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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Тройная камера в смартфонах - тренд мобильной индустрии 17.06.2018 Вице-президент по маркетингу компании DxOMark Image Labs, специализирующейся на исследовании фотопотенциала профессиональных камер и смартфонов, поделился своим видением будущего относительно технического роста мобильных устройств в обозначенном направлении. Николас Тачард (Nicolas Touchard) считает, что очередным трендом для индустрии, который несомненно будет подхвачен ведущими производителями, станет оснащение смартфонов тройными камерами. По примеру Huawei, скомпоновавшей для тыльной камеры смартфона P20 Pro три отдельных модуля, последуют и другие. В конечном итоге тройная камера окажется негласным стандартом для флагманских гаджетов 2019 года, а впоследствии доберется и до устройств среднего ценового сегмента. Согласно утверждениям господина Тачарда, текущие ограничения на габаритные размеры устанавливаемого фотомодуля, регулируемые толщиной смартфона, возможно обойти лишь путем задействования трех и даже четырех сенсоров для работы одной камеры. Именно такой подход воспринимается многими разработчиками в качестве доступной и технологически приемлемой альтернативы инновационным перспективам. Немаловажную роль во всем этом будет играть все-таки не количество, а качество выбранных компонентов, а также оптимизация софта. Однако при всех равных условиях появление дополнительного объектива может обернуться преимуществом над конкурентами, чтобы закрепить за собой статус лучшего решения на рынке. Сторонние эксперты уверены, что число сенсоров в составе камеры не является приоритетным значением для достижения эталонного качества фотосъемки. Обойтись без трех-четырех модулей удастся в случае акцента на программную составляющую. Речь идет о совершенствовании алгоритмов, имитирующих поведение искусственного интеллекта и позволяющих самостоятельно подбирать оптимальные режимы и настройки во время съемки, а также принимать участие в постобработке изображений. ИИ-подобные модели поведения ПО видятся неотъемлемым атрибутом любого смартфона.

Другие интересные новости:

▪ Шины в микроволновке

▪ Плата видеозахвата Area Ragno GRABBER 2

▪ Сверхлегкая куртка с подогревом

▪ Рукава для ощущений в виртуальной реальности

▪ Повышение эффективности квантовых точечных солнечных элементов PbS

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Чудеса природы. Подборка статей

▪ статья Органический синтез. История и суть научного открытия

▪ статья Что такое артрит? Подробный ответ

▪ статья Швея (портной). Должностная инструкция

▪ статья Бытовой сварочный аппарат. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Громкий радиоприем. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026