Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Автоматизированная солнечная энергетическая установка 21
1.1. Солнечные энергетические установки с концентратором 22
1.1.1. Гелиоэнергетическая установка с параболическим
концентратором 24
1.1.2. Солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором 27
1.2. Солнечные энергетические установки на фотоэлектрических
модулях 29
1.2.1 .Автоматизированная солнечная установка 29
Солнечная электростанция 31
Панель солнечной батареи конструкции Буркова Л.Н. 34 1.3.Складывающиеся конструкции панелей 40
1.3.1. Складывающаяся конструкция панелей солнечных батарей
Беркаля и другие 4^
1.3.2. Раскладная солнечная батарея Кирсанова и другие 44
1.4. Корабли на солнечных батареях 50
1.4.1. Мобильная солнечная батарея на корабле 51
Выводы 54
Глава 2. Техническое обоснование структуры системы и выбор основных элементов солнечной установки
2.1. Экспериментальное исследование рабочего тока элемента солнечной
батареи по углам 56
2.2. Исследование солнечной энергоустановки с фиксированными
углами наклона батарей в пространстве 57
2.3. Автономная солнечная энергоустановка с автоматическим
слежением за солнцем 58
Объект управления - солнечная батарея 61
Возврат солнечных батарей в исходное положение 66 Выводы 67
Глава 3. Датчик сигналов ошибки слежения по углам 69
3.1. Лепестковый датчик угловых координат солнечной энергетической
установки 69
3.1.1. Угломерный датчик в системе слежения и принципы его
построения 70
3.2. Расчет пеленгационной характеристики параболического
фотоприемника 72
3.3. Алгоритмы и цифровые устройства формирования сигнала ошибки 78
Выводы 80
Глава 4. Выбор и обоснование электрического привода энергетических солнечных батарей
4.1. Объект управления. Электрические параметры и механические
характеристики
Электродвигатель 83
Система управления шагового двигателя 86 Выводы 93
Глава 5. Разработка алгоритмов системы слежением за солнцем в условиях длительного затенения
5.1. Формирование контура автоматического слежения солнечной
энергетической установки
5.2. Дискретные экстраполирующие системы 96
Генерирование полиномов 97
Принцип экстраполяции 98
5.3. Экстраполирующая система непрерывного действия 102
Экстраполирующий фильтр первого порядка 103
Экстраполирующий фильтр второго порядка 103
Экстраполирующий фильтр третьего порядка 104
Экстраполирующий фильтр четвертого порядка 104
Экстраполирующий фильтр пятого порядка 104
5.4. Формирование системы управления без затенения солнца 108
5.5. Формирование системы управления в условиях помех в виде
затенения солнца 112
Система слежения с экстраполятором третьего порядка 113
Система слежения с экстраполятором второго порядка 115
Система слежения с экстраполятором первого порядка 117
5.6. Система управления с применением микропроцессора 124
5.6.1. Алгоритмы управления 126
5.7. Реализация алгоритмов управления 128
Компилятор языка С Code Vision AVR 128
Программатор 130
5.8. Программа цифровой обработки сигналов системы управления с
шаговым приводом
Выводы 139
Заключение 141
Список используемой литературы 143
Приложение 1. Энергетические диаграммы радиации солнца по
временам года на различных территориях земного шара I49
Приложение 2. Акты использования результатов диссертационной
работы 157
Введение к работе
Актуальность темы
Преобразование и освоение солнечной энергии, наряду с нанотехнологией -один из важнейших приоритетов развития общества [25].
Солнечная радиация это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. На Землю попадает незначительная доля излучаемой солнцем энергии, причем 95% поступающей солнечной энергии - это коротковолновое излучение в диапазоне длин волн от 0,3 до 2,4 мкм. Верхней границы атмосферы Земли за год достигает поток солнечной энергии в количестве 5,6.1024 Дж. Атмосфера Земли отражает 35 % этой энергии, т. е. 1,9.1024 Дж, обратно в космос, а остальная энергия расходуется на нагрев земной поверхности (около 2,4.1024 Дж), испарительно-осадочный цикл (около 1,3.1024 Дж) и образование волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра
22 ''
(около 1,2.10 Дж). Мощность потока солнечного излучения у верхней границы
атмосферы Земли равна 1,78.10 Вт, а на поверхности Земли 1,2.10 Вт [8].
Плотность потока солнечной энергии у верхней границы атмосферы на поверхность, расположенную перпендикулярно направлению солнечных лучей, составляет 1353 Вт/м2 и называется солнечной постоянной, а среднее количество энергии, поступающей за 1 ч на 1 м этой поверхности, равно 4871 кДж/(ч.м"). Вследствие вращения Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите расстояние между ними в течение года изменяется в пределах 150 млн. км ±1,7%, а часовое количество внеатмосферной солнечной энергии, поступающей на 1м нормальной поверхности, изменяется в течение года менее, чем на 7 % — от 4710 до 5036 кДж/(ч.м2).
Годовое количество поступающей на землю солнечной энергии составляет 1,05.10 кВт.ч., причем на поверхность суши приходится только 1/5 часть этой энергии, т.е. 2.1017 кВт.ч. (заметим, что 1 кВт.ч = 3600 кДж, а 1000 кДж = 278 Вт.ч.). К этому добавляются энергия ветра (1,58.10і кВт.ч в год с мощностью 1,8.10 кВт) и другие косвенные виды солнечной энергии.
Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5 % всей падающей на Землю солнечной энергии, т.е. 1,62.10і6 кВт.ч в год (что эквивалентно
огромному количеству топлива — 2.10 т условного топлива), при этом мощность потока энергии составляет 1,85.1012 кВт.
Распределение глобального потока солнечной радиации на поверхности земного шара крайне неравномерно. Количество солнечной энергии, поступающей
за год на 1м поверхности Земли, изменяется приблизительно от 3000 МДж/м на севере до 8000 МДж/м2 в наиболее жарких пустынных местах.
Среднегодовое количество солнечной энергии, поступающей за 1 день на
1м поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДж/м на севере до 21,4 МДж/м в пустынях и тропиках. Среднегодовая плотность потока солнечного излучения
О 9
составляет 210—250 Вт/м в субтропических областях и пустынях, 130—210 Вт/м~ в центральной части СССР и 80—130 Вт/м2 на севере СССР. Пиковая плотность потока солнечной энергии достигает 1 кВт/м .
Истощение ископаемых энергоресурсов и трудности решения экологических проблем приводят к поиску новых, нетрадиционных методов получения энергии. Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии является одним из наиболее перспективных методов. Существенный недостаток этого метода связан с малой плотностью солнечного излучения у земли, что в сочетании с относительно высокой стоимостью полупроводниковых солнечных элементов приводит к значительным затратам при изготовлении солнечных энергоустановок [33].
Заметим, в последние годы приняты значительные меры по совершенствованию технологии и резкому увеличению объемов производства полупроводниковых солнечных элементов, что неизбежно приведет к их удешевлению.
Использование энергии от солнца для разных целей в современных условиях является весьма актуальной задачей. При использовании солнечных батарей энергия солнца напрямую преобразуется в электрическую энергию. Использование солнечного электричества имеет много преимуществ. Это чистый, тихий и надежный источник энергии.
Одной из характерных особенностей современного этапа развития человечества является быстрый рост энергопотребления. Электроэнергия представляет собой наиболее совершенный вид энергии, легко доставляемый потребителю и преобразуемый в другие виды энергии. Выработка электроэнергии
7 традиционными способами путем сжигания топлива на тепловых и атомных электростанциях сопровождается химическим и радиационным загрязнением окружающей среды. При этом возникает также проблема «теплового загрязнения» Земли, поскольку сегодня бесспорным является заключение о том, что для предотвращения необратимых изменений климата планеты суммарная выработка энергии не должна превышать ~1 % от всей энергии, приходящей на Землю от Солнца. Возможности наращивания энергетического потенциала за счет строительства гидроэлектростанций ограничены гидроресурсами, а также необходимостью отчуждения под водохранилища значительных площадей плодородных земель. Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза откроет человечеству доступ к неограниченному источнику энергии, однако, перечисленные выше недостатки в той или иной степени будут присущи и термоядерным электростанциям. Эти причины и вынуждают активно разрабатывать в настоящее время нетрадиционные способы получения электроэнергии.
Наиболее привлекательным является удовлетворение возрастающих энергетических потребностей человечества за счет возобновляемых источников энергии, в первую очередь за счет целенаправленного использования и преобразования энергии Солнца.
Солнечное излучение представляет собой практически неисчерпаемый источник энергии. Оно поступает во все уголки земли и находится «под рукой» у любого потребителя. Спектр излучения Солнца близок к спектру абсолютно черного тела, нагретого до температуры -5800 К, что намного превышает температуру окружающей среды, при которой это излучение используется (-300 К). Последнее означает, что предельный термодинамический КПД преобразователя солнечного излучения может быть близок к 100 %. Таким образом, солнечное излучение является экологически чистым, доступным источником энергии, обладающим высоким энергетическим потенциалом [10].
Метод преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых солнечных элементов является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. Он широко используется в системах энергопитания космических аппаратов и получает все большее
8 применение в наземных условиях для обеспечения электроэнергией автономных потребителей.
Для преобразования солнечного света в электрическую энергию нужны солнечные фотоэлектрические модули. Существуют три типа солнечных элементов.
Монокристаллические (КПД 12-17%),
Поликристаллические и (КПД 9-12%),
Аморфные (КПД 6%).
Первые два типа имеют более высокие коэффициенты полезного действия (КПД).
КПД - это отношение электрической мощности производимой при работе фотоэлектрического преобразования к мощности солнечного излучения падающего на его поверхность при стандартной плотности солнечной радиации равной одному
9 9 >
киловатту на квадратный метр (1кВт/м (ЮООВт/м )).
Отличительная особенность аморфных модулей значительная механическая прочность по отношению к нагрузкам, гибкость и легкость. Эти особенности использованы для создания параболического датчика угловых координат.
Для увеличения КПД энергетической установки в суточном цикле необходима автоматическая система ориентирования вертикали плоскости солнечной батареи на солнце. В этом случае освоение солнечной энергии будет ориентировочно на 80% выше, по сравнению с неподвижными фотоэлектрическими батареями, на долю автоматики потери энергии порядка 10 %.
Очевидным недостатком солнечного излучения как источника энергии является неравномерность его поступления на земную поверхность из-за суточной, сезонной цикличности, и погоды. Еще недавно вопрос аккумулирования электроэнергии, вырабатываемой с помощью солнечных фотоэлектрических установок, рассматривался как наиболее критичный при оценке перспектив крупномасштабной солнечной электроэнергетики вследствие необходимости равномерного энергоснабжения потребителей.
Другим, еще более существенным недостатком солнечного излучения как источника энергии является его низкая плотность. Для выработки заметной электрической мощности, как в космосе, так и на Земле необходимо собирать
9 солнечное излучение с больших площадей. Стоимость получаемой таким образом электроэнергии значительно превосходит стоимость электроэнергии, вырабатываемой традиционными методами. Именно это являлось основной причиной, сдерживающей развитие крупномасштабной солнечной электроэнергетики. Однако развитие промышленности, ограниченность сырьевых ресурсов и экология заставляют пересмотреть традиционные источники энергии в пользу энергии солнца.
Актуальность диссертационной работы состоит в создании мобильных автоматических энергетических установок для преобразования солнечной лучевой энергии в электрическую.
Решение данной проблемы требует глубокой проработки вопросов слежения за солнцем и ориентации фотоэлементов в направлении на солнце в условиях случайного, временного затенения по погодным условиям в любое время года, для различных условий месторасположения, на разных географических широтах.
Энергетическая установка должна быть мобильной. Такая установка особенно необходима в местах удаленных от крупных населенных поселков, горных местностях, а также на маломерных речных и морских судах. Более мощные установки могут служить для питания двигательных установок небольшой мощности, например для лодок, когда доставка топлива затруднительна.
Установка должна быть автономной, перевозимой на сухопутном и морском транспорте. Наиболее приемлема установка в местах с обилием солнечных дней при наличии возможного непрерывного затенения облаками на длительное время (до 2-3 часов). Она должна работать в автоматическом режиме без потери слежения за солнцем.
Проблема создания автоматизированной, защищенной от помех затенения, солнечной энергетической установки имеет несколько аспектов:
проблема выбора светочувствительных элементов;
проблемы выбора конструкции;
проблемы измерения непрерывно меняющихся углов положения солнца и автоматического слежения за солнцем в условиях длительного затенения;
проблемы реализации алгоритмов управления и электропривода углового перемещения панелей с минимальными энергетическими затратами;
Одним из основных источников помех для автономной работы солнечной установки является потеря режима непрерывного слежения под влиянием затенения солнца облаками на длительное время (до 2-3 часов). В этом случае важнейшую роль играет функциональные возможности экстраполяции положения солнца, электропривода и других элементов системы слежения.
В случае подвижных энергетических носителей и в условиях временного, случайного затенения появляются дополнительные проблемы. Они возникают при подготовке и развертывания установки на пересеченной местности, когда исходные угловые начальные условия не определены и при быстром перемещении установки на транспорте.
При затенении солнца с датчика угловых координат перестают поступать данные о положении солнца, а при появлении солнца, углы рассогласования могут превышать пределы линейной зоны диаграммы направленности углового датчика.
В этом случае важнейшую роль играют возможности экстраполяции положения солнца на период затенения, выбор принципа работы углового датчика, конструкции, его параметров, диаграммы направленности, а также электропривода и других элементов системы слежения.
Важную роль в разрешении проблемы автоматического управления играет экстраполирующее устройство. Оно в значительной степени влияет не только на точность работы в замкнутом и разомкнутом режиме в процессе слежения, но также и на переходные процессы при переходе от одного режима работы к другому, поэтому система анализируется в целом, с учетом влияния всех элементов.
Экстраполятор служит для выработки точного слежения в замкнутом режиме и для экстраполяции сигнала во время прерывания. Система в это время работает в разомкну том режиме по запомненным сигналам экстраполятора.
Целью диссертационной работы является синтез высоко эффективных, работоспособных, мобильных солнечных энергетических установок из типовых, широко применяемых в промышленности, элементов, установок с автоматической системой слежения за солнцем, исследование и разработка комбинированных автоматических систем управления с экстраполяцией в условиях возможного, длительного затенения.
По своему назначению солнечная установка должна быть автономной и эффективной. Это достигается следующим образом:
Энергетическая установка может использоваться для питания как мобильных и так стационарных устройств.
Установка обеспечивает эффективность, гибкость, компактность и надежность работы в сложных погодных условиях с временным затенением солнца.
Установка имеет высокий КПД солнечной батареи за счет точного слежения за солнцем в условиях прерывания замішутого режима при затенения солнца.
Система автоматического управления реализуется с применением микропроцессоров, что позволяет выполнять сложные вычисления при незначительных расходах энергии.
Задачи исследования. В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие задачи.
Исследование лепестковых датчиков угловых координат солнечной энергетической установки, их принципы построения и режим слежения за солнцем.
Синтез систем с экстраполяцией.
Исследование следящей системы с астатизмом высоких порядков -точности экстраполяции, устойчивости, переходных процессов в условиях замкнутого и разомкнутого режима работы для разных интервалов времени прерывания по сигналу ошибки с угловых датчиков.
Исследование и выбор шагового двигателя для углового перемещения рамы солнечной установки с фотоэлектрическими панелями.
Формирование диаграммы направленности и пеленгационных характеристик с широкой линейной зоной угловых датчиков рассогласования.
Разработка комбинационной, т.е. замкнутой и разомкнутой системы (в условиях прерывания по сигналу ошибки при затенении).
Анализ методов и средств адаптивных систем управления в условиях длительного затенения.
Анализ средств преобразования солнечной энергии в электрическую.
Анализ автоматизированных солнечных энергетических установок.
12 Методы исследования. В диссертационной работе использованы:
Теория автоматического управления комбинированных систем с экстраполяцией высокого порядка и адаптивная система с экстраполяцией первого порядка.
Моделирование в программе Matlab 7.0.
Математическая модель системы с шаговым двигателем.
Конструктивные и электрические принципы построения фотоэлектрического датчика угловых координат с линейной пеленгационной характеристикой.
Теоретические и практические методы реализации алгоритмов на языке программирования Си, для микропроцессора типа AVR.
Научная новизна. Диссертационная работа в создании новой солнечной мобильной энергетической установки, обеспечивающей электрической энергией не только бытовые приборы, но и может служить источником электрической энергии для движителей на суше и для водного малоразмерного транспорта. При работе создании установки получены следующие научные результаты:
Применение системы слежения за солнцем позволяет значительно увеличить электрическую энергию за счет ориентации вертикали плоскости фотоэлементов на солнце.
Создание датчиков угловых перемещений с линейной пеленгационной характеристикой в пределах +15 позволяет обеспечить удовлетворительную работу экстраполирующего устройства в условиях значительного времени непрерывного затенении солнца (в пределах до трех часов).
Создание алгоритмов управления с экстраполяцией траектории движения солнца при его затенении.
Разработка алгоритмов экстраполяции представляет самостоятельный научный интерес для теории и практики в самых широких областях техники.
Экстраполяция траектории солнца на основе полиномов Ньютона по сигналу ошибки в замкнутом контуре управления. Порядок астатизма соответствует порядку полинома, следовательно порядок астатизма, в принципе может быть во величине любым, однако при этом время переходных процессов
13 сильно затягивается, требуемая точность и быстродействие вычислительных средств резко увеличивается.
В ходе работ была реализована устойчивая система управления в программном пакете Matlab 7.0 до пятого порядка включительно, однако удовлетворительная работа система по всем показателям качества отмечена только до систем с астатизмом четвертого порядка, которая и признана наиболее оптимальной по точности экстраполяции и эксплуатационным параметрам системы. Заметим, в обычной практике системы не выше третьего порядка астатизма считаются неустойчивыми и нереализуемыми. Данная работа опровергает это мнение.
Система управления вращением солнечной батареи электростанции реализована с применением шагового электропривода и цифровой микропроцессорной техники. Это позволяет решить задачу точного слежения за солнцем даже в условиях длительного затенения солнца.
Применение автоматического слежения с применением экстраполяции позволяет лучше отрабатывать ошибки установки системы при ее развертывании в условиях различных географических широт, не требует корректировки в работе, т.е. делает ее более простой в эксплуатации и автономной.
Рама выполнена в виде компактного складывающегося секционного прямоугольника с возможностью быстрого развертывания на местности и быстрого свертывания, что делает систему мобильной и перевозимой.
Предлагаемая солнечная система является, по сравнению с помехами типа качания всей платформы установки под влиянием ветра и волн или под влиянием неровностей дороги узкополосной. Поэтому влияние помех менее значительно.
Практическая значимость работы заключается в новых возможностях создания эффективной мобильной энергетической установки, обеспечивающей слежение за солнцем длительного прерывания слежения при затенении солнца облаками, для того чтобы получить наибольшую энергию солнечных лучей.
Солнечная установка должна обеспечивать энергией средства связи и бытовые устройства. Более мощные установки могут служить для питания двигательных установок небольшой мощности, например для лодочных моторов,
14 что особенно важно, когда доставка топлива затруднительна. В практической работе очень важна простота и универсальность приведение установки в рабочее состояние при минимальных требованиях к углам ориентирования установки на местности даже в горных условиях. При этом требования к квалификации обслуживания должны быть минимальны. Система должна быть автономной в работе. Такие жесткие условия обеспечиваются только автоматической системой слежения с экстраполяцией положения солнца. При моделировании показано, что приемлемые переходные процессы без длительных колебаний только у систем до четвертого порядка экстраполяции включительно. Переходной процесс системы с экстраполяцией четвертого порядка несколько затянут, поэтому его точность на конечном приемлема только участке времени (в пределах наблюдения) ниже.
Теоретически все рассмотренные виды экстраполяции в работе могут быть применены. При наличии углового перемещения в виде показательных функций наивысшая точность систем с более высоким порядком астатизма. В данном случае оптимальна экстраполяция третьего порядка (с астатизмом четвертого порядка). При моделировании величина ошибки слежения в условиях без затенения солнца в качестве экстраполяции третьего порядка не превышает 0.13 градуса, что это достаточный хороший результат.
Точность слежения является важным фактором. Чем выше точность, тем более плавно перемещается блок панелей, следовательно меньше затраты энергии за счет электрического привода.
Ошибки слежения могут складываться с другими видами ошибок - помех и условия слежения нарушаются. Поэтому рассматриваются все виды экстраполяции, и выбирается наилучший вариант.
Наихудшие условия работы при затенении для системы с экстраполятором третьего порядка от 9 часов до 12 часов. Наибольшая ошибка достигает девять градусов.
Наихудшие условия работы при затенении для системы с экстраполятором второго порядка до 9 часов и после полудня. Ошибка достигает шестнадцати градусов и выше.
Система со вторым порядком экстраполяции имеют большие ошибки по сравнению с системами, имеющими экстраполятор третьего порядка.
Рассматривая характер поведения величин ошибок, заметим, линейный экстраполирующий фильтр первого порядка имеет зависимость ошибок близкую к линейной по времени затенения и по течению времени с момента начала слежения и до конца светового дня. Это дает возможность компенсации ошибок слежения при затенении, и получить приемлемую точность в пределах пяти градусов.
В практической работе получены следующие результаты:
Моделирование системы слежения с учетом затенения солнца на различные интервалы времени показывает: что ошибка слежения зависит не только от длительности затенения, но и от времени в течение суток для данного интервала.
Слежение с экстраполятором третьего порядка (астатизм четвертого порядка), который принят в качестве основного и универсального, можно считать надежным даже при непрерывном затенении в течение двух - трех часов на всем участке времени суток.
При длительности интервала затенения за пределами трех часов и более, следует применить более сложную, адаптивную систему слежения с экстраполяцией первого порядка и сложной системой компенсации ошибки путем применения счетчиков времени суток и времени данного интервала времени затенения. Однако эта система требует индивидуальной настройки при разных начальных условиях развертывания системы.
Достоверность определяется моделированием системы управления формирования автоматического слежения в условиях длительного затенения и без него. Рассмотрены системы, имеющие разные порядки степеней экстраполяции, чтобы получить приемлемые показатели качества работы установки в практической деятельности. Разработана математическая модель экстраполяции от первого до пятого порядка астатизма системы в программном пакете Matlab 7.0.
Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично.
Главными из них являются:
1. Синтез автономной микропроцессорной системы солнечной энергетической установки на основе механической конструкции Буркова и серийно выпускаемых устройств фотоэлектрических и других электронных и механических устройств. Оригинальным устройством является датчик угловых
координат. Все элементы солнечной энергетической установки, выполняют функции, обеспечивающие высокую эффективность установки в целом. Установка достаточно надежна, пригодна, эффективна, удобна и компактна для универсального пользования.
Разработана и обоснована конструкция лепесткового датчика угловых координат. Рассмотрены несколько методов определения углов. Наиболее примитивным является метод по интенсивности преобразования энергии. Этот метод неприемлем по причине слабой помехоустойчивости в условиях затенения и малой точности. Метод сканирования в пространстве, по аналогии с одноцелевыми радиолокационными системами слишком сложен и требует значительных затрат энергии. Поэтому выбран метод равносигнальной зоны - лепестковый метод параболических поверхностей для локации углового положения солнца. Лепестковые датчики, выполнены из аморфных фотоэлектрических элементов на основе формы параболоида и жестко закреплены на поверхности батареи светочувствительных панелей. Параболическая антенна состоит из четырех попарно симметричных лепестков. Пары лепестковые датчики формируют пеленгационную характеристику, как функцию отношения разности сигналов от каждого лепестка антенны к их сумме по вертикальному и курсовому каналам соответственно. Ширина и область линейности пеленгационной характеристики зависит от соотношения параметра параболы/? и радиуса раскрытия R.
Обоснование и синтез цифровых преобразователей нормированных угловых координат. Сигналы с лепестковых датчиков преобразуются с помощью аналого-цифровых преобразователей и, далее, поступают в цифровой форме в
микропроцессор, где выполняются операции согласно формуле 7(<р) = —'- —.
Сигналы 1а и IG поступают от противоположных лепестков антенны.
4. Разработка и обоснование экстраполирующих устройств. Важную
роль в разрешении проблемы автоматического управления играет
экстраполирующее устройство. Оно в значительной степени влияет не только на
точность работы в замкнутом и разомкнутом режиме в процессе слежения, но
также и на переходные процессы, поэтому система анализируется в целом, с
учетом влияния всех элементов. Экстраполятор служит для выработки точного
17 слежения в замкнутом режиме и для экстраполяции сигнала во время прерывания. Система в это время работает в разомкнутом режиме по запомненным сигналам экстраполятора. В ходе анализа по результатам моделирования были рассмотрены фильтры экстраполяции от второго до шестого порядка астатизма в составе системы с электроприводом.
Синтез научно обоснованной логической системы управления шаговых двигателей. Электродвигатель должен обеспечивать вращение солнечных батарей с точностью порядка ±5% относительно оптической оси антенны с тем, чтобы не снижалась электрическая мощность фотоприемника, с другой стороны электродвигатель не должен потреблять много энергии. Выбранным электродвигателем является трехфазный гибридный шаговый электропривод.
Автором рассмотрены несколько общепринятых логических схем управления, их временные диаграммы, показана некорректность некоторых из них и, в результате анализа, выбран вариант схемы автомата управления с двунаправленным вращением электропривода.
Внедрение результатов работы. Все работы по реализации и внедрению проводились под руководством или при непосредственном участии автора.
1. ' Предлагаемая солнечная установка предназначена не только для
информационных и бытовых целей, но и быть источником не большой мощности
для движителей на суше и на воде для малогабаритного транспорта.
Параболические угломерные датчики с широкой пеленгационной характеристикой могут быть использованы с экстраполяцией и в других областях высокоточной техники.
Теоретические результаты по синтезу систем с экстраполяцией и теоретически неограниченно высоким порядком астатизма может быть использован для высокоточных систем в самых разнообразных областях науки и техники, включая гражданские и оборонные области. При современным уровне развития вычислительной техники возможно создание автоматических систем с астатизмом до восьмого порядка.
Полученные результаты при моделировании показывает, что ошибки слежения системы с астатизмом четвертого порядка в пределах пяти - восьми градусов в условиях непрерывного затенения до двух часов в течении всего
18 светового дня. Это приемлемая точность. Заметим, даже угловая ошибка в
пределах ±10 практически не вызовет больших потерь в преобразовании солнечной энергии в электричество, но не желательна для переходных процессах на отработке ошибок.
5. При выборе логических систем управления проведен анализ схем управления с целью проверки ее функционирования по графу и временным диаграммам, для проверки отсутствия запрещенных состояний и автоматического выхода из этих состояний, если они обнаружены.
На защиту выносятся:
Разработка системы слежения, исследование построения гипотетических лепестковых датчиков форма параболоида, расчет пелснгационной характеристики, формирующей разности диаграммы направленности каждых симметричных парциальных лепестковых датчиков и при условии удовлетворительной работы входного электронного усилителя аналого - цифрового преобразователя.
Формирование контура автоматического слежения солнечной установки в условиях длительного затенения и без него с помощью экстраполятора.
Исследование принципов построения системы экстраполяции на основе полиномов высокого порядка (систем с астатизмом 2-^-6 порядка).
Синтез цифровой системы управления шагового двигателя для вращения солнечной рамы.
Разработка и проектирование системы в целом, апробации материалов диссертационной работы в форме моделирования наибольших сложных в теоретическом плане устройств.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на следующих конференциях.
14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2007г.).
Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция "Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2007 г.).
Научная сессия МИФИ (Москва, МИФИ, 2007 г.).
15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2008г.).
Публикации по работе. Основное содержание диссертации отражено в 12 печатных опубликованных работах, в том числе 2 статьи в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК. Без соавторов опубликовано 10 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пять глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 149 страницы основного текста, включая 68 рисунков, 5 таблиц, а также список литературы из 72 наименований.
Краткое содержание работы
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются общие проблемы, цели и задачи исследования, рассматривается структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.
В первой главе рассмотрены существующие методы и модели солнечных энергетических установок, проанализированы их преимущества и недостатки, выбраны устройства, базовые установки, для автономной, автоматической солнечной энергетической установки, предназначенной для информационных и бытовых приборов, а также для движителей с малой мощностью на суше и на воде.
Во второй главе представлены прототипы солнечных энергетических систем для создания предлагаемой системы, техническое обоснование структуры системы, выбраны основные элементы солнечной установки, проведен и исследован эксперимент с рабочим током элемента солнечной батареи в зависимости от углов падения солнечных лучей. Проанализирована солнечная энергоустановка с фиксированными углами наклона батарей и солнечная установка на местности. В результате обоснована необходимость построения системы с автоматичесішм слелсением за солнцем. Рассмотрены и выбраны базовые конструкции солнечных установок.
В третьей главе описан принцип работы датчика сигналов ошибки слежения по углам в системе слежения за солнцем, а также рассчитана и синтезирована конструкция параболического лепесткового датчика угловых
20 координат солнечной энергетической установки с требуемой пеленгационнной характеристикой фотоприемника.
В четвертой главе дано обоснование и выбор электрического привода угловых перемещений энергетических солнечных батарей, рассчитаны момент инерции нагрузки объекта и момент нагрузки вала электропривода, даны характеристики различных типов и модификаций шаговых двигателей, в результате выбран наиболее подходящий ШД.
В пятой главе описан и разработан алгоритм системы слежения за солнцем в условиях длительного затенения и других помех. Сформирован контур автоматического слежения солнечной энергетической установки, исследован принцип построения системы с экстраполяцией, синтезированы системы непрерывного действия от 2-го до 6-го порядка астатизма. Сформированы системы управления в условиях затенения солнца и без затенения при различных видах экстраполяции представлены структурные схемы, и результаты моделирования системы управления для разных порядков экстраполяции на множестве интервалов времени затенения в течение светового дня суток. Дана программа алгоритма управления шаговым приводом в системе управления и рассчитан переходной процесс системы в целом.
В заключении диссертации сформулированы основные выводы и научные результаты.
В приложении представлены энергетические диаграммы радиации солнца по временам года на различных территориях земного шара и акты использования результатов диссертационной работы.
