RU2579169C1

RU2579169C1 - Positioning and solar tracking system for concentrator solar power plant

Info

Publication number: RU2579169C1
Application number: RU2014149586/28A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Михайлович Андреев; Валерий Дмитриевич Румянцев; Юрий Владимирович Ащеулов; Павел Васильевич Покровский; Александр Викторович Чекалин
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2016-04-10

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: positioning and solar tracking system for concentrator solar power plant containing platform with concentrator cascade modules, azimuthal rotation subsystem, zenith rotation subsystem, power unit, platform positioning control unit with memory unit containing micro controller unit, optical solar sensor, photodetectors of which are made in form of cascade solar cells, first electric motor speed sensor, second electric motor speed sensor.

EFFECT: system provides tracking of solar disk with required accuracy, regardless of weather conditions and keeps its own energy consumption to minimum by eliminating of optical sensor triggering during its illumination from light spots in clouds.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение при разработке и изготовлении установок с концентраторными фотоэлектрическими модулями, требующими наведения на Солнце в режиме реального времени.The invention relates to solar energy and can find application in the design and manufacture of installations with concentrator photovoltaic modules that require guidance on the Sun in real time.

Известна механизированная система для слежения за Солнцем с модельным прогнозирующим управлением (см. заявка RU 2011134891, МПК F24J 2/38, опубликована 27.02.2013), состоящая из платформы по меньшей мере с одной солнечной панелью, колонны, служащей опорой для этой платформы и обеспечивающей возможность вращения платформы вокруг двух ортогональных осей, двух линейных исполнительных механизмов, системы приводов для этих механизмов и системы модельного прогнозирующего управления, включающей компьютер, который вычисляет требуемые положения линейных исполнительных механизмов, используя множество опорных координат в качестве входной информации, и связан с системой привода для приведения линейных исполнительных механизмов в требуемые положения, опорные координаты включают в себя время суток, год, дату, географические координаты от системы позиционирования, бортовые часы, ориентацию основания, положения цилиндров, углы соединительных элементов, положения клапанов гидравлических цилиндров и данные датчика слежения за Солнцем, и системы управления с обратной связью, которая передает информацию, получаемую датчиками, в систему модельного прогнозирующего управления, причем система модельного прогнозирующего управления и система управления с обратной связью функционируют как одно целое.Known mechanized system for tracking the sun with predictive model control (see application RU 2011134891, IPC F24J 2/38, published 02.27.2013), consisting of a platform with at least one solar panel, a column serving as a support for this platform and providing the ability to rotate the platform around two orthogonal axes, two linear actuators, a drive system for these mechanisms and a model predictive control system including a computer that calculates the required positions of linear additional mechanisms, using a variety of reference coordinates as input, and is connected to a drive system for bringing linear actuators to the required positions, reference coordinates include the time of day, year, date, geographical coordinates from the positioning system, onboard clock, base orientation, cylinder positions, angles of connecting elements, valve positions of hydraulic cylinders and data of a sensor for tracking the Sun, and a feedback control system that transmits information deformations of obtained sensors in model predictive control, wherein a model predictive control system and a control system with a feedback function as one whole.

Существенным недостатком известной системы является использование в качестве привода поворота рамы сложной гидравлической конструкции и невозможность точного наведения при малых освещенностях датчиков и диффузионной составляющей солнечной радиации при наличии слабой облачности.A significant drawback of the known system is the use of a complex hydraulic structure as a drive for turning the frame and the impossibility of precise guidance in low light conditions of sensors and the diffusion component of solar radiation in the presence of weak cloud cover.

Известна установка слежения за Солнцем (см. патент US 8389918, МПК G01C 21/02, H01J 40/14, G06M 7/00, опубликован 05.03.2013), которая состоит из основания, платформы с солнечными панелями, двумя гидравлическими линейными актуаторами, соединяющими основание и платформу, солнечного датчика на платформе и центрального процессора, который обрабатывает сигналы датчика и вырабатывает сигналы управления на линейные актуаторы, приводящие во вращение платформу с солнечными модулями.A known installation for tracking the Sun (see patent US 8389918, IPC G01C 21/02, H01J 40/14, G06M 7/00, published 05.03.2013), which consists of a base, a platform with solar panels, two hydraulic linear actuators connecting the base and platform, a solar sensor on the platform and a central processor that processes the sensor signals and generates control signals to linear actuators, which rotate the platform with solar modules.

Недостатком известной установки является сложная конструкция датчика, который совмещает в себе датчик грубой настройки на Солнце (для возможности захвата солнечного излучения оптической системой точного датчика) и точный датчик, работающий в очень узком угловом диапазоне. Кроме того, процессору управления требуются датчики позиционирования платформы при восходе и заходе Солнца.A disadvantage of the known installation is the complicated design of the sensor, which combines a rough adjustment sensor on the Sun (for the possibility of capturing solar radiation by the optical system of an accurate sensor) and an accurate sensor operating in a very narrow angular range. In addition, the control processor requires platform position sensors at sunrise and sunset.

Известна система слежения за Солнцем (см. патент KR 101275244, МКП F24J 2/54, H02S 20/32, опубликован 17.06.2013), состоящая из основной рамы с вертикальным валом, платформы с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси, солнечных панелей, смонтированных на этой платформе, оптического цилиндрического датчика азимутального угла поворота вертикального вала, оптического цилиндрического датчика зенитального угла поворота платформы с модулями вокруг горизонтальной оси, оптического датчика солнца и контроллера, обеспечивающего точное направление солнечных модулей на Солнце в течение всего светового дня и возврат платформы в начальное положение при восходе Солнца при помощи системы электрических приводов. Контроллер получает сигналы от оптических цилиндрических датчиков азимутального и зенитального углов поворота панели модулей и от датчика солнца, обрабатывает эти данные и выдает сигналы на исполнительные двигатели для точного сопровождения Солнца.A known tracking system for the Sun (see patent KR 101275244, INC F24J 2/54, H02S 20/32, published 06/17/2013), consisting of a main frame with a vertical shaft, a platform with the ability to rotate around a horizontal axis, solar panels mounted on this platform, an optical cylindrical sensor of the azimuthal angle of rotation of the vertical shaft, an optical cylindrical sensor of the zenithal angle of rotation of the platform with modules around the horizontal axis, an optical sun sensor and a controller providing accurate solar direction x modules on the Sun during the whole daylight hours and returning the platform to its initial position at sunrise using a system of electric drives. The controller receives signals from optical cylindrical sensors of azimuthal and zenithal angles of rotation of the module panel and from the sun sensor, processes this data and provides signals to executive motors for accurate tracking of the sun.

Недостатком такой системы является сложная конструкция оптического датчика солнца, который должен обеспечить, во-первых, широкий угол захвата солнечного излучения для случая сильного рассогласования направления платформы по отношению к солнечному диску, а во-вторых, узкую полосу захвата для точного сопровождения Солнца. Фактически это достигается размещением двух оптических датчиков в одном корпусе.The disadvantage of this system is the complex design of the optical sun sensor, which should provide, firstly, a wide angle of capture of solar radiation for the case of a strong mismatch of the direction of the platform relative to the solar disk, and secondly, a narrow capture band for accurate tracking of the Sun. In fact, this is achieved by placing two optical sensors in one housing.

Известна система цифрового интеллектуального контроля сопровождения Солнца для концентраторной солнечной установки (см. заявка CN 103105853, МПК G05D 3/00, опубликована 15.05.2013). Установка состоит из двухосевой поворотной платформы с солнечными модулями, командного блока управления и контроля, двух приводных каналов и оптического датчика солнца. Основой командного блока является высокоскоростной процессор, который по запрограммированному алгоритму движения Солнца в режиме реального времени рассчитывает азимутальный и зенитальный углы положения Солнца и выдает управляющие команды системам привода поворотной платформы через определенные промежутки времени. Точность расчета не превышает 2 градусов. По такой программе происходит движение поворотной платформы в случае отсутствия прямого солнечного излучения. При наличии прямого солнечного излучения контроллер переводит управление поворотной платформой на управление от солнечного однокаскадного сенсора, собранного по четырехквадрантной схеме. В этом случае контроллер корректирует направление на Солнце всей панели по максимуму сигнала с солнечного сенсора по каждому из каналов.A known system of digital intelligent control of the Sun tracking for a concentrator solar installation (see application CN 103105853, IPC G05D 3/00, published 05/15/2013). The installation consists of a two-axis rotary platform with solar modules, a command and control unit, two drive channels and an optical sun sensor. The basis of the command unit is a high-speed processor, which, according to a programmed algorithm for the movement of the sun in real time, calculates the azimuthal and zenithal angles of the position of the sun and issues control commands to drive systems of the turntable at regular intervals. The accuracy of the calculation does not exceed 2 degrees. According to such a program, the rotation of the platform occurs in the absence of direct solar radiation. In the presence of direct solar radiation, the controller transfers the control of the turntable to control from a single-stage solar sensor assembled in a four-quadrant scheme. In this case, the controller corrects the direction to the sun of the entire panel according to the maximum signal from the solar sensor for each channel.

Недостатком известной системы контроля сопровождения платформы с солнечной панелью является сильная расстройка сигнала от солнечного сенсора в случае появления облачности и, как следствие этого, хаотичное микродвижение платформы в направлениях поиска максимума сигнала от рассеянного облачностью солнечного излучения до момента появления Солнца из-за облаков.A disadvantage of the known monitoring system for tracking the platform with the solar panel is the strong detuning of the signal from the solar sensor in case of cloudiness and, as a result, the chaotic micromotion of the platform in the directions of finding the maximum signal from the solar radiation scattered by the cloud until the sun appears due to clouds.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к настоящему решению является система позиционирования и слежения за Солнцем концентраторной фотоэнергоустановки (см. патент US 7079944, МКП G01C 21/26, опубликован 24.02.2005). Известная система позиционирования и слежения за Солнцем фотоэнергоустановки содержит платформу с концентраторными каскадными модулями, подсистему азимутального вращения, включающую датчик положения платформы по азимутальному углу, первый электродвигатель с первым редуктором, подсистему зенитального вращения, включающую датчик положения платформы по зенитальному углу, второй электродвигатель со вторым редуктором, которые обеспечивают вращение платформы с концентраторными каскадными модулями вокруг двух взаимно перпендикулярных плоскостей, блок питания, блок управления положением платформы с блоком памяти, содержащий микроконтроллер, в качестве которого использован 12-битный, с АЦП преобразователем микроконтроллер MSP430F149 фирмы Texas Instruments, с программой, рассчитывающей в реальном режиме времени положение Солнца по введенным в блок памяти координатам станции, дате и точном времени наблюдения, GPS приемник и оптический солнечный датчик. В известной системе позиционирования и слежения за Солнцем фотоэнергоустановки для грубой настройки на Солнце, когда последнее скрыто за облачностью, используют способ управления азимутальным и зенитальным приводами по программе, заложенной в микроконтроллер, которая через определенные интервалы времени рассчитывает теоретическое местоположение Солнца с точностью ±2 угловых градуса. Информацию об углах, под которыми платформа направлена на небосвод, определяют с помощью GPS приемника. По внутренним часам микроконтроллера и данным с GPS приемника блок управления рассчитывает текущее направление платформы и теоретическое положение Солнца и вырабатывает сигналы о величине рассогласования по азимутальному и зенитальному углах с учетом местоположения платформы (широта, долгота, высота над уровнем моря), после чего первым и вторым электродвигателями производится соответствующая переориентация платформы до момента, когда углы рассогласования не станут равны нулю. В случае прямого солнечного излучения при выходе Солнца из-за облаков управление платформой переходит на управление от оптического солнечного датчика. В этом случае блок управления системы получает входные данные от оптического солнечного датчика, расположенного на платформе с концентраторными каскадными модулями, и выдает подстраивающие сигналы на силовой блок, подающий электропитание на первый и второй электродвигатели, для точной настройки платформы с солнечными модулями на Солнце. В этом случае точность позиционирования достигает величины ±0,01 угловых градуса. В качестве оптического солнечного датчика в известной системе-прототипе использована CCD матрица фотоприемников солнечного излучения, выполненная из 8 фототранзисторов, симметрично расположенных в четырех квадрантах. Матрица фотоприемников расположена на фокусном расстоянии от входного объектива оптического солнечного датчика.The closest set of essential features to this solution is a system for positioning and tracking the sun of a concentrator photovoltaic power plant (see patent US 7079944, MKP G01C 21/26, published February 24, 2005). The known system for positioning and tracking the sun of a photovoltaic installation contains a platform with concentrator cascade modules, an azimuthal rotation subsystem including a position sensor for the azimuthal angle, a first electric motor with a first gearbox, an anti-aircraft rotation subsystem including a platform position sensor for the zenithal angle, a second electric motor with a second gearbox that provide rotation of the platform with concentrator cascade modules around two mutually perpendicular x planes, power supply, platform position control unit with a memory unit containing a microcontroller, which is a 12-bit microcontroller with an ADC converter, an MSP430F149 microcontroller from Texas Instruments, with a program that calculates in real time the position of the Sun based on the coordinates entered into the memory unit station, date and exact time of observation, GPS receiver and optical solar sensor. In a known system for positioning and tracking the Sun, photovoltaic installations for rough adjustment on the Sun, when the latter is hidden behind cloud cover, use the control method of azimuthal and anti-aircraft drives according to the program embedded in the microcontroller, which calculates the theoretical location of the Sun with accuracy of ± 2 angular degrees at certain time intervals . Information about the angles at which the platform is aimed at the sky is determined using a GPS receiver. Using the internal clock of the microcontroller and the data from the GPS receiver, the control unit calculates the current direction of the platform and the theoretical position of the Sun and generates signals about the magnitude of the mismatch in azimuth and zenith angles taking into account the location of the platform (latitude, longitude, altitude), after which the first and second electric motors carry out a corresponding reorientation of the platform until the moment when the mismatch angles do not become zero. In the case of direct solar radiation at the exit of the Sun due to clouds, platform control passes to control from an optical solar sensor. In this case, the control unit of the system receives input from an optical solar sensor located on a platform with concentrator cascade modules, and provides tuning signals to a power unit that supplies power to the first and second electric motors to fine tune the platform with solar modules on the Sun. In this case, the positioning accuracy reaches ± 0.01 angular degrees. As an optical solar sensor in the known prototype system, a CCD matrix of solar radiation photodetectors is used, made of 8 phototransistors symmetrically located in four quadrants. The array of photodetectors is located at the focal distance from the input lens of the optical solar sensor.

Недостатком известной системы позиционирования и слежения за Солнцем концентраторной фотоэнергоустановки является невозможность точного сопровождения платформы за Солнцем при малых освещенностях оптического солнечного датчика и наличии диффузной (рассеянное солнечное излучение) составляющей солнечной радиации. В этом случае система переходит на управление по программе, заложенной в микроконтроллер, с точностью наведения не лучше ±2-х градусов и соответственно увеличенным временем поиска Солнца после выхода последнего из-за облаков. Кроме того, использование в оптическом солнечном датчике в качестве приемников солнечного излучения двумерной матрицы фототранзисторов приводит к усложнению технологии построения самого приемника: необходимо использовать качественный фокусирующий объектив и применять сложный алгоритм обработки сигналов с матрицы фототранзисторов.A disadvantage of the known system for positioning and tracking the sun of a concentrator photovoltaic plant is the impossibility of accurately tracking the platform behind the sun in low light conditions of the optical solar sensor and the presence of the diffuse (scattered solar radiation) component of solar radiation. In this case, the system switches to control according to the program embedded in the microcontroller, with a pointing accuracy of no better than ± 2 degrees and, accordingly, an increased search time for the Sun after the latter leaves due to clouds. In addition, the use of a two-dimensional matrix of phototransistors in the optical solar sensor as receivers of solar radiation complicates the construction technology of the receiver itself: it is necessary to use a high-quality focusing lens and apply a complex algorithm for processing signals from the matrix of phototransistors.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такой системы позиционирования и слежения за Солнцем концентраторной фотоэнергоустановки, которая обеспечивала бы сопровождение солнечного диска с необходимой точностью независимо от погодных условий (дымка, облачность) и сводила бы к минимуму собственное потребление энергии за счет исключения срабатывания оптического солнечного датчика при его засветке от светлых пятен в облаках.The objective of the present invention was to develop such a system for positioning and tracking the sun of a concentrator photovoltaic system that would ensure tracking of the solar disk with the necessary accuracy regardless of weather conditions (haze, cloudiness) and would minimize its own energy consumption by eliminating the operation of the optical solar sensor when it backlighting from bright spots in the clouds.

Поставленная задача решается тем, что система позиционирования и слежения за Солнцем концентраторной фотоэнергоустановки содержит платформу с концентраторными каскадными модулями, подсистему азимутального вращения, включающую датчик положения платформы по азимутальному углу и первый электродвигатель с первым редуктором, подсистему зенитального вращения, включающую датчик положения платформы по зенитальному углу и второй электродвигатель со вторым редуктором, которые обеспечивают вращение платформы с концентраторными модулями вокруг двух взаимно перпендикулярных плоскостей, силовой блок, блок управления положением платформы с блоком памяти, содержащий микроконтроллер с программой, рассчитывающей в реальном режиме времени положение Солнца по введенным в блок памяти координатам станции, дате и точном времени наблюдения, оптический солнечный датчик, фотоприемники которого выполнены в виде каскадных фотопреобразователей, датчик оборотов первого электродвигателя, датчик оборотов второго электродвигателя. Выходы датчика положения платформы по азимутальному углу, датчика положения платформы по зенитальному углу, оптического солнечного датчика, датчика оборотов первого электродвигателя и датчика оборотов второго электродвигателя соединены с соответствующими входами блока управления, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам силового блока, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым электродвигателями.The problem is solved in that the positioning and tracking system for the sun of the concentrator photovoltaic power plant contains a platform with concentrator cascade modules, an azimuthal rotation subsystem including a platform position sensor along the azimuthal angle and a first electric motor with a first gearbox, an anti-aircraft rotation subsystem including a platform position sensor along the zenithal angle and a second electric motor with a second gearbox, which provide rotation of the platform with hub modules in a district of two mutually perpendicular planes, a power unit, a platform position control unit with a memory unit, containing a microcontroller with a program that calculates in real time the position of the Sun based on the station coordinates entered in the memory unit, the date and exact time of observation, an optical solar sensor, the photodetectors of which are made in the form of cascade photoconverters, the speed sensor of the first electric motor, the speed sensor of the second electric motor. The outputs of the platform position sensor along the azimuthal angle, the platform position sensor along the zenith angle, the optical solar sensor, the first engine speed sensor and the second engine speed sensor are connected to the corresponding inputs of the control unit, the first and second outputs of which are connected to the first and second inputs of the power unit, the first and the second outputs of which are connected respectively to the first and second electric motors.

Новым в системе является включение в ее состав датчика оборотов первого электродвигателя и датчика оборотов второго электродвигателя и выполнение фотоприемников оптического солнечного датчика в виде каскадных фотопреобразователей, аналогичным тем, что установлены в концентраторных каскадных модулях системы. Применение каскадных фотопреобразователей, например, трехкаскадных на основе соединений А3В5, в качестве приемников излучения в оптическом датчике обосновано тем, что спектральная светочувствительность таких фотопреобразователей (300 нм - 1800 нм) максимально приближена к кривой спектрального распределения прямого солнечного излучения, в отличие от традиционно применяемых кремниевых приемников, имеющих более узкую полосу спектральной чувствительности (400 нм - 800 нм). При затенении Солнца облаками происходит как снижение интенсивности солнечного излучения, воспринимаемого каскадными фотоприемниками, так и изменение спектра такого непрямого солнечного излучения. В результате, сигналы вырабатываемые каскадным фотоприемником при освещении незатененным Солнцем и освещении Солнцем, затененным облаками или атмосферной пылью, будут значительно отличаться по величине, что позволяет установить такое пороговое значение сигнала каскадного фотопреобразователя, которое исключит переход с сопровождения Солнца по заложенной в микроконтроллер программе на сопровождение по оптическому солнечному датчику при освещении каскадного фотоприемника излучением от “светлых пятен” в облачности. В случае применения в датчике стандартных однокаскадных фотоприемников (например кремниевых), последние будут реагировать только на предварительно заданный порог изменения интенсивности падающего излучения, не учитывающий изменение спектрального состава излучения. Поэтому при наличии в затеняющих облаках, в зависимости от их микрофизических свойств, ярких центров рассеяния солнечного излучения, интенсивность которых будет превышать заданный порог, произойдет переход с сопровождения Солнца по заложенной в микроконтроллер блока управления программе на сопровождение по оптическому солнечному датчику, который будет ориентироваться не на Солнце, а на эти “светлые пятна” в просветах облаков, и платформа может существенно переориентироваться от реального местоположения Солнца. В этом случае, после выхода Солнца из-за облаков, платформа будет захватывать Солнце не мгновенно, а в течение некоторого времени, иногда довольно значительного. Повышение точности сопровождение Солнца достигается также с помощью датчика оборотов первого электродвигателя и датчика оборотов второго электродвигателя, по показаниям которых блок управления в течение всего времени слежения за Солнцем по оптическому датчику рассчитывает усредненные угловые скорости поворота платформы в азимутальном и в зенитальном направлениях для каждого управляющего импульса в отдельности и сохраняет эти данные в блоке памяти в течение определенного, заданного программой, интервала времени. При затенении Солнца сопровождение продолжается по заложенной в микроконтроллер программе, но с использованием последних, сохраненных в блоке памяти значений, усредненных угловых скоростей поворота платформы в азимутальном и в зенитальном направлении, что обеспечивает возможность точного сопровождения Солнца даже в случае появления на небе дымки или облачности.New in the system is the inclusion of a speed sensor of the first electric motor and a speed sensor of the second electric motor and the implementation of photodetectors of the optical solar sensor in the form of cascade photoconverters, similar to those installed in the concentrator cascade modules of the system. The use of cascade photoconverters, for example, three-stage ones based on А3В5 compounds, as radiation detectors in an optical sensor is justified by the fact that the spectral photosensitivity of such photoconverters (300 nm - 1800 nm) is as close as possible to the spectral distribution curve of direct solar radiation, in contrast to the traditionally used silicon receivers having a narrower band of spectral sensitivity (400 nm - 800 nm). When the Sun is shaded by clouds, both a decrease in the intensity of solar radiation perceived by cascade photodetectors and a change in the spectrum of such indirect solar radiation occur. As a result, the signals generated by a cascade photodetector when illuminated by an unshaded Sun and illuminated by a sun shaded by clouds or atmospheric dust will differ significantly in magnitude, which allows you to set a threshold value for the cascade photoconverter signal that excludes the transition from Sun tracking using the tracking program embedded in the microcontroller by an optical solar sensor when illuminating a cascade photodetector by radiation from “bright spots” in clouds. In the case of using standard single-stage photodetectors (for example, silicon) in the sensor, the latter will only respond to a predetermined threshold for changing the intensity of the incident radiation, not taking into account the change in the spectral composition of the radiation. Therefore, if there are bright centers of scattering of solar radiation in the shading clouds, depending on their microphysical properties, the intensity of which will exceed a predetermined threshold, there will be a transition from the tracking of the Sun according to the program laid down in the microcontroller of the control unit to the tracking of the optical solar sensor, which will not be guided on the Sun, and on these “bright spots” in the gaps of the clouds, and the platform can substantially reorient from the actual location of the Sun. In this case, after the Sun comes out from behind the clouds, the platform will not capture the Sun instantly, but for some time, sometimes quite significant. Increasing the accuracy of tracking the Sun is also achieved by using the speed sensor of the first electric motor and the speed sensor of the second electric motor, according to the readings of which the control unit for the entire time of tracking the Sun using the optical sensor calculates the average angular velocity of rotation of the platform in the azimuthal and zenithal directions for each control pulse in separately and saves this data in a memory block for a certain period of time specified by the program. When the Sun is shaded, tracking continues according to the program laid down in the microcontroller, but using the latest values stored in the memory unit, averaged angular velocity of rotation of the platform in the azimuthal and zenithal directions, which makes it possible to accurately track the Sun even in the event of haze or cloudiness in the sky.

Настоящее изобретение поясняется чертежом, где:The present invention is illustrated in the drawing, where:

на фиг. 1 показан общий вид в аксонометрии системы позиционирования и слежения за Солнцем концентраторной фотоэнергоустановки (со снятыми концентраторными каскадными модулями);in FIG. 1 shows a general perspective view of a system for positioning and tracking the sun of a concentrator photovoltaic power plant (with removed concentrator cascade modules);

на фиг. 2 приведена блок-схема электрической части системы позиционирования и слежения за Солнцем концентраторной фотоэнергоустановки.in FIG. 2 shows a block diagram of the electrical part of the system for positioning and tracking the sun of a concentrator photovoltaic plant.

Система 1 позиционирования и слежения за Солнцем концентраторной фотоэнергоустановки содержит установленную на основании 2 неподвижную вертикальную колонну 3, на верхний торец которой надета с возможностью вращения труба 4, на верхней части которой установлена с возможностью вращения вокруг своей оси горизонтальная труба 5, на которой закреплена платформа 6 для установки на ней концентраторных каскадных модулей (на чертеже не показаны). Система 1 включает также подсистему 7 азимутального вращения и подсистему 8 зенитального вращения. Подсистема 7 азимутального вращения включает закрепленный на вертикальной колонне 3 горизонтальный диск 9 с однорядной роликовой цепью 10, приваренной по торцу диска 9. В контакте с цепью 10 находится ведущая звездочка редуктора 11, например механического, жестко связанного с первым электродвигателем 12 (ЭД1), снабженного датчиком 13 оборотов (ДО1). На корпусе редуктора 11 установлен датчик 14 положения платформы по азимутальному углу (ДППАУ). Подсистема зенитального вращения 8 содержит прикрепленный снизу к платформе 6 вертикальный сектор 15 с круговой торцевой поверхностью 16. На поверхности 16 приварена однорядная цилиндрическая цепь, в контакт с которой входит ведущая звездочка, насаженная на вал редуктора 17, например механического, жестко связанного с вторым электродвигателем 18 (ЭД2), снабженного датчиком 19 оборотов (ДО2). На корпусе редуктора 17 установлен датчик 20 положения платформы по зенитальному углу (ДППЗУ). В качестве угловых датчиков ДППАУ 14 и ДППЗУ 20 могут быть применены 10-битные магнитные энкодеры, например, серии AS5040, оси которых жестко связаны с осями соответствующих редукторов 11, 17. В состав системы 1 входят также силовой блок 21 (СБ) и блок управления 22 положением платформы (БУ) с блоком памяти, содержащий микроконтроллер с программой, рассчитывающей в реальном режиме времени положение Солнца по введенным в блок памяти координатам солнечной станции, дате, точном времени расчета и угловые скорости поворота платформы 6 в азимутальном и в зенитальном направлении (количество оборотов приводных двигателей ЭД1 и ЭД2 в единицу времени). На платформе 6 установлен оптический солнечный датчик 23 (ОСД), который состоит из четырех фотоприемников, выполненных в виде каскадных фотопреобразователей размером, например, 5×5 мм, расположенных в четырех квадрантах в одной плоскости на некотором расстоянии друг от друга. На рассчитанной высоте над каскадными фотопреобразователями расположена прозрачная для солнечного излучения входная диафрагма в виде прямоугольника с размерами, которые рассчитаны для получения необходимого углового разрешения датчика, как по азимутальному, так и по зенитальному углам ОСД 23. Выходы ДППАУ 14, ДППЗУ 20, ОСД 23, ДО1 13 и ДО2 19 соединены с соответствующими входами БУ 22, первый и второй выходы (азимутальный и зенитальный углы) которого подключены к первому и второму входам СБ 21, первый и второй выходы которого соединены соответственно с ЭД1 12 и ЭД2 18.The system 1 for positioning and tracking the sun of a concentrator photovoltaic power plant contains a fixed vertical column 3 mounted on the base 2, on the upper end of which a pipe 4 is mounted rotatably, and a horizontal pipe 5 is mounted rotatably around its axis, on which the platform 6 is fixed for installation on it of concentrator cascade modules (not shown in the drawing). System 1 also includes a subsystem 7 of azimuthal rotation and a subsystem 8 of zenithal rotation. The azimuthal rotation subsystem 7 includes a horizontal disk 9 mounted on a vertical column 3 with a single-row roller chain 10 welded along the end face of the disk 9. In contact with the chain 10 is the drive sprocket of the gearbox 11, for example, a mechanical sprocket, rigidly connected to the first electric motor 12 (ED1), equipped with sensor 13 revolutions (DO1). On the housing of the gearbox 11 is installed a sensor 14 of the position of the platform in the azimuthal angle (DPPAU). The anti-aircraft rotation subsystem 8 comprises a vertical sector 15 attached from below to the platform 6 with a circular end surface 16. A single-row cylindrical chain is welded to the surface 16, into contact with which there is a drive sprocket mounted on the shaft of the gearbox 17, for example, mechanical, rigidly connected to the second electric motor 18 (ED2), equipped with a sensor of 19 revolutions (DO2). On the housing of the gearbox 17 is installed a sensor 20 of the position of the platform along the zenith angle (DPSR). As the angular sensors DPPAU 14 and RPPZU 20, 10-bit magnetic encoders, for example, the AS5040 series, whose axes are rigidly connected with the axes of the corresponding gears 11, 17, can be used. The system 1 also includes a power unit 21 (SB) and a control unit 22 by the position of the platform (BU) with a memory block, containing a microcontroller with a program that calculates in real time the position of the Sun according to the coordinates of the solar station entered in the memory block, the date, the exact calculation time and the angular velocity of rotation of the platform 6 in azimuth and zen Talnoye direction (the number of revolutions of the drive motors ED1 and ED2 per unit time). An optical solar sensor 23 (OSD) is installed on the platform 6, which consists of four photodetectors made in the form of cascade photoconverters with a size of, for example, 5 × 5 mm, located in four quadrants in the same plane at some distance from each other. At the calculated height above the cascade photoconverters, the input diaphragm is transparent for solar radiation in the form of a rectangle with dimensions that are designed to obtain the necessary angular resolution of the sensor, both in the azimuthal and zenithal angles of the OSD 23. Outputs DPPAU 14, DPPZU 20, OSD 23, DO1 13 and DO2 19 are connected to the corresponding inputs of BU 22, the first and second outputs (azimuth and zenith angles) of which are connected to the first and second inputs of SB 21, the first and second outputs of which are connected respectively but with ED1 12 and ED2 18.

Система 1 позиционирования и слежения за Солнцем концентраторной фотоэнергоустановки работает следующим образом. В начальный период времени при восходе Солнца платформа 6 с концентраторными каскадными модулями находится в теоретически рассчитанной угловой позиции таким образом, чтобы перпендикуляр к общей поверхности модулей был направлен в точку восхода. Далее при появлении из-за горизонта солнечного диска, излучение последнего достигает приемной поверхности ОСД 23 и система 1 переходит в режим слежения за Солнцем в реальном масштабе времени. Процесс слежения продолжается непрерывно вплоть до момента захода Солнца за горизонт. Далее платформа 6 с модулями поворачивается в первоначальную позицию и “ожидает” момент восхода Солнца. Управление движением платформы вокруг двух взаимно перпендикулярных осей с необходимой точностью осуществляется при помощи БУ 22, который, во-первых, через заданные промежутки времени производит расчеты теоретического положения Солнца на небосводе по одному из известных алгоритмов, которые работают в том или ином приближении (в зависимости от выбранного алгоритма точность расчета меняется в пределах 1-2 угловых градуса). Входными данными для этих расчетов являются введенная в блок памяти БУ 22 координаты станции, дата и точное время, считываемые с внутренних часов БУ 22. Во-вторых, БУ 22 по сигналам от ДППАУ 14 и по сигналам от датчика ДППЗУ 20 рассчитывает в реальном масштабе времени направление самой платформы 6. Сравнивая в заданные промежутки времени расчетное положение Солнца и реальное направление платформы 6, БУ 22 рассчитывает углы рассогласования и выдает сигналы на СБ 21, который приводит во вращение платформу с помощью ЭД1 12 и ЭД2 18 по азимутальному и зенитальному углам. Вращение платформы происходит до тех пор, пока углы рассогласования не станут равными нулю. Третья функция БУ 22 заключается в том, что он, по запрограммированному пороговому уровню сигнала интенсивности солнечного излучения, переводит управление всей системой 1 на управление по сигналам от ОСД 23. Точность настройки в таком режиме зависит от конструкции ОСД 23 и в нашем примере составляет около 0,02 угловых градуса. Управление по ОСД 23 происходит всегда, когда на приемных элементах ОСД 23 присутствует прямое солнечное излучение. В случае появления временно затеняющих Солнце помех, таких как легкие облака, сильная пыль, прямое солнечное излучение не достигает входного окна ОСД 23, и БУ 22 переводит сопровождение Солнца системой 1 по программе с коррекцией, заложенной в микроконтроллер БУ 22, при этом на имеющиеся на небе яркие пятна от рассеянного солнечного излучения ОСД 23 не срабатывает. Сопровождение Солнца системой 1 по заложенной в микроконтроллер БУ 22 программе с коррекцией осуществляется с использованием усредненных за несколько импульсов управления значений угловых скоростей поворота платформы 6 в азимутальном и в зенитальном направлениях, которые были записаны в блок памяти в последний временной интервал перед моментом затенения Солнца и последующим переходом управления платформой 6 на управление по скорректированной программе. При этом автоматически происходит процесс минимизации всех погрешностей, неизбежно возникающих в механических соединениях приводных систем в процессе эксплуатации системы 1. Движение платформы 6 осуществляется по усредненным значениям угловых скоростей до момента появления прямого солнечного излучения, на которое срабатывает ОСД 23, и далее сопровождение платформой 6 за солнечным диском переходит на управление с точностью не хуже 0,02 угловых градуса по сигналам с ОСД 23, обрабатываемых в БУ 22. Во время такого сопровождения платформы 6 аналоговый сигнал с четырех фотоприемников, выполненных в виде каскадных элементов, ОЗС 23 поступает на БУ 22, оцифровывается и обрабатывается стандартным 8-битным микроконтроллером AVR, например ATmega8. В тот момент времени, когда разность сигналов с двух противоположных фотоприемников (каждая пара приемников дает информацию по соответствующим каналам) превысит запрограммированную величину, микроконтроллер выдает управляющие сигналы для азимутального и зенитального каналов (первый и второй входы) на СБ 21. Электрические сигналы с первого и второго выходов СБ 21 поступают соответственно на ЭД1 12 и ЭД2 18, которые через соответствующие редуктора поворачивают платформу 6 на необходимые углы.The system 1 positioning and tracking the sun of a concentrator photovoltaic plant operates as follows. In the initial period of time at sunrise, platform 6 with concentrator cascade modules is in a theoretically calculated angular position so that the perpendicular to the common surface of the modules is directed to the sunrise point. Further, when the solar disk appears due to the horizon, the radiation of the latter reaches the receiving surface of the OSD 23 and system 1 switches to the tracking mode of the Sun in real time. The tracking process continues uninterruptedly until the moment the sun sets over the horizon. Next, platform 6 with modules rotates to its original position and “waits” for the moment of sunrise. The movement of the platform around two mutually perpendicular axes is controlled with the necessary accuracy using BU 22, which, firstly, at specified intervals calculates the theoretical position of the Sun in the sky using one of the well-known algorithms that work in one or another approximation (depending from the selected algorithm, the calculation accuracy varies within 1-2 angular degrees). The input data for these calculations are the coordinates of the station entered in the memory block BU 22, the date and exact time read from the internal clocks of BU 22. Secondly, the BU 22 calculates in real time from the signals from DPPAU 14 and the signals from the sensor DPPZU 20 the direction of the platform itself 6. Comparing the calculated position of the Sun and the actual direction of the platform 6 at specified intervals, BU 22 calculates the mismatch angles and gives signals to SB 21, which drives the platform in rotation with the help of ED1 12 and ED2 18 in azimuth and zen cial corners. The platform rotates until the mismatch angles become zero. The third function of the control unit 22 is that it, according to the programmed threshold level of the solar radiation intensity signal, transfers the control of the entire system 1 to control by signals from the OSD 23. The accuracy of the setting in this mode depends on the design of the OSD 23 and in our example is about 0 , 02 angular degrees. OSD 23 control always occurs when direct solar radiation is present on the receiving elements of the OSD 23. In the event of interference temporarily obscuring the Sun, such as light clouds, heavy dust, direct solar radiation does not reach the input window of the OSD 23, and BU 22 transfers the tracking of the Sun by system 1 according to the program with correction embedded in the microcontroller BU 22, while bright spots from the scattered solar radiation in the sky OSD 23 does not work. The Sun is tracked by system 1 according to the correction program embedded in the microcontroller BU 22 and is used using the values of the angular velocity of rotation of platform 6 averaged over several control pulses in the azimuthal and zenithal directions, which were recorded in the memory block in the last time interval before the moment of sun shading and subsequent the transition of platform 6 management to adjusted program management. In this case, the process of minimizing all errors that inevitably arise in the mechanical connections of the drive systems during the operation of system 1 automatically occurs. The movement of the platform 6 is carried out according to the averaged angular velocities until the appearance of direct solar radiation, to which the OSD 23 is triggered, and then the platform 6 follows the solar disk switches to control with an accuracy of no worse than 0.02 angular degrees according to the signals from the OSD 23, processed in the control unit 22. During such tracking of the platform 6 an Ogove signal from the four photodetectors, made in the form of cascade elements 23 TAU is supplied to ECU 22, digitized and processed by a standard 8-bit microcontroller, AVR, e.g. ATmega8. At that moment in time when the difference of the signals from two opposite photodetectors (each pair of receivers gives information on the corresponding channels) exceeds the programmed value, the microcontroller provides control signals for the azimuth and zenith channels (first and second inputs) to SB 21. Electrical signals from the first and the second outputs of SB 21 are supplied respectively to ED1 12 and ED2 18, which through the corresponding gearbox rotate the platform 6 at the necessary angles.

Claims

A system for positioning and tracking the sun of a concentrator photovoltaic power plant, comprising a platform with concentrator cascade modules, an azimuthal rotation subsystem including a position sensor for the azimuthal angle of the platform, a first electric motor with a first gearbox, a zenithal rotation subsystem including a platform position sensor for the zenithal angle, a second electric motor with a second gearbox, which provide rotation of the platform with concentrator modules around two mutually perpendicular of lightnesses, a power unit, a platform position control unit with a memory unit, containing a microcontroller with a program that calculates in real time the position of the Sun according to the station coordinates entered in the memory unit, the date and exact time of observation, an optical solar sensor, the photodetectors of which are made in the form of cascade photo converters , the speed sensor of the first electric motor, the speed sensor of the second electric motor, while the outputs of the platform position sensor in the azimuthal angle, the plateau position sensor the zenith angle, the optical solar sensor, the speed sensor of the first electric motor and the speed sensor of the second electric motor are connected to the corresponding inputs of the control unit, the first and second outputs of which are connected to the first and second inputs of the power unit, the first and second outputs of which are connected respectively to the first and second electric motors.