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無線電子工学および電気工学の百科事典 太陽追跡装置。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
これまで、ソーラーパネルを運用する場合、太陽光が全体的に分散することに満足していました。 確かに、時刻 (東西方向) だけでなく、季節の変化も考慮されています。 しかし、ソーラーパネルは、発見されても、多かれ少なかれその動作位置に固定されたままでした。 場合によっては、これをあまり重視せず、大まかにバッテリーを太陽の方向に向けることさえありました。 しかし、太陽電池は太陽光線の方向に対して正確に垂直に配置された場合にのみ最大のエネルギーを生成し、これは 10 日に XNUMX 回しか発生しないことが経験から知られています。 残りの時間では、太陽電池の効率は XNUMX% 未満です。 空の太陽の位置を追跡できたと仮定しますか? 言い換えれば、日中にソーラーパネルを回転させて、常に太陽に直接向けるとどうなるでしょうか? このパラメータを変更するだけで、太陽電池からの総出力が約 40% 増加します。これは、生成されるエネルギーのほぼ半分です。 これは、4 時間の有効太陽強度が自動的にほぼ 6 時間になることを意味し、太陽の監視はまったく難しくありません。 追跡装置の動作原理 追跡装置は XNUMX つの部分で構成されます。 そのうちのXNUMXつは太陽放射受信機を駆動するメカニズムを組み合わせ、もうXNUMXつはこのメカニズムを制御する電子回路を組み合わせています。 多くの太陽追跡方法が開発されています。 それらの XNUMX つは、極軸に平行なホルダーに太陽電池を取り付けることに基づいています。 赤道追跡システムと呼ばれる同様の装置について聞いたことがあるかもしれません。 これは天文学者の間でよく使われる用語です。 地球の自転のおかげで、私たちには太陽が空を横切って動いているように見えます。 この地球の自転を考慮すると、比喩的に言えば、太陽は「停止」することになります。 赤道追跡システムも同様に動作します。 地球の極軸と平行な回転軸を持っています。 これに太陽電池を取り付けて前後に回転させると、地球の自転を模倣できます（図1）。 地球の回転軸と一致する軸。
軸の傾斜角 (極角) は地理的位置によって決まり、デバイスが取り付けられている場所の緯度に対応します。 北緯 40 度に相当する地域に住んでいるとします。 次に、追跡装置の軸は地平線に対して 40°の角度で回転します (北極では地表に対して垂直になります (図 2))。
この傾斜した軸を中心に太陽電池を東または西に回転させると、空を横切る太陽の動きがシミュレートされます。 地球の自転の角速度で太陽電池を回転させれば、太陽を完全に「止める」ことができます。 この回転は機械的な従動システムによって実行されます。 太陽電池を軸の周りに回転させるには、モーターが必要です。 太陽の毎日の動きのどの瞬間においても、ソーラー パネルの面は太陽光線の方向に対して垂直になります。 追跡装置の電子部品は、太陽の位置に関する情報を駆動機構に提供します。 電子指令によりパネルを希望の方向に設置します。 太陽が西に移動するとすぐに、太陽に向かうパネルの希望の方向が再び戻るまで、電子コントローラーは電気モーターを始動します。 トラッカーの特性 私たちの追跡装置の斬新さは、太陽電池の向きが太陽に向いているという点だけではなく、太陽電池が制御用の電子「頭脳」に電力を供給しているという事実にもあります。 これは、デバイスの設計と電気的特性の独自の組み合わせによって実現されます。 まず、図を参照して、デバイスの設計上の特徴について考えてみましょう。 3。
太陽電池は、それぞれ XNUMX つの要素を含む XNUMX 枚のパネルで構成され、直列に接続され、透明なプラスチック ハウジングの平面上に配置されます。 パネルは並列に接続されます。 これらのパネルは互いに直角に取り付けられます。 その結果、少なくとも XNUMX つのモジュールが常に太陽に照らされることになります (後述の制限に従います)。 まず、パネルによって形成される角度の二等分線が正確に太陽に向かうようにデバイス全体が配置されている場合を考えてみましょう。 この場合、各パネルは太陽に対して45°の角度で傾けられ（図4）、電気エネルギーを生成します。
デバイスを右に 45 度回転すると、右側のパネルは平行な位置になり、左側のパネルは太陽光線に対して垂直になります。 これで、左側のパネルのみがエネルギーを生成し、右側のパネルは非アクティブになります。 デバイスをさらに 45 度回転させてみましょう。 光は左側のパネルに当たり続けますが、角度は 45°です。 前と同様に、右側は照明されていないため、エネルギーは生成されません。 左側でも同様の回転を繰り返すことができ、右側のパネルはエネルギーを生成し、左側のパネルは非アクティブになります。 いずれの場合も、少なくとも 180 つのバッテリーが発電します。 パネルは並列に接続されているため、常に発電します。 実験中、モジュールは XNUMX 度回転しました。 したがって、パネルの接合部が正午の太陽に向けられるように特定のデバイスが固定されている場合、空の太陽の位置に関係なく、太陽電池の出力によって常に電圧が生成されます。 夜明けから夕暮れまで、デバイスの一部が太陽に照らされます。 素晴らしいですが、なぜこれすべてですか？ 今調べてください。 電子太陽追跡システム 空を横切る太陽の動きを追跡するには、電子制御回路が XNUMX つの機能を実行する必要があります。 まず第一に、彼女は監視の必要性があるかどうかを判断する必要があります。 霧や曇りなど太陽光が十分でない場合、電気モーターを稼働させてエネルギーを無駄に費やすのは意味がありません。 これが、上記のデバイスが主に必要となる目的です。 その動作原理を理解するために、図に示す電子回路を見てみましょう。 3. まず、リレー RL1 に注目してみましょう。 さらなる議論を単純化するために、トランジスタＱ１が飽和状態（電流を導通）にあり、トランジスタＱ２が存在しないと仮定する。 リレー RL1 は、そこを流れる電流に応答する回路要素です。 リレーには、電流のエネルギーが磁場のエネルギーに変換されるワイヤ コイルが含まれています。 磁界の強さはコイルを流れる電流に直接比例します。 電流が増加すると、磁界の強さが非常に大きくなり、リレーのアーマチュアが巻線コアに引き付けられ、リレーの接点が閉じる瞬間が来ます。 この瞬間は、いわゆるリレー応答しきい値に対応します。 太陽電池を使用して太陽放射の閾値強度を測定する際にリレーが使用される理由が明らかになりました。 覚えているとおり、太陽電池の電流は光の強度に依存します。 私たちの回路では、実際には XNUMX つのソーラー パネルがリレーに接続されており、それらのパネルが動作しきい値を超える電流を生成するまで、リレーはオンになりません。 したがって、応答閾値を決定するのは入射光の量です。 電流が最小値よりわずかに小さい場合、回路は動作しません。 リレーと太陽電池は光量が最大値の60％に達したときにリレーが作動するように選定されています。 これが、追跡システムの最初のタスクである太陽放射強度のレベルの決定を解決する方法です。 リレー接点が閉じると電気モーターがオンになり、システムは太陽の方向を探し始めます。 次に、太陽に対する太陽電池の正確な向きを見つけるという次の作業に進みます。 これを行うために、トランジスタ Q1 と Q2 に戻りましょう。 トランジスタQ1のコレクタ回路にはリレーがあります。 リレーをオンにするには、トランジスタQ1を短絡する必要があります。 抵抗 /?1 は、トランジスタ Q1 を開くバイアス電流を設定します。 トランジスタ Q2 はフォトトランジスタを表し、そのベース領域には光が照射されます (従来のトランジスタでは、電気信号がベースに印加されます)。 フォトトランジスタのコレクタ電流は光の強度に正比例します。 抵抗器 R1 は、トランジスタ Q1 のバイアス電流を設定することに加えて、トランジスタ Q2 の負荷としても使用されます。 トランジスタ Q2 のベースに光が当たっていない場合、コレクタ電流は存在せず、抵抗 R1 を流れる電流はすべてベースを流れ、トランジスタ Q1 が飽和します。 フォトトランジスタの照度が増加すると、コレクタ電流が流れ始め、抵抗器 R1 のみを流れます。 オームの法則によれば、固定抵抗器 R1 を流れる電流が増加すると、その両端の電圧降下が増加します。 したがって、Q2 のコレクタの電圧も変化します。 この電圧が 0,7V を下回ると、予測された現象が発生します。ベース電流を流すには少なくとも 1V が必要なため、Q0,7 はバイアスを失います。 トランジスタ Q1 は電流の伝導を停止し、リレー RL1 がオフになり、その接点が開きます。 この動作モードは、トランジスタ Q2 が太陽に直接向けられている場合にのみ発生します。 この場合、リレー接点によるモーター電源回路の開放により、太陽に対する正確な方位の探索は停止します。 現在、ソーラーパネルは太陽に直接向けられています。 太陽がトランジスタQ2の視野を離れると、トランジスタ Q1 がリレーをオンにし、機構が再び動き始めます。 そして太陽は再び姿を現します。 日中に太陽が空を横切るにつれて、検索は何度も繰り返されます。 夕方になると光量が減ります。 ソーラーパネルは電子システムに電力を供給するのに十分なエネルギーを生成できなくなり、リレー接点が最後に開きます。 翌朝早く、太陽が追跡システムの東向きのバッテリーを照らし、サーキットの動作が再び始まります。 同様に、悪天候により照度が低下するとリレー接点が開きます。 たとえば、午前中は天気が良く、追跡システムが動作し始めたとします。 しかし、正午になると空が暗くなり始め、照度が低下したため、午後、そしておそらく翌日には空が再び晴れるまで追跡システムの動作が停止されました。 このような事態が発生しても、追跡システムは常に動作を再開できる状態にあります。 デザイン 部品の大部分が有機ガラスでできているため、追跡装置の作成は非常に簡単です。 ただし、非常に重要な点は、ソーラーパネルとリレーの特性の調整です。 最大日射強度時に80mAの電流を発生する素子を選定する必要があります。 選択はテストを通じて行うことができます。 このテスターはこの目的に非常に適しています。 三日月型電池が平均約 80 mA の電流を生成することがわかりました。 したがって、販売されているさまざまな種類の要素のうち、これらの要素を私のデバイスに使用しました。 どちらのソーラーパネルもデザインは似ています。 それぞれに 10 つの要素が含まれており、これらは直列に接続され、10 x 2 cmXNUMX のプレキシガラス プレートに取り付けられています。 これらの要素は常に環境にさらされるため、保護措置を講じる必要があります。 以下のようにすると良いでしょう。 完成したバッテリーを、平らな金属面に置かれたプレキシガラス板の上に置きます。 バッテリーの上部を比較的厚い (0,05 ～ 0,1 mm) 層のマイラー フィルムで覆います。 得られた構造をブロートーチで完全に加熱し、プラスチック部品を溶かしてはんだ付けします。 これを行うときは注意してください。 プレキシガラス プレートを十分に平らでない表面に置いたり、過熱すると、プレートが反る場合があります。 すべてはグリルドチーズサンドイッチの準備と似ているはずです。
完了したら、特に太陽電池の端の周りでシールがしっかりと行われていることを確認してください。 ダクロンが熱いうちに、ダクロンの端を軽く圧着する必要がある場合があります。 パネルが十分に冷えたら、図のように接着します。 5を並列に接続します。 デバイスを組み立てる前に、リード線をバッテリーにはんだ付けすることを忘れないでください。 電子脳 次に重要な設計要素はリレーです。 実際には、リレーは小さなリード接点の周りに巻かれたコイルです。 リレー巻線は、干渉のあるリード接点に適合するのに十分な大きさのフレームの周りに巻かれた No.420 エナメル銅線を 36 回巻いたもので構成されています。 カクテルストローをフレームとして使用しました。 熱いナイフの刃でストローの端に触れると、フレームの頬が形成され、巻き線が端から滑り落ちないように保護します。 巻線のインピーダンスは 20 ～ 30 オームである必要があります。 リードスイッチをフレームに挿入し、接着剤を一滴垂らして固定します。 次に、トランジスタQ1と抵抗R1をリレーに接続します。 トランジスタQ2を接続せずに太陽電池から電力を供給し、回路の動作を確認してください。 すべてが正常に動作している場合、太陽光の強度が最大強度の約 60% になったときにリレーが作動するはずです。 これを行うには、太陽電池の表面の 40% をボール紙などの不透明な素材で覆うだけです。 リードスイッチの品質によっては、理想値から多少の誤差が生じる場合があります。 リレーを最大可能値の 50 ～ 75% の光強度で開始しても問題ありません。 一方、これらの制限を満たさない場合は、リレー巻線の巻数またはソーラー パネルの電流のいずれかを変更する必要があります。 リレー巻線の巻数は以下のルールに従って変更してください。 リレーが早く動作する場合は巻き数を減らす必要があり、遅い場合は巻き数を増やす必要があります。 ソーラーパネルの電流を変更して実験したい場合は、シャント抵抗をパネルに接続します。 次に、フォトトランジスタ Q2 を回路に接続します。 遮光ハウジングに設置する必要があります。そうしないと正しく動作しません。 これを行うには、長さ約2,5 cm、トランジスタハウジングの直径に対応する直径の銅またはアルミニウムのパイプを用意します。 パイプの一端は、幅 0,8 mm の隙間が残るように平らにする必要があります。 トランジスタにパイプを取り付けます。 要素 Q1、Q2、R1、RL1 を含む完成した制御回路には、シール目的で液体ゴムが充填されます。 デバイスからは XNUMX つのドライブが出力されます。XNUMX つはリレー接点から、XNUMX つはソーラー パネルからです。 液状ゴムを流し込む場合は、厚手の紙（はがきなど）の型を使用してください。 作り方は、鉛筆の周りに紙を巻き、紙が広がらないように固定し、図の周りのポリマー層が乾いたら、紙の型を外します。
デバイスを操作する 追跡装置の操作は非常に簡単です。 まず、簡単な追跡機構を組み立てます。 バッテリーを回転軸に取り付けます。 バッテリーを適切なフレームに取り付け、摩擦ベアリングまたはローラー ベアリングを使用してフレームをパイプに取り付けることができます。 次に、ギアボックスを備えたモーターを取り付けて、フレームを軸の周りに回転させます。 これはさまざまな方法で実行できます。 リレーは電子回路の中でオンとオフの機能だけを行うため、電動モーターの回転電圧を切り替える素子が必要です。 これには、フレームの極端な位置にリミット スイッチを配置する必要があります。 これらは図に示す図に従って接続されます。 6. 図にはリミットスイッチNo.1が含まれています。 6は間違いです。 回路の適切な動作を保証するには、リミット スイッチの端子をリレーと直列に接続されたリレー RL1 の接点に並列に接続する必要があります。
図からわかるように、これは単純な極性スイッチ回路であり、電力が供給されると電動モーターが回転し始めます。 回転方向は電源の極性により異なります。 極性切換リレー RL1 は、電源投入時にはその巻線の電源回路が常開接点により遮断されているため動作しません。 電気モーターは、リミット スイッチ No. 1 に向かってフレームを回転させます。このスイッチは、回転の極限位置でのみフレームがそれに当たるように配置されています。 著者は、図 3 と図 6 の図でも同様に異なるリレーを指定します。 将来の混乱を避けるために、図 1 のリレー RL3 は追跡システムのリード リレーと呼ばれ、図 6 のその接点はリード接点と呼ばれます。 図 1 のリレー RL6 は、XNUMX つのグループのスイッチング接点を備え、リード スイッチよりも強力です。 このスイッチが閉じるとリレー RL1 が作動し、電動モーターへの供給電圧の極性が変わり、電動モーターは逆方向に回転し始めます。 エンド接点 #1 が再び開きますが、接点が閉じているためリレーはオンのままです。 フレームがリミットスイッチNo.2を押すと、リレーRL1の電源回路が開き、リレーがOFFします。 モーターの回転方向が再び変わり、空の追跡が継続されます。 このサイクルは、電気モーターの電源回路を制御する日射監視回路からのリードリレー RL 1 によってのみ中断されます。 ただし、リレー RL 1 は低電流デバイスであるため、モーター電流を直接切り替えることはできません。 したがって、リードリレーは、図に示すように、電動モーターを制御する補助リレーを切り替えます。 6. 追跡システムのソーラー パネルは回転機構の近くに配置する必要があります。 電池の傾斜角は極軸の傾斜角と一致し、電池の接合部は正午の太陽に向けられる必要があります。 電子モジュールは回転装置に直接接続されています。 フォトトランジスタカバーのスリットを極軸と平行に向けます。 これには、地平線上の太陽の位置の季節変化が考慮されています。 著者：バイヤーズT。
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