Механізми автоматизації сонячних батарей як основи сучасного міста

Размещено на http://www.allbest.ru/

МЕХАНІЗМИ АВТОМАТИЗАЦІЇ СОНЯЧНИХ БАТАРЕЙ ЯК ОСНОВИ СУЧАСНОГО МІСТА

Бунке Олександр Сергійович, доцент, кандидат технічних наук, Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»,

пр. Перемоги 37, м. Київ, Україна

Новіков Павло Валерійович, кандидат технічних наук, доцент кафедри автоматизації теплоенергетичних процесів,

Національний технічний

університет України «Київський політехнічний інститут», пр. Перемоги 37, м. Київ, Україна

Анотація

У статті розкрито механізми автоматизації сонячних батарей, як основи сучасного міста. Визначено сучасні перспективи використання відновлюваної енергетики. Окреслено проблеми енергетичної сфери України. Наведено схему сонячної панелі з відокремленням усіх основних елементів, що входять до складу. Наголошено, що управління сонячною панеллю здійснюється завдяки програмованому логічному контролеру, який є провідною ланкою системи, на його вхід надходять сигнали з датчиків імпульсного положення, з блоку кінцевих вимикачів та блоку контролю направлення. Встановлення сонячної панелі на необхідний визначений кут здійснюється за допомогою сигналу, що проходить через блок комутації та блок обмеження висоти, та завдяки електроприводам приводиться в дію поворот сонячної панелі відповідно до положення сонця. Сформовано структурну схему системи управління сонячної батареї а описано кожен окремий елемент, його призначення та принцип дії. Запропоновано впровадження системи самоочищення, яка є інноваційним рішенням сьогодення, та направлена на автоматизоване визначення рівня бруду та при його наявності запуску механізму самоочищення, який очищає панель і таким чином повертає сонячну батарею до її нормальної ємності. В описаному методі головною умовою виступає зв'язок між часом і положенням сонця з експериментальними даними отриманими та згенерованими за відповідний проміжок часу. Визначено, що відповідно до положення сонячних променів, панелі автоматично регулюються системою двигуна, який дозволяє сонячним променям падати вертикально на фотоелементи, завдяки чому фотоелементи створюють максимальну продуктивність. Запропоновано використання узагальненого розрахунку положення сонця, а саме дискретного методу регулювання в якому приймальна сонячна панель переміщується на заданий кут через визначений проміжок часу, як варіант спрощення системи. Підкреслено, що у спрощеній системі основою є фотоелектричний датчик та головною умовою виступає обов'язковість його положення в одній площині з фотоелектричними модулями. Наголошується, що фотоелектричний датчик виконує перетворення світлового потоку у струм, блок мікроконтролера здійснює виробітку сигналів з датчика та виробітку керуючих сигналів для приводу.

Ключові слова: сонячна панель, місто, автоматизація, механізм, система стеження, привід, мікроконтролер.

Abstract

Bunke Olexandr Sergiyovich, Ph.D., docent, Department ATEP, NTUU “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, 37 Peremohy Ave., Kyiv, Ukraine.

Novikov Pavlo Valeriyovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Automation of Heat and Power Processes National Technical University of Ukraine, Kyiv Polytechnic Institute, 37 Peremohy Ave., Kyiv, Ukraine.

MECHANISMS FOR AUTOMATION OF SOLAR PANELS AS THE BASIS OF THE MODERN CITY.

The article reveals the mechanisms of automation of solar panels as the basis of the modern city. Modern prospects for the use of renewable energy are identified. The problems of the energy sphere of Ukraine are outlined. The scheme of the solar panel with separation of all basic elements which are a part is resulted. It is emphasized that the solar panel is controlled by a programmable logic controller, which is the leading link in the system, its input signals from the pulse position sensors, the limit switch unit and the direction control unit. Installation of the solar panel at the required specified angle is carried out by means of a signal passing through the switching unit and the height restriction unit, and thanks to electric drives the solar panel is rotated according to the position of the sun. The structural scheme of the solar control system is formed and each individual element, its purpose and principle of operation are described. It is proposed to implement a self-cleaning system, which is an innovative solution today, and aims to automatically determine the level of dirt and, if available, run a self-cleaning mechanism that cleans the panel and thus returns the solar cell to its normal capacity. In the described method, the main condition is the relationship between time and position of the sun with experimental data obtained and generated over a period of time. It is determined that according to the position of the sun's rays, the panels are automatically adjusted by the engine system, which allows the sun's rays to fall vertically on the photocells, so the photocells create maximum performance. It is proposed to use a generalized calculation of the position of the sun, namely a discrete method of control in which the receiving solar panel is moved to a given angle after a certain period of time, as an option to simplify the system. It is emphasized that in the simplified system the basis is a photovoltaic sensor and the main condition is the mandatory position of it in the same plane with the photovoltaic modules. It is noted that the photoelectric sensor converts light flux into current, the microcontroller unit generates signals from the sensor and generates control signals for the drive.

Key words: solar panel, city, automation, mechanism, tracking system, drive, microcontroller.

Постановка проблеми

Враховуючи сучасний попит на електричну енергію як на внутрішньому так і на комерційному ринках та спираючись на значний знос ресурсів, що не оновлюються, актуальним є використання відновлювальних ресурсів для виробництва корисної енергії як головного потенційного джерела. Одним з таких ресурсів виступає сонячна енергія. На сьогодні, сонячна енергія є найбільш розповсюдженим джерелом енергії на території України та таким, що найбільш легко використати за допомогою сонячних панелей.

Сучасні міста масово впроваджують у інфраструктуру елементи відновлюваної енергетики чим вирішують проблему різкого дефіциту традиційних енергоресурсів, покриваючи нерівномірності режимів роботи, забезпечуючи енергопостачання споживачів під час аварійних відключень та покриття енергетичних потреб частини децентралізованих споживачів.

Проте, стандартні сонячні панелі, за роки своє експлуатації, потребують певної модернізації для усунення недоліків пов'язаних з втратою значної кількості енергії за рахунок нестабільності положення сонця упродовж світової доби. Автоматизація покликана виправити зазначений недолік шляхом впровадження системи спостереження за сонцем.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Публікації стосовно застосування відновлюваної енергетики в умовах сучасних міст є популярним напрямком досліджень на протязі останніх 20-ти років.

О.О. Демешок [1] розкрив механізми забезпечення енергоефективності в контексті інтенсифікації процесів сталого розвитку держави. Основну увагу автором приділено питанню впровадження сонячних панелей, як альтернативного джерела електроенергії.

У [2] викладено основні здобутки в галузі фундаментальних та прикладних досліджень наукових підрозділів Інституту за основними напрямами освоєння енергії відновлюваних джерел та перспективні напрями подальших досліджень. Надано дані про нормативно-технічну, видавничу, науковоосвітню, у тому числі щодо підготовки наукових кадрів вищої кваліфікації, та міжнародну діяльність.

Є.В. Брижук та В.Ю. Кравець [3] наголосили, що підвищенні ефективності як атомної енергетики, так і відновлювальних джерел енергії шляхом кооперації двох видів енергії можна досягти створенням гібридних енергетичних систем - інтегрованих об'єктів, що складаються з ядерних реакторів, поновлюваних джерел енергії та промислових процесів (охолодження, нагрівання, опріснення, виробництва водню, та ін.), які одночасно можуть задовольнити потребу в гнучкості мережі, скорочення викидів та оптимальне використання інвестиційного капіталу.

Досліджено та доповнено теоретичні основи інноваційно -інвестиційної діяльності в розвитку альтернативних джерел енергії в частині уточнення понятійно-категорійного аппарату на сторінках роботи [4]. Авторкою запропоновано систематизацію факторів з урахуванням і виділенням тих, що надають домінуючий вплив на процеси забезпечення інноваційно-інвестиційної діяльності у розвитку альтернативних джерел енергії. Проаналізовано світовий досвід інноваційно-інвестиційної діяльності у розвитку альтернативних джерел енергії та обґрунтовано шляхи імплементації його в Україні.

Застосування проектного підходу до впровадження енергоефективних технологій запропонували А. В. Євдокимова, А. О. Дехтяренко, Н. О. Петренко [5]. Науковцями проведено аналіз енергетичного сектору України, з метою виявлення слабких сторін та подальшої можливості їх вдосконалення. Аналіз енергетичного сектору розвинених країн дозволив виявити основні напрями в енергетиці, що потребують реалізації проектів для вирішення конкретних проблем.

Із зарубіжних авторів варто відзначити такі роботи як: Swain, Manoj & Mishra, Manohar & Bansal, Ramesh & Hasan, Shazia [6], Deb, Dipankar & Bhargava, Kshitij [7], S, Sivaranjani & D, Hemanila [8], Palaniappan, Sathish & Chinnasamy, Moganapriya & Rathanasamy, Rajasekar & Pal, Samir [9], Kumar, Nayan & Saha, Tapas & Dey, Jayati [10], Haris, Oscar & Darmawan, Agus & Juliansyah, Ade [11], Umit, Resul [12], Subramani, Dr. Pragaspathy & Chittala, Phani & Raju, Narasimha [13], Karpkerd, Pompawit [14] та інші.

Проте, враховуючи описані наукові набутки, за темою, питання розкриття механізмів автоматизації сонячних батарей, як основи сучасного міста залишається відкритим та потребує детального опрацювання.

Мета статті. Розкрити механізми автоматизації сонячних батарей, як основи сучасного міста.

Викладення основного матеріалу

Потреба переходу від звичайних ресурсів до нетрадиційних, в умовах економічної ситуації сьогодення, є очевидною. Розроблені та такі, що реалізовуються нинішні технології не використовують весь потенціал відновлюваних ресурсів. Особливою сферою виступає сонячна енергія. Сонячної радіації достатньо, щоб забезпечити електрикою всю планету. Одним з найвигідніших рішень щодо економії енергії є сонячна панель. Її можна визначити, як набір сонячних фотоелектричних модулів, електрично з'єднаних та встановлених на спеціальній опорній основі (рисунок 1). Такі сонячні елементи можуть бути зібрані на одній підставі та складатися із низки сонячних елементів. Фотоелектрична система, яка містить набір фотоелектричних модулів, що забезпечують загальну потрібну потужність системи, є ядром системи. Інші підсистеми включають системи кондиціонування і зберігання енергії, установку і підтримку масивів, забезпечення безпеки та оцінку продуктивності системи.

Рисунок 1 - Схема сонячної панелі

Управління сонячною панеллю здійснюється завдяки програмованому логічному контролеру, який є провідною ланкою системи. На його вхід надходять сигнали з датчиків імпульсного положення, з блоку кінцевих вимикачів та блоку контролю направлення. На виході формується сигнал, що проходить через блок комутації та блок обмеження висоти, та завдяки електроприводам встановлюється необхідний кут повороту сонячної панелі відповідно до положення сонця.

Годинник реального часу https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%BD%D0%B8%D0%BA_%D1%80%В0%И5%В0%И0%В0%ИИ%В1%8С%В0%ИВ%В0%ИУ%В0%И3%В0%ИУ_%В1%87%В0%И0%В1%81%В1%83 підключений до мікроконтролера для керування перпендикулярним профілем сонячних променів. Він відстежує поточне положення сонця за допомогою діаграми сонячного шляху. Це робиться за допомогою мікроконтролера, який запрограмований на обертання електроприводів у відповідності з положенням сонця, оцінка якого здійснюється на базі годинника реального часу.

Структурна схема системи управління сонячної батареї наведена на рисунку 2.

Рисунок 2 - Структурна схема системи управління сонячної батареї

LDR-сенсор - це світло залежний резистор, який обчислює вихідну напругу та значення подає на модуль WiFi для збереження у базу даних. LDR використовується для вимірювання інтенсивності сонячних променів. Сенсор підключається до аналогових контактів мікроконтролера через ланцюг подільника напруги за допомогою змінного резистора.

Система самоочищення є інноваційним рішенням сьогодення, вона направлена на автоматизоване визначення рівня бруду та при його наявності запуску механізму самоочищення, який очищає панель і таким чином повертає сонячну батарею до її нормальної ємності.

Швидкість привода визначається з рівняння:

де ?А - кут положення сонця (азимутальний);

?г - часовий інтервал вироблення енергії.

Кут положення сонця (азимутальний):

де h- кут висоти сонця над горизонтом;

? - широта місцевості у точці установки площадки панелей;

д - кут нахилу сонця.

Кут нахилу знаходимо з:

де - з початку року номер календарної доби.

Кут висоти положення сонця над горизонтом визначається як:

h = 90 -- ? + д

Визначивши кут положення сонця, у поточний момент часу, електропривод здійснює зміну положення сонячної панелі. Проте описаний метод є складним, та на сьогодні, у більшості випадків застосовують узагальнений розрахунок положення сонця, а саме дискретний метод регулювання в якому приймальна сонячна панель переміщується на заданий кут через визначений проміжок часу.

У системі стеження основою є фото електричний датчик та головною умовою виступає обов'язковість його положення в одній площині з фотоелектричними модулями. Привід повинен буди пов'язаний з каркасом сонячних панелей. Структурна схема системи стеження на основі фото електричного датчика наведена на рисунку 3.

Рисунок 3 - Структурна схема системи стеження на основі фото електричного датчика

Фотоелектричний датчик виконує перетворення світлового потоку у струм, блок мікроконтролера здійснює виробітку сигналів з датчика та виробітку керуючих сигналів для приводу. У свою чергу, привід здійснює поворот панелі сонячних елементів. Блок управління, який є ключовою частиною системи, забезпечує управління переміщенням механічного модуля вперед і назад по горизонтальному та вертикальному напрямках, залежно від світла, що падає на фотоелектричний датчик, блок управління обертає двигун в обидві сторони на основі запрограмованого модуля. Зубчастий редуктор призначений для отримання крутного моменту, необхідного для переміщення панелей і зменшення впливу зворотного крутного моменту панелі на вал двигуна. відновлювана енергетика сонячна батарея

У цих системах використовуються двигуни як змінного, так і постійного струму. Вибір залежить від ваги сонячної панелі, необхідної швидкості, потужності та надійності. Проте двигуни, з великою кількістю циклів, неможливо підключити безпосередньо до рухомої частини сонячної панелі, тому використовується редуктор. Редуктор зменшує кількість періодів двигуна, збільшує крутний момент валу двигуна, що покращує динамічні характеристики сонячної панелі. При виборі двигуна також необхідно враховувати його номінальну потужність.

Для приведення в дію двигуна використовується широтно-імпульсна модуляція, яка дозволяє збільшити або зменшити швидкість двигуна.

Алгоритм, розроблений за допомогою програмованого логічного мікроконтролера, який використовує годинник реального часу, використовується для регулювання положення сонячної панелі за допомогою двигуна постійного струму. В описаному методі головною умовою виступає зв'язок між часом і положенням сонця з експериментальними даними отриманими та згенерованими за відповідний проміжок часу. Таким чином, відповідно до положення сонячних променів, панелі автоматично регулюються системою двигуна, що дозволяє сонячним променям падати вертикально на фотоелементи. Таким чином фотоелементи створюють максимальну продуктивність.

Основна перевага цієї системи полягає в тому, що вона портативна і має низькі витрати на обслуговування. Крім того, існує безперервний аналіз результатів, що покращує його точність, а також ефективність. А структуризація та акумуляція даних у хмарі дає можливість говорити про безпеку даних. Цю життєздатну систему можна використовувати в багатьох галузях, таких як громадське забезпечення, охорона здоров'я, соціальна сфера, освітня сфера, а також використання за власними потребами.

Висновки

У роботі розкрито механізми автоматизації сонячних батарей, як основи сучасного міста. Запропонована автоматизована система допомагає вловлювати більше світла фотоелементами, використовуючи алгоритм відстеження, таким чином генеруючи більше електроенергії, чим самим покриваючи більше потреб. Використання механізмів автоматизації сонячних батарей, як основи сучасного міста засноване на застосуванні системи відстеження сонячних панелей спрямоване на підвищення продуктивності сонячних панелей у виробництві сонячної енергії за рахунок максимізації енергетичного потенціалу сонця. Принцип побудови автоматизованої системи гнучкого та економічного сонячного стеження ґрунтується на обґрунтованому підході до аналізу та вибору параметрів компонентів, що входять до складу існуючих сонячних систем стеження. Варто наголосити, що ефективність сонячної системи стеження залежить від продуктивності елементної бази, двигуна та програмного забезпечення, що використовується в системі.

Перспективами подальших досліджень є розробка макету сонячної панелі на програмованому логічному мікроконтролері з веб -інтерфейсом та системою хмарного контролю.

Література

1. Демешок О.О. Забезпечення енергоефективності в контексті інтенсифікації процесів сталого розвитку держави. Відновлювана енергетика та енергоефективність у XXI столітті: матеріали XXII міжнародної науково-практичної конференції (Київ, 20-21 травня 2021р.). К.: Інтерсервіс, 2021. С. 69-72.

2. Інститут відновлюваної енергетики НАН України. Історія становлення, сучасність та перспективи; за ред. С.О. Кудрі. Київ: Інститут відновлюваної енергетики НАН України, 2020. 108 с.

3. Брижук Є.В., Кравець В.Ю. Вивчення синергії між атомною енергетикою та відновлювальними джерелами енергії. Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики: Матеріали ХVП Міжнародної науково-практичної конференції молодих вчених та студентів, м. Київ, 23- 26 квітня 2019 р. у 2 т. К.: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2019. Т. 1. С. 47.

4. Бабина О. М. Інноваційно-інвестиційна діяльність як фактор розвитку ресурсозберігаючих технологій. Економіка, фінанси, менеджмент: актуальні питання науки і практики. 2020. № 1. С. 186-198.

5. Застосування проектного підходу до впровадження енергоефективних технологій / А. В. Євдокимова, А. О. Дехтяренко, Н. О. Петренко. Вісник СумДУ. Серія «Економіка», 2020. № 3. С. 290-295.

6. A Self-Powered Solar Panel Automated Cleaning System: Design and Testing Analysis / M. K. Swain et al. Electric Power Components and Systems. 2021. Vol. 49, no. 3. P. 308-320. URL: https://doi.org/10.1080/15325008.2021.1937400 (date of access: 27.01.2022).

7. Deb D., Bhargava K. Water-free automated solar-panel cleaning. Degradation, Mitigation, and Forecasting Approaches in Thin Film Photovoltaics. 2022. P. 73-84. URL: https://doi.org/10.1016/b978-0-12-823483-9.00016-4 (date of access: 27.01.2022).

8. Sivaranjani,S., & Hemanila D. Automated Trickle Irrigation System Using Solar Panel. In 2021 IEEE Mysore Sub Section International Conference (MysuruCon). 2021, October). IEEE. P. 181-185.

9. Palaniappan S. K., Chinnasamy M., Rathanasamy R., & Pal S. K. Recycling of Solar Panels. Materials for Solar Energy Conversion: Materials, Methods and Applications. 2021. P. 47-86.

10. Kumar N., Saha T. K., & Dey J. Power Electronics and Solar Panel: Solar Panel Design and Implementation. Green Energy: Solar Energy, Photovoltaics, and Smart Cities. 2020. P. 139-165.

11. Haris O., Darmawan A., & Juliansyah A. Efficiency Analysis of Using Solar Panel System Tracker to Static Solar Panel. In 2021 IEEE 7th International Conference on Computing, Engineering and Design (ICCED). 2021, August. P. 1-6.

12. Umit R. Solar panels and political attitudes. OSFPreprints. 2021. May, 9.

13. Vaghani M., Magtarpara J., Vahani K., Maniya J., & Gurjwar R. K. (2019). Automated Solar Panel Cleaning System using IoT. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET). Vol. 6(04). P. 1392-1395.

14. Karpkerd P. Review in Robotic Automation and Selection for Solar Panel Manufacturing. 2020. doi: 10.13140/RG.2.2.23353.60004.

References

1. Demeshok, O.O. (2021). Zabezpechennia enerhoefektyvnosti v konteksti intensyfikatsii protsesiv staloho rozvytku derzhavy [Ensuring energy efficiency in the context of intensifying the processes of sustainable development of the state]. Vidnovliuvana enerhetyka ta enerhoefektyvnist u XXI stolitti: materialy XXII mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi konferentsii (Kyiv, 20-21 travnia 2021r.). K.: Interservis, 69-72. [in Ukrainian]

2. Instytut vidnovliuvanoi enerhetyky NAN Ukrainy. (2020). Istoriia stanovlennia, suchasnist taperspektyvy [History of formation, present and prospects]; za red. S.O. Kudri. Kyiv: Instytut vidnovliuvanoi enerhetyky NAN Ukrainy. [in Ukrainian]

3. Bryzhuk, Ye.V., Kravets, V.Iu. (2019). Vyvchennia synerhii mizh atomnoiu enerhetykoiu ta vidnovliuvalnymy dzherelamy enerhii [Study of synergies between nuclear energy and renewable energy sources]. Suchasni problemy naukovoho zabezpechennia enerhetyky: Materialy KhVII Mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi konferentsii molodykh vchenykh ta studentiv, m. Kyiv, 23- 26 kvitnia 2019 r. u 2 t. K.: KPI im. Ihoria Sikorskoho, 1, 47. [in Ukrainian]

4. Babyna, O. M. (2020). Innovatsiino-investytsiina diialnist yak faktor rozvytku resursozberihaiuchykh tekhnolohii [Innovation and investment activity as a factor in the development of resource-saving technologies]. Ekonomika, finansy, menedzhment: aktualni pytannia nauky i praktyky, 1, 186-198. [in Ukrainian]

5. Ievdokymova, A. V., Dekhtiarenko, A. O., Petrenko, N. O. (2020). Zastosuvannia proektnoho pidkhodu do vprovadzhennia enerhoefektyvnykh tekhnolohii [Application of the project approach to the introduction of energy efficient technologies]. VisnykSumDU. Seriia «Ekonomika»», 3, 290-295. [in Ukrainian]

6. Swain, M. K., Mishra, M., Bansal, R. C., & Hasan, S. (2021). A Self-Powered Solar Panel Automated Cleaning System: Design and Testing Analysis. Electric Power Components and Systems, 49(3), 308-320. https://doi.org/10.1080/15325008.2021.1937400

7. Deb, D., & Bhargava, K. (2022). Water-free automated solar-panel cleaning. У Degradation, Mitigation, and Forecasting Approaches in Thin Film Photovoltaics (с. 73-84). Elsevier. https://doi.org/10.1016/b978-0-12-823483-9.00016-4

8. Sivaranjani, S., & Hemanila, D. (2021, October). Automated Trickle Irrigation System Using Solar Panel. In 2021 IEEE Mysore Sub Section International Conference (MysuruCon) (pp. 181-185). IEEE.

9. Palaniappan, S. K., Chinnasamy, M., Rathanasamy, R., & Pal, S. K. (2021). Recycling of Solar Panels. Materials for Solar Energy Conversion: Materials, Methods and Applications, 47-86.

10. Kumar, N., Saha, T. K., & Dey, J. (2020). Power Electronics and Solar Panel: Solar Panel Design and Implementation. Green Energy: Solar Energy, Photovoltaics, and Smart Cities, 139-165.

11. Haris, O., Darmawan, A., & Juliansyah, A. (2021, August). Efficiency Analysis of Using Solar Panel System Tracker to Static Solar Panel. In 2021 IEEE 7th International Conference on Computing, Engineering and Design (ICCED) (pp. 1-6). IEEE.

12. Umit, R. (2021). Solar panels and political attitudes. OSF Preprints. May, 9.

13. Vaghani, M., Magtarpara, J., Vahani, K., Maniya, J., & Gurjwar, R. K. (2019). Automated Solar Panel Cleaning System using IoT. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), 6(04), 1392-1395.

14. Karpkerd, P. (2020). Review in Robotic Automation and Selection for Solar Panel Manufacturing. doi: 10.13140/RG.2.2.23353.60004

Размещено на Allbest.ru