Helióstato. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Uma das áreas da energia solar é a conversão direta de energia solar em energia elétrica por meio de painéis solares. O artigo descreve um dispositivo simples que permite orientar automaticamente uma bateria solar em direção ao sol.

Como é sabido, a potência do fluxo luminoso na superfície da Terra no equador atinge 1,1 kW/m2 (na latitude de Moscou cerca de 0,5 kW/m2).

Aproximadamente 40% dessa energia pode ser convertida em eletricidade por células solares criadas pela empresa inglesa Sandia National Laboratories à base de arsenieto de nitreto de índio e gálio. Em alguns casos, é aconselhável utilizar baterias solares convencionais com eficiência de 20% [1].

A eficiência das células solares depende de muitos fatores, mas o fator decisivo é a orientação dos seus elementos em relação à fonte de radiação. Para manter a iluminação ideal dos painéis solares, uma variedade de sistemas de rastreamento foram desenvolvidos - desde o analógico mais simples até o analógico-digital [2]. O ajuste de tais dispositivos é complicado pelo fato de que seu limite de resposta varia dependendo não apenas do diferencial, mas também da intensidade geral de iluminação. Além disso, a instalação de tais sistemas no seu estado original requer a intervenção do pessoal de manutenção.

O dispositivo proposto (helióstato) utiliza controle de pulso e, sem intervenção externa, é capaz de orientar a bateria solar de acordo com a melhor iluminação. O diagrama esquemático do helióstato é mostrado na Fig. 1. Consiste em um gerador de clock (DD1.1, DD1.2), dois circuitos integradores (VD1R2C2, VD2R3C3), o mesmo número de drivers (DD1.3, DD1.4), um comparador digital (DD2), dois inversores (DD1.5, DD1.6) e uma chave transistor (VT1-VT6) para o sentido de rotação do motor elétrico M1, que controla a rotação da plataforma na qual a bateria solar está instalada.

(clique para ampliar)

Quando a energia é fornecida (do próprio painel solar ou da bateria), o gerador baseado nos elementos DD1.1, DD1.2 começa a gerar pulsos de clock com frequência de cerca de 300 Hz. Quando o dispositivo está em operação, são comparadas as durações dos pulsos gerados pelos inversores DD1.3, DD1.4 e circuitos integradores VD1R2C2, VD2R3C3. Sua inclinação varia dependendo da constante de tempo de integração, que, por sua vez, depende da iluminação dos fotodiodos VD1 e VD2 (a corrente de carga dos capacitores C2 e C3 é proporcional à sua iluminação).

Os sinais das saídas dos circuitos integradores são fornecidos aos drivers de nível DD1.3, DD1.4 e depois a um comparador digital feito nos elementos do microcircuito DD2. Dependendo da proporção das durações dos pulsos que chegam às entradas do comparador, um sinal de baixo nível aparece na saída do elemento DD2.3 (pino 11) ou DD2.4 (pino 4). Com iluminação igual dos fotodiodos, sinais de alto nível estão presentes em ambas as saídas do comparador.

Os inversores DD1.5 e DD1.6 são necessários para controlar os transistores VT1 e VT2. Um alto nível de sinal na saída do primeiro inversor abre o transistor VT1, na saída do segundo - VT2. As cargas desses transistores são chaves nos potentes transistores VT3, VT6 e VT4, VT5, que comutam a tensão de alimentação do motor elétrico M1. Os circuitos R4C4R6 e R5C5R7 suavizam as ondulações nas bases dos transistores de controle VT1 e VT2.

O sentido de rotação do motor muda dependendo da polaridade da conexão à fonte de alimentação. O comparador digital não permite que todos os transistores principais abram simultaneamente e, assim, garante alta confiabilidade do sistema.

Com o nascer do sol, a iluminação dos fotodiodos VD1 e VD2 será diferente e o motor elétrico começará a girar a bateria solar de oeste para leste. À medida que a diferença nas durações dos pulsos gerados pelos modeladores diminui, a duração do pulso resultante diminuirá e a velocidade de rotação da bateria solar diminuirá suavemente, o que garantirá seu posicionamento preciso. Assim, com o controle de pulso, a rotação do eixo do motor elétrico pode ser transferida diretamente para a plataforma com a bateria solar, sem a utilização de caixa de engrenagens.

Durante o dia, a plataforma com a bateria solar irá girar seguindo o movimento do sol. Com o início do crepúsculo, as durações dos pulsos na entrada do comparador digital serão as mesmas e o sistema entrará em modo standby. Neste estado, a corrente consumida pelo dispositivo não ultrapassa 1,2 mA (no modo orientação depende da potência do motor).

A bateria do heliostato é utilizada para armazenar a energia gerada pelo painel solar e alimentar a própria unidade eletrônica. Como o motor elétrico só é ligado para girar a bateria (ou seja, por um curto período de tempo), não há botão liga / desliga.

O dispositivo descrito orienta a bateria solar num plano horizontal. Porém, ao posicioná-lo, deve-se levar em consideração a latitude geográfica da área e a época do ano. Se você complementar o projeto com uma unidade de deflexão vertical montada de acordo com um esquema semelhante, poderá automatizar totalmente a orientação da bateria em ambos os planos.

Além dos indicados no diagrama, o dispositivo pode utilizar microcircuitos das séries K564, K176 (com tensão de alimentação de 5... 12 V). Os transistores KT315A são intercambiáveis ​​com qualquer uma das séries KT201, KT315, KT342, KT3102 e KT814A com qualquer uma das séries KT814, KT816, KT818, bem como germânio P213-P215, P217 com qualquer índice de letras. Neste último caso, resistores com resistência de 3...6 kOhm devem ser conectados entre os emissores e as bases dos transistores VT1-VT10 para evitar sua abertura acidental devido a corrente reversa significativa.

Em vez de fotodiodos FD256, é permitida a utilização de células solares individuais da própria bateria (conectadas com polaridade correta), fototransistores sem circuitos de polarização, bem como fotorresistores, por exemplo, SF2, SFZ ou FSK de qualquer modificação. Você só precisa selecionar (alterando a resistência do resistor R1) a frequência do gerador de clock com base na operação confiável do comparador digital.

Todas as partes do dispositivo são montadas em uma placa de circuito impresso (Fig. 2) feita de fibra de vidro dupla face. Os transistores VT3 - VT6 são aparafusados ​​​​à placa e equipados com dissipadores de calor em forma de L com área de cerca de 10 cm2, dobrados a partir de tiras de chapa de liga de alumínio com 1,5 mm de espessura. Ao usar um motor elétrico mais potente, esses transistores são colocados externamente em dissipadores de calor separados para garantir uma dissipação de calor eficiente. A placa é colocada em uma caixa de plástico selada, montada nivelada com a bateria solar.

Um filtro de luz verde é usado para proteger os fotodiodos do excesso de irradiação. Uma cortina opaca é colocada entre os fotossensores. É fixado perpendicularmente à placa de forma que, ao mudar o ângulo de iluminação, sombreie um dos fotodiodos.

A bateria solar é instalada sobre uma plataforma, sob a qual é montado um motor elétrico MP-3-015 (tensão de alimentação 6 V), girando-o no plano horizontal. É possível utilizar um motor mais potente, no qual o sentido de rotação do eixo também muda dependendo da polaridade da tensão.

Uma bateria é conectada à bateria através de um coletor de corrente, cuja corrente de carga corresponde à corrente máxima gerada pela bateria.

O dispositivo, montado a partir de peças reparáveis, não requer ajustes e começa a funcionar imediatamente. Sua sensibilidade é tal que a bateria é orientada com segurança de acordo com o fluxo luminoso da lâmpada MH 2,5 V-0,15 A, localizada a uma distância de 3 m dos fotossensores.

Literatura

1. Zinoviev K., Pantuev V. Baterias recarregáveis ​​solares para alimentar equipamentos eletrônicos. - Rádio, 1995, nº 1, p. 44; Nº 2, pág. 43, 44.
2. Projetos Bayere T. 20 com células solares. - M.: Mir, 1988.

Autor: I. Tsaplin, Krasnodar

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