Как известно, КПД солнечной панели максимально при попадании на нее прямых солнечных лучей. Но т.к. солнце постоянно движется по горизонту, то КПД солнечных батарей сильно падает, когда солнечные лучи падают на панель под углом. Чтобы повысить КПД солнечных панелей, применяются системы следящие за солнцем и автоматически поворачивающие солнечную панель для попадания прямых лучей.
В данной статье представлена схема устройства слежения за солнцем или по другому трэкер (Solar Tracker).

Схема трэкера проста, компактна и вы легко сможете собрать ее своими руками. Для определения позиции солнца, используются два фоторезистора. Мотор включен по схеме H-моста (H-bridge), который позволяет коммутировать ток до 500 мА при напряжении питания 6-15В. В темноте, устройство также работоспособно и будет поворачивать моторчик на наиболее яркий источник света.

Принципиальная схема устройства слежения за солнцем

Как видно на рисунке ниже, схема проста до безобразия и содержит микросхему операционного усилителя LM1458 (К140УД20), транзисторы BD139 (КТ815Г, КТ961А) и BD140 (КТ814Г,КТ626В), фоторезисторы, диоды 1N4004 (КД243Г), резисторы и подстроечные резисторы.

Из схемы видно, что мотор М приводится в движение при разных значениях на выходах ОУ IC1a и IC1b. Таблица истинности:

* или наоборот, зависит от подключения мотора

Транзисторы в схеме работают в паре, по диагонали, коммутируя +Ve или -Ve к мотору, и заставляя его вращаться вперед или назад.

Во время остановки мотора, он продолжает вращаться, т.к. присутствует вращающийся момент. Вследствие этого, мотор какое-то время генерирует мощность, которая может вывести транзисторы из строя. Для защиты транзисторов от противоЭДС в схеме моста используется 4 диода.

Входной каскад состоит из двух ОУ (IC1) и фоторезисторов LDR и LDR". Если количество света, попадающее на них одинаково, то сопротивления фоторезисторов также равны. Следовательно, если напряжение питания 12В, то в месте соединения фоторезисторов LDR LDR" будет напряжение в 6В. Если количество света попадающего на один фоторезистор будет больше, чем на другом фоторезисторе, то напряжение будет изменяться.

Ограничения (лимиты) от +V до 0V устанавливаются четырьмя последовательно соединенными резисторами и подстраивается 2-мя подстроечными резисторами. Если напряжение выйдет за пределы этих ограничений, то ОУ запустит мотор и он постоянно будет вращаться.
Подстроечный резистор 20K регулируют чувствительность, т.е. диапазон между лимитами. Подстроечник 100К регулирует то, насколько лимиты будут симметричны относительно +V/2 (точка баланса).

Настройка схемы:
1. Проверьте напряжение источника питания схемы
2. Подключите двигатель пост. тока
3. Установите фоторезисторы рядом, чтобы на них попадало одинаковое количество света.
4. Полностью выкрутите оба подстроечный резистора против часовой стрелки
5. Подайте питание на схему. Моторчик закрутиться
6. Вращайте подстроечник 100К по часовой стрелке до тех пор, пока он не остановится. Отметьте эту позицию.
7. Продолжайте вращать подстроечник 100К по часовой стрелке до тех пор, пока мотор не начнет вращаться в другую сторону. Отметьте эту позицию.
8. Разделите угол между двумя позициями пополам и установите там подстроечник (это будет точка баланса).
9. Теперь, вращайте подстроечник 20К по часовой стрелке до тех пор, пока мотор не начнет дергаться
10. Немного верните положение подстроечника назад (против часовой стрелки), чтобы мотор остановился (данный подстроечник отвечает за чувствительность)
11. Проверьте корректность работы схемы, поочередно заслоняя от света один и второй фоторезисторы.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Операционный усилитель	LM1458	1	Аналог: К140УД20		В блокнот
	Биполярный транзистор	BD139	2	Аналоги: КТ815Г, КТ961А		В блокнот
	Биполярный транзистор	BD140	2	Аналоги: КТ814Г,КТ626В		В блокнот
	Выпрямительный диод	1N4004	4	Аналог: КД243Г		В блокнот
	Резистор	15 кОм	1			В блокнот
	Резистор	47 кОм	1			В блокнот
	Подстроечный резистор	100 кОм	1

Для начала, наверное, стоит рассказать, что в этой статье понимается под солнечным трекером. Коротко говоря, устройство представляет собой подвижную подставку под солнечную панель, нужную, чтобы в условиях наших умеренных широт панель собирала достаточное количество света, меняя своё положение вслед за солнцем.

В данном случае прототип солнечного трекера собирался на базе Arduino. Для вращения платформы в горизонтальной и вертикальной оси используются сервоприводы, угол поворота которых зависит от мощности падающего на фоторезисторы света. В качестве корпуса используется всеми любимый советский металлический конструктор.

Нелишним будет упомянуть, что всё это делалось как курсовой проект, поэтому я не стал заниматься приобретением и креплением собственно, самой солнечной панели и аккумулятора, так как их наличие не имеет отношения к работе трекера. В оправдание могу сказать, что возможности советского металлического конструктора необъятны, так что прикрутить к нему небольшую солнечную панель для зарядки телефона не составит особенного труда, если возникнет такое желание.

Итак, что использовалось при сборке:

• Arduino MEGA 2560 R3
• Сервопривод Tower SG90 - 2x
• Фоторезистор MLG4416 (90mW; 5-10kOhm/1.0MOhm) - 4x
• Звонок пьезоэлектрический KPR-G1750
• Металлический конструктор
• Резистор выводной 10 kOhm; 0,25W; 5% - 4x
• Печатная макетная плата, корпус, шнуры для соединения

Mega использовалась исключительно по причине её наличия в шкафу на момент утверждения темы проекта, если учитывать покупку всех элементов с нуля, то в данном случае вполне себе хватит и Uno, но выйдет, конечно, дешевле.

Внезапно оказавшийся в списке спикер потребовался для пущего эффекта высокотехнологичности. Дело в том, что сервоприводы могут поворачиваться только на 180 градусов, да большего нам и не требуется, при учёте того, что следим мы за солнцем. Но при тестировании работы проекта, когда за солнцем в две минуты демонстрации особо не последишь, оказалось, что неплохо было бы сигнализировать, в какой момент стоит перестать размахивать фонариком, потому что сервопривод достиг мёртвой зоны. Для этого и был добавлен вышеупомянутый звонок.

Итак, начнём собирать трекер. Для начала разделим предстоящий фронт работ на условные четыре этапа: сборка подставки для солнечных панелей и крепление сервоприводов, крепление к собранной конструкции светочувствительных элементов, пайка и написание кода для Arduino.

Фигура первая: конструкторская

Путём интенсивного поиска была найдена парочка примеров конструкции подобных устройств. Наибольшего внимания удостоились два:

• www.youtube.com/watch?v=SvKp3V9NHZY – победитель в номинации «Подача материала» проиграл в надёжности и практичности устройства: конструкция представляет собой соединение двух сервоприводов напрямую.
• www.instructables.com/id/Simple-Dual-Axis-Solar-Tracker - собственно, отсюда и была взята основная идея моей конструкции, за исключением материала и общего внешнего вида поворотного корпуса.

Сборка из металлического конструктора была сопряжена с определёнными трудностями: пришлось подогнать дрелью отверстия для подключения сервоприводов, а также надёжно приклеить их к платформам в двух плоскостях. То, что получилось, показано на видео ниже.

Фигура вторая: схемотехническая

Главной задачей крепления фоторезисторов было даже не их подключение, а обеспечение разделения света для каждого из четырёх элементов. Понятно, что оставить их без каких-нибудь перегородок было нельзя, так как тогда значения, получаемые с фоторезисторов, были бы примерно одинаковы и поворота бы не получилось. Тут, к сожалению, возможности металлического конструктора подвели, главным образом из-за наличия во всех деталях отверстий. Найти подходящей металлической детали не получилось, поэтому мой солнечный трекер обзавёлся инновационной перегородкой из картона. Несмотря на достаточно убогонький вид, своё предназначение она выполняет отлично.

Фоторезисторы к корпусу прикреплены вполне надёжно, единственное, с чем стоило бы поработать – это с аккуратностью их расположения на платформе: сейчас они смотрят вверх недостаточно перпендикулярно, что может расстраивать перфекционистов и слегка портить точность поворота.

Немного схемотехники: подключение светочувствительных элементов осуществляется по схеме делителя напряжения, для чего потребовались указанные в списке элементов выводные резисторы. Все фоторезисторы припаяны к общему контакту, подключенному к пятивольтному выходу питания Arduino. Для удобства и эстетики ноги фоторезисторов припаяны к контактам двух трёхжильных изолированных проводов (один контакт остался неиспользуемым и спрятан). Все схемотехнические детали можно рассмотреть на схеме ниже.

Фигура третья: паяльная

Что-либо подробно описывать тут не несёт особого смысла, поэтому просто прилагаю фото используемых материалов и полученную в результате макетную плату.

Фигура четвёртая: с новым кодом!

Общий алгоритм работы заключается в обработке данных с фоторезисторов при помощи АЦП. Имеем 4 элемента, то есть 4 показания, находим среднее показание по левой стороне ((верхний левый + нижний левый) / 2), аналогично по правой, верхней и нижней сторонам. Если разница по модулю между левой и правой стороной больше порога, то осуществляем поворот в сторону с большим средним значением. Аналогично для верха и низа. Особые плюшки в коде: можно задавать вручную чувствительность срабатывания и максимальный и минимальный угол в двух плоскостях. Листинг рабочего кода приведён ниже.

Код

#include Servo horizontal; int servoh = 90; int servohLimitHigh = 180; int servohLimitLow = 0; Servo vertical; int servov = 45; int servovLimitHigh = 180; int servovLimitLow = 0; int ldrlt = A2; //LDR top left - BOTTOM LEFT int ldrrt = A3; //LDR top rigt - BOTTOM RIGHT int ldrld = A1; //LDR down left - TOP LEFT int ldrrd = A0; //ldr down rigt - TOP RIGHT int buzz_pin = 10; int buzz_tone = 20; int tol = 50; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(buzz_pin, OUTPUT); horizontal.attach(31); vertical.attach(30); horizontal.write(servoh); vertical.write(servov); } void loop() { int lt = analogRead(ldrlt); // top left int rt = analogRead(ldrrt); // top right int ld = analogRead(ldrld); // down left int rd = analogRead(ldrrd); // down rigt int avt = (lt + rt) / 2; // average value top int avd = (ld + rd) / 2; // average value down int avl = (lt + ld) / 2; // average value left int avr = (rt + rd) / 2; // average value right int dvert = abs(avt - avd); // check the diffirence of up and down int dhoriz = abs(avl - avr);// check the diffirence of left and right Serial.print("avt: "); Serial.print(avt); Serial.print(" "); Serial.print("avd: "); Serial.print(avd); Serial.print(" "); Serial.print("avl: "); Serial.print(avl); Serial.print(" "); Serial.print("avr: "); Serial.println(avr); Serial.print("h: "); Serial.print(servoh); Serial.print(" "); Serial.print("v: "); Serial.print(servov); Serial.print(" "); if (dhoriz > tol) { if (avl > avr) { if (servoh - 1 >= servohLimitLow) servoh--; else beep(150); } else if (avl < avr) { if (servoh + 1 <= servohLimitHigh) servoh++; else beep(150); } horizontal.write(servoh); } if (dvert > tol) { if (avt > avd) { if (servov + 1 <= servovLimitHigh) servov++; else beep(100); } else if (avt < avd) { if (servov - 1 >= servovLimitLow) servov--; else beep(100); } vertical.write(servov); } } void beep(unsigned char delayms){ analogWrite(buzz_pin, buzz_tone); delay(delayms); analogWrite(buzz_pin, 0); delay(delayms); }

Результат работы

Заключение – что бы я сейчас изменил в проекте

1. Усовершенствование алгоритма работы: зависимость градуса поворота от разницы значений, получаемых с фоторезисторов, то есть поворот сразу на несколько градусов.
2. Идеально перпендикулярное крепление фоторезисторов к платформе.
3. Bluetooth для отсутствия проводов – конечно, идея неплоха, но потребует значительной доработки конструкции и приобретения второй ардуины.
4. Использование сервоприводов с металлическими шестернями (надёжность и более уверенные повороты не помешают, особенно если таки добавить к конструкции солнечную панель и использовать её по назначению).

Солнечные электростанции все увереннее входят в повседневную жизнь жителей различных уголков нашей страны и многих других государств.
Для того, чтобы повысить КПД использования солнечных панелей, конструкторы и инженеры, разрабатывают новые устройства и приспособления, одним из которых является солнечный трекер.

Что это такое и зачем он нужен

Солнечный трекер – это устройство, позволяющее следить за движением солнца по небосводу, и перемещать солнечную панель в положение, в котором поглощение солнечных лучей происходит наиболее эффективно.

Достоинства солнечного трекера

Достоинства установки трекера можно сформулировать следующим образом:

• КПД солнечных панелей возрастает на 40 -45%. Увеличение достигается за счет того, что наиболее эффективная работа панелей происходит, когда солнечные лучи падают под углом 90* на фотоэлементы панели;
• За счет установки трекера КПД солнечных панелей значительно повышается, количество вырабатываемой электрической энергии, увеличивается.
• В связи с увеличением производительности отдельно взятой панели, отпадает необходимость в установке дополнительных панелей, что в свою очередь, снижает стоимость всего комплекта солнечной электростанции.

Принцип работы

По своей сути, солнечный трекер, это комплексная система, следящая за местоположением солнца.

Для того, чтобы выполнить эту задачу, трекер должен выполнить следующие функции:

1. Определить месторасположение солнца, относительно солнечной панели;
2. Выполнить перемещение солнечной панели, в положение, в котором поглощение солнечных лучей будет максимальным.

За определение расположения Солнца отвечает электронная система, состоящая из GPS приемника, определяющего месторасположение солнца в месте установки солнечной электростанции, а также время текущих суток. В зависимости от полученного сигнала со спутника системы GPS-навигатора, электронная система дает ту, или иную команду на систему перемещения солнечных панелей.

В системе перемещения панелей устанавливается серводвигатель, позволяющий изменять направление вращения вала, что позволяет перемещать панель в разные стороны. Конструкция системы перемещения может быть различного типа, в зависимости с которой, солнечные трекера разделяются на два вида.

Виды трекеров

В зависимости от конструкции, трекера подразделяются на:

• С одной осью вращения – одноосные, устройства, обладающие одной степенью свободы. У данного вида трекеров степень свободы определяется осью вращения, которая ориентируется с севера на юг.

1. С горизонтальной осью вращения – ось вращения находится в горизонтальной плоскости по отношению к поверхности земли;
2. С вертикальной осью вращения – ось вращения расположена в вертикальной плоскости по отношению к поверхности земли;
3. С наклонной осью вращения – ось вращения расположена в промежутке между вертикально и горизонтально расположенными осями, по отношению к поверхности земли;
4. С полярно ориентированной осью вращения – ось устанавливается в соответствии с расположением полярной звезды. Для каждого конкретного случая, угол наклона, при данном расположении оси вращения, определяется индивидуально и зависит от широты месторасположения устройства.

• С двумя осями вращения – двуосные, устройства обладающий двумя степенями свободы. У данного вида трекеров, имеются две оси вращения, которые определяют степень свободы устройства. Оси вращения работают не зависимо друг от друга, но увязаны в общий комплекс устройств, приводящий трекер в движение, в соответствии с заданными параметрами.
• Трекер с двумя осями вращения и опорной плоскостью.

Данный вид подразделяется на:

1. С двумя осями вращения на несущем столбе – несущие конструкции солнечных панелей монтируются на столбовой конструкции. В этом случае, в верхней части столба устраивается площадка, на которой монтируется поворотный механизм, при помощи которого осуществляется поворот несущих конструкций панелей в плоскости поверхности земли. Вторая степень свободы осуществляется как у одноосных трекеров.
2. С двумя осями вращения и опорной плоскостью – несущие конструкции солнечных панелей монтируются на плоскости, которая в свою очередь крепится на круглой платформе или кольце, в виде направляющего рельса. Поворот осуществляется аналогично повороту на столбчатой конструкции, разница лишь в том, что на опорной плоскости можно смонтировать большее количество солнечных панелей, нежели на опорном столбе. Минус этой конструкции в том, что требуется большая площадь поверхности земли для монтажа подобного типа механизмов.

Средние цены

В зависимости от вида, комплектации, фирмы производителя и технических характеристик, стоимость трекеров может составлять:

ООО «Энергосистемы» г. Пенза, предлагает к реализации комплект трекера с двумя осями вращения и опорной плоскостью - стоимостью 1450000,00 рублей.

Технические характеристики данного комплекта:

1. Осей вращения — 2 (горизонтальная и вертикальная);
2. Рабочая поверхность – 96,0 м2;
3. Максимальная рабочая поверхность – 108,0 м2;
4. Электрическая мощность – 13,76 кВт;
5. В составе комплекта предусмотрена метеостанция;
6. Несущая рама — V-образная конструкция на опорно-поворотном устройстве;
7. Вес, без солнечных панелей и основания — 3000 кг;
8. Максимальный вес монтируемых солнечных панелей — 1300 кг;
9. Системой автоматики предусмотрена защита солнечных панелей от тяжелых осадков (перевод панелей в вертикальное положение);
10. Габариты — по высоте до 9,4 м, по вертикальной оси вращения — 12 м.

ООО «Экологичные технологии» (ООО «ЭкоТех») г. Ростов-на-Дону предлагает к реализации следующие модели трекеров:
Модель ED-8000 dual – стоимостью 667000,00 рублей.

Технические характеристики:

1. Тип – с двумя осями вращения;
2. Количество монтируемых модулей (размером 1580х808 мм) – до 60 шт.;
3. Мощность электрического привода (2 привода) – 100 Вт.

Модель ED-5000 dual 0 стоимостью 490000,00 рублей.

Технические характеристики:

1. Тип – с двумя осями вращения;
2. Количество монтируемых модулей (размером 1580х808 мм) – до 42 шт.;
3. Мощность электрического привода (2 привода) – 50 Вт.

Модель ED-3500 dual – стоимостью 397000,00 рублей.

Технические характеристики:

1. Тип – с двумя осями вращения;
2. Количество монтируемых модулей (размером 1580х808 мм) – до 30 шт.;
3. Мощность электрического привода (2 привода) – 30 Вт.

Модель ED-5000 – стоимостью 299000, рублей.

Технические характеристики:

1. Тип – с одной осью вращения;
2. Количество монтируемых модулей (размером 1580х808 мм) – до 36 шт.;

Модель ED-2500 – стоимостью 235000,00 рублей.

Технические характеристики:

1. Тип – с одной осью вращения;
2. Количество монтируемых модулей (размером 1580х808 мм) – до 18 шт.;
3. Мощность электрического привода – 5,0 Вт.

Модель ED-1500 – стоимостью 175000,00 рублей.

Технические характеристики:

1. Тип – с одной осью вращения;
2. Количество монтируемых модулей (размером 1580х808 мм) – до 12 шт.;
3. Мощность электрического привода – 5,0 Вт.

Из приведенных выше примеров видно, что при необходимости, можно выбрать необходимое устройство по виду, техническим характеристикам и стоимости.

Где купить

Как и прочие, сложные и дорогостоящие технические устройства, солнечные трекера лучше приобретать у представителей компаний производителей данного оборудования.

Также можно воспользоваться услугами в специализированных организациях, занимающихся продажей солнечных электростанций и комплектующих к ним. В таких организациях можно получить квалифицированную консультацию по выбору устройства и способу его монтажа.

Для того, чтобы избежать лишних трат времени и финансов, всегда необходимо ознакомиться с отзывами покупателей, уже воспользовавшихся услугами тех либо иных производителей и торгующих организаций.

Как сделать своими руками схема

Для того, чтобы собрать солнечный трекер своими руками, необходимо изготовить все составные элементы этого устройства:

• Основание (каркас) – несущая конструкция. которую можно изготовить из металлического профиля различных сечений.
• Устройство обеспечивающее поворот каркаса и осуществляющее контроль за процессом поворота.
• Защитные элементы. Детали, защищающие солнечные панели от непогоды.
• Система автоматического управления работой трекера.
• Устройство, обеспечивающее преобразование энергии (питание серводвигателей осуществляется от солнечных панелей).

Последовательность изготовления трекера своими руками:

1. Несущую конструкцию (каркас), можно изготовить из металлического профиля различных сечений. Размер конструкции определяет количество монтируемых на ней солнечных панелей. Этот элемент, определяет вид трекера, т.е. количество подвижных осей и их расположение в пространстве.
   Для изготовления металлоконструкций необходимо уметь работать с электрическим ручным инструментом и сварочными устройствами.
2. Для обеспечения поворота трекера в горизонтальной плоскости, используется серводвигатель, обеспечивающий вращения в разные стороны. Для управления серводвигателем необходимо собрать электронную схему управления, в основу работы которой, заложена работа фоторезисторов. При необходимости установки более сложной схемы, лучшим вариантом будет – приобрести готовое устройство.
3. Для обеспечения поворота вокруг вертикальной оси можно воспользоваться часовым механизмом механических часов, припаяв электрические контакты к стрелке часов (подвижный контакт) и к часовым отметкам на циферблате (неподвижные контакты). Сделав такой 1 контакт (на 12 часах циферблата), двигатель будет включаться 1 раз в час. Сделав еще один неподвижный контакт на отметке в 6 часов, двигатель будет включаться через 30 минут. Работа (включение) двигателя привода включается в следующей последовательности: длинная стрелка поворачивается и проходит через двенадцать часов, контакты замыкаются, цепь управления двигателем привода замыкается, двигатель поворачивает панель.
   Для поворота в горизонтальной оси, также можно использовать принцип водяных часов. В этом случае, солнечная панель устанавливается горизонтально (используется горизонтальная ось вращения), с одной стороны к панели прикрепляется утяжеление (любой предмет с постоянной массой), с другой стороны прикрепляется емкость с водой, того же веса, что и утяжеление с противоположной стороны. В емкости с водой делаются отверстия, вода вытекает, под действием утяжеления солнечная панель поворачивается. Количество отверстий и их диаметр, необходимо определить опытным путем.
4. Защитные элементы от дождя, града и прочих атмосферных явлений каждый выбирает индивидуально.
5. Наличие системы автоматики определяется схемой управления, о которой писалось выше. Для создания безопасных условий работы установки, и способности работы в автоматическом режиме, можно приобрести блок управления трекером заводского производства.
6. Устройство для преобразования энергии – инвертор. Данный электронный элемент лучше приобрести промышленного изготовления, хотя при наличии знаний в области электроники и умении работы с паяльником, изготовить своими руками тоже возможно.

Попросил недавно друг собрать ему "гелиостат" для ориентации солнечной панели за солнцем, под использование небольших моторов. Схема была взята из просторов интернета, проверена авторская плата, работает. Но я нарисовал также свою печатную плату, покомпактней, в которой резисторы и конденсаторы можно ставить планарного типа SMD.

Далее идёт описание схемы от автора. Это устройство использует импульсное регулирование и автоматически способно ориентировать солнечную батарею по наилучшей освещенности. Принципиальная схема 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.

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 СЗ 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 HVT2. 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 (на короткое время), выключатель питания не предусмотрен. Данная схема 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.

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. Подробнее читайте в статье в прилагаемом архиве . Общий вид печатной платы:

После сборки проверил работу прибора - всё срабатывает как надо, при засвете одного и второго светодиода срабатывает мотор по часовой и против часовой стрелки.

Радиатор несколько великоват, столь большого размера не требуется, но другу такой понравился, потом сказал порежет на две половины для двух готовых плат, тестирует пока, поскольку с мощностью моторов ещё не определился.

Эти радиаторы всё сняты с блоков питания , у меня их много накопилось, а люди всё несут и несут. Разработка - И. Цаплин . Сборка и испытание схемы - Igoran .

Обсудить статью КОНТРОЛЛЕР ПОВОРОТА СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИ

При строительстве загородных домов, домиков на дачных участках, теплиц, различных фермерских построек все чаще стали применяться автономные системы электрообеспечения. Солнечные батареи обеспечивают независимость от общих электрических сетей. Да и в городах в частном секторе нередко можно увидеть на крышах домов солнечные панели домашних электростанций.

Эти панели могут быть с моно- и поликристаллическими кремниевыми структурами, могут быть построены на базе батарей, выполненных по аморфной или микроморфной технологии, могут быть даже использованы солнечные батареи, выполненные по технологии «Moth Eye» («Глаз мотылька»). При этом каждое здание строится таким образом, чтобы солнечные панели были установлены в месте, максимально освещаемом солнцем.

Эффективность современных гелиевых систем в среднем не превышает 18% - 20%. У лучших образцов эффективность может достигать 25%. В 2014 году ученые Австралийского центра UNSW по усовершенствованию фотовольтаики сообщили, что им удалось добиться эффективности солнечных батарей в 40%.

При этом нужно понимать, что измерение величины эффективности производится, когда гелиевая панель освещается солнцем под прямым углом. Если солнечная батарея закреплена стационарно, то в течение дня, когда солнце перемещается по небосводу, период прямого освещения батареи солнцем будет относительно небольшим. И поэтому эффективность даже самых совершенных солнечных панелей будет снижаться.

Для того чтобы минимизировать снижение эффективности гелиевых систем, солнечные панели должны устанавливаться на поворотных модулях, которые позволят в течение всего светового дня ориентировать батареи на солнце. Такое поворотное устройство, на котором закреплена несущая конструкция с одной или несколькими солнечными панелями, называется трекером.

Он предназначен для того, чтобы следить за солнцем, и, в зависимости от его положения, ориентировать на него солнечную панель. Это устройство, в зависимости от исполнения, включает в себя один или два датчика слежения за солнцем, а также поворотный механизм. Трекер должен быть установлен в хорошо освещаемом солнцем месте на земле, на стационарной станине, либо на мачте, которая поднимет трекер на такую высоту, чтобы солнечная батарея всегда была освещена солнцем.

Трекер с четырьмя солнечными панелями на мачте

Даже простейшее поворотное устройство с системой слежения за солнцем позволяет получить максимальный коэффициент полезного действия от гелиевых батарей. Как показали исследования, при отсутствии должной ориентации солнечных панелей на солнце теряется до 35% мощности. Поэтому, чтобы выйти на запланированную мощность в случае неподвижного крепления фотоэлементов, приходится устанавливать большее количество панелей.

Принцип построения систем управления поворотом солнечных батарей

Промышленностью выпускается несколько видов систем управления поворотом солнечных батарей. Это достаточно дорогие (до 100000 рублей) устройства, которые могут управлять положением сразу нескольких гелиевых панелей.

Поскольку солнце в течение дня перемещается не только по горизонтали, но и по вертикали, то эти системы управления отслеживают оба изменения положения и, в соответствии с полученной информацией, выдают команды на поворот панели вокруг горизонтальной или вертикальной осей. В общем случае такая система управления состоит из солнечного датчика, преобразователя (П) сигнала с этого датчика, усилителя (У) сигнала, микроконтроллера (МК), устройства управления двигателем (УУД), самого двигателя и, наконец, непосредственно рамы, на которой крепится гелиевая панель.

Схема управления трекера

Характерно, что для управления поворотом в обеих осях используется одна и та же схема. Различны только датчики положения солнца и двигатели. Простейший датчик положения солнца состоит из двух фотодиодов, разделенных непрозрачной перегородкой.

В зависимости от того, за каким перемещением следит этот датчик, перегородка устанавливается горизонтально или вертикально, но обязательно направлена строго на солнце. Пока оба фотодиода освещаются одинаково, сигналы, поступающие с них, равны. Как только солнце переместится настолько, что один из фотодиодов окажется в тени перегородки, происходит разбаланс сигналов и система управления вырабатывает соответствующую команду на поворот солнечной батареи.

Схема датчика положения солнца

В качестве двигателей для поворотной платформы используются, как правило, шаговые двигатели или реактивно-вентильные двигатели. В таких системах управления датчики слежения установлены на этой же платформе и поворачиваются вместе с нею, обеспечивая тем самым точную ориентацию гелиевой панели на солнце. Для надежной работы датчика необходимо предусмотреть защиту его от загрязнения, налипания снега, затенения оптики случайными предметами.

Существуют системы управления, в которых датчики слежения удалены от несущей поворотной платформы и находятся в месте, защищенном от подобных воздействий. В этом случае сигнал с датчиков поступает на сельсин-передатчик. Ориентируя датчик слежения на солнце, сельсин-передатчик передает управляющее воздействие на сельсин-приемник, который и поворачивает несущую платформу, направляя ее точно на солнце.

Система управления поворотом солнечных панелей на базе часового механизма

Промышленные установки – полностью укомплектованные гелиевые электростанции с двухосными поворотными модулями – достаточно дорогое удовольствие. Например, промышленный трекер UST-AADAT стоит порядка полутора миллионов рублей. Естественное желание всех владельцев солнечных электростанций – повысить выходную мощность, но при этом сократить расходы. В результате появились самодельные устройства, оригинальные по своему решению, в которых используются подручные материалы. И эти устройства вполне успешно управляют ориентацией панелей на солнце.

Один из вариантов такого устройства – система управления ориентацией гелиевых панелей, построенная на базе часового механизма. Для слежения за солнцем вовсе не обязательно использовать светоприемные устройства. Для этого достаточно взять обычные настенные механические часы. Подойдут даже старые ходики. Известно, что за один час солнце проходит по небосводу с востока на запад путь, соответствующий угловому перемещению на 15°. Поскольку для гелиевой панели такое угловое смещение не особенно критично, то достаточно включать поворотный механизм один раз в час.

Слежение за перемещением солнца по часам

Устройство для поворота гелиевой панели вокруг вертикальной оси может выглядеть следующим образом. В циферблате на расстоянии длины минутной стрелки от центра, в месте, соответствующем 12-ти часам, устанавливается неподвижный контакт. Подвижный контакт – на острие минутной стрелки.

Таким образом, каждые 60 минут будет происходить замыкание контактов и включаться двигатель, поворачивающий солнечную панель. Отключение двигателя можно организовать различными способами, например, конечным выключателем или реле времени. Если на циферблате установить еще один неподвижный контакт в месте, соответствующем 6-ти часам, то коррекция положения панели будет производиться через каждые полчаса.

В этом случае устройства отключения двигателя должны быть настроены на поворот несущей платформы на угол 7,5°.

Кроме того, при желании здесь же, на этом механизме, с помощью еще одной контактной группы, но уже на базе часовой стрелки можно собрать схему автоматического возврата солнечной панели в исходное положение. На базе этой же часовой стрелки можно собрать систему управления поворотом панели и вокруг горизонтальной оси. Пока часовая стрелка двигается до 12-ти часов, несущая рама поднимается вслед за солнцем. После 12-ти часов двигатель горизонтальной оси реверсируется, и солнечная панель начинает вращаться в обратном направлении.

Принцип водяных часов в системе управления поворотом солнечных панелей

Эта система была придумана девятнадцатилетней студенткой Иден Фулл из Канады. Она предназначена для управления одноосным трекером. Принцип работы следующий. Вращение производится вокруг горизонтальной оси. Солнечная панель устанавливается в начальное положение таким образом, чтобы солнечные лучи были перпендикулярны плоскости панели.

На одну сторону панели подвешивается емкость с водой, на противоположную сторону подвешивается груз, равновесный с емкостью, наполненной водой. В нижней части емкости проделывается небольшое отверстие, чтобы вода по каплям вытекала из этого сосуда. Размер этого отверстия подбирается экспериментально. По мере вытекания воды сосуд становится легче, и противовес медленно поворачивает раму с панелью.

Трекер на «водяных часах»

Подготовка трекера к работе заключается в том, что в опустевшую емкость заливается вода и солнечная панель устанавливается в исходное положение.

Эти два примера далеко не исчерпывают возможные варианты построения поворотных модулей. При небольшой фантазии можно получить простое, но очень эффективное устройство, которое гарантированно сможет повысить эффективность домашней гелиевой электростанции.