Як влаштовані сонячні батареї на поворотних модулях
При будівництві заміських будинків, будиночків на дачних ділянках, теплиць, різних фермерських будівель дедалі частіше стали застосовуватися автономні системи електрозабезпечення. Сонячні батареї забезпечують незалежність від загальних електричних мереж. Та й у містах у приватному секторі нерідко можна побачити на дахах будинків сонячні панелі домашніх електростанцій.
Ці панелі можуть бути з моно- і полікристалічними кремнієвими структурами, можуть бути побудовані на базі батарей, виконаних за аморфною або мікроморфною технологією, можуть бути використані навіть сонячні батареї, виконані за технологією «Moth Eye» («Око метелика»). При цьому кожна будівля будується таким чином, щоб сонячні панелі були встановлені в місці, що максимально освітлюється сонцем.
Ефективність сучасних гелієвих систем загалом вбирається у 18% - 20%. У найкращих зразків ефективність може досягати 25%. У 2014 році вчені Австралійського центру UNSW з удосконалення фотовольтаїки повідомили, що їм вдалося досягти ефективності сонячних батарей у 40%.
При цьому слід розуміти, що вимірювання величини ефективності проводиться, коли гелієва панель освітлюється сонцем під прямим кутом. Якщо сонячна батарея закріплена стаціонарно, протягом дня, коли сонце переміщається по небосхилу, період прямого освітлення батареї сонцем буде відносно невеликим. І тому ефективність навіть найдосконаліших сонячних панелей знижуватиметься.
Щоб мінімізувати зниження ефективності гелієвих систем, сонячні панелі повинні встановлюватися на поворотних модулях, які дозволять протягом усього світлового дня орієнтувати батареї на сонці. Такий поворотний пристрій, на якому закріплена несучаконструкція з однією або декількома сонячними панелями називається трекером.
Він призначений для того, щоб стежити за сонцем, і, залежно від його положення, орієнтувати сонячну панель. Цей пристрій, залежно від виконання, включає один або два датчики стеження за сонцем, а також поворотний механізм. Трекер повинен бути встановлений у добре освітленому сонцем місці на землі, на стаціонарній станині, або на щоглі, яка підніме трекер на таку висоту, щоб сонячна батарея завжди була освітлена сонцем.
Навіть найпростіший поворотний пристрій із системою стеження за сонцем дозволяє отримати максимальний коефіцієнт корисної дії від гелієвих батарей. Як показали дослідження, за відсутності належної орієнтації сонячних панелей на сонці втрачається до 35% потужності. Тому, щоб вийти на заплановану потужність у разі нерухомого кріплення фотоелементів, доводиться встановлювати більше панелей.
Принцип побудови систем керування поворотом сонячних батарей
Промисловістю випускається кілька видів систем керування поворотом сонячних батарей. Це досить дорогі (до 100 000 рублів) пристрої, які можуть керувати положенням відразу кількох гелієвих панелей.
Оскільки сонце протягом дня переміщається не тільки по горизонталі, а й по вертикалі, ці системи управління відстежують обидві зміни положення і, відповідно до отриманої інформації, видають команди на поворот панелі навколо горизонтальної або вертикальної осей. Загалом така система управління складається з сонячного датчика, перетворювача (П) сигналу з цього датчика, підсилювача (У) сигналу, мікроконтролера (МК), пристроюкерування двигуном (УУД), самого двигуна і, нарешті, безпосередньо рами, на якій кріпиться гелієва панель.
Схема керування трекера
Характерно, що для керування поворотом в обох осях використовується та сама схема. Різні лише датчики положення сонця та двигуни. Найпростіший датчик становища сонця і двох фотодіодів, розділених непрозорою перегородкою.
Залежно від того, за яким переміщенням стежить цей датчик, перегородка встановлюється горизонтально або вертикально, але обов'язково спрямована на сонце. Поки обидва фотодіоди висвітлюються однаково, сигнали, які з них, рівні. Як тільки сонце переміститься настільки, що один із фотодіодів опиниться в тіні перегородки, відбувається розбаланс сигналів і система управління виробляє відповідну команду на поворот сонячної батареї.
Як двигуни для поворотної платформи використовуються, як правило, крокові двигуни або реактивно-вентильні двигуни. У таких системах управління датчики стеження встановлені на цій же платформі та повертаються разом з нею, забезпечуючи тим самим точну орієнтацію гелієвої панелі на сонці. Для надійної роботи датчика необхідно передбачити захист від забруднення, налипання снігу, затінення оптики випадковими предметами.
Існують системи управління, в яких датчики стеження віддалені від поворотної платформи, що несе, і знаходяться в місці, захищеному від подібних впливів. У цьому випадку сигнал із датчиків надходить на сельсин-передавач. Орієнтуючи датчик стеження на сонці, сельсин-передавач передає керуючий вплив на сельсин-приймач, який і повертає платформу, що несе, направляючи її точно на сонце.
Система управлінняповоротом сонячних панелей на базі годинникового механізму
Промислові установки – повністю укомплектовані гелієві електростанції із двовісними поворотними модулями – досить дороге задоволення. Наприклад, промисловий трекер UST-AADAT коштує близько півтора мільйона рублів. Природне бажання всіх власників сонячних електростанцій підвищити вихідну потужність, але при цьому скоротити витрати. В результаті з'явилися саморобні пристрої оригінальні за своїм рішенням, в яких використовуються підручні матеріали. І ці пристрої цілком успішно керують орієнтацією панелей на сонці.
Один із варіантів такого пристрою – система управління орієнтацією гелієвих панелей, побудована на базі годинного механізму. Для стеження за сонцем не обов'язково використовувати світлоприймальні пристрої. Для цього достатньо взяти звичайні настінні механічні годинники. Підійдуть навіть старі ходики. Відомо, що за одну годину сонце проходить по небосхилу зі сходу на захід шлях, що відповідає кутовому переміщенню на 15°. Оскільки для гелієвої панелі таке кутове зміщення не особливо критично, досить включати поворотний механізм один раз на годину.
Пристрій повороту гелієвої панелі навколо вертикальної осі може виглядати наступним чином. У циферблаті на відстані довжини хвилинної стрілки від центру, в місці, що відповідає 12 годин, встановлюється нерухомий контакт. Рухомий контакт – на вістрі хвилинної стрілки.
Таким чином, кожні 60 хвилин відбуватиметься замикання контактів і включатиметься двигун, що повертає сонячну панель. Вимкнення двигуна можна організувати різними способами, наприклад кінцевим вимикачем або реле часу. Якщо на циферблаті встановитище один нерухомий контакт у місці, що відповідає 6-ї годині, то корекція положення панелі проводитиметься через кожні півгодини.
У цьому випадку пристрої відключення двигуна повинні бути налаштовані на поворот платформи, що несе, на кут 7,5°.
Крім того, за бажанням тут же, на цьому механізмі, за допомогою ще однієї контактної групи, але вже на базі годинникової стрілки можна зібрати схему автоматичного повернення сонячної панелі у вихідне положення. На базі цієї годинникової стрілки можна зібрати систему управління поворотом панелі і навколо горизонтальної осі. Поки годинна стрілка рухається до 12-ї години, несуча рама піднімається слідом за сонцем. Після 12-ї години двигун горизонтальної осі реверсується, і сонячна панель починає обертатися у зворотному напрямку.
Принцип водяного годинника в системі управління поворотом сонячних панелей
Ця система була вигадана дев'ятнадцятирічної студенткою Іден Фулл із Канади. Вона призначена для керування одновісним трекером. Принцип роботи є наступним. Обертання проводиться навколо горизонтальної осі. Сонячна панель встановлюється в початкове положення таким чином, щоб сонячні промені перпендикулярні площині панелі.
На один бік панелі підвішується ємність із водою, на протилежний бік підвішується вантаж, рівноважний із ємністю, наповненою водою. У нижній частині ємності проходить невеликий отвір, щоб вода по краплях випливала з цієї судини. Розмір цього отвору підбирається експериментально. У міру витікання води посудина стає легшою, і противага повільно повертає раму з панеллю.
Підготовка трекера до роботи полягає в тому, що в спорожнілу ємність заливається вода і встановлюється сонячна панель.у вихідне становище.
Ці два приклади не вичерпують можливі варіанти побудови поворотних модулів. При невеликій фантазії можна отримати простий, але дуже ефективний пристрій, який гарантовано зможе підвищити ефективність домашньої гелієвої електростанції.