной силы; питание 3,3 В (опционально 5 В); малое потребление энергии 14 мВт; высокая надежность и повышенная повторяемость от экземпляра к экземпляру; стабильный сферический интерфейс из нержавеющей стали; внутренние диагностические функции; соответствие REACH и RoHS.

Другие интересные новости:

▪ Смарт-очки переводят текст в звук

▪ Бактерии замедлят таяние мороженого

▪ Путешествия во времени без временных парадоксов

▪ Генератор тестовых сигналов для телевидения высокой четкости

▪ Утвержден стандарт Wi-Fi 802.11n

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электроснабжение. Подборка статей

▪ статья Финансы и кредит. Шпаргалка

▪ статья Где проводились опыты по скрещиванию шимпанзе и человека? Подробный ответ

▪ статья Начальник юридического отдела. Должностная инструкция

▪ статья Игровая компьютерная мышка с отдачей. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Ступенчатое зарядное-разрядное устройство. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026