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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Héliostat. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Dans les dispositifs appelés systèmes de suivi équatorial, l'angle d'inclinaison de l'axe par rapport au sol est maintenu constant. À cet égard, avec le changement des saisons, il y aura une diminution constante de l'efficacité de la conversion photovoltaïque. Pour obtenir une efficacité maximale, il est nécessaire d'introduire un réglage supplémentaire de l'angle d'inclinaison. La commodité de l'introduction du réglage dépend de l'installation spécifique. Il est déconseillé de modifier la valeur de l'angle polaire, sinon le sens même d'un tel dispositif de repérage disparaît. Par conséquent, il est nécessaire d'ajuster l'angle auquel le panneau solaire est fixé à l'axe. Il serait utile de disposer d'un système de suivi solaire capable de suivre la position du soleil dans deux plans, c'est-à-dire un système de suivi à deux axes. Un système de poursuite à deux degrés de liberté est souvent appelé héliostat. Héliostats Le terme héliostat est souvent utilisé pour désigner les panneaux solaires, mais c'est quelque peu incorrect. En fait, un héliostat est un réflecteur motorisé (miroir) monté sur la face supérieure du support, qui suit le soleil et réfléchit constamment sa lumière au même endroit. Puisque c'est l'héliostat qui surveille le soleil, regardons de plus près son travail. En raison de la complexité du processus de déplacement, l'héliostat est généralement placé sur un support vertical et piloté par un système de suivi azimutal. Le système d'asservissement d'azimut diffère du système équatorial de plusieurs manières importantes. Premièrement, les supports de presque tous les systèmes azimutaux sont installés verticalement (Fig. 1). Le support vertical présente de nombreux avantages par rapport au support incliné utilisé pour les systèmes de repérage polaire. Tout d'abord, il n'y a pas de contraintes de flexion dans le support. Lorsque le support est incliné, une tension apparaît au point de contact avec le sol.
L'importance de la contrainte est directement proportionnelle au poids de l'équipement posé sur le support, ce qui entraîne toujours certaines difficultés. D'autre part, une colonne droite transmet la force verticalement vers le bas. Par conséquent, si le poteau n'est pas soumis à des contraintes latérales, il a une conception légère. Pensez à la tige de pissenlit, qui supporte le poids appliqué verticalement de la fleur, mais peut facilement se casser lorsqu'elle est pliée. Bien sûr, il existe des supports inclinés de systèmes de suivi d'azimut (situés à un angle égal à la latitude du lieu d'installation). Mais dans ce cas, ils peuvent être attribués au type d'asservissements équatoriaux, même s'ils sont commandés dans deux plans différents. Ce type de système de suivi est principalement utilisé par les astronomes. Et bien que le télescope tourne autour de deux axes, seul le moteur polaire est constamment utilisé. L'angle d'élévation du télescope n'est souvent réglé qu'une seule fois. Les systèmes de suivi azimutal diffèrent des systèmes de suivi équatorial principalement en ce qu'ils suivent simultanément un objet dans deux plans différents. Par conséquent, deux moteurs sont nécessaires pour l'entraînement. Un moteur déplace le récepteur du rayonnement solaire dans un plan horizontal, l'autre dans un plan vertical. Il n'y a pas de position ou d'orientation fixe. Sans aucune restriction, le système de suivi d'azimut peut pointer vers n'importe quel point du ciel à tout moment. Bien entendu, pour assurer une telle gamme de mouvements, il faut un dispositif plus complexe qu'un simple mouvement d'horlogerie. Souvent, un mouvement aussi complexe est contrôlé par un ordinateur. (Se référant aux mécanismes d'horloge utilisés pour pointer les télescopes à un certain point dans le ciel étoilé). Bien sûr, dans notre système de suivi, nous n'avons pas besoin d'un ordinateur, mais nous utiliserons certaines propriétés de la logique informatique. Grâce à une combinaison unique d'ombres normales projetées par des objets et de logique électronique, nous pourrons obtenir les commandes de contrôle nécessaires pour suivre le Soleil. Comment ça marche? Je considère la tête photosensible comme le "cerveau" du système de suivi en raison de ses propriétés et de sa forme particulières. Voyons d'abord les aspects mécaniques du capteur solaire. Sur la fig. 2 la tête est montrée démontée, et sur la fig. 3 - assemblé.
La tête sensible est constituée d'une base opaque, au centre de laquelle se trouvent quatre capteurs photosensibles. Notre appareil utilise à cet effet des phototransistors infrarouges. Les phototransistors sont séparés par deux fines cloisons métalliques semi-circulaires, dans lesquelles des rainures sont sciées au milieu, ce qui permet la connexion, comme le montre la Fig. 2. Cette conception est préférable au carton obsolète. Notez que chaque transistor est dans sa propre section. Si vous positionnez l'appareil comme indiqué sur la Fig. 3, alors tous les phototransistors, à l'exception de celui le plus proche de nous, disparaîtront de notre vue. Cette situation équivaut à la position de travail la plus familière de l'appareil sous éclairage. En d'autres termes, un capteur capte les rayons du soleil tandis que les autres sont à l'ombre. Profitons de ce phénomène. Positionnons la tête sensible de manière à ce que ses cloisons soient orientées dans les directions nord-sud et est-ouest, comme le montre la Fig. 4. Chaque section avec un phototransistor est marquée des lettres A, B, C, D. Considérons maintenant différentes options pour la position relative de la tête sensible et du soleil.
Faisons quelque chose comme un exercice de lecture de carte. Lorsque le soleil est au nord de la tête de détection, il éclaire les sections A et B. La lumière du soleil frappant la tête de détection depuis l'est sera détectée par les phototransistors B et C. Si le soleil est au nord-est, la lumière ne tombera que sur le photocapteur B. Maintenant l'idée est claire. Une considération similaire est valable pour toute direction des rayons incidents. Le lecteur a la possibilité d'analyser en détail tous ces cas. La logique du circuit Les informations de ces quatre capteurs sont utilisées par le système de suivi pour suivre le mouvement du soleil dans le ciel. C'est là que la logique informatique est utilisée, mais pour cela, il est nécessaire de préparer les données initiales. Ce problème est résolu par le circuit illustré à la Fig. 5. Pour simplifier le raisonnement, nous le réduisons à un schéma fonctionnel.
Sans entrer dans les détails pour l'instant, il suffit de dire que lorsque le phototransistor Q1 n'est pas allumé, la sortie de IC2A est élevée. Il en est de même pour les phototransistors Q2, Q3 et Q4 : s'ils ne sont pas éclairés, les sorties correspondantes de IC2 sont au potentiel haut. Ce sont ces quatre sorties qui serviront à piloter les deux moteurs. La tâche de contrôle logique est résolue par la puce IC3. Il se compose de quatre éléments NAND combinés dans un seul corps (les quatre éléments fonctionnent indépendamment les uns des autres). Si un potentiel élevé est appliqué aux deux entrées de l'élément AND-NOT, une tension de niveau bas sera définie à la sortie. Pour comprendre comment IC3 convertit ces données désordonnées en commandes de contrôle, regardons un exemple. Supposons d'abord que toutes les sorties des onduleurs IC2 sont à un potentiel haut (correspondant à l'heure sombre de la journée). Disons ensuite que les rayons du soleil du matin frappent la section A, illuminant le phototransistor Q1. En conséquence, la sortie de IC2 est amenée à l'état bas. La sortie de IC3 ira haut. Rappelez-vous qu'il y aura un potentiel élevé à la sortie de l'élément NAND tant qu'il n'y aura pas de haute tension aux deux entrées. Cela semble étrange, mais c'est de la logique négative. La tension de sortie de l'élément NAND est contrôlée par un transistor à effet de champ MOS à rainure en V, dans le circuit de drain duquel un relais est connecté. Le relais est activé lorsqu'une haute tension apparaît à la sortie de l'élément logique. Au total, il y a quatre shapers et quatre relais dans le circuit. Les contacts de relais sont connectés de manière à ce que les relais RL1 et RL2 contrôlent un moteur et que les relais RL3 et RL4 contrôlent l'autre. Ensuite, sur un signal du phototransistor Q1, la puce IC3A activera le relais RL1. Lorsque le relais RL1 se ferme, le moteur est alimenté et le servo d'azimut tourne vers le nord car si la lumière tombe sur Q1, le soleil doit être au nord. C'est ainsi que le système recherche le soleil. Cependant, l'abaissement de la tension de sortie de IC2A a également un autre effet. La sortie de la puce IC3C (dont l'entrée est reliée à la sortie de IC2A) est mise à un potentiel haut, et le relais RL3 est activé. La logique IC3C a "déterminé" à juste titre que le soleil était à l'ouest des sections B, C et D, et a commencé à faire tourner le système dans une direction ouest. En conséquence, les deux moteurs déplacent simultanément l'appareil dans la direction nord-ouest, puisque c'est là que se trouve le soleil. L'éclairement du transistor Q4 correspondra à la position moyenne du soleil entre les capteurs nord et sud de la tête de détection. Dès que cela se produit, la sortie d'IC2D passe au niveau bas, la sortie d'IC3B passe au niveau haut et le relais RL2 fonctionne. Les deux sorties du moteur sont connectées au même pôle de l'alimentation et le moteur s'arrête. Dans le même temps, le système de suivi continue de rechercher le soleil dans la direction ouest. La direction vers le soleil est trouvée lorsque les deux transistors, Q2 et Q3, sont éclairés par ses rayons. En conséquence, le relais RL3 est activé et le moteur d'orientation est-ouest du système s'arrête. Lorsque les quatre capteurs sont allumés, les quatre relais s'allument et les moteurs ne fonctionnent pas. La tête sensible a détecté le soleil et est maintenant pointée précisément dans sa direction. Tout déplacement du soleil par rapport à cette position entraînera l'obscurcissement d'au moins deux capteurs et le redémarrage de la logique. Dans l'exemple ci-dessus, le soleil se levait au nord-ouest, ce qui, bien sûr, est impossible. Néanmoins, une telle hypothèse a été faite pour illustrer les larges possibilités du système de poursuite par héliostat. Peu importe où le soleil se lève. Le système de suivi trouvera cette direction. Conversion de signaux Lors de l'explication du principe de fonctionnement du circuit logique, les caractéristiques importantes de la conversion du signal n'ont pas été spécifiquement prises en compte. Faisons-le maintenant. Lors du fonctionnement du circuit, certains phénomènes ont lieu. Chacun des quatre phototransistors fonctionne indépendamment des autres, de sorte que le processus de conversion du signal se produit quatre fois. Néanmoins, nous supposerons que les quatre canaux fonctionnent de manière identique, et il est plus opportun de considérer le fonctionnement d'un seul d'entre eux. Tout d'abord, la lumière est convertie en un signal électronique. Le phototransistor est responsable de la conversion de la lumière en électricité. Plus la lumière tombe sur le phototransistor, plus le courant le traverse. Une résistance est incluse dans le circuit émetteur du transistor, sur laquelle une chute de tension est créée lorsque le courant circule. La chute de tension aux bornes d'une résistance est directement proportionnelle au courant circulant, qui à son tour est proportionnel à l'intensité lumineuse. Par conséquent, un éclairage important provoque une augmentation de la tension. À partir de la résistance d'émetteur, une tension est appliquée à l'entrée non inverseuse du comparateur de tension. La tension de référence est appliquée à l'entrée inverseuse. Lorsque la tension provenant de la résistance d'émetteur dépasse la tension de référence, une tension de niveau haut apparaît à la sortie du comparateur. Si la tension de l'émetteur est inférieure à la tension de référence, une tension de niveau bas apparaît en sortie du comparateur. Le fonctionnement du circuit est déterminé par l'amplitude de la tension de référence. Comme on le sait, une propriété nécessaire d'un système de suivi est la capacité de déterminer le niveau d'intensité de rayonnement solaire qui est approprié pour une utilisation pratique. Cela peut être fait avec une tension de référence. Comme la tension aux bornes de la résistance d'émetteur est fonction de l'intensité de la lumière solaire, la valeur de cette tension peut être utilisée pour juger que l'intensité de rayonnement atteint un niveau pratiquement acceptable. Ce niveau est déterminé par le comparateur : la tension d'entrée dépasse la tension de référence, le niveau de luminosité requis est atteint. Ainsi, le relais ne peut fonctionner que lorsque la tension au niveau de l'émetteur dépasse la valeur correspondant au niveau minimum d'intensité de rayonnement solaire. De plus, tous les comparateurs sont alimentés avec une tension de référence à partir de la même source et, par conséquent, un réglage de tension affecte tous les comparateurs. Avec une augmentation du seuil d'un canal, le seuil de tous les autres augmente. Dans l'étage de sortie du comparateur, il y a un transistor à collecteur ouvert, auquel une résistance de charge doit être connectée pour supprimer le signal de sortie. Pour correspondre à l'entrée des éléments NAND et selon la logique de fonctionnement, le signal de sortie du comparateur est passé à travers l'inverseur. Conception de la tête de détection Si vous utilisez immédiatement les recommandations ci-dessus, faire une tête sensible n'est pas difficile. Les sections d'ombrage sont faites de métal mince, comme une tôle d'aluminium. Découpez-y un cercle d'environ 10 cm de diamètre, puis coupez-le en deux demi-cercles de même taille et forme. Déterminer le milieu du bord droit du demi-cercle et rétablir la perpendiculaire de ce point à l'intersection avec le demi-cercle. Marquez le milieu de la perpendiculaire, elle doit être à une distance de 2,5 cm du bord. Faites ces opérations avec les deux demi-cercles. Mettez de côté l'un des détails pour ne pas confondre. Faites une entaille dans une des parties depuis la base (bord droit) jusqu'à la marque du milieu de la perpendiculaire. Dans une autre de la même partie, faites une encoche similaire, mais cette fois du bord extérieur (arrondi) en direction du centre jusqu'à la marque du milieu de la perpendiculaire. Voyez comment c'est fait dans la Fig. 2. Connectez les pièces ensemble comme indiqué sur la fig. 3. La connexion la plus serrée peut être obtenue si vous utilisez une scie à métaux avec une épaisseur de tranchant de la lame égale à l'épaisseur du métal. Un chiffon à dents fines donne une coupe plus fine. La base de la tête peut être en bois, en plastique ou en métal. Bien que le métal soit le meilleur, il est plus difficile à usiner. Un disque rond d'environ 10 cm de diamètre est pris comme base, correspondant à la taille du disque utilisé pour réaliser les sections d'ombrage. Dessinez la base en quatre secteurs égaux, comme pour couper un gâteau. À l'aide d'une scie à métaux, coupez de petites rainures le long de ces lignes d'au moins 0,8 mm de profondeur ou plus (si le matériau le permet), mais pas plus profondément que la moitié de l'épaisseur. Une fois terminé, vous devriez obtenir un treillis en forme de croix avec une intersection au centre de la base ronde. L'aspect des rainures devrait ressembler au réticule d'un fusil télescopique, tout aussi fin et précis. Percez un trou de 6 mm dans chaque quadrant le plus près possible du réticule des rainures (fig. 4). Cependant, un certain jeu doit être laissé entre les rainures et les trous. Maintenant tout est prêt pour fixer les profilés à la base, les pièces en aluminium peuvent être collées avec de la colle époxy. Les pièces faites d'autres métaux peuvent être soudées. N'oubliez pas que la conception n'est pas conçue pour supporter une charge et que, par conséquent, le plus important est que les différentes parties de la tête soient fermement connectées les unes aux autres. Cependant, il convient de rappeler qu'à la suite de l'échauffement de la structure par les rayons du soleil, des contraintes apparaîtront. À cet égard, il n'est pas souhaitable d'utiliser des matériaux avec des coefficients de dilatation thermique différents et de recouvrir de peinture le produit assemblé déjà fini. Insérez les phototransistors dans les trous correspondants et collez-les. Les bornes du collecteur sont connectées à une alimentation électrique commune, de sorte qu'elles peuvent être connectées ensemble. Lors de l'utilisation d'une base métallique, des fils communs peuvent y être connectés, car la base sert de "masse" et protège la tête des bruits extérieurs. Enfin, il est nécessaire de protéger l'appareil des intempéries avec un capuchon transparent. Il est préférable d'utiliser du verre car il est plus durable. Une casquette similaire peut être trouvée dans le rayon cadeaux ou l'animalerie. Il est préférable d'acheter d'abord un capuchon transparent, puis d'ajuster la taille de la base et des sections pour l'adapter. Collez le capuchon de protection sur la base avec du verre liquide. Conception de circuits imprimés La partie électronique du circuit est réalisée à l'aide de câblage imprimé. Le placement des pièces est illustré à la fig. 6, dessin de la carte de circuit imprimé - sur la fig. 7 et 8. Notez que le PCB est à double face.
En raison de la présence du relais, la carte de circuit imprimé est assez grande. Des relais standard de type interrupteur bipolaire dans un boîtier transparent sont utilisés. Les contacts sont conçus pour 10 A à 125 V AC. Cependant, le facteur limitant n'est pas le courant continu que les contacts de relais peuvent gérer, mais le courant qu'ils peuvent interrompre. Par conséquent, pour augmenter les courants de commutation limitants, deux paires de contacts sont connectées en série. On sait que lorsque les contacts s'ouvrent, un arc électrique se produit. Il s'appelle e. d.s. auto-induction qui se produit lorsque le circuit d'alimentation du moteur électrique est interrompu. Dans un circuit à courant alternatif, l'arc disparaît rapidement lorsque le sens du champ électrique est inversé. Cependant, dans un circuit à courant continu, l'arc peut se maintenir assez longtemps. La formation d'arc peut être évitée en augmentant la distance entre les contacts et la vitesse de leur séparation. Lorsque les contacts de relais sont connectés en série, la distance totale entre les contacts ouverts double et la vitesse de leur séparation augmente. Par conséquent, le relais peut commuter une charge qui dépasse la valeur du passeport. Le relais est généralement fourni avec un connecteur, ce qui est très utile pour s'adapter aux servomoteurs, car les relais sont disponibles dans différentes tensions d'alimentation standard allant de 6V DC ou AC à 120V. Je vous conseille de ne pas souder le relais directement sur la carte, mais de le connecter via les connecteurs, vous pouvez alors prendre un relais avec n'importe quelle tension d'alimentation. Pour plus de commodité, le bus d'alimentation du relais est isolé du fil d'alimentation positif. Pour connecter le relais au "plus" de l'alimentation, il suffit de souder le cavalier, comme indiqué sur le schéma. Si des relais avec une tension d'alimentation supérieure à 60 V DC sont utilisés, il est nécessaire de sélectionner des transistors à effet de champ pouvant supporter des tensions élevées (ils sont produits pour des tensions supérieures à 400 V). N'oubliez pas de remplacer également les diodes D1 - D4 par des diodes à tension plus élevée et de ne jamais utiliser de diodes avec des relais alimentés en courant alternatif. Une autre partie de l'appareil qui nécessite une attention particulière est les résistances d'émetteur R1, R2, R3 et R4. Il est peu probable que vous puissiez trouver quatre phototransistors avec des caractéristiques si proches que leurs tensions d'émetteur correspondent sous le même éclairage. Pour compenser la dispersion des paramètres, il est nécessaire de sélectionner les valeurs des résistances d'émetteur. La valeur nominale de 1 kOhm n'est qu'une valeur approximative des résistances lors de la mise en service et doit être sélectionnée avec plus de précision. Gardez à l'esprit que la valeur de résistance peut varier avec la température. Le moyen le plus simple de choisir la valeur de résistance est de remplacer la résistance constante par une variable. Commencez avec une valeur de résistance de 1 kΩ. En éclairant la tête de détection avec de la lumière à différents niveaux d'intensité, un tableau spécifique des valeurs de tension peut être obtenu. N'essayez pas de remplacer la lumière du soleil par une lumière incandescente. Les phototransistors sont sensibles au rayonnement infrarouge et réagissent différemment à ces sources lumineuses. Si la mesure révèle qu'un phototransistor réagit trop rapidement à un changement d'éclairage, réduisez la valeur de la résistance. Cependant, dans ce cas, il est nécessaire de réduire la résistance de toutes les résistances afin de maintenir le fonctionnement normal du circuit. Finalement, vous trouverez les valeurs auxquelles les comparateurs des signaux provenant des phototransistors correspondants fonctionneront au même niveau de lumière.
Mesurez la valeur résultante de la résistance de la résistance variable et remplacez-la par une constante de même valeur.
conseils utiles Le réglage modifie le niveau de fonctionnement. Dans de nombreux cas, il n'est pas nécessaire de régler ce seuil trop bas ou le système de suivi gaspillera de l'énergie. Compte tenu de certains éléments, vous voudrez peut-être ajuster le niveau de déclenchement du circuit. Bien que ce système de suivi ait l'angle de vue le plus large de tous les produits faits maison décrits dans ce livre, il peut toujours s'arrêter dans une position inconfortable à la tombée de la nuit. Dans ce cas, plusieurs heures du matin peuvent être perdues jusqu'à ce que le système commence à répondre à l'augmentation du niveau de lumière. Si vous n'aimez pas cela, faites revenir le système d'asservissement au neutre après que tous les relais se soient désexcités. Ce problème peut être résolu par un simple circuit logique. La meilleure position de départ est celle du milieu, pointant vers le ciel de midi. Auteur : Byers T.
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