Актуальность темы
В современном мире все острее встает проблема производства и передачи электрической энергии. Природное топливо для тепловых электростанций дорого и при этом не слишком эффективно, а продукты сгорания загрязняют окружающую среду. Кроме того, в результате все повышающейся интенсивности добычи под действием потребительского спроса, ресурсы углеводородов в недрах планеты стремительно истощаются. Основной проблемой атомной энергетики является вопрос утилизации радиоактивных отходов. Да и риск аварии ядерного реактора хоть и минимален, но все же существует, при том, что последствия подобной аварии катастрофичны.
Вот почему альтернативная энергетика повсеместно приобретает все большую популярность и значимость. Среди альтернативных источников энергии солнечные батареи зарекомендовали себя как высокоэффективные и экологически чистые устройства для получения электрической энергии. К преимуществам данной технология можно отнести ее относительно дешёвую себестоимость и неограниченность источника энергии – солнечного света, что можно охарактеризовать как возобновляемость
Во многих странах мира ведутся разработки проектов по повышения эффективности солнечных электростанций, в том числе и с привлечением значительных объемов бюджетных средств. Мировыми лидерами в использовании энергии солнца являются Германия и Италия. В России солнечные панели часто используются для обеспечения электроэнергией загородных домов как альтернатива централизованному энергоснабжению.
В связи с все возрастающей востребованностью солнечных батарей возникает проблема их наиболее эффективного использования. Один из способов повышения эффективности заключается в управлении поворотом солнечной батареи в направлении максимальной освещенности, то есть организация слежения за перемещением Солнца по небосводу
Само название «солнечная батарея» подразумевает, что устройство поглощает свет Солнца и других источников излучения и преобразует поглощённую энергию в электрический ток. Преобразование энергии света происходит непосредственно в фотоэлементе, который представляет собой кусок полупроводника – вещества, в обычном состоянии являющегося диэлектриком, и начинающего проводить электрический ток при определенных условиях: повышении температуры, наличии примесей, воздействии излучения и т.д. Физический принцип работы фотоэлемента заключается в явлении внутреннего фотоэффекта, когда электроны полупроводника, поглощая фотоны внешнего излучения, становятся
свободными и под действием внешнего электрического поля (приложенной к фотоэлементу разности потенциалов) образуют электрический ток.
Полупроводники достаточно распространены в природе, это химические элементы германий, кремний, теллур, селен, мышьяк, оксиды металлов, сульфиды, Современный уровень технологии позволяет получать сложные полупроводниковые соединения, а также некоторые сплавы металлов с сурьмой.
Одним из самых распространенных в природе и эффективных полупроводников является кристаллический кремний, из этого элемента производится более 90% всех солнечных панелей. Фотоэлектрическая ячейка состоит из двух полупроводниковых пластин с различными типами проводимости: например, в верхней пластине присутствует избыток электронов n-проводник, в нижней недостаток электронов p-проводник. Таким образом между двумя пластинам образуется так называемый pn- переход. В результате фотоэффекта свободные высокоэнергетичные электроны верхней пластины начинают перемещаться в направлении второй пластины с недостатком электронов. К каждой пластине подсоединяются проводники, замыкающие цепь. Солнечная панель состоит из множества фотоэлектрических ячеек, скрепленных между собой и закрепленных на основании - подложке, которая может быть, как гибкой, так и жесткой.
Однако сложность создания солнечной панели заключается в том, что в чистом виде кремний практически не встречается и сначала его необходимо выделить из породы, а затем расположить кристаллы в одном направлении для повышения эффективности фотоэлектрического преобразования.
Эффективность фотоэлементов, созданных при помощи монокристаллического метода нанесения кремния, является существенно выше, поскольку в такой ситуации кристаллы кремния имеют меньше граней, что позволяет электронам двигаться прямолинейно.
Известно, что максимальную эффективность от солнечной панели можно получить, если располагать ее поверхность перпендикулярно по отношению к лучам Солнца. На практике поворот солнечного элемента в течение всего дня может повысить КПД батареи примерно в половину. Таким образом, солнечную панель необходимо постоянно ориентировать по направлению движения светила. Оптимальный угол падения солнечных лучей — 90°. Именно трекер и обеспечивает такой угол наклона, поворачивая плоскость солнечной батареи в нужном направлении.
Еще одно преимущество устройства является следствием первого. Из- за того, что эффективность отдельной солнечной панели увеличивается, и производительность электрической энергии возрастает примерно в два раза, количество панелей в солнечной батарее, необходимых для выработки заданной мощности уменьшается. К тому же сама поворотная батарея может обладать меньшим фотоэлементом, чем при стационарном способе. Все это экономит большие материальные средства. Таким образом, использование трекера позволит уменьшить затраты на монтаж дополнительных пассивных панелей, и не загромождать дополнительную территорию.
Разработка схемы управления
Электронная часть трекера регулирует моменты времени и углы поворота и наклона трекера, по которым действует поворотное устройство, поворачивающее солнечные батареи в положение с максимумом освещенности.
Моменты времени при повороте трекера, в которых достигается максимум освещенности, определяется из условия равновесия плеч транзисторно-диодного моста, при котором в плате отсутствует ток, приводящий в действие поворотные сервоприводы. Этот метод подключения позволяет преобразовывать ток силой до 0,5 А с напряжением от 6 до 15 В.