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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Rastreador solar. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Até agora, ao operar painéis solares, nos contentávamos com a dispersão total da luz solar. É verdade que algumas mudanças sazonais foram levadas em consideração, bem como a hora do dia (orientação na direção leste-oeste). No entanto, os painéis solares permaneceram mais ou menos fixos na posição de trabalho uma vez encontrados. Em vários casos, nem demos muita importância a isso, expondo aproximadamente a bateria na direção do sol. No entanto, sabe-se por experiência que as células solares geram energia máxima apenas quando estão exatamente perpendiculares à direção dos raios solares, e isso pode acontecer apenas uma vez por dia. No resto do tempo, a eficiência das células solares é inferior a 10%. Suponha que você fosse capaz de rastrear a posição do Sol no céu. Em outras palavras, o que aconteceria se você girasse o painel solar durante o dia para que ele sempre apontasse diretamente para o sol? Mudando apenas esse parâmetro, você aumentaria a eficiência total das células solares em aproximadamente 40%, o que é quase metade da energia produzida. Isso significa que 4 horas de intensidade solar útil se transformam automaticamente em quase 6 horas. Rastrear o sol não é nada difícil. O princípio de funcionamento do dispositivo de rastreamento O dispositivo de rastreamento consiste em duas partes. Um deles combina um mecanismo que aciona o receptor da radiação solar, o outro - um circuito eletrônico que controla esse mecanismo. Vários métodos de rastreamento solar foram desenvolvidos. Um deles é baseado na montagem de células solares em um suporte paralelo ao eixo polar. Você pode ter ouvido falar de dispositivos semelhantes chamados sistemas de rastreamento equatorial. Este é um termo popular usado pelos astrônomos. Devido à rotação da Terra, parece-nos que o Sol se move no céu. Se levássemos em conta essa rotação da Terra, o Sol, figurativamente falando, "pararia". O sistema de rastreamento equatorial funciona de maneira semelhante. Tem um eixo de rotação paralelo ao eixo polar da Terra. Se você conectar células solares a ele e girá-las para frente e para trás, obterá uma imitação da rotação da Terra (Fig. 1). Eixo co-direcional com o eixo de rotação da Terra.
O ângulo de inclinação (ângulo polar) é determinado pela localização geográfica e corresponde à latitude do local onde o dispositivo está montado. Suponha que você viva em uma área correspondente a 40°N. Em seguida, o eixo do dispositivo de rastreamento será girado em um ângulo de 40° em relação ao horizonte (no Pólo Norte, é perpendicular à superfície da Terra (Fig. 2).
A rotação das células solares para leste ou oeste sobre esse eixo inclinado imitará o movimento do sol no céu. Se girarmos as células solares com a velocidade angular da rotação da Terra, podemos "parar" completamente o Sol. Essa rotação é realizada por um sistema de rastreamento mecânico. Um motor é necessário para girar as células solares em torno de um eixo. A qualquer momento do movimento diário do sol, o plano dos painéis solares passará a ser perpendicular à direção dos raios solares. A parte eletrônica do dispositivo de rastreamento fornece ao mecanismo principal informações sobre a posição do Sol. Por comando eletrônico, o painel é instalado no sentido desejado. Assim que o sol se mover para o oeste, o controlador eletrônico acionará o motor elétrico até que a direção correta do painel para o sol seja restaurada novamente. Características do rastreador A novidade do nosso dispositivo de rastreamento reside não apenas na implementação da orientação das células solares ao sol, mas também no fato de alimentarem o "cérebro" eletrônico de controle. Isso é obtido por meio de uma combinação única de características estruturais e elétricas do dispositivo. Vamos primeiro considerar os recursos de design do dispositivo, consultando a Fig. 3.
A bateria solar consiste em dois painéis contendo três elementos cada, conectados em série e colocados nos planos de uma caixa de plástico transparente. Os painéis são conectados em paralelo. Esses painéis são montados em ângulos retos entre si. Como resultado, pelo menos um dos módulos será constantemente iluminado pelo sol (sujeito às limitações discutidas abaixo). Primeiro, considere o caso em que todo o dispositivo está posicionado de modo que a bissetriz do ângulo formado pelos painéis esteja direcionada exatamente para o sol. Além disso, cada painel é inclinado em um ângulo de 45° em relação ao sol (Fig. 4) e gera energia elétrica.
Se você girar o dispositivo 45° para a direita, o painel direito ficará paralelo e o painel esquerdo perpendicular aos raios solares. Agora apenas o painel esquerdo gera energia, o painel direito está ocioso. Gire o dispositivo mais 45°. A luz continua a atingir o painel esquerdo, mas em um ângulo de 45°. Como antes, o lado direito não é iluminado e, portanto, não gera energia. Você pode repetir uma rotação semelhante para o lado esquerdo, enquanto o painel direito gerará energia e o painel esquerdo ficará ocioso. Em qualquer caso, pelo menos uma bateria gera eletricidade. Como os painéis são conectados em paralelo, o dispositivo sempre produzirá eletricidade. Durante nosso experimento, o módulo girou 180°. Assim, se um determinado dispositivo for fixado de forma que a junta dos painéis fique voltada para o sol do meio-dia, a saída da bateria solar sempre gerará tensão elétrica, independentemente da posição do sol no céu. Do amanhecer ao anoitecer, alguma parte do dispositivo será iluminada pelo sol. Ótimo, mas por que tudo isso? Agora descubra. Sistema eletrônico de rastreamento solar Para acompanhar o movimento do sol no céu, o circuito de controle eletrônico deve realizar duas funções. Em primeiro lugar, ela deve decidir se há necessidade de rastreamento. Não faz sentido desperdiçar energia no funcionamento do motor elétrico se não houver luz solar suficiente, por exemplo, na presença de neblina ou nuvens. Este é o propósito para o qual o dispositivo acima é necessário em primeiro lugar! Para entender o princípio de seu funcionamento, vamos nos voltar para o circuito eletrônico mostrado na Fig. 3. Vamos nos concentrar primeiro no relé RL1. Para simplificar a discussão abaixo, vamos supor que o transistor Q1 esteja saturado (conduzindo) e o transistor Q2 não esteja presente. O relé RL1 é um elemento de circuito que reage à corrente que passa por ele. O relé possui uma bobina de fio na qual a energia da corrente elétrica é convertida em energia de um campo magnético. A força do campo é diretamente proporcional à força da corrente que flui através da bobina. Com o aumento da corrente, chega um momento em que a intensidade do campo aumenta tanto que a armadura do relé é atraída para o núcleo do enrolamento e os contatos do relé se fecham. Este momento corresponde ao chamado limiar do relé. Agora está claro por que o relé é usado ao medir a intensidade limite da radiação solar usando células solares. Como você se lembra, a corrente de uma célula solar depende da intensidade da luz. Em nosso circuito, dois painéis solares estão realmente conectados ao relé e, até que gerem uma corrente que exceda o limite de disparo, o relé não liga. Assim, é a quantidade de luz incidente que determina o limiar de resposta. Se a intensidade da corrente for um pouco menor que o valor mínimo, o circuito não funcionará. O relé e o painel solar são combinados para que o relé seja ativado quando a intensidade da luz atingir 60% do valor máximo. É assim que a primeira tarefa do sistema de rastreamento é resolvida - determinar o nível de intensidade da radiação solar. Os contatos de relé fechados ligam o motor elétrico e o sistema começa a procurar orientação para o sol. Então chegamos à próxima tarefa, ou seja, encontrar a orientação exata da bateria solar em relação ao sol. Para fazer isso, vamos voltar aos transistores Q1 e Q2. Existe um relé no circuito coletor do transistor Q1. Para ligar o relé, é necessário curto-circuitar o transistor Q1. O resistor /?1 define a corrente de polarização, que abre o transistor Q1. O transistor Q2 é um fototransistor, sua região de base é iluminada pela luz (em transistores convencionais, um sinal elétrico é aplicado à base). A corrente de coletor de um fototransistor é diretamente proporcional à intensidade da luz. O resistor R1, além de definir a corrente de polarização do transistor Q1, também é usado como uma carga para o transistor Q2. Quando a base do transistor Q2 não está iluminada, não há corrente de coletor e toda a corrente através do resistor R1 flui através da base, saturando o transistor Q1. À medida que a iluminação do fototransistor aumenta, a corrente do coletor começa a fluir, que flui apenas pelo resistor R1. De acordo com a lei de Ohm, um aumento na corrente através de um resistor fixo R1 leva a um aumento na queda de tensão através dele. Assim, a tensão no coletor de Q2 também muda. Quando essa tensão cair abaixo de 0,7V, ocorrerá o fenômeno previsto: o transistor Q1 perderá a polarização devido ao fato de precisar de pelo menos 0,7V para transportar a corrente de base. O transistor Q1 deixará de conduzir corrente, o relé RL1 desligará e seus contatos abrirão. Este modo de operação só ocorrerá quando o transistor Q2 estiver apontado diretamente para o sol. Neste caso, a busca por uma orientação exata ao sol é encerrada devido à abertura do circuito de alimentação do motor pelos contatos do relé. O painel solar agora está apontando exatamente para o sol. Quando o sol deixa o campo de visão do transistor Q2, o transistor Q1 liga o relé e o mecanismo começa a se mover novamente. E reencontra o sol. A busca é repetida muitas vezes conforme o sol se move no céu durante o dia. À noite, a intensidade da iluminação diminui. O painel solar não pode mais gerar energia suficiente para alimentar o sistema eletrônico e os contatos do relé abrem pela última vez. Na madrugada do dia seguinte, o sol ilumina a bateria do sistema de rastreamento, orientada a leste, e a operação do circuito recomeça. Da mesma forma, os contatos do relé abrem se a iluminação diminuir devido ao mau tempo. Suponha, por exemplo, que pela manhã o tempo esteja bom e o sistema de rastreamento tenha começado a funcionar. No entanto, ao meio-dia o céu começou a franzir e a diminuição da iluminação fez com que o sistema de rastreamento parasse de funcionar até que o céu clareasse novamente à tarde, ou talvez no dia seguinte. Sempre que isso acontece, o sistema de rastreamento está sempre pronto para retomar a operação. projeto A fabricação de um rastreador é bastante simples, pois uma parte significativa das peças é feita de vidro orgânico. No entanto, um ponto muito importante é combinar as características dos painéis solares e relés. É necessário selecionar elementos que gerem uma corrente de 80 mA na intensidade máxima de radiação solar. A seleção pode ser feita por meio de testes. Para este propósito, este testador é bastante adequado. Descobri que as células crescentes emitem cerca de 80 mA em média. Portanto, de todos os tipos de elementos à venda, usei esses elementos para o meu dispositivo. Ambos os painéis solares são semelhantes em design. Cada um contém três elementos que são conectados em série e fixados em placas de acrílico medindo 10x10 cm2. Os elementos estarão constantemente expostos ao meio ambiente, por isso medidas de proteção devem ser fornecidas para eles. Seria bom fazer o seguinte. Coloque a bateria pronta em uma placa de acrílico colocada sobre uma superfície plana de metal. De cima, cubra a bateria com uma camada relativamente espessa (0,05-0,1 mm) de filme lavsan. Aqueça completamente a estrutura resultante com um maçarico para que as peças de plástico derretam e soldem. Ao mesmo tempo, tenha cuidado. Se você colocar uma placa de Plexiglas em uma superfície que não seja plana o suficiente ou se estiver superaquecida, ela pode entortar. Tudo deve ser semelhante a cozinhar um sanduíche de queijo grelhado.
Ao terminar, verifique o aperto da vedação, especialmente nas bordas das células solares. Pode ser necessário frisar levemente as bordas do Dacron enquanto ele ainda estiver quente. Depois que os painéis tiverem esfriado o suficiente, cole-os como mostrado na fig. 5 e conecte-os em paralelo. Não se esqueça de soldar os cabos às baterias antes de montar o dispositivo. cérebro eletrônico O próximo elemento importante do projeto é o relé. Na prática, o relé é uma bobina enrolada em um pequeno contato reed. O enrolamento do relé consiste em 420 voltas de fio de cobre esmaltado nº 36 enrolado em uma estrutura pequena o suficiente para caber no contato reed com interferência. Usei um canudo de coquetel como moldura. Se você tocar as pontas do canudo com uma lâmina de faca quente, as bochechas da armação são formadas, por assim dizer, protegendo o enrolamento de escorregar pelas bordas. A impedância do enrolamento deve ser de 20 a 30 ohms. Insira o reed switch no quadro e fixe-o com uma gota de cola. Em seguida, conecte o transistor Q1 e o resistor R1 ao relé. Sem conectar o transistor Q2, aplique energia das células solares e verifique a operação do circuito. Se tudo estiver funcionando corretamente, o relé deve disparar quando a intensidade da luz solar estiver em torno de 60% da intensidade total. Para fazer isso, você pode simplesmente cobrir 40% da superfície das células solares com um material opaco, como papelão. Dependendo da qualidade do reed switch, pode haver algum desvio do valor ideal. É aceitável iniciar o relé com uma intensidade de luz de 50-75% do valor máximo possível. Por outro lado, se você não atender a esses limites, precisará alterar o número de voltas do enrolamento do relé ou a corrente do painel solar. O número de voltas do enrolamento do relé deve ser alterado de acordo com a seguinte regra. Se o relé operar antes, o número de voltas deve ser reduzido, se for posterior - aumentado. Se você quiser experimentar mudar a corrente do painel solar, conecte um resistor de derivação a ele. Agora conecte o fototransistor Q2 ao circuito. Deve ser colocado em um estojo à prova de luz, caso contrário não funcionará corretamente. Para fazer isso, pegue um tubo de cobre ou alumínio com cerca de 2,5 cm de comprimento e diâmetro correspondente ao diâmetro da caixa do transistor. Uma extremidade do tubo deve ser achatada de modo que permaneça uma folga de 0,8 mm de largura. Conecte o tubo ao transistor. O circuito de controle acabado, contendo os elementos Q1, Q2, R1 e RL1, é preenchido com borracha líquida para fins de vedação. Quatro drives saem do dispositivo: dois - dos contatos do relé, dois - dos painéis solares. Para derramar borracha líquida, é usada uma forma de papel grosso (como um cartão postal). Para fazer com uma folha de papel, embrulhe um lápis e prenda o papel para que não desdobre.Depois que a camada de polímero ao redor do diagrama secar, retire a forma de papel.
Trabalhando com o dispositivo Operar o dispositivo de rastreamento é bastante simples. Primeiro, monte um mecanismo de rastreamento simples. Monte sua bateria em um eixo giratório. Você pode conectar a bateria a uma estrutura adequada e, em seguida, prender a estrutura ao tubo usando fricção ou rolamentos. Em seguida, instale um motor com uma caixa de engrenagens para girar a estrutura em torno do eixo. Isso pode ser feito de várias maneiras. Como o relé desempenha apenas a função de ligar e desligar no circuito eletrônico, é necessário dispor de elementos que comutem a tensão rotacional do motor elétrico. Isso requer interruptores de limite localizados nas posições extremas do quadro. Eles são conectados de acordo com o diagrama mostrado na Fig. 6. O interruptor de limite nº 1 está incluído na fig. 6 está incorreto. Para garantir o correto funcionamento do circuito, os terminais da chave fim de curso devem ser conectados em paralelo com os contatos do relé RL1, conectados em série com o relé.
Pode ser visto na figura que este é um circuito simples de troca de polaridade.Quando a energia é aplicada, o motor elétrico começa a girar. A direção de sua rotação depende da polaridade da fonte de alimentação. No momento da alimentação, o relé de comutação de polaridade RL1 não funciona, pois o circuito de alimentação de seu enrolamento é interrompido por contatos normalmente abertos. O motor elétrico gira o quadro em direção ao interruptor nº 1. Este interruptor está localizado de forma que o quadro repouse contra ele apenas na posição extrema de sua rotação. O autor designa igualmente vários relés nos diagramas das Figuras 3 e 6. Para evitar confusão no futuro, o relé RL1 na Fig. 3 é chamado de relé reed do sistema servo, e seus contatos na Fig. 6 são chamados de interruptores reed. O relé RL1 na Fig. 6 é mais potente que o reed reed, com três grupos de contatos reversíveis. Quando esta chave é fechada, o relé RL1 é acionado, o que inverte a polaridade da tensão de alimentação do motor elétrico, e este passa a girar no sentido contrário. Embora o contato limite nº 1 abra novamente, o relé permanece energizado devido ao fechamento de seus contatos. Quando o quadro é pressionado no interruptor de limite nº 2, o circuito de alimentação do relé RL1 é aberto e o relé é desligado. A direção de rotação do motor é invertida novamente e o rastreamento do céu continua. O ciclo é interrompido apenas pelo relé reed RL 1 do circuito de rastreamento solar, que comanda o circuito de potência do motor elétrico. No entanto, o relé RL 1 é um dispositivo de baixa corrente e não pode comutar diretamente a corrente do motor. Assim, o relé reed comuta o relé auxiliar, que comanda o motor elétrico, conforme a fig. 6. Os painéis solares do sistema de rastreamento devem estar localizados próximos ao mecanismo de rotação. O ângulo de sua inclinação deve coincidir com o ângulo de inclinação do eixo polar, e a junção das baterias é direcionada para o sol do meio-dia. O módulo eletrônico é conectado diretamente ao dispositivo de rotação. Oriente o slot da tampa do fototransistor paralelamente ao eixo polar. Isso leva em consideração as mudanças sazonais na posição do sol acima do horizonte. Autor: Byers T.
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Comentários sobre o artigo: Gaias Padrão completamente incompreensível. Onde estão os "olhos" no diagrama de fiação?
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