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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Helióstato. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Em dispositivos chamados sistemas de rastreamento equatorial, o ângulo de inclinação do eixo ao solo é mantido constante. Nesse sentido, com a mudança das estações, haverá uma diminuição constante da eficiência da conversão fotovoltaica. Para obter a máxima eficiência, é necessário introduzir um ajuste adicional do ângulo de inclinação. A conveniência de introduzir o ajuste depende da instalação específica. Não é aconselhável alterar o valor do ângulo polar, caso contrário, o próprio significado desse dispositivo de rastreamento desaparece. Portanto, é necessário ajustar o ângulo em que o painel solar é preso ao eixo. Seria útil ter um sistema de rastreamento solar capaz de rastrear a posição do sol em dois planos, ou seja, um sistema de rastreamento de dois eixos. Um sistema de rastreamento com dois graus de liberdade é freqüentemente chamado de helióstato. Heliostatos O termo heliostato é freqüentemente usado para se referir a painéis solares, mas isso é um tanto incorreto. Na verdade, um heliostato é um refletor (espelho) acionado por motor montado na superfície superior do suporte, que segue o sol e reflete sua luz constantemente no mesmo local. Como é o helióstato que monitora o sol, vamos dar uma olhada em seu trabalho. Devido à complexidade do processo de movimentação, o heliostato é normalmente colocado sobre um suporte vertical e acionado por um sistema de rastreamento azimutal. O sistema servo azimutal difere do equatorial em vários aspectos significativos. Primeiro, os suportes de quase todos os sistemas azimutais são instalados verticalmente (Fig. 1). O suporte vertical tem muitas vantagens sobre o inclinado usado para sistemas de rastreamento polar. Em primeiro lugar, não há tensões de flexão no suporte. Quando o suporte é inclinado, a tensão aparece no ponto de contato com o solo.
A magnitude da tensão é diretamente proporcional ao peso do equipamento colocado no suporte, e isso sempre causa algumas dificuldades. Por outro lado, uma coluna reta transmite força verticalmente para baixo. Portanto, se a coluna não estiver sob tensão lateral, ela terá um design leve. Pense no caule do dente-de-leão, que suporta o peso aplicado verticalmente da flor, mas pode quebrar facilmente quando dobrado. Claro, existem suportes inclinados de sistemas de rastreamento azimutal (localizados em um ângulo igual à latitude do local de instalação). Mas, neste caso, eles podem ser atribuídos ao tipo de servossistemas equatoriais, mesmo que sejam controlados em dois planos diferentes. Este tipo de sistema de rastreamento é usado principalmente por astrônomos. E embora o telescópio gire em torno de dois eixos, apenas o acionamento polar é usado constantemente. O ângulo de elevação do telescópio geralmente é definido apenas uma vez. Os sistemas de rastreamento azimutal diferem dos sistemas de rastreamento equatorial principalmente porque eles rastreiam simultaneamente um objeto em dois planos diferentes. Portanto, são necessários dois motores para o inversor. Um motor move o receptor de radiação solar em um plano horizontal, o outro - em um plano vertical. Não há posição ou orientação fixa. Sem quaisquer restrições, o sistema de rastreamento azimutal pode apontar para qualquer ponto no céu a qualquer momento. Obviamente, para fornecer tal amplitude de movimentos, é necessário um dispositivo mais complexo do que um simples mecanismo de relojoaria. Freqüentemente, um movimento tão complexo é controlado por um computador. (Referindo-se a mecanismos de relógio usados para apontar telescópios para um determinado ponto no céu estrelado). Obviamente, em nosso sistema de rastreamento, não precisamos de um computador, mas usaremos algumas propriedades da lógica do computador. Com a ajuda de uma combinação única de sombras normais projetadas por objetos e lógica eletrônica, poderemos obter os comandos de controle necessários para rastrear o Sol. Como funciona Considero a cabeça fotossensível o "cérebro" do sistema de rastreamento devido às suas propriedades e forma especiais. Vamos primeiro olhar para os aspectos mecânicos do sensor solar. Na fig. 2 a cabeça é mostrada desmontada, e na fig. 3 - montado.
A cabeça sensível consiste em uma base opaca, no centro da qual estão quatro sensores fotossensíveis. Nosso dispositivo usa fototransistores infravermelhos para essa finalidade. Os fototransistores são separados por duas divisórias metálicas semicirculares finas, nas quais são serradas ranhuras no meio, o que permite a conexão, conforme mostrado na Fig. 2. Este design é preferível ao papelão desatualizado. Observe que cada transistor está em sua própria seção. Se você posicionar o dispositivo como mostrado na Fig. 3, todos os fototransistores, exceto o mais próximo de nós, desaparecerão de vista. Esta situação é equivalente à posição de trabalho mais familiar do dispositivo sob iluminação. Em outras palavras, um sensor capta os raios do sol enquanto os outros ficam na sombra. Vamos aproveitar esse fenômeno. Posicionemos a cabeça sensível de modo que suas partições sejam orientadas nas direções norte-sul e leste-oeste, conforme mostrado na Fig. 4. Cada seção com um fototransistor é marcada com as letras A, B, C, D. Agora vamos considerar várias opções para a posição relativa da cabeça sensível e do sol.
Vamos fazer algo como um exercício de leitura de mapa. Quando o sol está ao norte da cabeça sensora, ele ilumina as seções A e B. A luz solar que atinge a cabeça sensora vinda do leste será detectada pelos fototransistores B e C. Se o sol estiver no nordeste, a luz incidirá apenas no fotossensor B. Agora a ideia está clara. Uma consideração similar é válida para qualquer direção dos raios incidentes. O leitor tem a oportunidade de analisar todos esses casos em detalhes. A lógica do circuito As informações desses quatro sensores são usadas pelo sistema de rastreamento para rastrear o movimento do sol no céu. É aqui que se utiliza a lógica computacional, mas para isso é necessário preparar os dados iniciais. Este problema é resolvido pelo circuito mostrado na Fig. 5. Para simplificar o raciocínio, reduzimos a um diagrama de blocos.
Sem entrar em detalhes ainda, basta dizer que quando o fototransistor Q1 não está aceso, a saída do IC2A é alta. O mesmo vale para os fototransistores Q2, Q3 e Q4: se não estiverem iluminados, as saídas correspondentes do IC2 são de alto potencial. São essas quatro saídas que serão utilizadas para controlar os dois motores. A tarefa de controle lógico é resolvida pelo chip IC3. Consiste em quatro elementos NAND combinados em um corpo (todos os quatro elementos funcionam independentemente uns dos outros). Se um alto potencial for aplicado a ambas as entradas do elemento AND-NOT, uma tensão de baixo nível será definida na saída. Para entender como o IC3 converte esses dados confusos em comandos de controle, vejamos um exemplo. Assuma primeiro que todas as saídas dos inversores IC2 estão em alto potencial (correspondente à hora escura do dia). Então, digamos que os raios do sol da manhã atinjam a seção A, iluminando o fototransistor Q1. Como resultado, a saída do IC2 é reduzida. A saída do IC3 ficará alta. Lembre-se de que haverá um alto potencial na saída do elemento NAND enquanto não houver alta tensão em ambas as entradas. Parece estranho, mas é lógica negativa. A tensão de saída do elemento NAND é controlada por um transistor de efeito de campo MOS com ranhura em V, no circuito de drenagem do qual um relé está conectado. O relé é ativado quando uma alta tensão aparece na saída do elemento lógico. No total, são quatro shapers e quatro relés no circuito. Os contatos do relé são conectados de forma que os relés RL1 e RL2 controlem um motor e os relés RL3 e RL4 controlem o outro. Então, a um sinal do fototransistor Q1, o chip IC3A ligará o relé RL1. Quando o relé RL1 fecha, o motor é energizado e o servo azimutal gira para o norte porque se a luz incide sobre Q1, o sol deve estar no norte. É assim que o sistema procura o sol. No entanto, diminuir a tensão de saída do IC2A também tem outro efeito. A saída do chip IC3C (cuja entrada está conectada à saída do IC2A) é ajustada para um potencial alto e o relé RL3 é acionado. A lógica IC3C "determinou" corretamente que o sol estava a oeste das seções B, C e D, e começou a girar o sistema na direção oeste. Como resultado, ambos os motores movem simultaneamente o dispositivo na direção noroeste, pois é onde o sol está localizado. A iluminação do transistor Q4 corresponderá à posição média do sol entre os sensores norte e sul da cabeça sensora. Assim que isso acontecer, a saída do IC2D ficará baixa e a saída do IC3B ficará alta e o relé RL2 funcionará. Ambas as saídas do motor são conectadas ao mesmo polo da fonte de alimentação e o motor irá parar. Ao mesmo tempo, o sistema de rastreamento continua a procurar o sol na direção oeste. A direção do sol é encontrada quando ambos os transistores, Q2 e Q3, são iluminados por seus raios. Como resultado, o relé RL3 é ativado e o motor de orientação leste-oeste do sistema para. Quando todos os quatro sensores estão acesos, todos os quatro relés ligam e os motores não funcionam. A cabeça sensível detectou o sol e agora está apontada precisamente em sua direção. Qualquer mudança do sol a partir desta posição fará com que pelo menos dois sensores fiquem obscuros e a lógica seja reativada. No exemplo acima, o sol estava nascendo no noroeste, o que, obviamente, é impossível. No entanto, tal suposição foi feita para ilustrar as amplas possibilidades do sistema de rastreamento helióstato. Não importa onde o sol nasce. O sistema de rastreamento encontrará essa direção. Conversão de sinal Ao explicar o princípio de operação do circuito lógico, os recursos importantes da conversão de sinal não foram considerados especificamente. Vamos fazer agora. Durante a operação do circuito, certos fenômenos ocorrem. Cada um dos quatro fototransistores opera independentemente dos outros, de modo que o processo de conversão do sinal ocorre quatro vezes. No entanto, assumiremos que todos os quatro canais funcionam de forma idêntica e é mais conveniente considerar a operação de apenas um deles. Primeiro, a luz é convertida em um sinal eletrônico. O fototransistor é responsável por converter a luz em eletricidade. Quanto mais luz incide sobre o fototransistor, mais corrente flui através dele. Um resistor está incluído no circuito emissor do transistor, no qual uma queda de tensão é criada quando a corrente flui. A queda de tensão em um resistor é diretamente proporcional à corrente que flui, que por sua vez é proporcional à intensidade da luz. Portanto, uma grande iluminação causa um aumento na tensão. Do resistor do emissor, a tensão é aplicada à entrada não inversora do comparador de tensão. A tensão de referência é aplicada à entrada inversora. Quando a tensão proveniente do resistor do emissor excede a tensão de referência, uma tensão de alto nível aparece na saída do comparador. Se a tensão do emissor estiver abaixo da tensão de referência, uma tensão de baixo nível aparece na saída do comparador. A operação do circuito é determinada pela magnitude da tensão de referência. Como se sabe, uma propriedade necessária de um sistema de rastreamento é a capacidade de determinar o nível de intensidade de radiação solar adequado para uso prático. Isso pode ser feito com uma tensão de referência. Como a tensão no resistor do emissor é uma função da intensidade da luz solar, o valor dessa tensão pode ser usado para julgar se a intensidade da radiação atinge um nível praticamente aceitável. Este nível é determinado pelo comparador: a tensão de entrada excede a tensão de referência, o nível de luz necessário foi atingido. Assim, o relé não pode operar até que a tensão no emissor exceda o valor correspondente ao nível mínimo de intensidade de radiação solar. Além disso, todos os comparadores são alimentados com a tensão de referência da mesma fonte e, portanto, um ajuste de tensão afeta todos os comparadores. Com um aumento no limiar de um canal, o limiar de todos os outros aumenta. No estágio de saída do comparador existe um transistor de coletor aberto, ao qual uma resistência de carga deve ser conectada para remover o sinal de saída. Para igualar a entrada dos elementos NAND e de acordo com a lógica de funcionamento, o sinal de saída do comparador é passado pelo inversor. Design da cabeça de detecção Se você usar imediatamente as recomendações acima, não será difícil fazer uma cabeça sensível. As seções de sombreamento são feitas de metal fino, como folha de alumínio. Recorte um círculo com cerca de 10 cm de diâmetro e, em seguida, corte-o em dois semicírculos do mesmo tamanho e forma. Determine o ponto médio da aresta reta do semicírculo e restaure a perpendicular deste ponto até a interseção com o semicírculo. Marque o meio da perpendicular, deve estar a uma distância de 2,5 cm da borda. Faça essas operações com os dois semicírculos. Separe um dos detalhes para não confundir. Faça um entalhe em uma das partes desde a base (borda reta) até a marca do meio da perpendicular. Em outra da mesma peça, faça um entalhe semelhante, mas desta vez a partir da borda externa (arredondada) no sentido do centro até a marca do meio da perpendicular. Veja como isso é feito na Fig. 2. Conecte as partes como mostrado na fig. 3. A conexão mais apertada pode ser obtida se você usar uma serra com uma espessura de ponta da lâmina igual à espessura do metal. Um pano com dentes finos dá um corte mais fino. A base da cabeça pode ser de madeira, plástico ou metal. Embora o metal seja o melhor, é mais difícil de usinar. Toma-se como base um disco redondo com cerca de 10 cm de diâmetro, correspondente ao tamanho do disco utilizado para fazer as seções de sombreamento. Desenhe a base em quatro setores iguais, como ao cortar um bolo. Usando uma serra, corte pequenos sulcos ao longo dessas linhas com pelo menos 0,8 mm de profundidade ou mais (conforme o material permitir), mas não mais do que metade da espessura. Quando terminar, você deve obter uma treliça em forma de cruz com uma interseção no centro da base redonda. A aparência das ranhuras deve se assemelhar à mira de um rifle telescópico, tão fina e precisa. Faça um furo de 6 mm em cada quadrante o mais próximo possível dos retículos das ranhuras (fig. 4). No entanto, deve ser deixada alguma folga entre as ranhuras e orifícios. Agora está tudo pronto para fixar os perfis na base, as peças de alumínio podem ser coladas com cola epóxi. Peças feitas de outro metal podem ser soldadas. Lembre-se de que o design não foi projetado para suportar nenhuma carga e, portanto, o mais importante é que as partes individuais da cabeça estejam firmemente conectadas umas às outras. Porém, deve-se lembrar que em decorrência do aquecimento da estrutura pelos raios solares, surgirão tensões. Nesse sentido, é indesejável usar materiais com diferentes coeficientes de expansão térmica e cobrir o produto já montado com tinta. Insira os fototransistores nos orifícios correspondentes e cole-os. Os terminais do coletor são conectados a uma fonte de alimentação comum, para que possam ser conectados entre si. Ao usar uma base de metal, podem ser conectados cabos comuns a ela, pois a base serve como um "terra" e protege a cabeça de ruídos externos. Por fim, é necessário proteger o aparelho das intempéries com uma tampa transparente. É preferível usar vidro, pois é mais durável. Um boné semelhante pode ser encontrado no departamento de presentes ou na loja de animais. É melhor comprar primeiro uma tampa transparente e depois ajustar o tamanho da base e das seções para ajustá-la. Cole a tampa protetora na base com vidro líquido. Projeto de PCB A parte eletrônica do circuito é feita com fiação impressa. A colocação das peças é mostrada na fig. 6, desenho da placa de circuito impresso - na fig. 7 e 8. Observe que o PCB é de dupla face.
Devido à presença do relé, a placa de circuito impresso é bastante grande. São usados relés do tipo comutador bipolar padrão em um invólucro transparente. Os contatos são classificados para 10 A a 125 V CA. No entanto, o fator limitante não é a corrente contínua que os contatos do relé podem suportar, mas a corrente que eles podem interromper. Portanto, para aumentar as correntes de comutação limitadoras, dois pares de contatos são conectados em série. Sabe-se que quando os contatos se abrem, ocorre um arco elétrico. Chama-se e. d.s. auto-indução que ocorre quando o circuito de alimentação do motor elétrico é interrompido. Em um circuito de corrente alternada, o arco desaparece rapidamente quando a direção do campo elétrico é invertida. No entanto, em um circuito DC, o arco pode se sustentar por um longo tempo. A formação de arco pode ser evitada aumentando a distância entre os contatos e a velocidade de sua separação. Quando os contatos do relé são conectados em série, a distância total entre os contatos abertos dobra e a velocidade de sua separação aumenta. Portanto, o relé pode comutar uma carga que exceda o valor do passaporte. O relé geralmente é fornecido com um conector, o que é muito útil para combinar com servomotores, pois os relés estão disponíveis em várias tensões de alimentação padrão, variando de 6 V CC ou CA a 120 V. Aconselho não soldar o relé diretamente na placa, mas sim conectar através dos conectores, então você pode pegar um relé com qualquer tensão de alimentação. Por conveniência, o barramento de força do relé é isolado do fio de força positivo. Para conectar o relé ao “mais” da fonte de alimentação, basta soldar o jumper, conforme indicado no diagrama. Se forem usados relés com tensão de alimentação superior a 60 V CC, é necessário selecionar transistores de efeito de campo que possam suportar altas tensões (são produzidos para tensões acima de 400 V). Lembre-se de substituir também os diodos D1 - D4 por diodos de tensão mais alta e nunca use diodos com relés alimentados por CA. Outra parte do dispositivo que precisa de atenção especial são os resistores do emissor R1, R2, R3 e R4. É improvável que você encontre quatro fototransistores com características tão próximas que suas tensões de emissor coincidam sob a mesma iluminação. Para compensar a dispersão dos parâmetros, é necessário selecionar os valores dos resistores do emissor. O valor nominal de 1 kOhm é apenas um valor aproximado dos resistores durante o comissionamento e deve ser selecionado com mais precisão. Tenha em mente que o valor da resistência pode variar com a temperatura. A maneira mais fácil de escolher o valor da resistência é substituir o resistor constante por um variável. Comece com um valor de resistência de 1 kΩ. Ao iluminar a cabeça sensora com luz em diferentes níveis de intensidade, uma tabela específica de valores de tensão pode ser obtida. Não tente substituir a luz do sol por luz incandescente. Os fototransistores são sensíveis à radiação infravermelha e reagem de forma diferente a essas fontes de luz. Se a medição revelar que um fototransistor responde muito rapidamente a uma mudança na iluminação, reduza o valor do resistor. Porém, neste caso, é necessário reduzir a resistência de todos os resistores para manter o funcionamento normal do circuito. Eventualmente, você encontrará os valores nos quais os comparadores dos sinais provenientes dos fototransistores correspondentes funcionarão no mesmo nível de luz.
Meça o valor resultante da resistência do resistor variável e substitua-o por uma constante de mesmo valor.
dicas úteis O ajuste muda o nível de operação. Em muitos casos, não é necessário definir esse limite muito baixo ou o sistema de rastreamento desperdiçará energia. Dado certos elementos, você pode querer ajustar o nível de disparo do circuito. Embora esse sistema de rastreamento tenha o ângulo de visão mais amplo de qualquer produto caseiro descrito neste livro, ele ainda pode parar em uma posição desconfortável ao anoitecer. Nesse caso, várias horas da manhã podem ser perdidas até que o sistema comece a responder ao aumento do nível de luz. Se você não gostar disso, faça com que o sistema servo retorne ao neutro depois que todos os relés forem desenergizados. Este problema pode ser resolvido por um circuito lógico simples. A melhor posição inicial é a do meio, apontando para o céu do meio-dia. Autor: Byers T.
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