Устройство ориентации солнечного энергомодуля
Полезная модель относится к гелиотехнике, а именно, предназначена для ориентации солнечного энергомодуля в азимутальной и зенитальной плоскостях. Технической задачей данной полезной модели является увеличение точности слежения за солнцем и, повышение надежности работы устройства ориентации солнечного энергомодуля. Устройство для ориентации солнечного энергомодуля содержит плату управления, электрический домкрат, шаговый двигатель, датчик слежения за солнцем. Для увеличения надежности работы устройства ориентации солнечного энергомодуля используется фоторезистор, для получения сигнала от фоторезистора на вход микроконтроллера, используется делитель напряжения. Для регулирования солнечной установки по азимуту используется шаговый двигатель, а для регулирования по высоте (зениту) используется электрический домкрат. Алгоритм работы микроконтроллера прописан таким образом, чтобы устройство ориентации солнечного энергомодуля было защищено от ошибочных действий и полностью автономно. 1 н.п., 3 ил.
Полезная модель относится к гелиотехнике, а именно, предназначена для ориентации солнечного энергомодуля в азимутальной и зенитальной плоскостях.
Известно устройство для ориентации гелиоустановки, использующееся для ориентации коллекторов в азимутальной и зенитальной плоскостях (RU 2043583, дата публикации: 1992.08.15), состоящее из биметаллических спиралей. В вечерние часы, когда спирали охлаждены и находятся в исходном положении, пружинное устройство удерживает в вертикальном положении гелиоустановку, при этом установка может быть легко ориентирована вручную на восток. С восходом солнца биметаллические спирали начинают нагреваться. Спирали, противодействуя пружине, постепенно разворачивают раму в зенитальном направлении солнца и направляют гелиоустановку на солнце.
Недостатком данной системы является:
- неточное регулирование положения солнечного коллектора относительно солнца;
- недолговечность, пружина со временем растягивается и теряет свои начальные технические характеристики;
- пружинное устройство не возвращается в исходное положение к утру, после ночи.
Более близким по технической сути, является поворотное устройство солнечного энергомодуля (RU 2381426 С2, дата публикации: 2009.04.27). В конструкцию, которого введен специальный датчик освещенности, устройство обработки сигнала и электронный таймер. Датчик освещенности включает в себя два фотодиода, закрепленных на несущей пластине, установленной параллельно плоскости солнечной батареи, и отражатель, представляющий собой пластину с белой матовой поверхностью, установленную параллельно оси вращения батареи и перпендикулярно ее плоскости. Электронный таймер через заданные промежутки времени выдает устройству обработки сигнала команду на измерение значений освещенности каждого из двух фотодиодов. Устройство обработки сигнала выключает таймер и подключает напряжение с выхода солнечной батареи к электродвигателю с целью поворота солнечной батареи, в сторону более освещенного фотодиода до тех пор, пока не изменится знак разности значений освещенности фотодиодов, после чего устройство обработки сигнала выключает электродвигатель и включает таймер.
Недостатком данной системы является:
- используются два фотодатчика для поиска солнца;
- регулирование положения солнечного устройства происходит только по азимуту;
- между измерениями показаний фотодиодов установлен таймер, что делает регулирование положения солнечного устройства цикличным и уменьшает точность регулирования;
- сложная конструкция, так как помимо шагового двигателя используется еще и редуктор.
Наиболее близкой по технической сути является система слежения за солнцем (опубл. «Вестник науки Сибири», серия - инженерные науки 2012. 
3 (4) с 61.-67), состоящая из фотоэлектрического датчика, преобразователя ток-напряжение, операционного усилителя, микроконтроллера Atmega8L, шагового двигателя и устройства управления шаговым двигателем.
Недостатком данной модели является сложная конструкция устройства, так как имеется большое количество элементов: для измерения задействован кремневый фотоэлектрический преобразователь, состоящий из трех чувствительных элементов, преобразователь ток-напряжение, операционный усилитель. Вследствие наличия большого количество различных элементов надежность устройства не велика.
Технической задачей данной полезной модели является увеличение точности слежения устройства ориентации солнечного энергомодуля за солнцем и повышение надежности работы устройства.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в устройстве ориентации солнечного энергомодуля, содержащем вертикальную опору с размещенными на ней платформой для установки энергомодуля, устройством поворота по углу местности, систему управления, содержащую фотоэлемент и устройство обработки сигнала, электродвигатель и устройство управления электродвигателем, согласно полезной модели в качестве фотоэлемента используется фоторезистр, платформа посредством первого шарнирного механизма скреплена с горизонтальным основанием устройства поворота по азимуту, а посредством второго шарнирного механизма скреплена с электрическим домкратом, установленным на горизонтальном основании устройства поворота по азимуту.
Причем платформа может быть выполнена в виде пространственной рамы, а устройство поворота по азимуту может быть выполнено в виде шагового двигателя, ось вращения которого располагается перпендикулярно углу местности.
Особенностью устройства является то, что для слежения за солнцем используется только один фотоэлемент - фоторезистор, что уменьшает стоимость и увеличивает надежность устройства ориентации солнечного энергомодуля, так как в обычных устройствах для поиска солнца используется несколько фотоэлементов, и с течением времени происходит неравномерное ухудшение технических характеристик фотоэлементов, вследствие чего показатели фотоэлементов начинают различаться, и устройство поиска солнца перестает корректно работать. В заявляемом устройстве использование фоторезистора, ухудшение его технических характеристик, не повлияет на работоспособность устройства ориентации солнечного энергомодуля, так как устройство работает на разнице в показаниях фоторезистора, что значит при изменении его технических характеристик (увеличение или уменьшение темнового сопротивления) разница в показании (напряжение) при различной освещенности будет оставаться, и этой разницы в показании фоторезистора достаточно для работы устройства ориентации солнечного энергомодуля. Для получения сигнала от фоторезистора не нужно использовать усилители сигналов, так как при помощи делителя напряжения, сопротивление фоторезистора переводится в напряжение и подается на вход микроконтроллера.
Устройство ориентации солнечного энергомодуля по азимуту и углу местности выполнено из электрического домкрата и шагового двигателя, управление осуществляется через микроконтроллер, анализ (регулирование) осуществляется в реальном времени. При изменении показания фоторезистора - уменьшения интенсивности светового излучения, устройство мгновенно включается в работу и начинает поиск солнца - положения с максимальной интенсивностью светового излучения. Алгоритм программы построен таким образом, что система защищена от ошибочных действий при определении положения, и максимально правильно повторяет необходимый контур. Устройство к утру самостоятельно возвращается в исходное положение.
Устройство для ориентации солнечного энергомодуля может быть доставлено без солнечного энергомодуля к месту установки. Солнечный энергомодуль может быть установлен на устройство ориентации солнечного энергомодуля непосредственно на месте монтажа, для этого не требуется специальных инструментов и навыков.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена электрическая схема платы управления, на фиг. 2 представлен общий вид устройства для ориентации солнечного энергомодуля с солнечным энергомодулем, на фиг. 3 представлен общий вид устройства для ориентации солнечного энергомодуля без солнечного энергомодуля.
Устройство ориентации солнечного энергомодуля содержит: на фиг. 1 и на фиг. 2 фоторезистор 1 для анализа интенсивности светового излучения, электрический домкрат 2 для вертикального перемещения положения плоскости солнечного энергомодуля, шаговый двигатель 3 для регулирования положением основания устройства ориентации солнечного энергомодуля, электрический шкаф 4, в котором установлено электрическое оборудование, первый шарнирный механизм 5, скрепляющий плоскость солнечного энергомодуля 6 с основанием устройства ориентации солнечного энергомодуля 7, солнечный энергомодуль 9, второй шарнирный механизм 10 для крепления плоскости солнечного энергомодуля 6 к электрическому домкрату 2, специальная выемка 8, прикрепленная к первому шарнирному механизму 5, в котором устанавливается и фиксируется при помощи натяжителей солнечный энергомодуль 9. Индуктивные датчики 12 установлены для защиты электрического домкрата и шагового двигателя от работы в недопустимых местах.
Изменение сопротивления фоторезистора 1 (фиг. 1) отслеживается при помощи делителя напряжения 13, управление процессом осуществляет микроконтроллер 14.
Фоторезистор 1 устанавливается посередине плоскости солнечного энергомодуля - 6, при увеличении интенсивности светового излучения сопротивление фоторезистора уменьшается, при уменьшение светового излучения сопротивление увеличивается, величина сопротивления при помощи делителя напряжения 13 преобразуется в напряжение и подается на вход А0 микроконтроллера 14, который установлен в электрическом шкафу 4. Микроконтроллер 14, установленный в плате управления, при помощи заданного алгоритма анализирует полученные данные, и при уменьшение интенсивности светового излучения, микроконтроллер переходит на подпрограмму поиск солнца по азимуту, и подаются команды на второй механизм, на включение шагового двигателя, интенсивность солнечного излучения начинает увеличиваться, напряжение на входе А0 увеличивается и как только наступит момент, когда напряжение на входе А0 перестанет увеличиваться, то есть интенсивность светового излучения перестанет увеличиваться, и плоскость солнечного энергомодуля находится в самом благоприятном месте с максимальной интенсивностью светового излучения, микроконтроллер отключает подпрограмму поиска солнца по азимуту, и переходит на подпрограмму поиска солнца по высоте (зениту), которая выполняется аналогичным образом, что и поиск солнца по азимуту. Таким образом, происходит поиск солнца по азимуту и по зениту.
При наступлении сумерек солнечная интенсивность отсутствует, сопротивление резистора максимально, напряжение на входе микроконтроллера А0 минимально, в программе микроконтроллера есть таймер на 4 часа. Если в течение этого времени напряжение будет на минимальном уровне, то это означает наступление ночи, микроконтроллер перейдет на подпрограмму возвращение в исходное положение солнечного энергомодуля - положение для начала работы в утреннее время.
При работе в нормальных погодных условиях, при отсутствии облаков напряжение меняется постепенно, а когда облако закрывает солнце, интенсивность светового излучения резко уменьшается и, как следствие, напряжение на входе А0 резко уменьшается, в программе микроконтроллера прописана подпрограмма - облачность, которая в таком случае блокирует работу основного алгоритма микроконтроллера, и ждет пока не нормализируется нормальные погодные условия, для включения в работу основного алгоритма программы.
Когда микроконтроллер переходит на подпрограмму поиска солнца, он запускает в работу по управлению вторым шарнирным механизмом при помощи сигналов включения/отключения шагового двигателя и электрического домкрата. Включение шагового двигателя происходит для регулирования положения солнечного энергомодуля по азимуту, в этом случае солнечный энергомодуль начинает двигаться в сторону большей интенсивности светового излучения, пока не достигнет позиции с максимальной солнечной интенсивностью по азимуту, после чего шаговый двигатель отключается, и включается электродомкрат, который выводит солнечный энергомодуль на позицию с максимальной солнечной интенсивностью по зениту, после чего отключается, и так далее.
Для защиты электрического домкрата и шагового двигателя от работы в недопустимых местах используются индуктивные датчики 12, которые являются концевыми выключателями.
Электрический домкрат установлен на горизонтальном основании устройства ориентации солнечного энергомодуля. Основание выполнено в виде прямоугольника для укрепления конструкции поворотного устройства, прорези выполнены для того, чтобы уменьшить вес установки.
Солнечный энергомодуль устанавливается в специальную выемку 8, где при помощи стандартных натяжителей фиксируются. Выемка прикреплена к плоскости солнечного энергомодуля. При помощи натяжителей солнечный энергомодуль фиксируется на плоскости устройства ориентации солнечного энергомодуля.
Второй шарнирный механизм 10 является передаточным устройством между плоскостью солнечного энергомодуля 6 и электрическим домкратом 2, при помощи которого плоскость солнечного энергомодуля поднимается и опускается.
Заявляемое устройство ориентации солнечного энергомодуля позволяет обеспечить заданную точность слежения за солнцем. Конструкция устройства проста и надежна в работе.
1. Устройство ориентации солнечного энергомодуля, содержащее вертикальную опору с размещенными на ней платформой для установки энергомодуля, устройством поворота по азимуту, устройством поворота по углу местности, систему управления, содержащую фотоэлемент и устройство обработки сигнала, электродвигатель и устройство управления электродвигателем, отличающееся тем, что в качестве фотоэлемента используется фоторезистр, платформа посредством первого шарнирного механизма скреплена с горизонтальным основанием устройства поворота по азимуту, а посредством второго шарнирного механизма скреплена с электрическим домкратом, установленным на горизонтальном основании устройства поворота по азимуту.
2. Устройство ориентации солнечного энергомодуля по п.1, отличающееся тем, что платформа выполнена в виде пространственной рамы.
3. Устройство ориентации солнечного энергомодуля по п.1, отличающееся тем, что устройство поворота по азимуту выполнено в виде шагового двигателя, ось вращения которого располагается перпендикулярно углу местности.
