헬리오스타트. 계획, 설명

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적도 추적 시스템이라고 하는 장치에서는 지면에 대한 축의 경사각이 일정하게 유지됩니다. 이와 관련하여 계절의 변화에 따라 광전지 변환 효율이 지속적으로 감소합니다. 최대 효율을 얻으려면 경사각을 추가로 조정해야 합니다.

조정 도입의 편의성은 특정 설치에 따라 다릅니다. 극각 값을 변경하는 것은 바람직하지 않습니다. 그렇지 않으면 그러한 추적 장치의 의미 자체가 사라집니다. 따라서 태양광 패널이 축에 부착되는 각도를 조절할 필요가 있다.

XNUMX개의 평면, 즉 XNUMX축 추적 시스템에서 태양의 위치를 추적할 수 있는 태양 추적 시스템을 갖는 것이 유용할 것입니다. 자유도가 XNUMX개인 추적 시스템을 종종 헬리오스탯(heliostat)이라고 합니다.

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heliostat라는 용어는 종종 태양 전지판을 지칭하는 데 사용되지만 이는 다소 정확하지 않습니다. 실제로 헬리오스탯은 지지대 윗면에 장착된 전동식 반사체(거울)로, 태양을 따라가며 그 빛을 같은 곳에 지속적으로 반사시킨다. 태양을 감시하는 헬리오스탯이기 때문에 그 일을 자세히 살펴보자.

이동 프로세스의 복잡성으로 인해 헬리오스탯은 일반적으로 수직 지지대에 배치되고 방위각 추적 시스템에 의해 구동됩니다. 방위각 서보 시스템은 여러 가지 중요한 면에서 적도 서보 시스템과 다릅니다.

첫째, 거의 모든 방위각 시스템의 지지대가 수직으로 설치됩니다(그림 1). 수직 지지대는 극좌표 추적 시스템에 사용되는 경사 지지대에 비해 많은 이점이 있습니다. 우선, 지지대에 굽힘 응력이 없습니다. 지지대가 기울어지면지면과의 접촉점에 장력이 나타납니다.

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응력의 크기는 지지대에 놓인 장비의 무게에 정비례하며 이는 항상 특정한 어려움을 야기합니다. 반면 직선 기둥은 힘을 수직으로 아래쪽으로 전달합니다. 따라서 기둥이 측면 응력을 받지 않으면 경량 설계가 됩니다. 수직으로 가해지는 꽃의 무게를 지탱하지만 구부러지면 쉽게 부러질 수 있는 민들레 줄기를 생각해 보세요.

물론 방위각 추적 시스템의 경사 지지대가 있습니다(설치 위치의 위도와 같은 각도로 위치). 그러나이 경우 두 개의 서로 다른 평면에서 제어되는 경우에도 적도 서보 시스템 유형에 기인 할 수 있습니다.

이러한 유형의 추적 시스템은 주로 천문학자들이 사용합니다. 그리고 망원경이 두 축을 중심으로 회전하지만 극축 드라이브만 지속적으로 사용됩니다. 망원경의 앙각은 종종 한 번만 설정됩니다.

방위각 추적 시스템은 서로 다른 두 평면에서 물체를 동시에 추적한다는 점에서 주로 적도 추적 시스템과 다릅니다. 따라서 드라이브에는 두 개의 모터가 필요합니다. 하나의 모터는 수평면에서 태양 복사 수신기를 움직이고 다른 모터는 수직면에서 움직입니다. 고정된 위치나 방향은 없습니다. 아무런 제한 없이 방위각 추적 시스템은 언제든지 하늘의 어느 지점을 가리킬 수 있습니다.

분명히, 그러한 움직임의 범위를 제공하기 위해서는 단순한 시계 장치보다 더 복잡한 장치가 필요합니다. 종종 그러한 복잡한 움직임은 컴퓨터에 의해 제어됩니다. (별이 빛나는 하늘의 특정 지점에서 망원경을 가리키는 데 사용되는 시계 메커니즘 참조).

물론 추적 시스템에는 컴퓨터가 필요하지 않지만 컴퓨터 논리의 일부 속성을 사용할 것입니다. 물체에 의해 드리워지는 일반적인 그림자와 전자 논리의 고유한 조합 덕분에 우리는 태양을 추적하는 데 필요한 제어 명령을 얻을 수 있습니다.

운영 원칙

감광성 헤드는 그 특수한 속성과 모양으로 인해 추적 시스템의 "두뇌"라고 생각합니다. 먼저 태양광 센서의 기계적 측면을 살펴보겠습니다. 무화과. 2 헤드는 분해된 상태로 표시되며, Fig. 3 - 조립.

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민감한 헤드는 중앙에 XNUMX개의 감광 센서가 있는 불투명한 베이스로 구성됩니다. 우리 장치는 이 목적을 위해 적외선 포토트랜지스터를 사용합니다.

광트랜지스터는 두 개의 얇은 금속 반원형 칸막이로 분리되어 있으며, 홈은 그림 2과 같이 연결이 가능하도록 가운데에 톱질되어 있습니다. XNUMX. 이 디자인은 구식 판지보다 바람직합니다. 각 트랜지스터는 자체 섹션에 있습니다.

그림과 같이 장치를 배치하면 3, 우리에게 가장 가까운 것을 제외한 모든 광 트랜지스터가 시야에서 사라집니다. 이 상황은 조명 아래에서 장치의 가장 친숙한 작업 위치와 동일합니다. 즉, 한 센서는 태양 광선을 포착하고 다른 센서는 그늘에 있습니다. 이 현상을 이용합시다.

그림과 같이 칸막이가 남북 및 동서 방향을 향하도록 민감한 머리를 배치합니다. 4. 광트랜지스터가 있는 각 섹션에는 문자 A, B, C, D가 표시되어 있습니다. 이제 민감한 머리와 태양의 상대적인 위치에 대한 다양한 옵션을 고려해 보겠습니다.

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지도 읽기 연습과 같은 것을 해봅시다. 태양이 센싱 헤드의 북쪽에 있으면 섹션 A와 B를 비춥니다. 동쪽에서 센싱 헤드에 닿는 햇빛은 포토트랜지스터 B와 C에 의해 감지됩니다. 태양이 북동쪽에 있으면 빛은 포토센서 B에만 떨어집니다.

이제 아이디어가 명확해졌습니다. 유사한 고려 사항이 입사 광선의 모든 방향에 유효합니다. 독자는 이러한 모든 사례를 자세히 분석할 기회가 주어집니다.

회로의 논리

이 XNUMX개 센서의 정보는 추적 시스템에서 하늘을 가로지르는 태양의 움직임을 추적하는 데 사용됩니다. 여기에 컴퓨터 로직을 사용하는데, 이를 위해서는 초기 데이터를 준비해야 합니다.

이 문제는 그림에 표시된 회로에 의해 해결됩니다. 5. 추론을 단순화하기 위해 블록 다이어그램으로 축소합니다.

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아직 자세히 설명하지 않고 포토트랜지스터 Q1이 켜지지 않을 때 IC2A의 출력이 높다고 말하는 것으로 충분합니다. 광트랜지스터 Q2, Q3 및 Q4의 경우에도 마찬가지입니다. 조명이 켜지지 않으면 IC2의 해당 출력이 높은 전위입니다. XNUMX개의 모터를 제어하는 데 사용되는 것은 이 XNUMX개의 출력입니다.

논리적 제어 작업은 IC3 칩에 의해 해결됩니다. 하나의 본체에 결합된 XNUMX개의 NAND 요소로 구성됩니다(XNUMX개의 요소 모두 서로 독립적으로 작동). AND-NOT 요소의 양쪽 입력에 높은 전위가 적용되면 출력에 낮은 수준의 전압이 설정됩니다.

IC3가 이 지저분한 데이터를 제어 명령으로 변환하는 방법을 이해하기 위해 예를 살펴보겠습니다. 먼저 인버터 IC2의 모든 출력이 고전위(오늘의 어두운 시간에 해당)에 있다고 가정합니다. 그런 다음 아침 햇살이 섹션 A에 닿아 포토트랜지스터 Q1을 비춘다고 가정해 보겠습니다. 결과적으로 IC2의 출력은 낮게 구동됩니다.

IC3의 출력은 높아질 것입니다. 두 입력 모두에 고전압이 없는 한 NAND 요소의 출력에 높은 전위가 존재한다는 점을 상기하십시오. 이상하게 들리겠지만 부정 논리입니다.

NAND 소자의 출력 전압은 릴레이가 연결된 드레인 회로에서 V-groove MOS 전계 효과 트랜지스터에 의해 제어됩니다. 논리 소자의 출력에 고전압이 나타나면 릴레이가 활성화됩니다. 총 XNUMX개의 셰이퍼와 XNUMX개의 릴레이가 회로에 있습니다.

릴레이 접점은 릴레이 RL1 및 RL2가 하나의 모터를 제어하고 릴레이 RL3 및 RL4가 다른 하나를 제어하는 방식으로 연결됩니다. 그런 다음 광 트랜지스터 Q1의 신호에 따라 IC3A 칩이 릴레이 RL1을 켭니다.

릴레이 RL1이 닫히면 모터에 전원이 공급되고 방위각 서보가 북쪽으로 회전합니다. 빛이 Q1에 떨어지면 태양이 북쪽에 있어야 하기 때문입니다. 이것이 시스템이 태양을 찾는 방법입니다.

그러나 IC2A의 출력 전압을 낮추면 또 다른 효과가 있습니다. IC3C 칩의 출력(입력이 IC2A의 출력에 연결됨)은 높은 전위로 설정되고 RL3 릴레이가 활성화됩니다. Logic IC3C는 태양이 섹션 B, C 및 D의 서쪽에 있고 시스템을 서쪽 방향으로 회전하기 시작했음을 매우 올바르게 "결정"했습니다.

결과적으로 두 모터는 태양이 있는 북서쪽 방향으로 장치를 동시에 이동시킵니다.

트랜지스터 Q4의 조명은 감지 헤드의 북쪽과 남쪽 센서 사이의 태양의 평균 위치에 해당합니다. 이것이 발생하자마자 IC2D의 출력은 낮아지고 IC3B의 출력은 높아져 릴레이 RL2가 작동합니다. 모터의 두 출력 모두 전원 공급 장치의 동일한 극에 연결되고 모터가 정지합니다. 동시에 추적 시스템은 계속해서 서쪽 방향에서 태양을 찾습니다. 태양을 향하는 방향은 트랜지스터 Q2와 Q3이 태양 광선에 의해 비춰질 때 발견됩니다. 결과적으로 릴레이 RL3이 활성화되고 시스템의 동서 방향 모터가 정지합니다.

XNUMX개의 센서가 모두 켜지면 XNUMX개의 릴레이가 모두 켜지고 모터가 작동하지 않습니다. 민감한 머리는 태양을 감지했으며 이제 그 방향을 정확하게 가리킵니다. 이 위치에서 태양이 이동하면 최소 두 개의 센서가 가려지고 논리가 다시 작동합니다.

위의 예에서 태양은 북서쪽에서 뜨고 있었는데 이는 물론 불가능합니다. 그럼에도 불구하고 이러한 가정은 헬리오스탯 추적 시스템의 광범위한 가능성을 설명하기 위해 만들어졌습니다. 해가 뜨는 곳은 중요하지 않습니다. 추적 시스템이 이 방향을 찾습니다.

신호 변환

논리 회로의 동작 원리를 설명할 때 신호 변환의 중요한 특징은 구체적으로 고려하지 않았다. 지금 해보자.

회로 작동 중에 특정 현상이 발생합니다. XNUMX개의 포토트랜지스터는 각각 독립적으로 작동하므로 신호 변환 프로세스가 XNUMX번 발생합니다. 그럼에도 불구하고 우리는 XNUMX개의 채널이 모두 동일하게 작동한다고 가정하고 그 중 하나만의 작동을 고려하는 것이 더 편리합니다.

첫째, 빛은 전자 신호로 변환됩니다. 광트랜지스터는 빛을 전기로 변환하는 역할을 합니다. 포토트랜지스터에 더 많은 빛이 떨어질수록 더 많은 전류가 포토트랜지스터를 통해 흐릅니다.

트랜지스터의 이미 터 회로에는 저항이 포함되어 있으며 전류가 흐를 때 전압 강하가 발생합니다. 저항기 양단의 전압 강하는 흐르는 전류에 정비례하고, 이는 빛의 강도에 비례합니다. 따라서 조명이 크면 전압이 증가합니다.

이미 터 저항에서 전압 비교기의 비 반전 입력에 전압이 적용됩니다. 기준 전압은 반전 입력에 적용됩니다. 이미 터 저항에서 나오는 전압이 기준 전압을 초과하면 비교기 출력에 높은 수준의 전압이 나타납니다. 이미 터 전압이 기준 전압보다 낮 으면 비교기 출력에 낮은 수준의 전압이 나타납니다.

회로의 동작은 기준 전압의 크기에 의해 결정됩니다. 알려진 바와 같이, 추적 시스템의 필수 속성은 실제 사용에 적합한 일사 강도 수준을 결정하는 능력입니다. 이는 기준 전압으로 수행할 수 있습니다.

이미 터 저항 양단의 전압은 태양광 강도의 함수이므로 이 전압 값을 사용하여 방사선 강도가 실질적으로 허용 가능한 수준에 도달했는지 판단할 수 있습니다. 이 수준은 비교기에 의해 결정됩니다. 입력 전압이 기준 전압을 초과하고 필요한 조명 수준에 도달했습니다. 따라서 릴레이는 이미터의 전압이 최소 일사 강도에 해당하는 값을 초과할 때까지 작동할 수 없습니다.

또한 모든 비교기에는 동일한 소스에서 기준 전압이 공급되므로 하나의 전압 설정이 모든 비교기에 영향을 미칩니다. 한 채널의 임계값이 증가하면 다른 모든 채널의 임계값도 증가합니다.

비교기의 출력단에는 출력 신호를 제거하기 위해 부하 저항을 연결해야 하는 개방형 컬렉터 트랜지스터가 있습니다. NAND 요소의 입력을 일치시키고 작동 논리에 따라 비교기의 출력 신호가 인버터를 통과합니다.

센싱 헤드 디자인

위의 권장 사항을 즉시 사용하면 민감한 머리를 만드는 것이 어렵지 않습니다.

음영 섹션은 알루미늄 시트와 같은 얇은 금속으로 만들어집니다. 지름 10cm 정도의 원을 잘라낸 다음 같은 크기와 모양의 반원 두 개로 자릅니다.

반원의 직선 모서리의 중간점을 결정하고 이 점에서 반원과의 교차점까지의 수직선을 복원합니다. 수직선의 중간을 표시하고 가장자리에서 2,5cm 떨어진 곳에 있어야 합니다. 두 반원으로 이러한 작업을 수행하십시오.

혼동하지 않도록 세부 사항 중 하나를 따로 보관하십시오. 베이스 (직선 모서리)에서 수직 중간 표시까지 부품 중 하나에 노치를 만드십시오. 같은 부분의 다른 부분에서 유사한 노치를 만드십시오. 그러나 이번에는 중심 방향의 바깥 쪽 (둥근) 가장자리에서 수직선의 중간 표시까지입니다. 그림에서 어떻게 수행되는지 확인하십시오. 2.

그림과 같이 부품을 함께 연결하십시오. 3. 칼날의 칼날 두께가 금속 두께와 같은 쇠톱을 사용하면 가장 단단한 연결을 얻을 수 있습니다. 가는 이가 있는 천은 더 세밀하게 잘립니다.

헤드 베이스는 목재, 플라스틱 또는 금속으로 만들 수 있습니다. 금속이 가장 좋지만 가공하기가 더 어렵습니다.

음영 섹션을 만드는 데 사용되는 디스크의 크기에 해당하는 직경 약 10cm의 둥근 디스크를 베이스로 사용합니다. 케이크를 자를 때처럼 베이스를 XNUMX등분으로 그립니다.

쇠톱을 사용하여 이 선을 따라 깊이가 최소 0,8mm 이상(재료가 허용하는 한), 두께의 절반보다 깊지 않은 작은 홈을 자릅니다.

완료되면 원형 베이스 중앙에 교차점이 있는 십자형 격자가 생성됩니다. 그루브의 모양은 망원경 소총의 십자선과 마찬가지로 얇고 정확해야 합니다.

홈의 십자선에 최대한 가깝게 각 사분면에 6mm 구멍을 뚫습니다(그림 4). 그러나 홈과 구멍 사이에 약간의 여유 공간이 있어야 합니다.

이제 섹션을 베이스에 부착할 준비가 모두 끝났습니다.알루미늄 부품은 에폭시 접착제로 붙일 수 있습니다. 다른 금속으로 만들어진 부품을 납땜할 수 있습니다. 디자인은 하중을 견디도록 설계되지 않았으므로 가장 중요한 것은 헤드의 개별 부품이 서로 단단히 연결되어 있다는 것입니다.

그러나 태양 광선에 의한 구조물의 가열로 인해 응력이 발생한다는 점을 기억해야 합니다. 이와 관련하여 열팽창 계수가 다른 재료를 사용하고 이미 완성 된 조립 제품을 페인트로 덮는 것은 바람직하지 않습니다.

포토 트랜지스터를 해당 구멍에 삽입하고 붙입니다. 컬렉터 단자는 공통 전원 공급 장치에 연결되므로 함께 연결할 수 있습니다. 금속 베이스를 사용하는 경우 베이스가 "접지" 역할을 하고 외부 노이즈로부터 헤드를 보호하기 때문에 공통 리드를 연결할 수 있습니다.

마지막으로 투명한 캡으로 악천후로부터 장치를 보호해야 합니다. 유리는 내구성이 더 좋기 때문에 유리를 사용하는 것이 좋습니다. 유사한 모자는 선물 매장이나 애완 동물 가게에서 찾을 수 있습니다. 투명캡을 먼저 구매하신 후 베이스와 단면의 사이즈를 조절하여 맞추시면 좋습니다. 액체 유리로 바닥에 보호 캡을 붙입니다.

PCB 설계

회로의 전자 부품은 인쇄 배선을 사용하여 만들어집니다. 부품 배치는 그림에 나와 있습니다. 6, 인쇄 회로 기판 도면 - 그림. 7 및 8. PCB는 양면입니다.

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그림 7; 쌀. 여덟

릴레이가 있기 때문에 인쇄 회로 기판이 상당히 큽니다. 투명한 케이스에 들어있는 표준 이중 극 스위치 유형 릴레이가 사용됩니다. 접점의 정격은 10V AC에서 125A입니다.

그러나 제한 요소는 릴레이 접점이 처리할 수 있는 연속 전류가 아니라 차단할 수 있는 전류입니다. 따라서 제한 스위칭 전류를 증가시키기 위해 두 쌍의 접점이 직렬로 연결됩니다.

접점이 열리면 전기 아크가 발생하는 것으로 알려져 있습니다. 전자라고 합니다. d.s. 전기 모터의 전원 공급 회로가 끊어졌을 때 발생하는 자기 유도. 교류 회로에서 전기장의 방향이 바뀌면 아크가 빠르게 사라집니다. 그러나 DC 회로에서 아크는 꽤 오랜 시간 동안 자체적으로 유지될 수 있습니다. 접촉 사이의 거리와 분리 속도를 증가시켜 아크 형성을 방지할 수 있습니다.

릴레이 접점이 직렬로 연결되면 열린 접점 사이의 총 거리가 두 배가 되고 분리 속도가 빨라집니다. 따라서 릴레이는 여권 값을 초과하는 부하를 전환할 수 있습니다.

릴레이는 일반적으로 커넥터와 함께 제공되며, 릴레이는 6V DC 또는 AC에서 120V에 이르는 다양한 표준 공급 전압에서 사용할 수 있기 때문에 서보 모터와 일치시키는 데 매우 유용합니다.

릴레이를 보드에 직접 납땜하지 말고 커넥터를 통해 연결하면 모든 공급 전압으로 릴레이를 선택할 수 있습니다.

편의상 릴레이 전원 버스는 양극 전원 와이어와 분리되어 있습니다. 릴레이를 전원 공급 장치의 "플러스"에 연결하려면 다이어그램에 표시된 대로 점퍼를 납땜하기만 하면 됩니다.

공급 전압이 60V DC 이상인 릴레이를 사용하는 경우 고전압을 견딜 수 있는 전계 효과 트랜지스터를 선택해야 합니다(400V 이상의 전압에 대해 생성됨). 또한 다이오드 D1 - D4를 고전압 다이오드로 교체하고 AC 전원 릴레이에는 다이오드를 사용하지 마십시오.

특별한 주의가 필요한 장치의 또 다른 부분은 이미 터 저항 R1, R2, R3 및 R4입니다. 동일한 조명에서 이미 터 전압이 일치 할 정도로 특성이 매우 가까운 XNUMX 개의 광 트랜지스터를 찾을 수 없을 것입니다. 매개 변수의 확산을 보상하려면 이미 터 저항 값을 선택해야합니다.

1kOhm의 공칭 값은 시운전 중 저항의 대략적인 값일 뿐이며 더 정확하게 선택해야 합니다. 저항 값은 온도에 따라 달라질 수 있음을 명심하십시오.

저항 값을 선택하는 가장 쉬운 방법은 일정한 저항을 가변 저항으로 교체하는 것입니다. 1kΩ의 저항 값으로 시작합니다. 서로 다른 강도 수준의 빛으로 감지 헤드를 비추면 특정 전압 값 표를 얻을 수 있습니다.

햇빛을 백열등으로 바꾸려고 하지 마십시오. 포토트랜지스터는 적외선에 민감하며 이러한 광원에 다르게 반응합니다.

측정 결과 하나의 포토트랜지스터가 조명 변화에 너무 빨리 반응하는 것으로 나타나면 저항 값을 줄이십시오. 그러나이 경우 회로의 정상적인 작동을 유지하기 위해 모든 저항의 저항을 줄일 필요가 있습니다. 결국 해당 포토 트랜지스터에서 나오는 신호의 비교기가 동일한 조명 수준에서 작동하는 값을 찾을 수 있습니다.

그림 9(확대하려면 클릭)

가변 저항의 저항 결과 값을 측정하고 동일한 값의 상수로 바꿉니다.

도움이되는 힌트

조정은 작동 수준을 변경합니다. 대부분의 경우 이 임계값을 너무 낮게 설정할 필요가 없습니다. 그렇지 않으면 추적 시스템이 전력을 낭비하게 됩니다. 특정 요소가 주어지면 회로의 트리거 레벨을 조정할 수 있습니다.

이 추적 시스템은 이 책에 설명된 모든 수제 제품 중 가장 넓은 시야각을 가지고 있지만, 여전히 해질녘에 불편한 위치에 멈출 수 있습니다. 이 경우 시스템이 증가된 조명 수준에 응답하기 시작할 때까지 몇 시간의 아침 시간이 손실될 수 있습니다.

이것이 마음에 들지 않으면 모든 릴레이의 전원이 꺼진 후 서보 시스템을 중립으로 되돌리십시오. 이 문제는 간단한 논리 회로로 해결할 수 있습니다. 가장 좋은 시작 위치는 한낮의 하늘을 가리키는 가운데 위치입니다.

저자: 바이어스 T.

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