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.

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.

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

После начала использования солнечных батарей для производства электроэнергии в промышленных масштабах инженеры и проектировщики стали искать способы по повышению эффективности таких электростанций. Общая дисперсия света Солнца, которая определяется изменением направления падения солнечных лучей на фотоэлементы, не позволяла эффективно использовать солнечные батареи в течение всего светового дня. Выход из такой ситуации был найден достаточно быстро – солнечные панели стали устанавливать на подвижном основании, подключенном к системе слежения за Солнцем.

Как известно, для получения максимальной мощности от солнечных батарей необходимо, чтобы солнечные лучи попадали на плоскость батарей перпендикулярно. При таком направлении лучей КПД солнечных батарей может достигать 50-55%. Для стационарно установленных батарей этот показатель может снижаться до 10-15% из-за изменения угла падения солнечных лучей.

Устройство слежения за движением Солнца состоит из двух основных частей:
1. Схема управления, которая и определяет положение Солнца. Простейшая схема устройства слежения за солнцем или по-другому трекер (Solar Tracker) приведена ниже. Для определения позиции Солнца, используются два фоторезистора. В состав схемы входят:
- микросхема операционного усилителя LM1458 (К140УД20);
- транзисторы BD139 (КТ815Г, КТ961А) и BD140 (КТ814Г,КТ626В);
- фоторезисторы;
- диоды 1N4004 (КД243Г);
- резисторы и подстроечные резисторы.

2. Механизмы поворота и наклона батарей в зависимости от направления солнечных лучей. Механизм наклона позволяет использовать такие системы слежения в любых географических широтах: при установке солнечных батарей в местности, которая соответствует 320 северной широты, ось устройства должна быть повернута на 320 по отношению к горизонту. Привода всех механизмов системы слежения строятся на базе электродвигателей, на которые и воздействует система управления. Питание электродвигателей и системы управления осуществляется от самих солнечных батарей, поэтому такие установки автономны.

Как видно, схема и устройство солнечного трекера достаточно просты. Естественно, что в промышленных масштабах используют более сложные системы, однако подобную схему можно собрать самостоятельно для бытовой установки по производству электроэнергии на основе солнечных батарей.

Сеть содержит не малое количество готовых схем и решений по системам слежения за Солнцем. Так что, если возникла потребность усовершенствовать конструкцию солнечных батарей и повысить их производительность, всегда есть возможность сделать это самостоятельно.

Очень часто панели солнечных батарей устанавливают жестко и стационарно. Это просто, но не очень эффективно, так как в течение дня солнце перемещается по небу и количество световой энергии, получаемое солнечными панелями меняется. Максимальная отдача солнечной батареи возможна только когда свет падает на панель перпендикулярно ее плоскости. Для того, чтобы солнечные лучи падали на солнечную батарею всегда перпендикулярно. используются системы слежения за солнцем разной конструкции и разного уровня сложности. Такая система хоть и усложняет монтаж солнечных батарей, но позволяет взять от них по максимуму. Солнечные панели все еще не дешевы, и мы, вкладывая в них свои средства, наверняка хотим реализовать весь их потенциал.

Часто простейшие системы слежения могут поворачивать панель только по одной оси. Такие устройства имеют в своем составе пару фотодатчиков и пару компараторов, которые управляют одним электродвигателем, включенным в диагональ простейшего H-моста. Такие устройства конечно тоже повышают эффективность работы солнечных панелей, но делают это не совсем эффективно, так как работают только в пределах одной оси. В этой статье описывается очень простая система слежения за солнцем, которая, тем не менее, умеет перемещать панель по двум осям, что повышает эффективность работы солнечной батареи. Во время работы система непрерывно пытается расположить панель так, чтобы ее плоскость всегда была перпендикулярна падающим солнечным лучам и получить максимальную отдачу электроэнергии от батареи. Устройство слежения следует за солнцем с рассвета до последних лучей заката и автоматически возобновляет свою работу на следующее утро.

Схема устройства содержит микросхему LM339, которая представляет собой четыре аналоговых компаратора в общем корпусе. Двумя моторами управляет специализированная микросхема L293D - сдвоенный H-мост. Кроме микросхем принципиальная схема содержит несколько дискретных элементов. В качестве датчиков интенсивности освещения используются фоторезисторы LDR1 - LDR4.Эти фоторезисторы определяют положение солнечной панели относительно лучей солнца.

Блок фоторезисторов совместно с компаратором LM339 формирует сигналы управления для драйвера моторов L293D. Фоторезисторы LDR1 и LDR2 закреплены в углах солнечной панели на оси Х, в LDR3 и LDR4 - на оси Y. Подстроечные резисторы служат для настройки системы так, чтобы двигатели останавливались когда солнечные лучи падают на панель перпендикулярно ее плоскости, при этом на выходах компараторов должны быть низкие уровни напряжения.

Рассмотрим алгоритм работы системы на примере ее части, отвечающей за перемещения по оси Х. Если фоторезистор LDR2 получает больше света чем LDR1, то сопротивление LDR2 становится меньше сопротивления LDR1.На входах компараторов А1 и А2 (4, 7) появляется более высокий уровень напряжения. При этом на выходе компаратора А2 (1) появляется высокий уровень напряжения. Мотор М1 начинает вращаться в одном из направлений (скажем, против часовой стрелки), поворачивая солнечную панель.

Если LDR1 получает света больше чем LDR2, то его сопротивление становится меньше, чем сопротивление LDR2, тем самым уменьшая напряжение га входах компараторов (4, 7). На выходе (2) компаратора А2 появляется высокий уровень и мотор начинает вращаться в противоположном направлении (скажем, по часовой стрелке). Точно таким же образом работает слежение по оси Y.

На рисунке ниже показана возможная конструкция системы слежения за солнцем. Схему можно собрать на унифицированной макетной плате или развести для нее обычную печатную плату.