П.В. Захаров к. физ.-мат. наук, ст. преподаватель кафедры

П.В. Захаров
к. физ.-мат. наук, ст. преподаватель кафедры физики и информатики
С.Ю. Колосков
студент 4 курса ФТиППО группа Т-ПРОИ101
А. Ю. Сабельфельд
студент 4 курса ФТиППО группаТ-ПРОА101
ФГБОУ ВПО «АГАО» имени В.М. Шукшина (г. Бийск, Россия)
ТЕХНОЛОГИЯ СБОРКИ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ И
УПРАВЛЕНИЕ МАЛЫМИ СОЛНЕЧНЫМИ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯМИ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРА
Роль альтернативных источников энергии в мире неуклонно
возрастает. Россия, не смотря на большой запас природных ресурсов,
таких как нефть, газ, уголь и другие полезные ископаемые, несомненно,
должна стремиться к развитию этой отрасли энергетики.
Без использования современных технологий в производстве
солнечных электростанций и в управлении ими невозможно получить
максимальную эффективность и производительность.
В данной работе рассмотрены технологии сборки портативных
солнечных
электростанций
на
основе
фотоэлектрических
преобразователей (ФЭП) из поликристаллического кремния в бытовых
условиях, а также обсуждается возможность управления такими и более
крупными электростанциями с помощью персонального компьютера для
наведения СБ на солнце.
Сборка портативной складной солнечной батареи в бытовых условиях
включает в себя первоначальное проектирование панели, пайку
элементов, создание каркаса, выбор прозрачного защитного слоя и
объединение комплектующих в единое целое – портативную солнечную
батарею (СБ).
Рассматриваемая батарея состоит из 6 панелей, содержащих по 6 ФЭП
(всего 36), общей мощностью 65 Ватт. Все они должны быть соединены
последовательно.
Расстояние
между
соседними
пластинами
рекомендуется выдерживать в диапазоне от 2 до 3 мм.
Процесс пайки одной панели из 6 ФЭП включает следующие этапы: к
лицевой стороне одного элемента напаивается проводники (медная
луженная шина) длиной 160 мм, далее берем вторую пластину и
переворачиваем вместе с первой. Делаем напуск проводников с первой
пластины на вторую так, чтобы шины пересекали места пайки. Третий
элемент припаиваем аналогично. Следующая цепочка элементов
собирается по такой же схеме. На крайних пластинах должен быть
напуск проводника. Для последовательного соединения двух цепочек из
трех элементов поворачиваем одну из них на 180 градусов относительно
другой и к выводам припаиваем одну общую широкую шину. К выводам
первой и последней пластин припаиваем проводники для
последовательного соединения со следующей группой элементов.
В основе каркасной конструкции использовался пластик, а закрывает
пластины с лицевой части стекло, толщиной 2 мм. Основание для панели
вырезаем больше стекла на 1см с каждой стороны, которое в свою
очередь немногим превышает размер спаянных пластин. Чтобы пластины
не сломались при монтаже, фиксируем их скотчем к стеклу. Далее к
выводным шинам припаиваем провода и делаем отверстия в подложке
для их вывода. Положив на основание стекло выравниваем его и у края
стыка герметизируем. Производим проклейку элементов каркаса
отдельной ячейки, закрепляя таким образом пластины и защитное стекло.
Созданную батарею возможно использовать, как отдельно, так и в
сочетании с системой наведения на солнце, что повышает эффективность
ее работы в течении суток.
Использование персонального компьютера позволяет управлять
системой слежение за солнцем для солнечной батареи (СБ) в зависимости
от текущих условии. Так возможно ручное управление, выполнение
заранее заданного алгоритма или поведение в зависимости от показаний
датчиков освещенности.
Для реализации описанной системы на данный момент
целесообразнее применять управляющие системы, подключаемые к
компьютеру через USB порт, т.к. он имеются практически на всех
персональных компьютерах.
Для реализации данной системы нами использовалась макетная плата
AVR-USB-MEGA16, включающая в себя микроконтроллер ATmega32А
оснащенный загрузчиком – bootloadHID, тактовую частоту 12 МГц,
разъем MINI USB, 22 свободных линий ввода/вывода. Питание платы
осуществляется от 5 вольт шины USB. Загрузчик – bootloadHID
позволяет многократно прашивать или перепрашивать микроконтроллер
с помощью USB порта, что отбрасывает надобность в программаторе или
в каком либо переходнике [5].
В микроконтроллере ATmega32А используется пакет V-USB,
разработанный компанией Objective Development Software GmbH. Пакет
распространяется по лицензии GPL. Для удобства разработки ПО
используется свободная библиотека libusb-win32 для операционных
систем Windows. Библиотека поставляется также по лицензии GPL [5].
В качестве силовой установки для поворота СБ за солнцем нами
использовался шаговый двигатель. Выбор шагового двигателя
обусловлен рядом его особенностей, которые наиболее подходят для
системы слежения за солнцем, перечислим некоторые из них [4]:
 Угол поворота ротора определяется числом импульсов, которые
поданы на двигатель;
 Двигатель обеспечивает полный момент в режиме остановки;
 Повторяемость. Шаговые двигатели имеют точность 3-5% от
величины шага. Эта ошибка не накапливается от шага к шагу;
 Возможность быстрого старта/остановки/реверсирования;
 Высокая надежность, связанная с отсутствием щеток, срок
службы шагового двигателя фактически определяется сроком службы
подшипников;
 Однозначная зависимость положения от входных импульсов
обеспечивает позиционирование без использования обратной связи;
 Возможность получения очень низких скоростей вращения для
нагрузки, присоединенной непосредственно к валу двигателя без
редуктора;
 Низкая стоимость (по отношению к сервоприводам).
Подключение шагового двигателя возможно к плате AVR-USBMEGA16 напрямую, если двигатель питается от напряжения 5 вольт. В
противном случае необходимо оснащать соединение силовым модулем
или подключать через драйвер шагового двигателя (плата). Причем для
каждого вида двигателя необходимо использовать свой модуль или
драйвер.
Использование компьютера и солнечных батарей изготовленных в
бытовых условиях позволяет существенно снизить стоимость таких
установок для рядового потребителя в условиях рынка РФ, к тому же
автоматическое управление такой системой существенно (до 30%)
повысит ее эффективность.
Литература:
1. Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами
[Текст]: / Т. Байерс; Пер. с англ. – М.: Мир, 1988. – 197 с., ил.
2. Саврасов Ф.В. Исследование параметров складной
солнечной батареи при искусственном освещении / Ф.В.
Саврасов // Электроника, измерительная техника, радиотехника
и связь: доклады ТУСУРа, № 2 (26), часть 1 (Томск, декабрь
2012). – Томск, 2012. – 4 с.
3. Солнечная энергетика [Текст]: Учебное пособие для
вузов / Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А.,
Малинин Н.К.; Под ред. В.И.Виссарионова. – М.: Издательский
дом МЭИ, 2008. – 371 с.
4. Энциклопедию компании Purelogic RnD [Электронный
ресурс]: Устройство и управление шаговым двигателем. – режим
доступа:
http://wiki.purelogic.ru/index.php?title=%D0%A3%D1%81%D1%82
%D1%80%D0%BE%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE
_%D0%B8_%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%
BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D1%88%D0%B0%D
0%B3%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%BC_%D0%B4%D0%B2
%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B
5%D0%BC
5. Microsin.net [Электронный ресурс]: Макетная плата
AVR-USB-MEGA16. –
режим
доступа:
http://microsin.net/programming/AVR/avr-usb-mega16.html.