Разработка принципиальной схемы системы управления солнечным гелиостатом

Введение

Энергия солнца является источником жизни на нашей планете. Именно от энергии солнца нагревается воздух, земля, океаны и моря, дует ветер, идет круговорот воды в природе, растут растения, а следовательно и существует весь животный мир. Именно благодаря солнечному излучению на планете имеются ископаемые виды топлива.

Солнечная энергия является источником энергии для циркуляции воздушных и водных масс на нашей планете.

Солнце испаряет влагу с поверхностей океанов, морей , рек, почвы. Ветром влага переносится в другие районы земного шара и выпадает в виде осадков. Таким образом, солнце является источником энергии для гигантского круговорота воды на земном шаре.

Энергия солнца, попадая на растения является источником энергии для прохождения в них фотосинтеза, что определяет рост и развитие растения. Растения и тепло получаемое от солнца является источником жизни для все живых существ.

Таким образом солнечная энергия является первичной энергией, которая в дальнейшем переходит в другие виды энергии.

Солнечное тепло можно собирать разными способами. Современные технологии включают параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала, гелиоэнергетические установки башенного типа.

Рисунок 1- солнце

Повышение эффективности солнечного коллектора прежде всего заключается в устойчивом повышении температуры нагреваемой жидкости выше температуры кипения. Для этого обычно применяется концентрация солнечной энергии на коллекторе с помощью зеркал. Именно такой принцип лежит в основе большинства солнечных электростанций, различия заключаются лишь в количестве, конфигурации и размещении зеркал и коллектора, а также в методах управления зеркалами. В результате в точке фокусировки вполне возможно достижение температуры даже не в сотни, а в тысячи градусов, - при такой температуре уже может происходить прямое термическое разложение воды на водород и кислород (полученный водород можно сжигать ночью и в пасмурные дни)!

К сожалению, эффективная работа подобной установки невозможна без системы управления зеркалами-концентраторами, которые должны отслеживать постоянно изменяющееся положение Солнца на небе. В противном случае уже через несколько минут точка фокусировки покинет коллектор, который в таких системах часто имеет весьма небольшие размеры, и нагрев рабочего тела прекратится. Даже использование зеркал-параболоидов решает проблему лишь частично - если их периодически не доворачивать вслед за Солнцем, то через несколько часов оно уже не будет попадать в их чашу или станет освещать лишь её край - толку от этого будет немного.

Перенаправление солнечного излучения с помощью зеркал может повысить и выработку фотоэлектрической батареи. Но при этом возрастает её нагрев, а он может вывести батарею из строя. Такие устройства концентрируют солнечную энергию при помощи линз и рефлекторов. Большие зеркала - с точечным либо линейным фокусом - концентрируют солнечные лучи до такой степени, что вода превращается в пар, выделяя при этом достаточно энергии для того, чтобы вращать турбину.

Как было выявлено ранее, при исследовании гелиосистем в рамках предыдущих курсовых проектах, наиболее эффективной системой гелиоустановки является система, состоящая из концентратора солнечной энергии, приемного коллектора и устройства для ориентации концентратора перпендикулярно солнечному излучению. На основании этих данных была разработана принципиальная схема гелиостата-концентратора показанного на рисунке 2. Гелиостат концентратор состоит из опорной стойки 1, на которой установлен поворотный механизм 2, к нему через поворотный механизм 3, крепится рама концентратора 6, на раме концентратора закреплены зеркала, рама имеет вогнутый параболический профиль, что обеспечивает при попадании на зеркала солнечного света, отражение последнего и его концентрирование на приемном коллекторе 4, установленного в фокусе концентратора. Поворотные механизмы 2 и 3 состоят из поворотного шарнира и мотор-редуктора. Поворотные механизмы 2 и 3 обеспечивают поворот концентратора во вкруг вертикальной и горизонтальной оси соответственно. К раме концентратора прикреплен приемный коллектор 4.

Рисунок 2- принципиальная схема гелиостата.

В результате дальнейшей работы была спроектирована гелиоустановка концентраторного, тарельчатого типа с применением механизма ориентирования. В качестве концентратора использован параболический рефлектор с закрепленными на нем зеркалами, общая площадь концентратора 12 м², полезная площадь 11,1 м² . В качестве приемного коллектора применен стандартный тепловой коллектор SC-0,25, с приемной площадью 0,25 м². В качестве привода устройства ориентирования концентратора применены мотор-редукторы SF8156. Данная установка планируется использоваться для отопления жилых помещений в зимнее время года. Для её функционирования необходимо спроектировать систему управления. Функцией системы управления является направлением гелиостата перпендикулярно потоку солнечного излучения, посредством подачи соответствующих сигналов на электродвигатели.

Рисунок 3- положение гелиостата относительно солнечных лучей.

Данными для проектирования системы управления будут характеристики управляемых двигателей. Как говорилось ранее в качестве электропривода гелиостата использованы два мотор-редуктора SF8156. Характеристики данного мотор-редуктора представлены ниже.

Характеристики электродвигателя

·              Мощность - 250Вт

·              Напряжение питания - 24В

·              Скорость холостого хода - 2200 Об/мин

·              Номинальная скорость - 1830 Об/мин

·              Номинальный ток -10,4А

·              Крутящий момент двигателя (без редуктора) - 6,6кг*см

·              Режим работы - продолжительный

·              Передаточное отношение редуктора - 180

·              Крутящий момент 70 н*м

·              Скорость 10 об/мин.

Рисунок 4- общий вид мотор-редуктора SF8156

гелиостат концентратор солнце

1. Выбор принципиальной схемы системы управления

Предварительная принципиальная схема системы управления представлена на рисунке 5.

Рисунок 5- схема системы управления

Источник питания, преобразует сетевое напряжение 220 вольт, 50 герц в напряжение питания электродвигателей- 24 вольта постоянного тока и напряжение необходимое для питания блока управления. Блок управления отслеживает положение солнца на небосводе и положения гелиостата относительно солнца, и управляя электродвигателями обеспечивает такое положение гелиостата, при котором солнечные лучи падают перпендикулярно приемному коллектору.

. Выбор компонентов системы управления

В качестве блока управления используем: устройство слежения за солнцем 01ARX1. Технические характеристики устройства представлены в таблице 1.

Таблица 1- технические характеристики 01ARX1

Рисунок 6- диаграмма установки 01ARX1.

Рисунок 7 - диаграмма подключения 01ARX1.

Данная система позволяет:

o   Получение на 35-45% больше энергии в сравнении с фиксированной системой

o   Отслеживание от восхода до заката

o   GPS для местоположения/времени

o   Фотодетектор для лучшего слежения

o   Две оси слежения

o   Низкое энергопотребление в режиме ожидания

Так как максимальный ток на выходе устройства 01ARX1 составляет 4 А, а для питания каждого электродвигателя необходимо ток равный 10 А, необходимо установить усилитель тока см рисунок 8.

Рисунок 8- электрическая схема с усилителем тока. (На рисунке показан один электродвигатель, схема подключения второго аналогична)

Данный блок состоит из 4-х диодов и двух электромеханических реле. Принцип действия данного блока продемонстрирован на рисунке 9 и 10. В состоянии когда солнечный коллектор ориентирован перпендикулярно солнечным лучам, на выходе блока управления 01ARX1 напряжение отсутствует, состояние усилителя тока представлено на рисунке 9.

Рисунок 9 -схема усилителя тока.

В случае если положение коллектора меняется, условно примем что он повернут на восток относительно солнца, блок управления выдает сигнал определенной полярности см. рисунок 10 А. Электрический ток проходит через катушку электромеханического реле К 2, при этом контакты реле К 2.1 замыкаются, электрический ток проходит к электродвигателю как показано на рисунке 10 А. Электродвигатель включается и поворачивает концентратор на запад, до тех пор пока концентратор не достигнет положения перпендикулярного солнечным лучам. По достижении заданного положения , на выходе блока управления образуется нулевое напряжение. При этом катушка реле К 2 отключается и размыкает контакты К 2.1 в следствии чего двигатель останавливается.

Если коллектор повернут на восток относительно солнца, блок управления выдает сигнал ругой полярности, чем в предыдущем случае см. рисунок 10 Б. Электрический ток проходит через катушку электромеханического реле К 1, при этом контакты реле К 1.1 замыкаются, электрический ток проходит к электродвигателю как показано на рисунке 10 Б. Электродвигатель включается и поворачивает концентратор на восток, до тех пор пока концентратор не достигнет положения перпендикулярного солнечным лучам. По достижении заданного положения , на выходе блока управления образуется нулевое напряжение. При этом катушка реле К 1 отключается и размыкает контакты К 1.1 в следствии чего двигатель останавливается.

Рисунок 10-принцип действия релейного усилителя тока

Проведем подбор элементов усилителя тока:

электромеханические реле должны быть рассчитаны на ток в цепи контактов не менее 15 А и напряжение не меньше 24 В. Управляющее напряжение 24 В. По эти данным подбираем электромеханическое реле 14F2 (845) 24VDC 16A. Напряжение питания данного реле 24 В. Максимальный ток через контакты 16А, напряжение 30В.

Рисунок 11- электромеханическое реле 14F2 (845) 24VDC 16A

диоды должны быть рассчитаны на напряжение не менее 24 В и ток не мене 4 А. По этим данным подбираем диод 1.5 KE100A (1500Вт 100В) DO27. Максимальный ток диода 15А, напряжение 100 В.

Рисунок 12- диод 1.5 KE100A (1500Вт 100В) DO27.

Данный блок усилителя тока состоит из двух частей показанных на рисунке 9. Одна из двух частей включается в цепь управления одним электродвигателем, другая-другим. Электромеханические реле и диоды монтируются на плату. Внешний вид блока усилителя тока показан на рисунке 13.

Рисунок 13- блок усилителя тока.

Так как устройство слежения за солнцем 01ARX1 имеет напряжение питания 24 вольта постоянного тока так же как и исполнительные электродвигатели, можно выбрать источник питания с напряжением на выходе 24 вольта постоянного тока. Необходимая мощность данного источника питания будет складываться из потребляемых мощностей 2-х электродвигателей SF8156 , устройства 01ARX1, электромеханических реле 14F2 (845) 24VDC 16A. Так как потребляемый мощности устройства 01ARX1и электромеханических реле 14F2 (845) 24VDC 16A. малы по сравнению с потребляемой мощностью электродвигателей, то расчет мощность источника питания можно вести по суммарной мощности 2-х электродвигателей, Р_ист=250+250=500 Вт. По мощности 500 Вт и необходимому напряжению 24 В. выбираем источник питания H1000S24.

Стабилизированные, нерегулируемые источники питания H1000S24 предназначены для преобразования сетевого напряжения 220В 50Гц в стабилизированное постоянное напряжение 24В. Источники питания используются - для питания приводов постоянного тока: коллекторных двигателей, шаговых приводов, бесколлекторных двигателей, а также для других устройств и приборов.

Предлагаемые источники питания постоянного тока состоят из сетевого трансформатора, стабилизаторов и схем электронной защиты. На передней панели блока расположены клеммы для подключения нагрузки и сетевого напряжения 220В.

Источники питания имеют схему электронной защиты от перегрузок, короткого замыкания и высокого напряжения.

Рисунок 14- источник питания H1000S24.

Таблица 2- Характеристики источника питания H1000S24.

3. Разработка принципиальной схемы и схемы установки системы управления

На основании выше сказанного можно построить принципиальную схему системы управления гелиостатом см. рисунок 15. и схему установки см. рисунок 16

Рисунок 15- принципиальная схема системы управления гелиостатом.

Рисунок 16- схема установки элементов системы управления гелиостатом.

Вывод

В ходе данной работы была выбрана принципиальная схема системы управления солнечным гелиостатом, произведен выбор блоков, составляющих данную систему, и выбор электрокомпонентов, входящих в блоки системы. Разработана принципиальная схема системы управления и схема установки элементов системы управления. Система управления состоит из блока управления 01ARX1, данный блок, на основании датчиков: фотодетектора и GPS ресивера подает управляющие сигналы на электродвигатели, обеспечивая такое положение гелиостата, при котором солнечные лучи попадают на его поверхность под прямым углом. Усилитель тока служит для усиления сигнала подаваемого блоком управления на электродвигатели. Источником питания служит блок H1000S24. Источник питания, блок управления, усилитель тока, и GPS ресивер монтируются в электрический шкаф, фотодетектор монтируется на подвижную часть гелиостата. Данная система позволяет увеличить выработку гелиостата на 35-45% по сравнению с стационарными гелиостатами.