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无线电电子与电气工程百科全书 太阳追踪器。 无线电电子电气工程百科全书
到目前为止，在操作太阳能电池板时，我们对阳光的总色散感到满意。 确实，考虑了一些季节变化以及一天中的时间（东西方向的方向）。 然而，一旦被发现，太阳能电池板就或多或少地固定在其工作位置。 在很多情况下，我们甚至没有太重视这一点，大约将电池暴露在太阳的方向上。 然而，从经验中得知，太阳能电池只有在完全垂直于太阳光线方向时才能产生最大能量，而且这种情况每天只能发生一次。 其余时间，太阳能电池的效率低于10%。 假设您能够追踪太阳在天空中的位置？ 换句话说，如果你在白天旋转太阳能电池板，使其始终直接指向太阳，会发生什么？ 只需更改此参数，即可将太阳能电池的总输出增加约 40%，这几乎是产生的能量的一半。 这意味着 4 小时的有用太阳强度会自动变成近 6 小时。监测太阳一点也不困难。 跟踪装置的工作原理 跟踪装置由两部分组成。 其中一个结合了驱动太阳辐射接收器的机构，另一个结合了控制该机构的电子电路。 已经开发了多种太阳跟踪方法。 其中之一是将太阳能电池安装在平行于极轴的支架上。 您可能听说过类似的设备，称为赤道跟踪系统。 这是天文学家使用的一个流行术语。 由于地球的自转，我们感觉太阳在天空中移动。 如果我们考虑到地球的自转，形象地说，太阳就会“停止”。 赤道跟踪系统以类似的方式运行。 它有一个平行于地球极轴的旋转轴。 如果将太阳能电池连接到其上并前后旋转它们，您就可以模仿地球的旋转（图 1）。 轴与地球自转轴同向。
轴倾斜角（极角）由地理位置决定，与设备安装地点的纬度相对应。 假设您居住在北纬 40° 对应的区域。 然后跟踪设备的轴将与地平线成40°角旋转（在北极，它垂直于地球表面（图2）。
围绕该倾斜轴向东或向西旋转太阳能电池将模拟太阳在天空中的运动。 如果我们以地球自转的角速度旋转太阳能电池，我们就可以完全“阻止”太阳。 这种旋转是由机械从动系统执行的。 为了使太阳能电池绕轴旋转，需要电机。 在太阳日常运动的任何时刻，太阳能电池板的平面现在都将垂直于太阳光线的方向。 跟踪装置的电子部分向主导机构提供有关太阳位置的信息。 通过电子命令，面板安装在所需的方向。 一旦太阳向西移动，电子控制器就会启动电动机，直到面板再次恢复到太阳的正确方向。 跟踪器特性 我们的跟踪设备的新颖性不仅在于太阳能电池朝向太阳的方向，还在于它们为控制电子“大脑”提供动力。 这是通过设备的设计和电气特性的独特组合来实现的。 让我们首先考虑设备的设计特点，参见图 3。 XNUMX.
太阳能电池由两个面板组成，每个面板包含三个元件，串联连接并放置在透明塑料外壳的平面上。 面板并联连接。 这些面板彼此成直角安装。 因此，至少其中一个模块将持续被太阳照射（受到下面讨论的限制）。 首先，考虑整个设备的位置，使面板形成的角度平分线正好指向太阳。 在这种情况下，每个面板与太阳成 45° 角倾斜（图 4）并产生电能。
如果将设备向右旋转 45°，右侧面板将处于平行位置，左侧面板将垂直于太阳光线。 现在只有左侧面板产生能量，右侧面板闲置。 将设备再旋转 45°。 光线继续照射左侧面板，但角度为 45°。 和以前一样，右侧没有被照亮，因此不会产生任何电力。 您可以向左侧重复类似的旋转，而右侧面板将产生能量，而左侧面板将处于非活动状态。 无论如何，至少有一个电池发电。 由于电池板并联连接，该设备将始终发电。 在我们的实验中，模块旋转了 180°。 因此，如果固定特定装置以使电池板的接合处朝向正午的太阳，则无论太阳在天空中的位置如何，太阳能电池的输出将始终产生电压。 从黎明到黄昏，设备的某些部分会被阳光照亮。 太好了，但为什么这一切？ 现在找出来。 电子太阳追踪系统 为了跟踪太阳在天空中的运动，电子控制电路必须执行两个功能。 首先，她必须决定是否有必要进行跟踪。 如果没有足够的阳光，例如在有雾或云的情况下，将能量浪费在电动机的运行上是没有意义的。 这就是上述设备的主要用途！ 为了理解其工作原理，让我们转向图3所示的电子电路。 1. 首先，让我们把注意力集中在继电器RL1上。 为了简化进一步的讨论，假设晶体管 Q2 处于饱和状态（传导电流）并且晶体管 QXNUMX 不存在。 继电器RL1是一个对流过它的电流做出响应的电路元件。 继电器包含一个线圈，其中电流的能量被转换为磁场的能量。 场强与流过线圈的电流成正比。 随着电流的增加，磁场强度增加得如此之大，以至于继电器电枢被吸引到绕组芯上并且继电器触点闭合。 该时刻对应于所谓的继电器响应阈值。 现在很清楚为什么在使用太阳能电池测量太阳辐射的阈值强度时使用继电器。 如您所知，太阳能电池的电流取决于光的强度。 在我们的电路中，实际上有两个太阳能电池板连接到继电器，直到它们产生超过工作阈值的电流，继电器才会打开。 因此，入射光的量决定了响应阈值。 如果电流略小于最小值，则电路不工作。 继电器和太阳能电池的选择使得当光照强度达到最大值的60%时继电器被激活。 这就是跟踪系统的第一个任务是如何解决的——确定太阳辐射强度的水平。 闭合的继电器触点打开电动机，系统开始寻找太阳的方向。 现在我们进行下一个任务，即找到太阳能电池相对于太阳的准确方向。 为此，我们回到晶体管 Q1 和 Q2。 晶体管Q1的集电极电路中有一个继电器。 要打开继电器，需要将晶体管 Q1 短路。 电阻器/Ω1 设置打开晶体管Q1 的偏置电流。 晶体管Q2代表光电晶体管，其基极区域被光照射（在传统晶体管中，电信号施加到基极）。 光电晶体管的集电极电流与光强度成正比。 电阻R1除了设定晶体管Q1的偏置电流外，还用作晶体管Q2的负载。 当晶体管Q2的基极没有受到光照射时，没有集电极电流，流过电阻R1的所有电流都流过基极，使晶体管Q1饱和。 随着光电晶体管的照度增加，集电极电流开始流动，该电流仅流过电阻器R1。 根据欧姆定律，通过固定电阻器 R1 的电流增加会导致其两端的电压降增加。 因此，Q2集电极的电压也发生变化。 当该电压降至 0,7V 以下时，将发生预测的现象：Q1 将失去偏置，因为它需要至少 0,7V 才能流动基极电流。 晶体管Q1将停止导通电流，继电器RL1将关闭并且其触点将打开。 这种工作模式仅在晶体管 Q2 直接指向太阳时才会发生。 在这种情况下，由于继电器触点打开电机电源电路，对太阳精确方位的搜索停止。 现在太阳能电池板直接对准太阳。 当太阳离开晶体管 Q2 的视野时，晶体管 Q1 打开继电器，机构再次开始移动。 太阳又找到了自己。 白天，随着太阳在天空中移动，搜索会重复多次。 晚上光线强度减弱。 太阳能电池板无法再产生足够的能量来为电子系统供电，继电器触点最后一次打开。 第二天清晨，太阳照亮了跟踪系统的电池，朝向东方，电路再次开始运行。 同样，如果由于恶劣天气导致光照度下降，继电器触点就会打开。 例如，假设早上天气晴朗，跟踪系统开始工作。 然而，到了中午，天空开始变得阴沉，照度的下降导致跟踪系统停止运行，直到下午，也许是第二天，天空再次放晴。 每当这种情况发生时，跟踪系统总是准备恢复运行。 设计 制造跟踪设备非常简单，因为部件的很大一部分是由有机玻璃制成的。 不过，非常重要的一点是太阳能电池板和继电器特性的协调。 有必要选择在最大太阳辐射强度下产生80mA电流的元件。 可以通过测试来进行选择。 该测试仪非常适合此目的。 我发现新月形电池产生的平均电流约为 80 mA。 因此，在所有正在销售的元素类型中，我将这些元素用于我的设备。 两种太阳能电池板的设计相似。 每个包含三个串联连接的元件，并连接到尺寸为 10x10 cm2 的有机玻璃板上。 这些元件会不断暴露在环境中，因此必须为其提供保护措施。 如果能做到以下几点就好了。 将完成的电池放在放置在平坦金属表面上的有机玻璃板上。 用相对较厚（0,05-0,1 毫米）的聚酯薄膜覆盖电池顶部。 用喷灯彻底加热所得结构，使塑料部件熔化并焊接在一起。 这样做时要小心。 如果将有机玻璃板放置在不够平坦或过热的表面上，它可能会变形。 一切都应该类似于烹饪烤奶酪三明治。
完成后，检查密封的密封性，尤其是太阳能电池边缘周围的密封性。 您可能需要在涤纶还热的时候轻轻卷曲它的边缘。 待面板充分冷却后，将它们粘合在一起，如图所示。 5并将它们并联起来。 在组装设备之前，不要忘记将引线焊接到电池上。 电子大脑 下一个重要的设计元素是继电器。 实际上，继电器是一个缠绕在小簧片触点上的线圈。 继电器绕组由 420 匝 36 号漆包铜线组成，绕在一个足够小的框架上，以适应干簧触点的干扰。 我用一根鸡尾酒吸管作为框架。 如果用热刀片接触吸管的末端，就会形成框架颊板，防止绕组从边缘滑落。 绕组阻抗应为20-30欧姆。 将簧片开关插入框架中并用一滴胶水将其固定。 然后将晶体管 Q1 和电阻器 R1 连接到继电器。 在不连接晶体管 Q2 的情况下，从太阳能电池供电并检查电路的运行情况。 如果一切正常，当阳光强度约为全强度的 60% 时，继电器应激活。 为此，您只需用不透明材料（例如纸板）覆盖太阳能电池表面的 40% 即可。 根据磁簧开关的质量，可能与理想值存在一些偏差。 在最大可能值的 50-75% 的光强度下启动继电器是可以接受的。 另一方面，如果不满足这些限制，则需要更改继电器绕组的匝数或太阳能电池阵列的电流。 继电器绕组的匝数应按照以下规则改变。 如果继电器动作较早，则必须减少匝数；如果动作较晚，则必须增加匝数。 如果您想尝试改变太阳能电池板的电流，请在其上连接一个分流电阻。 现在将光电晶体管 Q2 连接到电路。 必须将其放置在避光的外壳中，否则将无法正常工作。 为此，请取一根长约 2,5 厘米、直径与晶体管外壳直径相对应的铜管或铝管。 管子一端应压平，留出 0,8 毫米宽的间隙。 将管道连接到晶体管。 成品控制电路包含元件 Q1、Q2、R1 和 RL1，并填充液体橡胶以达到密封目的。 该设备输出四个驱动器：两个来自继电器触点，两个来自太阳能电池板。 要倒入液体橡胶，请使用厚纸制成的模板（例如明信片）。 为了制作它，将一张纸包裹在一支铅笔上，并固定纸张，使其不会展开。当图表周围的聚合物层干燥后，取出纸质表格。
使用设备 跟踪装置的操作非常简单。 首先，组装一个简单的跟踪机制。 将电池安装在旋转轴上。 您可以将电池安装在合适的框架上，然后使用摩擦轴承或滚柱轴承将框架连接到管道上。 然后安装带有变速箱的电机，使框架绕其轴线旋转。 这可以通过多种方式来完成。 由于继电器在电子电路中仅执行接通和断开功能，因此需要具有切换电动机的旋转电压的元件。 这需要将限位开关设置在框架的极限位置。 它们按照如图所示的图进行连接。 6. 图 1 中包含 6 号限位开关。 1 不正确。 为了确保电路正常工作，限位开关端子必须并联到继电器RLXNUMX的触点，并与继电器串联。
从图中可以看出，这是一个简单的极性开关电路，通电后，电动机开始转动。 其旋转方向取决于电源的极性。 通电瞬间，极性转换继电器RL1不动作，因为其绕组的供电电路被常开触点断开。 电动机将框架旋转至 1 号限位开关。该开关的位置使得框架仅在其旋转的极限位置靠在其上。 作者在图3和图6的图中以相同的方式指定了不同的继电器。 为避免以后混淆，图1中的继电器RL3称为跟踪系统的干簧继电器，图6中其触点称为干簧触点。 图1中的继电器RL6比簧片开关更强大，具有三组开关触点。 当该开关闭合时，继电器 RL1 被激活，从而改变电动机电源电压的极性，并且电动机开始沿相反方向旋转。 尽管终端触点 #1 再次打开，但由于触点闭合，继电器仍保持打开状态。 当框架压下2号限位开关时，继电器RL1电源电路断开，继电器断开。 电机旋转方向再次改变，天空跟踪继续。 该周期仅由太阳辐射监测电路中的簧片继电器 RL 1 中断，该电路控制电动机的电源电路。 但继电器RL 1 是小电流器件，不能直接切换电机电流。 因此，簧片继电器切换控制电动机的辅助继电器，如图 6 所示。 XNUMX. 跟踪系统的太阳能电池板必须位于旋转机构附近。 它们的倾斜角度应与极轴的倾斜角度一致，并且电池的连接处应朝向正午的太阳。 电子模块直接连接至旋转装置。 将光电晶体管盖的狭缝定向为平行于极轴。 这考虑了太阳在地平线以上位置的季节性变化。 作者：拜尔斯 T.
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