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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Heliostato. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía En los dispositivos denominados sistemas de seguimiento ecuatorial, el ángulo de inclinación del eje con respecto al suelo se mantiene constante. En este sentido, con el cambio de estaciones, se producirá una disminución constante de la eficiencia de la conversión fotovoltaica. Para obtener la máxima eficiencia, es necesario introducir un ajuste adicional del ángulo de inclinación. La conveniencia de introducir el ajuste depende de la instalación específica. No es aconsejable cambiar el valor del ángulo polar, de lo contrario, el significado mismo de dicho dispositivo de seguimiento desaparece. Por lo tanto, es necesario ajustar el ángulo en el que el panel solar se une al eje. Sería útil disponer de un sistema de seguimiento solar capaz de seguir la posición del sol en dos planos, es decir, un sistema de seguimiento de dos ejes. Un sistema de seguimiento con dos grados de libertad a menudo se denomina heliostato. Helióstatos El término heliostato se usa a menudo para referirse a los paneles solares, pero esto es algo incorrecto. De hecho, un helióstato es un reflector (espejo) accionado por motor montado en la superficie superior del soporte, que sigue al sol y refleja su luz constantemente en el mismo lugar. Dado que es el helióstato el que monitorea el sol, echemos un vistazo más de cerca a su trabajo. Debido a la complejidad del proceso de movimiento, el helióstato suele colocarse sobre un soporte vertical y es accionado por un sistema de seguimiento azimutal. El servosistema de azimut difiere del ecuatorial en varias formas significativas. Primero, los soportes de casi todos los sistemas azimutales se instalan verticalmente (Fig. 1). El soporte vertical tiene muchas ventajas sobre el inclinado que se utiliza para los sistemas de seguimiento polar. En primer lugar, no existen esfuerzos de flexión en el soporte. Cuando se inclina el soporte, aparece tensión en el punto de contacto con el suelo.
La magnitud de los esfuerzos es directamente proporcional al peso del equipo colocado sobre el soporte, y esto siempre provoca ciertas dificultades. Por otro lado, una columna recta transmite fuerza verticalmente hacia abajo. Por lo tanto, si la columna no está bajo tensión lateral, tiene un diseño liviano. Piense en el tallo del diente de león, que soporta el peso de la flor aplicado verticalmente, pero puede romperse fácilmente cuando se dobla. Por supuesto, hay soportes inclinados de sistemas de seguimiento de azimut (ubicados en un ángulo igual a la latitud del lugar de instalación). Pero en este caso, se pueden atribuir al tipo de servosistemas ecuatoriales, incluso si se controlan en dos planos diferentes. Este tipo de sistema de seguimiento es utilizado principalmente por astrónomos. Y aunque el telescopio gira alrededor de dos ejes, solo se usa constantemente el impulso polar. El ángulo de elevación del telescopio a menudo se establece solo una vez. Los sistemas de seguimiento azimutal se diferencian de los sistemas de seguimiento ecuatorial principalmente en que siguen simultáneamente un objeto en dos planos diferentes. Por lo tanto, se requieren dos motores para el accionamiento. Un motor mueve el receptor de radiación solar en un plano horizontal, el otro, en uno vertical. No hay una posición u orientación fija. Sin ninguna restricción, el sistema de seguimiento de azimut puede apuntar a cualquier punto del cielo en cualquier momento. Obviamente, para proporcionar tal rango de movimientos, se requiere un dispositivo más complejo que un simple mecanismo de relojería. A menudo, un movimiento tan complejo está controlado por una computadora. (Refiriéndose a los mecanismos de reloj utilizados para apuntar los telescopios a un punto determinado del cielo estrellado). Por supuesto, en nuestro sistema de rastreo no necesitamos una computadora, pero usaremos algunas propiedades de la lógica de la computadora. Con la ayuda de una combinación única de sombra normal proyectada por objetos y lógica electrónica, podremos obtener los comandos de control necesarios para rastrear el Sol. ¿Cómo funciona? Considero que la cabeza fotosensible es el "cerebro" del sistema de seguimiento debido a sus propiedades y forma especiales. Veamos primero los aspectos mecánicos del sensor solar. En la fig. 2 la cabeza se muestra desmontada, y en la fig. 3 - ensamblado.
El cabezal sensible consta de una base opaca, en cuyo centro hay cuatro sensores sensibles a la luz. Nuestro dispositivo utiliza fototransistores infrarrojos para este propósito. Los fototransistores están separados por dos delgadas particiones semicirculares de metal, en las que se cortan ranuras en el medio, lo que permite la conexión, como se muestra en la Fig. 2. Este diseño es preferible al cartón obsoleto. Tenga en cuenta que cada transistor está en su propia sección. Si coloca el dispositivo como se muestra en la Fig. 3, entonces todos los fototransistores, excepto el más cercano a nosotros, desaparecerán de la vista. Esta situación es equivalente a la posición de trabajo más familiar del dispositivo bajo iluminación. En otras palabras, un sensor capta los rayos del sol mientras que los otros están en la sombra. Aprovechemos este fenómeno. Coloquemos la cabeza sensible de modo que sus particiones estén orientadas en las direcciones norte-sur y este-oeste, como se muestra en la Fig. 4. Cada sección con un fototransistor está marcada con las letras A, B, C, D. Ahora consideremos varias opciones para la posición relativa de la cabeza sensible y el sol.
Hagamos algo como un ejercicio de lectura de mapas. Cuando el sol está al norte del cabezal sensor, ilumina las secciones A y B. La luz solar que incide sobre el cabezal sensor desde el este será detectada por los fototransistores B y C. Si el sol está en el noreste, la luz solo incidirá en el fotosensor B. Ahora la idea es clara. Una consideración similar es válida para cualquier dirección de los rayos incidentes. El lector tiene la oportunidad de analizar todos estos casos en detalle. La lógica del circuito. El sistema de seguimiento utiliza la información de estos cuatro sensores para seguir el movimiento del sol en el cielo. Aquí es donde se utiliza la lógica informática, pero para ello es necesario preparar los datos iniciales. Este problema se resuelve con el circuito que se muestra en la Fig. 5. Para simplificar el razonamiento, lo reducimos a un diagrama de bloques.
Sin entrar en detalles todavía, baste decir que cuando el fototransistor Q1 no está encendido, la salida de IC2A es alta. Lo mismo es cierto para los fototransistores Q2, Q3 y Q4: si no están iluminados, las salidas correspondientes de IC2 son de alto potencial. Son estas cuatro salidas las que se utilizarán para controlar los dos motores. La tarea de control lógico se resuelve con el chip IC3. Consta de cuatro elementos NAND combinados en un solo cuerpo (los cuatro elementos funcionan de forma independiente). Si se aplica un alto potencial a ambas entradas del elemento AND-NOT, se establecerá un voltaje de bajo nivel en la salida. Para comprender cómo IC3 convierte estos datos desordenados en comandos de control, veamos un ejemplo. Suponga primero que todas las salidas de los inversores IC2 tienen un alto potencial (correspondiente a la hora de oscuridad del día). Entonces digamos que los rayos del sol de la mañana inciden en la sección A, iluminando el fototransistor Q1. Como resultado, la salida de IC2 se reduce. La salida de IC3 será alta. Recuerde que habrá un alto potencial en la salida del elemento NAND siempre que no haya alto voltaje en ambas entradas. Suena extraño, pero es lógica negativa. El voltaje de salida del elemento NAND está controlado por un transistor de efecto de campo MOS de ranura en V, en cuyo circuito de drenaje está conectado un relé. El relé se activa cuando aparece un alto voltaje en la salida del elemento lógico. En total, hay cuatro formadores y cuatro relevos en el circuito. Los contactos de los relés están conectados de tal manera que los relés RL1 y RL2 controlan un motor y los relés RL3 y RL4 controlan el otro. Luego, en una señal del fototransistor Q1, el chip IC3A encenderá el relé RL1. Cuando el relé RL1 se cierra, el motor se energiza y el servo de azimut gira hacia el norte porque si la luz cae sobre Q1, el sol debe estar en el norte. Así es como el sistema busca el sol. Sin embargo, reducir el voltaje de salida de IC2A también tiene otro efecto. La salida del chip IC3C (cuya entrada está conectada a la salida de IC2A) se establece en un potencial alto y se activa el relé RL3. La lógica IC3C "determinó" correctamente que el sol estaba al oeste de las secciones B, C y D, y comenzó a rotar el sistema en dirección oeste. Como resultado, ambos motores mueven simultáneamente el dispositivo en dirección noroeste, ya que es allí donde se encuentra el sol. La iluminación del transistor Q4 corresponderá a la posición media del sol entre los sensores norte y sur del cabezal sensor. Tan pronto como esto suceda, la salida de IC2D bajará, la salida de IC3B subirá y el relé RL2 funcionará. Ambas salidas del motor están conectadas al mismo polo de la fuente de alimentación y el motor se detendrá. Al mismo tiempo, el sistema de seguimiento continúa buscando el sol en dirección oeste. La dirección hacia el sol se encuentra cuando ambos transistores, Q2 y Q3, están iluminados por sus rayos. En consecuencia, se activa el relé RL3 y se detiene el motor de orientación este-oeste del sistema. Cuando los cuatro sensores están encendidos, los cuatro relés se encienden y los motores no funcionan. La cabeza sensible ha detectado el sol y ahora apunta con precisión en su dirección. Cualquier cambio del sol desde esta posición hará que al menos dos sensores se oscurezcan y la lógica se vuelva a disparar. En el ejemplo anterior, el sol salía por el noroeste, lo que, por supuesto, es imposible. Sin embargo, se hizo tal suposición para ilustrar las amplias posibilidades del sistema de seguimiento de heliostatos. No importa donde sale el sol. El sistema de seguimiento encontrará esta dirección. Conversión de señal Al explicar el principio de funcionamiento del circuito lógico, no se consideraron específicamente las características importantes de la conversión de señales. Hagámoslo ahora. Durante el funcionamiento del circuito, tienen lugar ciertos fenómenos. Cada uno de los cuatro fototransistores funciona independientemente de los demás, por lo que el proceso de conversión de la señal se produce cuatro veces. Sin embargo, supondremos que los cuatro canales funcionan de manera idéntica, y es más conveniente considerar el funcionamiento de solo uno de ellos. Primero, la luz se convierte en una señal electrónica. El fototransistor es el encargado de convertir la luz en electricidad. Cuanta más luz cae sobre el fototransistor, más corriente fluye a través de él. Se incluye una resistencia en el circuito emisor del transistor, en el que se crea una caída de voltaje cuando fluye la corriente. La caída de voltaje a través de una resistencia es directamente proporcional a la corriente que fluye, que a su vez es proporcional a la intensidad de la luz. Por lo tanto, una gran iluminación provoca un aumento de voltaje. Desde la resistencia del emisor, se aplica voltaje a la entrada no inversora del comparador de voltaje. El voltaje de referencia se aplica a la entrada inversora. Cuando el voltaje proveniente de la resistencia del emisor excede el voltaje de referencia, aparece un voltaje de alto nivel en la salida del comparador. Si el voltaje del emisor está por debajo del voltaje de referencia, aparece un voltaje de bajo nivel en la salida del comparador. La operación del circuito está determinada por la magnitud del voltaje de referencia. Como es sabido, una propiedad necesaria de un sistema de seguimiento es la capacidad de determinar el nivel de intensidad de radiación solar que es apropiado para el uso práctico. Esto se puede hacer con un voltaje de referencia. Dado que el voltaje a través de la resistencia del emisor es una función de la intensidad de la luz solar, el valor de este voltaje se puede usar para juzgar que la intensidad de la radiación alcanza un nivel prácticamente aceptable. Este nivel está determinado por el comparador: el voltaje de entrada excede el voltaje de referencia, se ha alcanzado el nivel de luz requerido. Así, el relé no puede actuar hasta que la tensión en el emisor supere el valor correspondiente al nivel mínimo de intensidad de la radiación solar. Además, todos los comparadores reciben un voltaje de referencia de la misma fuente y, por lo tanto, un ajuste de voltaje afecta a todos los comparadores. Con un aumento en el umbral de un canal, aumenta el umbral de todos los demás. En la etapa de salida del comparador hay un transistor de colector abierto, al cual se le debe conectar una resistencia de carga para quitar la señal de salida. Para hacer coincidir la entrada de los elementos NAND y de acuerdo con la lógica de funcionamiento, la señal de salida del comparador se pasa a través del inversor. Diseño del cabezal sensor Si usa inmediatamente las recomendaciones anteriores, no es difícil hacer una cabeza sensible. Las secciones de sombreado están hechas de metal delgado, como láminas de aluminio. Recorta un círculo de unos 10 cm de diámetro y luego córtalo en dos semicírculos del mismo tamaño y forma. Determine el punto medio del borde recto del semicírculo y restablezca la perpendicular desde este punto hasta la intersección con el semicírculo. Marque el centro de la perpendicular, debe estar a una distancia de 2,5 cm del borde. Haz estas operaciones con ambos semicírculos. Aparta uno de los detalles para no confundir. Haga una muesca en una de las partes desde la base (borde recto) hasta la marca del medio de la perpendicular. En otra de la misma parte, haz una muesca similar, pero esta vez desde el borde exterior (redondeado) en dirección al centro hasta la marca del medio de la perpendicular. Vea cómo se hace en la Fig. 2. Conecte las piezas entre sí como se muestra en la fig. 3. La conexión más estrecha se puede obtener si utiliza una sierra para metales con un grosor de filo de la hoja igual al grosor del metal. Una tela con dientes finos da un corte más fino. La base de la cabeza puede ser de madera, plástico o metal. Si bien el metal es mejor, es más difícil de mecanizar. Se toma como base un disco redondo de unos 10 cm de diámetro, correspondiente al tamaño del disco utilizado para realizar las secciones de sombreado. Dibuja la base en cuatro sectores iguales, como cuando cortas un pastel. Con una sierra para metales, corte pequeños surcos a lo largo de estas líneas de al menos 0,8 mm de profundidad o más (según lo permita el material), pero no más profundos que la mitad del grosor. Cuando haya terminado, debe obtener un enrejado en forma de cruz con una intersección en el centro de la base redonda. La apariencia de las ranuras debe parecerse a la cruz de un rifle telescópico, igual de delgadas y precisas. Perfore un orificio de 6 mm en cada cuadrante lo más cerca posible de las crucetas de las ranuras (fig. 4). Sin embargo, se debe dejar algo de espacio libre entre las ranuras y los agujeros. Ahora todo está listo para unir las secciones a la base.Las partes de aluminio se pueden pegar con pegamento epoxi. Las piezas hechas de otro metal se pueden soldar. Recuerde que el diseño no está diseñado para soportar ninguna carga y, por lo tanto, lo más importante es que las partes individuales de la cabeza estén firmemente conectadas entre sí. Sin embargo, debe recordarse que, como resultado del calentamiento de la estructura por los rayos del sol, aparecerán tensiones. En este sentido, no es deseable utilizar materiales con diferentes coeficientes de expansión térmica y cubrir con pintura el producto ensamblado ya terminado. Inserte los fototransistores en los agujeros correspondientes y péguelos. Los terminales colectores están conectados a una fuente de alimentación común, por lo que pueden conectarse entre sí. Cuando se utiliza una base de metal, se pueden conectar cables comunes, ya que la base sirve como "tierra" y protege la cabeza del ruido externo. Finalmente, es necesario proteger el dispositivo de condiciones climáticas adversas con una tapa transparente. Es preferible utilizar vidrio ya que es más duradero. Se puede encontrar una gorra similar en el departamento de regalos o en la tienda de mascotas. Es mejor comprar primero una tapa transparente y luego ajustar el tamaño de la base y las secciones para que quepa. Pegue la tapa protectora a la base con vidrio líquido. diseño de placa de circuito impreso La parte electrónica del circuito se realiza mediante cableado impreso. La colocación de las piezas se muestra en la fig. 6, dibujo de la placa de circuito impreso - en la fig. 7 y 8. Tenga en cuenta que la placa de circuito impreso tiene dos caras.
Debido a la presencia del relé, la placa de circuito impreso es bastante grande. Se utilizan relés estándar de tipo interruptor de dos polos en una caja transparente. Los contactos están clasificados para 10 A a 125 V CA. Sin embargo, el factor limitante no es la corriente continua que los contactos del relé pueden manejar, sino la corriente que pueden interrumpir. Por lo tanto, para aumentar las corrientes de conmutación limitadoras, se conectan en serie dos pares de contactos. Se sabe que cuando los contactos se abren, se produce un arco eléctrico. se llama E. ds autoinducción que ocurre cuando se rompe el circuito de alimentación del motor eléctrico. En un circuito de corriente alterna, el arco desaparece rápidamente cuando se invierte la dirección del campo eléctrico. Sin embargo, en un circuito de CC, el arco puede mantenerse durante bastante tiempo. La formación de arcos se puede prevenir aumentando la distancia entre los contactos y la velocidad de su separación. Cuando los contactos del relé se conectan en serie, la distancia total entre los contactos abiertos se duplica y la velocidad de su separación aumenta. Por lo tanto, el relé puede cambiar una carga que exceda el valor del pasaporte. El relé generalmente se suministra con un conector, que es muy útil para combinar con servomotores, ya que los relés están disponibles en varios voltajes de suministro estándar que van desde 6 V CC o CA hasta 120 V. Le aconsejo que no suelde el relé directamente a la placa, sino que lo conecte a través de los conectores, luego puede recoger un relé con cualquier voltaje de suministro. Para mayor comodidad, el bus de alimentación del relé está aislado del cable de alimentación positivo. Para conectar el relé al "más" de la fuente de alimentación, simplemente suelde el puente, como se indica en el diagrama. Si se utilizan relés con una tensión de alimentación superior a 60 V CC, es necesario seleccionar transistores de efecto de campo que puedan soportar tensiones elevadas (se fabrican para tensiones superiores a 400 V). Recuerde también reemplazar los diodos D1 - D4 con diodos de mayor voltaje y nunca use diodos con relés alimentados por CA. Otra parte del dispositivo que necesita atención especial son las resistencias de emisor R1, R2, R3 y R4. Es poco probable que pueda encontrar cuatro fototransistores con características tan similares que sus voltajes de emisor coincidan bajo la misma iluminación. Para compensar la dispersión de los parámetros, es necesario seleccionar los valores de las resistencias del emisor. El valor nominal de 1 kOhm es solo un valor aproximado de las resistencias durante la puesta en marcha y debe seleccionarse con mayor precisión. Tenga en cuenta que el valor de la resistencia puede variar con la temperatura. La forma más fácil de elegir el valor de la resistencia es reemplazar la resistencia constante por una variable. Comience con un valor de resistencia de 1 kΩ. Al iluminar el cabezal sensor con luz a diferentes niveles de intensidad, se puede obtener una tabla específica de valores de voltaje. No intente reemplazar la luz solar con luz incandescente. Los fototransistores son sensibles a la radiación infrarroja y reaccionan de manera diferente a estas fuentes de luz. Si la medición revela que un fototransistor responde demasiado rápido a un cambio en la iluminación, reduzca el valor de la resistencia. Sin embargo, en este caso, es necesario reducir la resistencia de todas las resistencias para mantener el funcionamiento normal del circuito. Eventualmente encontrará los valores en los que los comparadores de las señales provenientes de los fototransistores correspondientes funcionarán al mismo nivel de luz.
Mida el valor resultante de la resistencia de la resistencia variable y reemplácela con una constante del mismo valor.
consejos útiles El ajuste cambia el nivel de operación. En muchos casos, no es necesario establecer este umbral demasiado bajo o el sistema de seguimiento desperdiciará energía. Dados ciertos elementos, es posible que desee ajustar el nivel de activación del circuito. Aunque este sistema de seguimiento tiene el ángulo de visión más amplio de todos los productos caseros descritos en este libro, todavía puede detenerse en una posición incómoda al anochecer. En este caso, se pueden perder varias horas de la mañana hasta que el sistema comience a responder al aumento del nivel de luz. Si no le gusta esto, haga que el servosistema regrese a neutral después de que todos los relés se hayan desenergizado. Este problema se puede resolver mediante un circuito lógico simple. La mejor posición de partida es la del medio, apuntando al cielo del mediodía. Autor: Byers T.
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