Содержание к диссертации
Введение
1. Устройство и применение энергетических гелиоустановок 12
1.1 Обзор энергетических гелиоустановок, производящих электроэнергию 12
1.2 Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи 16
1.3 Динамика развития фотоэлектрической гелиотехники 20
1.4 Целесообразность использования солнечной энергетики в России 28
1.5 Основные положения о движении Солнца по небосклону 35
1.6 Обзор опорно-поворотных устройств гелиоустановок 41
1.7 Обзор электроприводов энергетических гелиоустановок 56
1.8 Выводы 60
2. Анализ эффективности пошагового режима автосопровождения Солнца 62
2.1. Условия и режимы работы энергетических гелиоустановок 62
2.2. Функциональная схема электроприЁода энергетической гелиоустановки без концентрации излучения 62
2.3 Исследование потерь энергии фотопреобразователя энергетических гелиоустановок при переходе от непрерывного к пошаговому режиму 66
2.4 Анализ экономии энергии в электроприводе в результате перехода от непрерывного режима автосопровождения к пошаговому 73
2.5 Вывод обобщенной функции эффективности пошагового режима. Определение целесообразности перехода от непрерывного к пошаговому режиму по условию энергосбережения 84
2.6 Выводы 90
3. Обоснование оптимальной мощности двигателя слежения 92
3.1. Анализ факторов, влияющих на требуемую мощность двигателя слежения 92
3.2. Основы для расчета ветровой нагрузки 93
3.3. Расчет вращающего ветрового момента, действующего на плоский фотоприемник гелиоустановки 95
3.4. Определение момента трения в опорах фотоприемника 105
3.5 Теоретические исследования характера упругих колебаний в. электроприводе энергетических гелиоустановок 106
3.6 Анализ перераспределения мощности в электроприводе вследствие механических колебаний 113
3.7 Способ снижения мощности двигателя 124
3.8 Выводы 129
4. Практическая реализация системы электропривода и автоматики гелиоустановки 130
4.1 Выбор электродвигателя для электропривода проектируемой гелиоустановки 130
4.2 Разработка системы автоматики 134
4.3 Разработка универсального модульного опорно-поворотного устройства гелиоустановки и датчика рассогласования с расширенной пеленгационной характеристикой 136
4.4 Разработка блока управления солнечной батареи 137
4.4.1 Описание узла управления, коммутации и индикации 141
4.4.2 Описание узла стабилизации тока и напряжения аккумуляторной батареи 143
4.4.3 Описание узла автоматической ориентации солнечных батарей... 146
4.5 Отработка режимов работы СЭП и системой автоматики спроектированными гелиоустановками 147
4.6 Анализ возможностей контроля ветровой нагрузки, действующей на фотоприемник 147
4.7 Описание экспериментального макета электропривода гелиоустановки с применением датчика ветрового воздействия 163
4.8 Выводы... 167
Заключение 169
Список литературы 171
- Целесообразность использования солнечной энергетики в России
- Функциональная схема электроприЁода энергетической гелиоустановки без концентрации излучения
- Расчет вращающего ветрового момента, действующего на плоский фотоприемник гелиоустановки
- Описание узла стабилизации тока и напряжения аккумуляторной батареи
Введение к работе
В настоящее время вопросам использования возобновляемых источников энергии уделяется серьезное внимание. Эти источники энергии рассматриваются как серьезное дополнение к традиционным [1].
На данный момент необходимость развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии обусловлена следующими факторами [2,3]:
- возможностью решения проблем линий энергообеспечения отдаленных, труднодоступных и экологически напряженных районов;
- сокращение объемов строительства линий электропередач, особенно в труднодоступных и отдаленных местах;
- участием их в оптимизации графиков загрузки оборудования на электростанциях с учетом их сезонного использования;
- снижения выбросов СС 2, NOx и других, что позволяет финансировать строительство за счет оплат «квот за выбросы».
К возобновляемым источникам энергии относится ветровая, гидравлическая, солнечная, геотермальная энергии; энергия биомассы. Среди всех источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности наиболее перспективна. Годовое количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли оценивается в 1,05-1018 кВт-ч. Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5% всей падающей на Землю энергии, то есть 1,62-10 кВт-ч в год, что экви-валентно 2-10 тонн условного топлива. В табл. 1В представлена оценка ресурсов нетрадиционных возобновляемых источников энергии России [4].
Таблица IB
Наименование Валовый Технический
энергоресурсов млрд т.у.т. млрд т.у.т.
Малая гидроэнергетика 0,36 0,125
Геотермальная энергия 180 20
Энергия биомассы 10 0,05-0,07
Энергия ветра 26 2
Солнечная энергия 2300 2,3
Низкопотенциальное тепло 0,525 0,105
В настоящее время по данным Международного энергетического агентства производство электроэнергии за счет нетрадиционных возобновляемых источников энергии оценивается более чем в 2000 млрд. кВт-ч, что составляет около 2% от общего ее производства, и эта доля постоянно увеличивается [5]. В табл.2В приведены прогнозы вклада «новых» возобновляемых источников энергии по данным Мирового энергетического совета в 2020 году [5].
Таблица 2В
Виды энергоресурсов Минимальный вариант Максимальный вариант Млн. т.н.э. % Млн.т.н.э %
Современная биомасса Солнечная энергия Ветровая, геотермальная, МГЭС, мусор 243 109187 45 2035 561355429 42 2632
Всего 539 100 1345 100
От общего первичного энергопотребления, % 3-4 8- Из таблицы видно, что хотя доля нетрадиционной энергетики должна значительно увеличиться, но и в максимальном варианте она не превысит 8-12%. Вместе с тем, нетрадиционная энергетика будет существенно влиять на состояние и уровень энергосбережения [5].
Для преобразования энергии излучения Солнца используются специальные устройства - гелиоустановки (ГУ). В настоящее время применяются гелиоустановки различного назначения и принципа преобразования энергии: солнечные водо- и воздухонагреватели; установки прямого преобразования энергии Солнца в электрическую на полупроводниковых фотопреобразователях без концентрации и с концентрацией излучения; тепловые энергетические турбогенераторные установки (еще иначе называемые модульными), тепловые гелиостатные электростанции башенного типа с газотурбинными циклами; наземные и орбитальные высокотемпературные печи; орбитальные солнечные батареи. В мировой практике для ориентации ГУ на Солнце как правило используется электропривод.
Солнечные печи - установки, концентрирующие солнечную энергию и преобразующие ее в тепловую. Солнечные печи являются технологическими ГУ. В них производится изготовление, обработка и испытание промышленных изделий из тугоплавких материалов. Данные ГУ предъявляют наиболее высокие требования к точности наведения на Солнце. В работе [6] следящий электропривод (СЭП) солнечной печи рассматривается, как имеющий общность и представительность для широкого класса ГУ.
Энергетические ГУ вырабатывают электрическую или/и тепловую энергию, при этом установка работает по принципу максимальной выработки энергии, и потребители не накладывают на нее дополнительных требований регулирования мощности. Требования по точности наведения энергетических ГУ ниже, чем для солнечных печей. В частности, требуемая точность слежения за Солнцем турбогенераторных ГУ, гелиостатов башенных ГУ, фотоэлектрических гелиоустановок с концентрацией излучения зависит от многих факторов, в том числе от типа и оптической силы применяемых концентраторов лучистого потока.
В имеющихся исследованиях по электроприводу ГУ рассмотрены вопросы, относящиеся к структуре, динамическим и точностным показателям СЭП солнечных печей [6], [7], [8]; к динамике и системе управления группы гелиостатов [9], [10]; к учету нелинейностей редукторного СЭП и компенсации люфта [6], [8], [11], [12], синтезу оптимальных регуляторов положения для гелиоустановок с концентраторами излучения [13],. В работе [6] уделено внимание улучшению конструкции опорно-поворотного устройства турбогенераторных ГУ и фотоэлектрических ГУ с концентрацией излучения, а также модульной конструкции фотоэлектрических ГУ без концентрации излучения.
В настоящее время получили распространение неподвижные солнечные батареи. В работе [14] поднят вопрос о целесообразности наведения на Солнце фотоэлектрической ГУ без концентрации излучения, и как наиболее рациональный рассматривается пошаговый режим автосопровождения Солнца с использованием релейного СЭП с управлением от датчика рассогласования.
Для энергетических гелиоустановок наиболее важными показателями является КПД преобразования солнечной энергии в электрическую и стоимость.
По вопросу повышения энергетических показателей и снижения электрических потерь в электроприводе имеется много исследований [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22] и другие, но в этих работах не учитываются особенности тихоходных следящих приводов. В работе [23] рассмотрен пошаговый режим слежения в тихоходных СЭП и предложена методика определения энергетической эффективности в результате перехода от непрерывного к пошаговому режиму слежения. Недостатком является ряд принятых допущений и приближений, которые ставят под вопрос корректность сделанных выводов применительно для энергетических гелиоустановок.
В работе [15] рассмотрены варианты оптимизации следящих электроприводов (СЭП) энергетических ГУ, работающих в непрерывном режиме слежения за Солнцем, по энергетическим показателям. Показано, что наиболее целесообразно использовать двигатель постоянного тока с широтно-импульсным преобразователем напряжения. Проанализированы энергетические показатели различных типов двигателей и потери мощности в зависимости от обобщенных параметров электропривода. Предложены способы снижения колебательности исполнительного вала. В данной работе не рассмотрена возможность исполнения релейного СЭП.
Пробелом во всех исследованиях является отсутствие методики расчета мощности двигателя для ГУ в зависимости от конкретной местности и конкретных размеров фотоприемника. В ряде работ мощность двигателя рассчитывается исходя из ветрового момента, который в свою очередь считается пропорциональным площади приемника и определяется пересчетом экспериментально измеренного ветрового момента, действующего на аналогичные установки, например, радиотелескопы. При этом ветровой момент принимается пропорциональным площади приемника. В настоящей работе показана некорректность данного допущения.
На основании изложенного целью работы является улучшение энергетических показателей, повышение экономичности, надежности и уровня автоматизации энергетических ГУ наземного базирования на основе теоретической и практической разработки их электропривода. Для выполнения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-выработка требований к СЭП современных энергетических ГУ наземного базирования;
- создание методики анализа энергетической эффективности СЭП энергетических ГУ;
- создание методики расчета мощности СЭП энергетических ГУ с учетом конкретных условий;
- анализ возможностей повышения энергетической эффективности СЭП энергетических ГУ без концентрации излучения;
- разработка и выбор аппаратных средств реализации СЭП энергетических ГУ без концентрации излучения.
В данной работе поставленные задачи решаются в первую очередь для фотоэлектрических гелиоустановок наземного базирования без концентрации излучения. Но полученные результаты могут быть использованы в исследованиях электропривода других типов энергетических гелиоустановок.
Целесообразность использования солнечной энергетики в России
В США электрическую энергию можно продавать в сеть, причем сети покупают 1 кВт/час за 8 центов, а продают за 3 цента. В Германии активно реализуется вторая Программа создания «Солнечных крыш», покупателям альтернативных источников энергии выплачивается одноразовая компенсация. В Европе в ряде стран введен «экологический» налог в размере 10...30% стоимости нефти. Средства от налога планируется направить, в том числе и на финансирование новых проектов по экологически чистой энергетике. Европейский Союз объявил, что к 2020 году доля возобновляемой энергетики составит 20% от общего производства электроэнергии. Развивающиеся страны, испытывающие недостаток в национальных энергоресурсах также приобретают гелиоустановки в стратегических интересах. Выпуск солнечных элементов освоили ряд предприятий России и стран СНГ.
Большую ценность способ получения электричества путем преобразования энергии Солнца имеет для потребителей, удаленных от основных электросетей.
Формирование топливно-энергетического баланса страны осуществляется с опасным перекосом в направлении наращивания добычи и потребления невосполняемых углеводородных видов топлива (нефти и газа). Доля их добычи и потребления достигает 79,4% от количества всех производимых и потребляемых энергоресурсов. В результате суммарные ресурсы газа и нефти (по данным МПР России) за последние 7 лет сократились соответственно на 4,5% и на 15,7 процента [32]. Прирост разведанных запасов не компенсирует даже текущую их добычу. За этот период не открыто ни одного крупного месторождения. При сохранении существующих тенденций к 2050 году будет полностью исчерпана подготовленная за многие годы сырьевая база нефтедобычи и в значительной степени газодобычи. Россия утратит способность их самостоятельного восполнения. Долгосрочная стратегия развития топливно-энергетического комплекса, до 80% первичных энергоресурсов которого будут составлять невосполняемые запасы газа и нефти, в перспективе несет реальную угрозу энергетической безопасности России [32]. Аналогичная ситуация складывается во всем мире: в настоящее время 98% энергии дают ископаемые виды топлива [33]..
Ресурсы урана (по оценкам Минатома России) не обеспечивают долговременное функционирование российской атомной энергетики на действующих сегодня тепловых реакторах (открытый топливный цикл). Они позволят поддерживать возрастающий в соответствии с «Основными положениями энергетической стратегии России на период до 2020 года» уровень установленной мощности АЭС (до 30-33 млн. кВт) на тепловых реакторах (открытый топливный цикл) до 2055 года. В последующие годы их будет недостаточно для замещения выбывающих мощностей. Максимальный вариант развития атомной энергетики с выходом на установленные 52,6 млн. кВт мощности АЭС имеющимися ресурсами не обеспечивается. При этом уже к 2063 году ресурсы урана будут полностью исчерпаны [32].
Протяженность воздушных линий электропередачи напряжением 0,38-1150 кВ составляет 2,5 млн. км, кабельных линий напряжением 0,38-220 кВ -131 тыс. км. В электрических сетях эксплуатируются 17,6 тыс. электрических подстанций (напряжением 35 кВ и выше) общей установленной мощностью 609,1 млн. кВА. По данным Департамента электрических сетей РАО «ЕЭС России», износ основных фондов электрических сетей на 1 января 2001 г. составил в среднем 40%», под станционного оборудования - 63,4 процента. Оценки «Проектно-изыскательского и научно-исследовательского института по проектированию энергетических систем и электрических сетей «Энергосетьпроект» в значительной степени отличаются от оценок Департамента электрических сетей РАО «ЕЭС России». Исходя из них, до 2010 года замене подлежат силовые трансформаторы общей мощностью свыше 219 млн. кВА, реакторы (шунтирующие) общей мощностью 2,52 млн. кВА. Особенно велика потребность во всех видах оборудования для электрических сетей ПО и 220 кВ, являющихся основными распределительными сетями энергосистемы. Общие капиталовложения по реконструкции и техперевооружению воздушных линий и подстанций (ПО кВ и выше) оцениваются свыше 4,8 млрд. долл. США [32].
В районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири ежегодно завозится 6-8 млн. тонн жидкого топлива, 20-25 млн. тонн твердого [34, 35]. На завоз тратится больше половины бюджета этих территорий. Нехватка топлива зачастую ставит под угрозу жизнь людей, и государство вынуждено решать вопрос завоза топлива с помощью МЧС России. В этих районах проживает около 10 млн. человек.
В России наибольший теоретический потенциал, более 2000 млрд. тонн условного топлива, имеет солнечная энергия. На рис. 1.6 показано распределение продолжительности солнечного сияния по районам на территории России и ближнего зарубежья, а на рис. 1.7 — распределение среднего суммарного потока солнечной энергии [34]. Несмотря на такой большой потенциал в энергетической программе России вклад возобновляемых источников энергии определен в очень малом объеме. Значение солнечной энергетики сейчас и в ближайшем будущем рассматривается с точки зрения энергообеспечения рассредоточенных потребителей, удаленных от энергосетей и источников топлива. Между тем, есть основания предполагать, что использование солнечной энергии является серьезной альтернативой традиционной энергетике уже в настоящее время. Чтобы сравнивать различные энергетические технологии по экономическим и другим параметрам, необходимо определить их действительную стоимость, поскольку до настоящего времени ни в одной стране мира существенная часть стоимости производства энергии не отражается в тарифах на энергию, а распределяется на затраты всего общества.
Функциональная схема электроприЁода энергетической гелиоустановки без концентрации излучения
Основную нагрузку на электропривод гелиоустановки составляют силы трения в кинематической цепи и ветровая нагрузка. Мощность, поглощаемая силами трения в механических передачах, может, как минимум, в несколько раз превышать мощность на выходе кинематической цепи. Величина ветровой нагрузки зависит от многих факторов. Колебания ветрового потока — в целом достаточно трудно прогнозируемое возмущающее воздействие.
Все режимы следящего электропривода гелиоустановок можно разделить на две категории - рабочие режимы и вспомогательные. К рабочим относятся режимы слежения, реализуемые путем программного управления или автосопровождения. В программном управлении закон движения объекта слежения известен и рассчитывается заранее. "В режиме автосопровождения закон движения объекта неизвестен; получение сигнала управления связано непосредственно с объектом слежения. К вспомогательным режимам относят «переброс» исполнительного вала, «поиск» и «захват» объекта слежения. Вспомогательные режимы используются при подготовке гелиоустановки к работе при проведении профилактического обслуживания, для разворота с запада на восток после захода Солнца, для захвата цели в начале дня или после выхода Солнца из-за туч (если используется режим автосопровождения).
Элементы электропривода фотоэлектрических гелиоустановок должны допускать эксплуатацию во всем диапазоне температур, имеющих место в данном районе, защищены от атмосферных осадков и попадания влаги.
При решении вопросов о структуре электропривода необходимо учесть следующие требования: надежность; простота обслуживания; высокая степень автоматизации, предполагающая длительное время (месяцы) эксплуатацию гелиоустановки без вмешательства человека; обеспечение допустимых точностных показателей; ограничение ударных нагрузок в силовой части привода; минимальные капитальные затраты; энергосбережение; защита от предельных ветровых нагрузок. Основные особенности электроприводов гелиоустановок обусловлены малыми скоростями перемещения рабочего органа. Наибольшая скорость слежения за движением Солнца на широте 40 составляет 50/час=2,4-10"4 рад/с. Передаточные отношения і электропривода достигают десятки и сотни тысяч в зависимости от выбранной структуры и системы координат. Чтобы оценить мощность требуемого исполнительного двигателя, на практике можно пользоваться эмпирической зависимостью - 10 Вт мощности электродвигателя на 1000 Вт выходной электрической мощности гелиоустановки в режиме непрерывного слежения за Солнцем. Для реализации вспомогательных режимов такой мощности не достаточно. Тем не менее, даже для достаточно больших гелиоустановок, используются двигатели малой мощности, у которых, как правило, электромагнитная постоянная времени во много раз меньше электромеханической постоянной времени. Таким образом, двигатель представляет собой апериодическое звено второго порядка с существенным запасом по динамической устойчивости. Следящий электропривод энергетической гелиоустановки без концентрации лучистого потока достаточно выполнить одноконтурным, с обратной связью по положению.
Механическую часть гелиоустановки можно считать двухмассовой системой. Частота свободных колебаний оказывается не высокой и может составлять 1...2 Гц [47]. Резонансные частоты, фазы, и амплитуды колебаний, возникающие в механической части мало зависят от параметров двигателя. Как правило, в энергетических гелиоустановках отсутствует необходимость в дополнительной коррекции по снижению колебательности. Вопрос о применении люфтокомпенсирующих устройств в механической части привода решается по результатам расчета ударных нагрузок.
Во всех режимах требуется одинаковый крутящий момент на выходном валу. Таким образом, регулирование скорости уменьшением магнитного потока не целесообразно. Применение коробки скоростей также не оправдывает себя. В результате, возникает необходимость проектировать электропривод, сопоставляя номинальную скорость двигателя скорости перемещения установки во вспомогательных режимах; при этом предполагается, что рабочие режимы непрерывного слежения будут осуществляться при скоростях, значительно меньших номинальной. В связи с этим представляется более рациональным применение релейного электропривода, реализующего пошаговый режим слежения.
Функциональная схема следящего релейного электропривода для системы наведения энергетических гелиоустановок без концентрации излучения представлена на рис.2.1.
Датчик рассогласования ДР, который механически жестко связан с фотоприемником формирует сигнал напряжения, зависящий от угла рассогласования между оптической осью фотоприемника и направлением на Солнце. Основной характеристикой датчика является пеленгационная характеристика, отражающая зависимость выходного напряжения датчика от угла падения лучистого потока 8. Пример пеленгационной характеристики приведен на рис.2.2. В общем случае пеленгационная характеристика состоит из трех зон: зоны нечувствительности, линейной зоны, и зоны насыщения (характеристика 2); в частном случае зона нечувствительности может отсутствовать (характеристика 1).
Сигнал с датчика рассогласования поступает на релейный регулятор РР, который управляет силовым блоком. Двигатель через редуктор Р передает на исполнительный механизм ИМ крутящий момент. Причем механическая связь между исполнительным механизмом и выходным валом редуктора является упругой.
Исследование потерь энергии фотопреобразователя энергетических гелиоустановок при переходе от непрерывного к шаговому режиму. Определим потери энергии и мощности фотопреобразователя при переходе от непрерывного к шаговому режиму за один период, который в свою очередь. состоит из двух интервалов времени: когда установка неподвижна и Солнце движется с некоторой скоростью сос, и когда установка движется со скоростью сош, совершая шаг.
Расчет вращающего ветрового момента, действующего на плоский фотоприемник гелиоустановки
Однако нужно отметить, что, как правило, момент короткого замыкания существенно превышает номинальный момент двигателя и если, вследствие механических колебаний и высокой ветровой нагрузки двигатель входит в режим короткого замыкания, то, очевидно, это может привести к отказу работоспособности системы. Кроме того, в результате появления постоянной составляющей Мд0, несколько изменяются значения потерь"мощности в двигателе и механической части привода. Момент ветровой нагрузки Ма принят не изменяющимся с течением времени. Но фактически ветровой поток очень динамичная система. Ветер совершает флюктуации с разными частотами и амплитудами. В этом случае Мв можно считать средним значением ветровой нагрузки, а переменную составляющую интерпретировать как «добавку» к моменту Ma[t]. Форма кривой Ma[t] в процессе рассуждений не оговаривалась, поэтому колебания ветрового момента качественно не вносят ошибки в полученные результаты. Но, строго говоря, такие механические колебания, возникающие в системе называть только упругими нельзя.
Одним из принятых допущений являлось пренебрежение инерционностью двигателя. В общем случае учет инерции двигателя требует более сложных математических выкладок, однако, математический анализ показывает, что сделанное допущение не приводит к качественной ошибке в полученных результатах, а при значениях Тм, характерных для привода гелиоустановок - не приводит и к сколько-нибудь значительной количественной ошибке.
В целом, механические колебания приводят к значительной дополнительной потере мощности в двигателе, которая при неблагоприятном стечении обстоятельств может достигать порядка 20% — 30% номинальных потерь в двигателе. При расчетах мощности двигателя по приведенным в настоящей главе формулам целесообразно учитывать это коэффициентом запаса К3=1,05...1,3.
Основную нагрузку на электропривод составляют силы трения в кинематической цепи и ветровая нагрузка. Давление ветрового потока сильно изменяется во времени, совершает флуктуации с различной частотой и амплитудой. Очевидно, что перемещение (шаг) целесообразно совершать, когда нагрузка минимальна. С этой целью предлагается контролировать действие ветра на установку с помощью датчика на выходе кинематической цепи. Отметим, что расчет мощности двигателя, предложенный в настоящей главе проводится для наиболее неблагоприятных ветровых нагрузок. Однако вероятность стечения неблагоприятных факторов на ограниченном интервале времени на практике может оказаться очень не высока. Контроль ветровой нагрузки дает возможность значительно снизить мощность двигателя на этапе проектирования, предполагая, что если ветровая нагрузка все же окажется близка к значениям, полученным по выражениям (3.15) и (3.18), то двигатель отключится, и включится вновь только после того, как ветровая нагрузка снизится до определенного предела.
Анализ динамики системы показывает, что флуктуации ветра, даже при отсутствии постоянной составляющей давления ветрового потока, могут привести к достаточно большим потерям мощности в электродвигателе. Таким образом, возникает задача контроля некоторого среднего эффективного значения ветровой нагрузки с учетом особенностей динамики системы. Для этой цели на выходе с датчика предполагается использовать блок преобразования сигнала, в состав которого входит звено, по определенному закону усредняющее модуль информационного сигнала с датчика на интервале времени Ті. Время Ті может составлять от нескольких секунд до нескольких минут. Функциональная схема предлагаемого электропривода представлена на рис.3.17. При снижении сигнала Unp на выходе с блока преобразования до некоторого значения Uo выдается команда разрешения на совершение шага, а при повышении его до некоторого уровня Uoi подается команда на вынужденное отключение двигателя. Очевидно, что величина снижения мощности, равно как и пороговые значения Uo и Uoi должны выбираться для конкретной местности, с учетом метеорологических исследований и расчетов. На рис.3.18 показан пример колебаний выходного сигнала с блока преобразований Unp; в результате сравнения величины Unp с уровнями Uo и Uoi формируется команда разрешения или запрета на совершение шага.
Флуктуации ветра в целом имеют стохастическую природу. Но с другой стороны, ветровой поток - очень динамичная система, и особенности рельефа в ряде случаев могут оказывать существенное влияние на амплитудно-частотную характеристику флуктуации. Вопросам динамики ветрового потока посвящено много исследований, результаты которых отражены, в частности, в [53], [54], [55], [56], [57]. Иногда для определенной местности характерны определенные частоты флуктуации, что связано с наличием рельефных возвышенностей в непосредственной близости. И в этом случае, при оптимизации предложенного способа автоматического управления можно добиться существенного эффекта энергосбережения.
Для этого предлагается пороговые уровни Uo и Uoi поставить в зависимость от угла рассогласования между оптической осью фотоприемника и направлением на Солнце, и эта зависимость может быть как дискретной, так и задана непрерывной функцией. Значения Uo и Uoi должны корректироваться конкретно, в процессе эксплуатации.
Описание узла стабилизации тока и напряжения аккумуляторной батареи
Для исследования возможности реализации предложенного способа снижения мощности электродвигателя создан макет электропривода гелиоустановки, внешний вид которого представлен на рис. 4.18. Созданный макет электропривода не является полномасштабным макетом и спроектирован в наиболее простом варианте. Электропривод изготовлен в нереверсивном исполнении и рассчитан на применение исполнительного двигателя, мощностью до 10 Вт и номинальным напряжением питания 12В. На рис.4.19 представлена принципиальная схема системы электропривода и автоматики. При разработке электропривода использованы схемотехнические решения, описанные в [69] и других литературных источниках. В систему входит два канала обратной связи: канал слежения за Солнцем и канал датчика момента (соответственно операционные усилители А 1.1 и А 1.2).
Канал слежения за Солнцем содержит два включенных встречно-параллельно фотодиода D1 и D2, разностный сигнал с которых поступает на вход операционного усилителя А 1.1. Как только ток фотодиода D1 превысит ток фотодиода D2 на некоторое пороговое значение, напряжение на выходе операционного усилителя А 1.1 меняет знак от -12В до + 12В. В данном конкретном случае пороговое значение фототока задано резистором R3, и приблизительно составляете мкА. Сигнал, усиленный транзистором VT1, через резистор R11 открывает транзистор VT2, и на исполнительный двигатель поступает напряжение питания. Вращение солнечной батареи приводит к выравниванию токов через фотодиоды D1 и D2, после чего сигнал с выхода операционного усилителя А 1.1 становится равным нулю и двигатель отключается от питания 12В.
Канал датчика момента включает в себя тензоэлемент ТД, подключенный к входам операционного усилителя А 1.2 по мостовой схеме. Напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя, А1.2 задано регулируемым делителем напряжения R3, R9, R10, что позволяет регулировать максимальный момент отключения канала слежения за Солнцем Если момент на валу исполнительного вала мал, на выходе операционного усилителя А 1.2 напряжение близко к 12В и не оказывает влияния на работу канала слежения за Солнцем. При сильном ветре, создающем крутящий момент на выходном валу, сопротивление датчика возрастает, напряжение на выходе операционного усилителя А 1.2 становится близким к нулю и через диод VD1 и резистор R5 поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя А 1.1. Это приводит к запиранию транзисторов и отключению исполнительного двигателя независимо от освещенности датчиков.
Для снижения влияния помех, а также исключения , работы силового транзистора VT2 в усилительном режиме, оба операционных усилителя охвачены положительной обратной связью через резисторы и работают в режиме триггера Шмитта.
Цель эксперимента - определить возможность использования предложенного способа снижения мощности двигателя. Как видно по рис. 4.18 выходной вал кинематической цепи гелиоустановки имитирует пластиковая трубка. На нее под углом 45 наклеен фольговый тензометрический датчик типа LY41-10/120. Для исключения влияния возмущающих воздействий, пороговый уровень срабатывания установлен для достаточно больших углов закручивания. На практике, скорее всего, понадобятся уровни срабатывания для значительно меньших углов рассогласования, и в этом случае потребуется более тщательный подход к монтажу датчика, а также разработка другой принципиальной схемы электропривода, гарантирующую высокую чувствительность.
В процессе эксперимента пластиковая трубка подвергалась деформациям кручения, при останове вращения двигателя оценивался угол закручивания. Затем величина деформация медленно снижалась. Когда вал электродвигателя начинал вновь вращаться, снова оценивался угол закручивания. В ходе эксперимента обозначилась следующая проблема: пластиковая трубка одновременно с упругой деформацией подвергается и пластической деформации. Кроме того, при восстановлении упругой деформации существует определенное время релаксации, в течение которого при отсутствии деформирующих моментов кручения, уменьшается величина упругой деформации.
Результаты эксперимента представлены на рис.4.20. Таким образом, эксперимент подтвердил возможность практической реализации предложенного способа снижения мощности двигателя. 1. Испытания разработанной системы ориентации реальных гелиоустановок показала приемлемость предложенной методики выбора мощности электродвигателя. 2. Разработаны и реализованы принципиальные схемы системы электропривода и автоматики для действующих гелиоустановок. Испытательная эксплуатация гелиоустановок показала, что разработанные схемы отвечают требованиям надежности и высокой степени автоматизации. 3. Разработанный датчик рассогласования с расширенной пеленгационной характеристикой использован в реальных гелиоустановках. 4. Экспериментальные исследования на созданном макете электропривода гелиоустановки подтвердили возможность практической реализации предложенного способа снижении мощности электродвигателя.
