АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА УГЛОВОГО ПОЛЯ ОСВЕЩЁННОСТИ

AUTOMATIC SYSTEM FOR MONITORING THE ANGULAR FIELD OF ILLUMINATION

Egor Kaplya

candidate of physics and mathematics, associate professor,

Moscow power engineering Institute, branch in Volzhsky,

Russia, Volzhsky

АННОТАЦИЯ

Предложена автоматическая система мониторинга углового поля освещённости солнечного модуля. Фотоэлектрический солнечный модуль применён в качестве датчика освещённости. Модуль с двумя степенями свободы поворачивается двумя шаговыми двигателями с редукторами.

ABSTRACT

Proposed automatic system for monitoring the angular illumination field of solar module. PV solar module used as a light sensor. Module with two degrees of freedom turns two stepper motors with gearboxes.

Ключевые слова: автоматическая система мониторинга, угловое поле освещённости, солнечный модуль, угол поворота, шаговый двигатель.

Keywords: automatic monitoring system, angular field of light, solar module, angle of rotation, step motor.

Автоматические системы ориентации солнечных модулей позволяют существенно повысить их эффективность [1, с. 88]. Автоматизация процесса поиска максимума освещённости и фото-ЭДС возможна при наличии системы мониторинга углового поля освещённости [2, с. 53]. При мониторинге можно использовать миниатюрный фотоэлектрический солнечный модуль (СМ) в качестве датчика освещённости с целью выявления углового положения максимума освещённости. Модуль поворачивается двумя шаговыми двигателями с редукторами вокруг горизонтальной и вертикальной осей (рис. 1).

Рисунок 1. Автоматическая система мониторинга углового поля освещённости СМ и фото-ЭДС

Основой предлагаемой автоматической системы управления является современный микроконтроллер STM32F407 на отладочной плате Discovery. Контроллер с помощью силовой электроники управляет двумя шаговыми двигателями (ШД) системы ориентации СМ. Система содержит 2 драйвера двигателей на базе микросхем L298N (рис. 2).

Рисунок 2. Автоматическая система управления ШД и механизм поворота СМ вокруг вертикальной оси

Солнечный модуль последовательно останавливается в дискретных угловых положениях, отмеченных на рис. 3. Во время остановки СМ в заданных положениях ШД функционируют в режиме удержания в течение 100 мс. Контроллер с помощью встроенного АЦП измеряет величину напряжения на выходе делителя напряжения, подключённого к СМ, и вычисляет фото-ЭДС, созданную СМ.

Положение СМ в каждый момент времени  можно задать парой углов , где  – полярный угол;  – азимутальный угол. Имеет смысл анализировать угловую зависимость освещённости СМ и фото-ЭДС в квадрате , . Маршрут сканирования углового поля освещённости СМ на сетке с ячейками ,  показан на рис. 3.

Шаговый двигатель ДШР-57-0,06-1,8-1М4 с углом шага  поворачивает вертикальный вал. Ведущее колесо на валу ШД имеет 25 зубцов, а ведомое – 180 (рис. 2). Точность позиционирования вертикального вала равна .

Шаговый двигатель SP-35RD-400S MOATECH, который характеризуется углом шага , поворачивает горизонтальный вал. Ведущее зубчатое колесо на валу ШД имеет 18 зубцов. Ведомое зубчатое – 180 (рис. 4). Точность углового позиционирования горизонтального вала СМ равна: .

Перед запуском системы мониторинга проводится юстировка системы:

·     все 4 вертикальные опоры устанавливаются в направлении север-юг ;

·     поверхность СМ горизонтируется, что соответствует углу .

Рисунок 3. Маршрут сканирования углового поля освещённости

Рисунок 4. Механизм поворота СМ вокруг горизонтальной оси

Верхний  и нижний  участки плоской развёртки (рис. 3) маршрута СМ в сферической системе координат совпадают. Поэтому нижний отрезок  исключён из маршрута и в программе контроллера не задан. Маршрут сканирования замкнут на правых концах развёртки (рис. 3).

Солнечный модуль поворачивается двумя ШД посредством редукторов, что позволяет осуществить угловое позиционирование солнечного модуля с высокой точностью. Солнечный модуль с двумя степенями свободы можно использовать для периодического сканирования углового поля освещённости и фото-ЭДС.

Разработанная и предложенная автоматическая система позволяет выполнять мониторинг углового поля освещённости солнечного модуля и его фото-ЭДС. Новая конструкция системы обеспечивает поворот солнечного модуля относительно горизонтальной и вертикальной осей.

Работа выполнена в рамках проекта «Моделирование технологических процессов в системе объектов нетрадиционной и возобновляемой энергетики и оптимизация управления режимами совместной работы» по государственному заданию Минобрнауки России.

Список литературы:

1. Капля Е.В. Автоматическая система ориентации солнечной батареи в условиях переменной освещённости. // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2009. – Т. 5, № 8. – С. 88–90.
2. Camacho E.F., Berenguel M., Rubio F.R., Martínez D. Advances in industrial control: Control of solar energy systems. – London: Springer-Verlag, 2012. – 416 p.