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無線電子工学および電気工学の百科事典 ヘリオスタット。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
赤道追跡システムと呼ばれる装置では、地面に対する軸の角度が一定に保たれます。 この点において、季節が変わると、太陽光発電の変換効率は一定に低下します。 最大の効率を得るには、傾斜角をさらに調整する必要があります。 調整の容易さは、特定の設置環境によって異なります。 極角を変更することはお勧めできません。変更しないと、このような追跡デバイスの意味自体が失われてしまいます。 そのため、ソーラーパネルを軸に取り付ける角度を調整する必要があります。 ２つの平面内で太陽の位置を追跡できる太陽追跡システム、すなわち２軸追跡システムがあれば便利であろう。 XNUMX つの自由度を持つ追跡システムは、ヘリオスタットと呼ばれることがよくあります。 ヘリオスタット ヘリオスタットという用語は、太陽光発電の構造物を指すのによく使用されますが、これはやや誤解を招きます。 実際、ヘリオスタットは、モーターによって駆動される支持体の上面に取り付けられた反射鏡 (ミラー) であり、太陽を監視し、その光を常に同じ場所に反射します。 太陽を監視しているのはヘリオスタットなので、その働きを詳しく見てみましょう。 移動プロセスが複雑なため、ヘリオスタットは通常、垂直支持体上に設置され、方位角追跡システムによって駆動されます。 方位追跡システムは、多くの重要な特徴において赤道追跡システムとは異なります。 まず、ほとんどすべての方位システムのサポートは垂直に設置されています (図 1)。 垂直サポートには、極追跡システムに使用される傾斜サポートに比べて多くの利点があります。 まず第一に、サポートには曲げ応力がありません。 サポートを傾けると、地面との接触点に張力が現れます。
応力の量はサポート上に置かれる機器の重量に直接比例するため、常に特定の問題が発生します。 一方、直柱は鉛直下向きに力を伝えます。 したがって、コラムに横張力がかかっていなければ軽量な構造となっています。 タンポポの茎を思い浮かべてください。茎は花の垂直方向の重みを支えることができますが、曲げると簡単に折れてしまいます。 もちろん、方位角追跡システムの傾斜したサポートもあります (設置場所の緯度に等しい角度で配置されています)。 ただしこの場合、たとえ XNUMX つの異なる平面で制御されていたとしても、赤道追跡システムとして分類できます。 このタイプの追跡システムは主に天文学者によって使用されます。 また、望遠鏡は XNUMX つの軸を中心に回転しますが、常に極駆動のみが使用されます。 望遠鏡の仰角は XNUMX 回だけ設定されることがよくあります。 方位追跡システムは、主に XNUMX つの異なる平面内の物体を同時に追跡するという点で、赤道追跡システムとは異なります。 したがって、駆動には XNUMX つのモーターが必要です。 XNUMX つのモーターは日射受信器を水平面内で移動させ、もう XNUMX つのモーターは垂直面内で移動させます。 固定された位置や向きはありません。 方位追跡システムは、いかなる制限もなく、いつでも空の任意の点を指すことができます。 明らかに、このような範囲の動きを提供するには、単純な時計機構よりも複雑な装置が必要です。 多くの場合、この複雑な動きはコンピューターによって制御されます。 (これは、星空の特定の点に望遠鏡を向けるために使用される時計の仕組みを指します)。 もちろん、追跡システムにコンピューターは必要ありませんが、コンピューター ロジックのいくつかのプロパティを使用します。 物体によって投影される通常の影と電子ロジックを独自に組み合わせて使用することで、太陽を追跡するために必要な制御コマンドを取得できます。 どのように動作します 私は、感光ヘッドはその特殊な特性と形状から追跡システムの「頭脳」であると考えています。 まず、太陽センサーの機械的側面を見てみましょう。 図では、 図２ではヘッドが分解された状態で示されており、図２ではヘッドが分解された状態で示されている。 2 - 組み立て済み。
感応ヘッドは不透明なベースで構成され、その中央に XNUMX つの光センサーが配置されています。 私たちのデバイスはこの目的のために赤外線フォトトランジスタを使用しています。 図に示すように、フォトトランジスタは 2 つの薄い金属製の半円形の隔壁で分離されており、その隔壁には中央に溝が刻まれており、これにより接続が可能になります。 XNUMX. このデザインは時代遅れのボール紙のものよりも好ましいです。 各トランジスタは独自の別個のセクションに配置されていることに注意してください。 図のようにデバイスを配置すると、 3、すると、XNUMX つ (最も近い) を除くすべてのフォトトランジスタが表示されなくなります。 この状況は、照明時のデバイスの最も一般的な動作位置と同等です。 言い換えれば、XNUMX つのセンサーが太陽光を拾い、他のセンサーは日陰にあるということです。 この現象を利用してみましょう。 図に示すように、感応ヘッドの仕切りが南北と東西の方向を向くように配置してみましょう。 4. フォトトランジスタのある各セクションには、A、B、C、D の文字が付いています。次に、感応ヘッドと太陽の相対位置に関するさまざまなオプションを検討してください。
地図読みの練習のようなことをしてみましょう。 太陽が検出ヘッドに対して北の方向にある場合、太陽はセクション A と B を照らします。東から検出ヘッドに当たる太陽光線は、フォトトランジスタ B と C によって検出されます。太陽が北東にある場合、光はフォトセンサー V にのみ当たります。 これでアイデアは明確になりました。 同様の考慮事項が、入射光線のどの方向にも当てはまります。 読者には、これらすべてのケースを詳細に検討する機会が与えられます。 回路の論理 これら XNUMX つのセンサーからの情報は、空を横切る太陽の動きを追跡するために追跡システムによって使用されます。 ここでコンピュータロジックが使われるのですが、そのためには初期データを用意する必要があります。 この問題は、図に示す回路によって解決されます。 5. 推論を単純化するために、ブロック図にまとめてみましょう。
ここでは詳細には立ち入らず、フォトトランジスタ Q1 が点灯していないときは、IC2A の出力が高いと言うだけで十分です。 フォトトランジスタ Q2、Q3、Q4 にも同じことが当てはまります。これらが点灯していない場合、IC2 の対応する出力は高電位になります。 XNUMX つのモーターの制御に使用されるのは、これら XNUMX つの出力信号です。 論理制御問題は IC3 によって解決されます。 これは、XNUMX つのハウジング内に組み合わされた XNUMX つの NAND 要素で構成されます (XNUMX つの要素はすべて互いに独立して動作します)。 高電位が NAND 素子の両方の入力に印加されると、出力には低電圧レベルが確立されます。 IC3 がこの乱雑なデータをどのように制御コマンドに変換するかを理解するために、例を見てみましょう。 まず、インバータ IC2 のすべての出力が高電位 (一日の暗い時間帯に相当) であると仮定します。 次に、朝日がセクション A に当たり、フォトトランジスタ Q1 を照らしたとします。 その結果、IC2の出力は低電圧に設定されます。 IC3 の出力に高電圧が発生します。 両方の入力に高電圧がかからない限り、NAND ゲートの出力は高電位になることを思い出してください。 珍しいように聞こえますが、これは否定論理です。 NAND素子の出力電圧は、ドレイン回路にリレーが接続されたV字型の溝を持つMOS構造の電界効果トランジスタによって制御されます。 ロジックエレメントの出力に高電圧が現れると、リレーが作動します。 回路には合計 XNUMX つのドライバーと XNUMX つのリレーがあります。 リレー接点は、リレー RL1 と RL2 が一方のモーターを制御し、リレー RL3 と RL4 がもう一方のモーターを制御するように接続されています。 次に、フォトトランジスタ Q1 からの信号に基づいて、マイクロ回路 IC3A がリレー RL1 をオンにします。 リレー RL1 の接点が閉じると、モーターに電圧が印加され、Q1 に光が当たると太陽が北にあるはずなので、方位角フォロアが北方向に回転します。 これがシステムが太陽を探す方法です。 ただし、IC2A の出力電圧を下げると別の影響もあります。 IC3C チップの出力 (入力が IC2A の出力に接続されている) が高電位に設定され、リレー RL3 がオンになります。 IC3C 論理回路は、太陽がセクション B、C、D の西にあるとまったく正しく「判断」し、システムを西の方向に向け始めました。 その結果、太陽が位置する北西方向に両方のモーターが同時に装置を北西方向に動かします。 トランジスタ Q4 の照明は、感知ヘッドの北センサーと南センサーの間の太陽の平均位置に対応します。 これが起こるとすぐに、IC2D マイクロ回路の出力でロー レベルの電圧が確立され、IC3B マイクロ回路の出力でハイ レベルの電圧が確立され、リレー RL2 が動作します。 モーターの両端が電源の同じ極に接続されると、モーターは停止します。 同時に、追跡システムは西に向かって太陽を探し続けます。 太陽に向かう方向は、両方のトランジスタ Q2 と Q3 が太陽の光線に照らされるとわかります。 これにより、リレーＲＬ３が作動し、システム東西方向モータが停止する。 XNUMX つのセンサーすべてが点灯すると、XNUMX つのリレーすべてがオンになり、モーターは回転しません。 敏感なヘッドが太陽を検出し、正確に太陽に向けられています。 この位置から太陽が移動すると、少なくとも XNUMX つのセンサーが遮られ、ロジックが再度トリガーされます。 上で説明した例では、太陽は北西から昇りましたが、もちろんこれは不可能です。 それにもかかわらず、このような仮定は、ヘリオスタット追跡システムの広範な機能を説明するために行われたものです。 太陽がどこから昇るかは関係ありません。 追跡システムはこの方向を見つけます。 信号変換 論理回路の動作原理を説明する際、信号変換という重要な機能が特に考慮されていませんでした。 さあ、これをやってみましょう。 回路が動作すると、ある現象が起こります。 XNUMX つのフォトトランジスタはそれぞれ独立して動作するため、信号変換プロセスが XNUMX 回発生します。 それにも関わらず、XNUMX つのチャネルすべてが同様に動作すると仮定し、そのうちの XNUMX つのチャネルのみの動作を考慮する方が適切です。 まず、光は電気信号に変換されます。 フォトトランジスタは光を電気に変換します。 フォトトランジスタに当たる光が多ければ多いほど、より多くの電流が流れます。 トランジスタのエミッタ回路には抵抗が含まれており、電流が流れるとその両端で電圧降下が発生します。 抵抗器の両端の電圧降下は流れる電流に直接比例し、電流は光の強度に比例します。 したがって、照度が大きくなると電圧が増加します。 エミッタ抵抗からの電圧は、電圧比較器の非反転入力に供給されます。 基準電圧は反転入力に印加されます。 エミッタ抵抗からの電圧が基準電圧を超えると、コンパレータの出力にハイレベルの電圧が現れます。 エミッタ電圧が基準電圧より低い場合、コンパレータの出力に低レベルの電圧が現れます。 回路の動作は基準電圧の値によって決まります。 知られているように、追跡システムに必要な特性は、実用に適した日射強度のレベルを決定する能力です。 これは、電圧リファレンスを使用して行うことができます。 エミッタ抵抗の両端の電圧は太陽光の強度の関数であるため、この電圧は放射線強度が実用的に許容可能なレベルに達したことを示します。 このレベルはコンパレータによって決定されます。入力電圧が基準電圧を超えている場合、必要な光レベルに達しています。 したがって、リレーはエミッタ電圧が最小日射強度レベルを超えるまで動作できません。 さらに、すべてのコンパレータには同じ電源から基準電圧が供給されるため、同じ電圧設定はすべてのコンパレータに影響します。 XNUMX つのチャネルの応答しきい値が増加すると、他のすべてのチャネルの応答しきい値も増加します。 コンパレータの出力段にはオープンコレクタ トランジスタが含まれており、出力信号を除去するには負荷抵抗を接続する必要があります。 AND-NOT 要素の入力を一致させるため、および動作ロジックに従って、コンパレータの出力信号はインバータを通過します。 センシングヘッド設計 与えられた推奨事項をすぐに実行すれば、敏感な頭を作ることは難しくありません。 遮光部はアルミ板などの薄い金属でできています。 直径10cmほどの円を切り抜き、同じ大きさと形の半円をXNUMXつ切ります。 半円の直線エッジの中点を決定し、この点から半円との交点までの垂線を復元します。 垂線の中央に印を付けます。端から 2,5 cm の位置にある必要があります。 これらの操作を両方の半円で行います。 混ぜないように、片方のパーツを脇に置いておきます。 根元（直線エッジ）から垂直の真ん中のマークまでの部分の2つに切り込みを入れます。 別の同様の部分に、同様の切り込みを入れますが、今回は外側 (丸い) 端から中心に向かって垂線の中央のマークまで切り込みます。 これがどのように行われるかを図で見てみましょう。 XNUMX. 図のようにパーツを接続します。 3. 金属の厚さと同じ刃の厚さの金ノコを使用すると、最も緊密な接続が得られます。 細かい歯を備えた刃により、より薄い切り口が得られます。 ヘッドのベースは木、プラスチック、金属で作ることができます。 金属が最適ですが、機械加工がより困難です。 ベースは直径約 10 cm の円盤で、シェーディング セクションを作成するために使用される円盤のサイズに対応します。 ケーキをカットするときのように、ベースをXNUMXつの等しい扇形に描きます。 金鋸を使用して、これらの線に沿って、少なくとも 0,8 mm 以上の深さ (材料が許す限り)、ただし厚さの半分以下の深さの小さな溝を切ります。 完成すると、円形の底面の中心が交差する十字型の格子が完成します。 溝の外観は、伸縮式ライフル照準器の照準器の十字線に似ていて、同様に薄くて整然としている必要があります。 溝の十字線にできるだけ近い各象限に直径 6 mm の穴を開けます (図 4)。 ただし、溝と穴の間にはある程度の隙間を残す必要があります。 これで、セクションをベースに取り付ける準備がすべて整ったので、アルミニウムのパーツをエポキシ接着剤で接着します。 他の金属製部品のはんだ付けも可能です。 このデザインはいかなる荷重にも耐えられるように設計されていないため、頭の個々の部分が互いにしっかりと接続されていることが最も重要であることに注意してください。 ただし、太陽光線によって構造が加熱された結果、応力が現れることを覚えておく必要があります。 この点で、異なる熱膨張係数を有する材料を使用し、組み立てられた完成品を塗装することは望ましくない。 フォトトランジスタを対応する穴に挿入し、接着します。 コレクタ ピンは共通の電源に接続されているため、相互に接続できます。 金属ベースを使用する場合、ベースは「アース」として機能し、外部ノイズからヘッドをシールドするため、共通のリード線をそれに接続できます。 最後に、透明なキャップでデバイスを悪天候条件にさらさないように保護する必要があります。 ガラス製の方が耐久性が高いのでおすすめです。 同様のキャップがギフト売り場やペットショップで見つかります。 最初に透明なキャップを購入し、ベースとセクションのサイズをそれに合わせて調整することをお勧めします。 保護キャップを液体ガラスでベースに接着します。 PCB設計 回路の電子部分はプリント回路配線を使用して作成されます。 パーツの配置は図の通りです。 6、プリント基板の図 - 図。 7 および 8。PCB は両面であることに注意してください。
リレーがあるため、プリント基板はかなり大きくなります。 透明ハウジングの二極スイッチタイプの標準リレーを使用しています。 接点の定格電流は 10 V AC で 125 A です。 ただし、制限要因は、リレー接点が処理できる一定の電流の流れではなく、リレー接点が遮断できる電流です。 したがって、最大スイッチング電流を増やすために、XNUMX 対の接点が直列に接続されます。 接点が開くと電気アークが発生することが知られています。 それはeによって引き起こされます。 d.s. 電動機の電源回路が破損した際に発生する自己誘導。 交流回路では、電界の方向が逆転するとアークはすぐに消えます。 ただし、直流回路では、アークは非常に長期間維持される可能性があります。 アークの発生は、接点間の距離を長くし、接点の分離速度を高めることで防止できます。 リレー接点を直列に接続すると、開いた接点間の総距離が XNUMX 倍になり、接点の分離速度が速くなります。 したがって、リレーは定格を超える負荷を開閉することができます。 通常、リレーには接続コネクタが付属しています。リレーは 6 VDC または AC から 120 V までのさまざまな標準電源電圧で利用できるため、サーボ モーターとのマッチングに非常に役立ちます。 リレーを基板に直接はんだ付けするのではなく、コネクタを介して接続することをお勧めします。そうすれば、任意の電源電圧のリレーを選択できます。 便宜上、リレー電源バスは正の電源線から絶縁されています。 リレーを電源の「プラス」に接続するには、図にマークされているようにジャンパーをはんだ付けするだけです。 電源電圧が DC 60 V を超えるリレーを使用する場合は、高電圧に耐えられる電界効果トランジスタを選択する必要があります (400 V を超える電圧にも対応可能です)。 また、ダイオード D1 ～ D4 を高電圧定格のダイオードに交換することを忘れずに、AC 電源リレーではダイオードを決して使用しないでください。 特別な注意が必要なデバイスのもう 1 つの部分は、エミッタ抵抗 R2、R3、R4、および RXNUMX です。 同じ照明下でエミッタ電圧が一致するほど類似した特性を持つ XNUMX つのフォトトランジスタを見つけることは不可能でしょう。 パラメータの広がりを補償するには、エミッタ抵抗の値を選択する必要があります。 公称値 1 kOhm は、セットアップ中の抵抗のおおよその値にすぎず、より正確に選択する必要があります。 温度によって抵抗値が変化する場合がありますのでご注意ください。 抵抗値を選択する最も簡単な方法は、定抵抗器を可変抵抗器に置き換えることです。 1 kΩの抵抗値から始めます。 さまざまな強度レベルの光で感知ヘッドを照らすことにより、電圧値の特定のテーブルを取得できます。 太陽光を白熱光に置き換えようとしないでください。 フォトトランジスタは赤外線に敏感であり、これらの光源に対して異なる反応を示します。 測定中に、XNUMX つのフォトトランジスタが照明の変化にあまりにも早く反応することが判明した場合は、抵抗値を減らします。 ただし、回路の正常な動作を維持するには、すべての抵抗器の抵抗値を下げる必要があります。 最終的には、対応するフォトトランジスタからの信号に基づいてコンパレータが同じ光レベルで動作する値が見つかります。
得られた可変抵抗器の抵抗値を測定し、同じ値の定数に置き換えます。
役立つヒント 調整すると応答レベルが変わります。 多くの場合、このしきい値を低く設定しすぎる必要はありません。低く設定しないと、追跡システムがエネルギーを無駄に消費することになります。 特定の要素を考慮すると、回路のトリガー レベルを調整する必要がある場合があります。 この追跡システムは、この本で説明されているすべての自作製品の中で最も広い視野角を持っていますが、それでも夜になると厄介な位置で停止する可能性があります。 この場合、システムが光レベルの増加に応答し始めるまで、朝の数時間が失われる可能性があります。 これが気に入らない場合は、すべてのリレーの通電を遮断した後、フォロアシステムを中立位置に戻してください。 単純な論理回路でこの問題を解決できます。 最適な開始位置は、正午の空を指す中央の位置です。 著者：バイヤーズT。
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