Попросил недавно друг собрать ему "гелиостат" для ориентации солнечной панели за солнцем, под использование небольших моторов. Схема была взята из просторов интернета, проверена авторская плата, работает. Но я нарисовал также свою печатную плату, покомпактней, в которой резисторы и конденсаторы можно ставить планарного типа SMD.
Далее идёт описание схемы от автора. Это устройство использует импульсное регулирование и автоматически способно ориентировать солнечную батарею по наилучшей освещенности. Принципиальная схема состоит из тактового генератора (DD1.1, DD1.2), двух интегрирующих цепей (VD1R2C2, VD2R3C3), такого же числа формирователей (DD1.3, DD1.4), цифрового компаратора (DD2), двух инверторов (DD1.5, DD1.6) и транзисторного коммутатора (VT1—VT6) направления вращения электродвигателя М1, управляющего поворотом платформы, на которой установлена солнечная батарея.
С подачей питания (от самой солнечной батареи или от аккумулятора) генератор на элементах DD1.1, DD1.2 начинает вырабатывать тактовые импульсы, следующие с частотой около 300 Гц. При работе устройства сравниваются длительности импульсов, сформированных инверторами DD1.3, DD1.4 и интегрирующими цепями VD1R2C2, VD2R3C3. Их крутизна меняется в зависимости от постоянной времени интегрирования, которая, в свою очередь, зависит от освещенности фотодиодов VD1 и VD2 (ток зарядки конденсаторов С2 и СЗ пропорционален их освещенности).
Сигналы с выходов интегрирующих цепей поступают на формирователи уровня DD1.3, DD1.4 и далее — на цифровой компаратор, выполненный на элементах микросхемы DD2. В зависимости от соотношения длительностей импульсов, поступающих на входы компаратора, сигнал низкого уровня появляется на выходе элемента DD2.3 (вывод 11) или DD2.4 (вывод 4). При равной освещенности фотодиодов на обоих выходах компаратора присутствуют сигналы высокого уровня.
Инверторы DD1.5 и DD1.6 необходимы для управления транзисторами VT1 и VT2. Высокий уровень сигнала на выходе первого инвертора открывает транзистор VT1, на выходе второго — VT2. Нагрузками этих транзисторов являются ключи на мощных транзисторах VT3, VT6 и VT4, VT5, которые коммутируют напряжение питания электродвигателя М1. Цепи R4C4R6 и R5C5R7 сглаживают пульсации на базах управляющих транзисторов VT1 HVT2. Направление вращения двигателя меняется в зависимости от полярности подключения к источнику питания. Цифровой компаратор не позволяет одновременно открыться всем ключевым транзисторам, и, таким образом, обеспечивает высокую надежность системы.
С восходом солнца освещенность фотодиодов VD1 и VD2 окажется различной, и электродвигатель начнет поворачивать солнечную батарею с запада на восток. По мере уменьшения разницы в длительностях импульсов, вырабатываемых формирователями, будет уменьшаться длительность результирующего импульса, и скорость поворота солнечной батареи плавно замедлится, что обеспечит ее точное позиционирование. Таким образом, при импульсном управлении вращение вала электродвигателя можно передавать платформе с солнечной батареей непосредственно, без применения редуктора.
В течение дня платформа с солнечной батареей будет поворачиваться вслед за движением солнца. С наступлением сумерек длительности импульсов на входе цифрового компаратора окажутся одинаковыми, и система перейдет в дежурный режим. В этом состоянии потребляемый устройством ток не превышает 1,2 мА (в режиме ориентации он зависит от мощности двигателя).
Аккумулятор гелиостата используется для накопления энергии, вырабатываемой солнечной батареей, и питания самого электронного блока. Поскольку электродвигатель включается лишь для поворота батареи (на короткое время), выключатель питания не предусмотрен. Данная схема ориентирует солнечную батарею в горизонтальной плоскости. Однако при ее позиционировании следует учитывать географическую широту местности и время года. Если дополнить конструкцию блоком вертикального отклонения, собранным по аналогичной схеме, можно полностью автоматизировать ориентацию батареи в обеих плоскостях.
Для защиты фотодиодов от избыточного облучения применен зеленый светофильтр. Между фотодатчиками помещают непрозрачную шторку. Ее закрепляют перпендикулярно плате с таким расчетом, чтобы при изменении угла освещения она затеняла один из фотодиодов. Подробнее читайте в статье в прилагаемом архиве . Общий вид печатной платы:
После сборки проверил работу прибора - всё срабатывает как надо, при засвете одного и второго светодиода срабатывает мотор по часовой и против часовой стрелки.
Радиатор несколько великоват, столь большого размера не требуется, но другу такой понравился, потом сказал порежет на две половины для двух готовых плат, тестирует пока, поскольку с мощностью моторов ещё не определился.
Эти радиаторы всё сняты с блоков питания , у меня их много накопилось, а люди всё несут и несут. Разработка - И. Цаплин . Сборка и испытание схемы - Igoran .
Обсудить статью КОНТРОЛЛЕР ПОВОРОТА СОЛНЕЧНОЙ ПАНЕЛИ
Изобретение относится к космической технике и может быть использовано на космических аппаратах (КА) различного назначения. Предлагаемая солнечная батарея состоит из рамы, балки и верхних и нижних створок. Створки закреплены на раме, балке и корпусе КА с помощью пирозамков с собачками и связаны между собой фиксаторами. При этом в корпусе каждого пирозамка дополнительно установлен пироэлемент, автономно взаимодействующий с собачкой, в которой выполнено второе отверстие под дополнительную ось. На нижней створке шарнирно закреплена защелка, одним концом взаимодействующая с кронштейном, жестко закрепленным на верхней створке, а другим концом с торцом соответствующего фиксатора. В предлагаемой конструкции пиросредство используется одновременно для крепления пакета створок к раме и балке, а также рамы и балки к корпусу КА. В результате изобретение позволяет повысить надежность раскрытия створок солнечной батареи примерно в 100 раз. 11 ил.
Изобретение относится к космической технике и может быть использовано на космических аппаратах (КА) различного назначения. Известна солнечная батарея (СБ) КА разработки ЦСКБ г. Самара, чертежи 11ф624 8700-0, общий вид которой изображен на фиг. 1 прототипа. На фиг. 2 изображен поперечный разрез батареи (сечение А-А). На фиг. 3 изображено пиросредство в разрезе (Б-Б). На фиг. 4 изображен элемент фиксации створок, а на фиг. 5 прототипа изображена солнечная батарея в рабочем (раскрытом положении). На корпусе КА 1 (фиг. 1) жестко закреплен привод 2, к выходному валу которого прикреплена силовая рама 3. На корпусе КА установлена аппаратура 4 (фиг. 2), которая совместно с зоной под обтекателем определила конфигурацию батареи в уложенном положении. На раме 3 и балке 5 (фиг. 1) с помощью шарнирного параллелограмма 6 (фиг. 2) установлены нижние створки 7 и верхние створки 8, зачекованные с одной стороны фиксатором 9 (фиг. 4 прототипа), а с другой стороны связаны шарниром 10, Рама 3 и балка 5 пиросредствами 11 фиг. 1 фиксируются на корпусе КА. Пиросредство 11 представляет собой корпус 12, собачку 13, пружину кручения 14, пироэлемент 15 (например, пироболт), который прижимает собачкой 13 раму 3 и балку 5 (фиг. 1) к корпусу КА 1. В корпусе пиросредства 12 (фиг. 3) и собачке 13 выполнено отверстие 16 под основную ось 17. Пиросредствами 11 (фиг. 2) аналогичной конструкции с использованием тех же пироэлементов 15 (фиг. 3) прикреплены нижние створки 7 (фиг. 2) к раме 3 и балке 5 (фиг. 1) в шести силовых точках. На одном из шарниров параллелограмма 6 (фиг. 2) жестко установлен кулачок 18 (фиг. 4), который упирается в подпружиненный фиксатор 9, удерживающий створки 7 и 8 в зачекованном положении. По периметру каждой створки 7 и 8 натянуто сетеполотно, на котором закреплены фотоэлектрические преобразователи 19 (фиг. 5). Раскрытие СБ происходит в следующей последовательности. После сброса головного обтекателя подается команда на срабатывание пироэлементов 15 (фиг. 3) пиросредства 11. По плоскости разделения пироэлемент 15 разрывается. Собачка 13 пружиной кручения 14 поворачивается в отверстии 16 относительно основной оси 17. Связь между рамой 3, балкой 5 (фиг. 3) и корпусом КА 1 (фиг. 1) разрывается. Привод 2 отводит панель СБ от корпуса КА 1 и останавливается. Подается команда на срабатывание пироэлемента 15 (фиг. 3) пиросредства 11 (фиг. 2). Связь между нижней створкой 7, рамой 3 и балкой 5 (фиг. 1) разрывается. Под действием пружин кручения, установленных в осях Г (фиг. 2) шарнирного параллелограмма 6, створки 7 и 8 начинают плоскопараллельное перемещение в осях шарнирного параллелограмма 6. Жестко закрепленный на шарнире кулачок 18 (фиг. 4) на определенном угле поворота створок 7 и 8 освобождает подпружиненный фиксатор 9, который, перемещаясь в осевом направлении, расчековывает створку 8 относительно створки 7. Створка 8 поворачивается относительно шарнира 10, а створка 7 продолжает плоскопараллельное движение до ее фиксации на раме 3 (фиг. 1) и балке 5. Створка 8 (фиг. 4) фиксируется в шарнире 10 со створкой 7. Таким образом, все четыре створки раскрываются и фиксируются, образуя единую плоскую панель. Привод 2 (фиг. 1) поворачивает панель в оптимальное положение относительно Солнца. Недостатком описанной конструкции является низкая надежность раскрытия створок. Наличие большого количества пироэлементов снижает вероятность безотказного срабатывания системы раскрытия. Для раскрытия одной панели СБ необходимо срабатывание 12-ти пироэлементов (пироболтов).В соответствии с техническими условиями на них P болта = 0,99996, а для 12-и P системы = 0,99996 12 = 0,99952 Это значит, примерно, 1 отказ на 1000 изделий. Кроме того, осевое перемещение фиксатора при смещении базовых отверстий в разных створках при их температурных деформациях склонно к "закусыванию", что приводит к нераскрытию створок. Задачей настоящего изобретения является повышение надежности раскрытия створок СБ путем введения элементов дублирования. Поставленная задача решается тем, что в корпусе каждого пиросредства (замка) дополнительно установлен пироэлемент, взаимодействующий с собачкой, причем на нижней створке шарнирно закреплена качающаяся защелка, одним концом упирающаяся в кронштейн, жестко закрепленный на верхней створке, а другим взаимодействует с торцем фиксатора. На фиг. 6 изображен общий вид CБ; на фиг. 7 - поперечный разрез СБ; на фиг. 8 - элемент фиксации верхних и нижних створок; на фиг. 9 изображено пиросредство (замок), закрепляющее нижнюю створку СБ с рамой и балкой на корпусе КА; на фиг. 10 изображено положение рабочего звена после срабатывания основного пироэлемента (пиропатрона); на фиг. 11 - положение рабочего звена после срабатывания дополнительного пироэлемента (пиропатрона). Солнечная батарея установлена на корпусе 20 (фиг. 6) космического аппарата. К приводу 21 жестко прикреплена силовая рама 22. Аппаратура, например, антенна 23 размещается между рамой 22 и балкой 24. На раме 22 и балке 24 с помощью шарнирного параллелограмма 25 (фиг. 7) установлены нижние 26 и верхние 27 створки. Нижняя створка 26, связанная со створкой 27 подпружиненным шарниром 28, прижимается к корпусу 20 (фиг. 6) пиросредством 29 (фиг. 9). Таким образом, пиросредством 29 прижимаются к корпусу КА 20 (фиг. 6) створки 26 (фиг. 7), рама 22 (фиг. 6) и балка 24. В корпусе 30 (фиг. 9) каждого пиросредства 29 выполнено отверстие 31 под основную ось 32 и установлен пироэлемент 33 (пиропатрон), который взаимодействуя с осью 32, фиксирует рычаг 34 относительно корпуса 30. Дополнительный пироэлемент 35 (фиг. 11) установлен в корпусе 30, взаимодействует с дополнительной осью 36 (фиг. 10) и фиксирует рычаг 34 с корпусом 30 (фиг. 9) и собачкой 37. Собственная ось 38 фиксирует рычаг 34 относительно собачки 37 и обеспечивает их совместный поворот относительно дополнительной оси 36 (фиг. 10) в корпусе 30 (фиг. 9), в котором выполнен фигурный паз 39. В рычаг 34 упирается пружинный толкатель 40, а собачка 37 взаимодействует со взведенной пружиной кручения 41. На створке 26 (фиг. 8) установлена подпружиненная в оси 42 защелка 43, один конец которой упирается в торец 44 подпружиненного фиксатора 45, удерживаемого в рабочем положении кулачком 46. Другой конец защелки 43 удерживает створку 27 от раскрытия. Работа КА осуществляется в следующей последовательности. После сброса головного обтекателя, исходя из функциональных задач КА, антенна 23 (фиг. 7) своим приводом отводится от корпуса КА 20 (фиг. 6) из зоны раскрытия СБ и фиксируется в рабочем положении. Таким образом, антенна 23 (фиг. 7) освобождает зону для раскрытия створок 26 и 27 на борту космического аппарата. Появилась возможность использовать пиросредство для: - крепления пакета створок к раме и балке и для их последующего раскрытия; - крепление рамы и балки к корпусу КА и их последующее отделение. Использование одного пиросредства для решения двух задач позволяет уменьшить их количество, что повышает надежность работы системы. Подается команда на срабатывание основного пироэлемента 33 (фиг. 9) пиросредства 29. Основная ось 32, перемещаясь в осевом направлении, "утопает" в корпусе 30. Рычаг 34 под действием усилия сжатой пружины толкателя 40 совместно с собачкой 37 (фиг. 10) и собственной осью 38 поворачивается относительно дополнительной оси 36. При этом ось 38 перемещается в полости фигурного паза 39. Без анализа срабатывания пиросредства от основного пироэлемента 33 через 0,5-2 с подается команда на дублирующий пироэлемент 35 (фиг. 11). Под действием его пороховых газов "утопает" дополнительная ось 36 (фиг. 10), собачка 37 поворачивается относительно основной оси 32 пружиной кручения 41. Створки 26 и 27 (фиг. 7), рама 22 (фиг. 6) и балка 24 освобождаются от корпуса КА 20, раскрываются под действием пружин кручения, установленных в осях шарнирного параллелограмма 25 (фиг. 7). Панель отводится приводом 21 в рабочее положение. Собачка 37 (фиг. 10) не выступает за плоскость "щ" и не препятствует отводу элементов СБ от корпуса КА. Жестко закрепленный на шарнире кулачок 46 (фиг. 8) на определенном угле поворота освобождает фиксатор 45, который, перемещаясь в осевом направлении, освобождает хвостовик защелки 43. Поворачиваясь пружиной кручения, защелка 43 освобождает створку 57, которая раскрывается и фиксируется. При взаимных перемещениях створок от перегрузок и температурных перепадах торец 44 фиксатора 45 имеет возможность перемещаться по пл. "Я", что исключает нераскрытие створок. В связи с тем, что в корпусе пиросредства 30 (фиг. 9) установлены два независимых механизма, срабатывающих от пироэлементов (пиропатронов) 33 и 35 (фиг. 11), надежность срабатывания пиросредства увеличивается и составляет
P o = 0,999999
А так как удалось решить задачу крепления и раскрытия створок 6-ю пиросредствами (вместо 12), надежность раскрытия створок составляет
P системы = 0,999999 6 = 0,99999
Это, примерно, 1 отказ на 100000 изделий. Введение шарнирно закрепленной на створке защелки исключает заклинивание фиксатора (даже при температурных перемещениях створок относительно друг друга). Предлагаемое техническое решение позволяет повысить надежность системы раскрытия створок СБ примерно в 100 раз.
Формула изобретения
Солнечная батарея космического аппарата, состоящая из рамы, балки, верхних и нижних створок, попарно связанных между собой фиксаторами и установленных на раме и балке, которые закреплены на корпусе космического аппарата с помощью пиросредства с собачкой, поворачивающейся относительно оси в отверстии, выполненном в корпусе пиросредства, отличающаяся тем, что в корпусе пиросредства дополнительно установлен пироэлемент, взаимодействующий с собачкой, причем на нижней створке шарнирно закреплена подпружиненная защелка, одним концом упирающаяся в кронштейн, жестко закрепленный на верхней створке, а другим взаимодействующая с торцом фиксатора.
При строительстве загородных домов, домиков на дачных участках, теплиц, различных фермерских построек все чаще стали применяться автономные системы электрообеспечения. Солнечные батареи обеспечивают независимость от общих электрических сетей. Да и в городах в частном секторе нередко можно увидеть на крышах домов солнечные панели домашних электростанций.
Эти панели могут быть с моно- и поликристаллическими кремниевыми структурами, могут быть построены на базе батарей, выполненных по аморфной или микроморфной технологии, могут быть даже использованы солнечные батареи, выполненные по технологии «Moth Eye» («Глаз мотылька»). При этом каждое здание строится таким образом, чтобы солнечные панели были установлены в месте, максимально освещаемом солнцем.
Эффективность современных гелиевых систем в среднем не превышает 18% - 20%. У лучших образцов эффективность может достигать 25%. В 2014 году ученые Австралийского центра UNSW по усовершенствованию фотовольтаики сообщили, что им удалось добиться эффективности солнечных батарей в 40%.
При этом нужно понимать, что измерение величины эффективности производится, когда гелиевая панель освещается солнцем под прямым углом. Если солнечная батарея закреплена стационарно, то в течение дня, когда солнце перемещается по небосводу, период прямого освещения батареи солнцем будет относительно небольшим. И поэтому эффективность даже самых совершенных солнечных панелей будет снижаться.
Для того чтобы минимизировать снижение эффективности гелиевых систем, солнечные панели должны устанавливаться на поворотных модулях, которые позволят в течение всего светового дня ориентировать батареи на солнце. Такое поворотное устройство, на котором закреплена несущая конструкция с одной или несколькими солнечными панелями, называется трекером.
Он предназначен для того, чтобы следить за солнцем, и, в зависимости от его положения, ориентировать на него солнечную панель. Это устройство, в зависимости от исполнения, включает в себя один или два датчика слежения за солнцем, а также поворотный механизм. Трекер должен быть установлен в хорошо освещаемом солнцем месте на земле, на стационарной станине, либо на мачте, которая поднимет трекер на такую высоту, чтобы солнечная батарея всегда была освещена солнцем.
Трекер с четырьмя солнечными панелями на мачте
Даже простейшее поворотное устройство с системой слежения за солнцем позволяет получить максимальный коэффициент полезного действия от гелиевых батарей. Как показали исследования, при отсутствии должной ориентации солнечных панелей на солнце теряется до 35% мощности. Поэтому, чтобы выйти на запланированную мощность в случае неподвижного крепления фотоэлементов, приходится устанавливать большее количество панелей.
Принцип построения систем управления поворотом солнечных батарей
Промышленностью выпускается несколько видов систем управления поворотом солнечных батарей. Это достаточно дорогие (до 100000 рублей) устройства, которые могут управлять положением сразу нескольких гелиевых панелей.
Поскольку солнце в течение дня перемещается не только по горизонтали, но и по вертикали, то эти системы управления отслеживают оба изменения положения и, в соответствии с полученной информацией, выдают команды на поворот панели вокруг горизонтальной или вертикальной осей. В общем случае такая система управления состоит из солнечного датчика, преобразователя (П) сигнала с этого датчика, усилителя (У) сигнала, микроконтроллера (МК), устройства управления двигателем (УУД), самого двигателя и, наконец, непосредственно рамы, на которой крепится гелиевая панель.
Схема управления трекера
Характерно, что для управления поворотом в обеих осях используется одна и та же схема. Различны только датчики положения солнца и двигатели. Простейший датчик положения солнца состоит из двух фотодиодов, разделенных непрозрачной перегородкой.
В зависимости от того, за каким перемещением следит этот датчик, перегородка устанавливается горизонтально или вертикально, но обязательно направлена строго на солнце. Пока оба фотодиода освещаются одинаково, сигналы, поступающие с них, равны. Как только солнце переместится настолько, что один из фотодиодов окажется в тени перегородки, происходит разбаланс сигналов и система управления вырабатывает соответствующую команду на поворот солнечной батареи.
Схема датчика положения солнца
В качестве двигателей для поворотной платформы используются, как правило, шаговые двигатели или реактивно-вентильные двигатели. В таких системах управления датчики слежения установлены на этой же платформе и поворачиваются вместе с нею, обеспечивая тем самым точную ориентацию гелиевой панели на солнце. Для надежной работы датчика необходимо предусмотреть защиту его от загрязнения, налипания снега, затенения оптики случайными предметами.
Существуют системы управления, в которых датчики слежения удалены от несущей поворотной платформы и находятся в месте, защищенном от подобных воздействий. В этом случае сигнал с датчиков поступает на сельсин-передатчик. Ориентируя датчик слежения на солнце, сельсин-передатчик передает управляющее воздействие на сельсин-приемник, который и поворачивает несущую платформу, направляя ее точно на солнце.
Система управления поворотом солнечных панелей на базе часового механизма
Промышленные установки – полностью укомплектованные гелиевые электростанции с двухосными поворотными модулями – достаточно дорогое удовольствие. Например, промышленный трекер UST-AADAT стоит порядка полутора миллионов рублей. Естественное желание всех владельцев солнечных электростанций – повысить выходную мощность, но при этом сократить расходы. В результате появились самодельные устройства, оригинальные по своему решению, в которых используются подручные материалы. И эти устройства вполне успешно управляют ориентацией панелей на солнце.
Один из вариантов такого устройства – система управления ориентацией гелиевых панелей, построенная на базе часового механизма. Для слежения за солнцем вовсе не обязательно использовать светоприемные устройства. Для этого достаточно взять обычные настенные механические часы. Подойдут даже старые ходики. Известно, что за один час солнце проходит по небосводу с востока на запад путь, соответствующий угловому перемещению на 15°. Поскольку для гелиевой панели такое угловое смещение не особенно критично, то достаточно включать поворотный механизм один раз в час.
Слежение за перемещением солнца по часам
Устройство для поворота гелиевой панели вокруг вертикальной оси может выглядеть следующим образом. В циферблате на расстоянии длины минутной стрелки от центра, в месте, соответствующем 12-ти часам, устанавливается неподвижный контакт. Подвижный контакт – на острие минутной стрелки.
Таким образом, каждые 60 минут будет происходить замыкание контактов и включаться двигатель, поворачивающий солнечную панель. Отключение двигателя можно организовать различными способами, например, конечным выключателем или реле времени. Если на циферблате установить еще один неподвижный контакт в месте, соответствующем 6-ти часам, то коррекция положения панели будет производиться через каждые полчаса.
В этом случае устройства отключения двигателя должны быть настроены на поворот несущей платформы на угол 7,5°.
Кроме того, при желании здесь же, на этом механизме, с помощью еще одной контактной группы, но уже на базе часовой стрелки можно собрать схему автоматического возврата солнечной панели в исходное положение. На базе этой же часовой стрелки можно собрать систему управления поворотом панели и вокруг горизонтальной оси. Пока часовая стрелка двигается до 12-ти часов, несущая рама поднимается вслед за солнцем. После 12-ти часов двигатель горизонтальной оси реверсируется, и солнечная панель начинает вращаться в обратном направлении.
Принцип водяных часов в системе управления поворотом солнечных панелей
Эта система была придумана девятнадцатилетней студенткой Иден Фулл из Канады. Она предназначена для управления одноосным трекером. Принцип работы следующий. Вращение производится вокруг горизонтальной оси. Солнечная панель устанавливается в начальное положение таким образом, чтобы солнечные лучи были перпендикулярны плоскости панели.
На одну сторону панели подвешивается емкость с водой, на противоположную сторону подвешивается груз, равновесный с емкостью, наполненной водой. В нижней части емкости проделывается небольшое отверстие, чтобы вода по каплям вытекала из этого сосуда. Размер этого отверстия подбирается экспериментально. По мере вытекания воды сосуд становится легче, и противовес медленно поворачивает раму с панелью.
Трекер на «водяных часах»
Подготовка трекера к работе заключается в том, что в опустевшую емкость заливается вода и солнечная панель устанавливается в исходное положение.
Эти два примера далеко не исчерпывают возможные варианты построения поворотных модулей. При небольшой фантазии можно получить простое, но очень эффективное устройство, которое гарантированно сможет повысить эффективность домашней гелиевой электростанции.
Римский философ Сенека сказал: "Если человек не знает, куда он плывет, то для него нет попутного ветра". В самом деле, какая нам польза от , если мы не знаем положения аппарата в пространстве? Этот рассказ о приборах, которые позволяют нам не заблудиться в космосе.
Технический прогресс сделал системы ориентации небольшими, дешевыми и доступными. Сейчас даже студенческий микроспутник может похвастаться системой ориентации, о которой пионеры космонавтики могли только мечтать. Ограниченность возможностей порождала остроумные решения.
Асимметричный ответ: никакой ориентации
Первые спутники и даже межпланетные станции летали неориентированными. Передача данных на Землю велась по радиоканалу, и несколько антенн, чтобы спутник был на связи при любом положении и любых кувырканиях, весили гораздо меньше, чем система ориентации. Даже первые межпланетные станции летали неориентированными:
Луна-2, первая станция, достигшая поверхности Луны. Четыре антенны по бокам обеспечивают связь при любом положении относительно Земли
Даже сегодня иногда бывает проще покрыть всю поверхность спутника солнечными батареями и поставить несколько антенн, нежели создавать систему ориентации. Тем более, что некоторые задачи нетребовательны к ориентации - например, фиксировать космические лучи можно в любом положении спутника.
Достоинства:
- Максимальная простота и надежность. Отсутствующая система ориентации не может сломаться.
- Годится сейчас, в основном, для микроспутников, решающих сравнительно простые задачи. "Серьезным" спутникам без системы ориентации уже не обойтись.
Солнечный датчик
Фотоэлементы к середине XX века стали вещью привычной и освоенной, поэтому нет ничего удивительного, что они отправились в космос. Очевидным маяком для таких датчиков стало Солнце. Его яркий свет попадал на фоточувствительный элемент и позволял определять направление:
Различные схемы работы современных солнечных датчиков, внизу находится фоточувствительная матрица
Еще один вариант конструкции, здесь матрица изогнута
Современные солнечные датчики
Достоинства:
- Простота.
- Дешевизна.
- Чем выше орбита, тем меньше участок тени, и тем дольше может работать датчик.
- Точность примерно одна угловая минута.
- Не работают в тени Земли или другого небесного тела.
- Могут быть подвержены помехам от Земли, Луны и т.п.
Космические корабли "Восток" остроумно использовали солнечный датчик - ось на Солнце использовалась при построении ориентации для торможения корабля. Также, солнечные датчики были крайне востребованы на межпланетных станциях, потому что многие другие типы датчиков не могут работать вне земной орбиты.
Благодаря простоте и дешевизне солнечные датчики сейчас очень распространены в космической технике.
Инфракрасная вертикаль
Аппараты, которые летают по орбите Земли, часто нуждаются в определении местной вертикали - направления на центр Земли. Фотоэлементы видимого диапазона для этого подходят не очень - на ночной стороне Земля гораздо хуже освещена. Но, к счастью, в инфракрасном диапазоне теплая Земля светит практически одинаково на дневном и ночном полушариях. На низких орбитах датчики определяют положение горизонта, на высоких - сканируют пространство в поисках теплого круга Земли.Конструктивно, как правило, инфракрасные построители вертикали содержат систему зеркал или сканирующее зеркало:
Инфракрасная вертикаль в сборке с маховиком. Блок предназначен для точной ориентации на Землю для геостационарных спутников. Хорошо видно сканирующее зеркало
Пример поля зрения инфракрасной вертикали. Черный круг - Земля
Отечественные инфракрасные вертикали производства ОАО "ВНИИЭМ"
Достоинства:
- Способны строить местную вертикаль на любом участке орбиты.
- Как правило, высокая надежность.
- Хорошая точность -
- Ориентация только по одной оси.
- Для низких орбит нужны одни конструкции, для высоких - другие.
- Сравнительно большие габариты и вес.
- Только для орбиты Земли.
Корабль "Союз". Дублированные датчики ИКВ показаны стрелками
Гироорбитант
Для того, чтобы выдать тормозной импульс, необходимо знать направление вектора орбитальной скорости. Солнечный датчик даст правильную ось примерно один раз в сутки. Для полетов космонавтов это нормально, в случае нештатной ситуации человек может вручную сориентировать корабль. Но корабли "Восток" имели "братьев-близнецов", разведывательные спутники "Зенит", которым тоже нужно было выдавать тормозной импульс, чтобы вернуть с орбиты отснятую пленку. Ограничения солнечного датчика были неприемлемы, поэтому пришлось придумывать что-то новое. Таким решением стал гироорбитант. Когда работает инфракрасная вертикаль, корабль вращается, потому что ось на Землю постоянно поворачивается. Направление орбитального движения известно, поэтому по тому, в какую сторону поворачивается корабль, можно определить его положение:
Например, если корабль постоянно кренится вправо, то мы летим правым боком вперед. А если корабль летит кормой вперед, то он будет постоянно поднимать нос вверх. С помощью гироскопа, который стремится сохранить свое положение, это вращение можно определить:
Чем сильнее отклонена стрелка, тем сильнее выражено вращение по этой оси. Три таких рамки позволяют замерить вращение по трем осям и развернуть корабль соответственно.
Гироорбитанты широко использовались в 60-80-х годах, но сейчас вымерли. Простые датчики угловых скоростей позволили эффективно измерять вращение аппарата, а бортовая ЭВМ без труда определит положение корабля по этим данным.
Ионный датчик
Красивой была идея дополнить инфракрасную вертикаль ионным датчиком. На низких земных орбитах попадаются молекулы атмосферы, которые могут быть ионами - нести электрический заряд. Поставив датчики, фиксирующие поток ионов, можно определить, какой стороной корабль летит вперед по орбите - там поток будет максимальным:
Научная аппаратура для измерения концентрации положительных ионов
Ионный датчик работал быстрее - на построение ориентации с гироорбитантом уходил почти целый виток, а ионный датчик был способен построить ориентацию за ~10 минут. К сожалению, в районе Южной Америки находится так называемая "ионная яма", которая делает работу ионного датчика нестабильной. По закону подлости именно в районе Южной Америки нашим кораблям надо строить ориентацию на торможение для посадки в районе Байконура. Ионные датчики стояли на первых "Союзах", но достаточно скоро от них отказались, и сейчас они нигде не используются.
Звездный датчик
Одной оси на Солнце часто бывает мало. Для навигации может быть нужен еще один яркий объект, направление на который вместе с осью на Солнце даст нужную ориентацию. Таким объектом стала звезда Канопус - она вторая по яркости в небе и находится далеко от Солнца. Первым аппаратом, который использовал звезду для ориентации, стал "Маринер-4", стартовавший к Марсу в 1964 году. Идея оказалась удачной, хотя звездный датчик выпил много крови ЦУПа - при построении ориентации он наводился не на те звезды, и приходилось "прыгать" по звездам несколько дней. После того, как датчик наконец навелся на Канопус, он стал постоянно его терять - летевший рядом с зондом мусор иногда ярко вспыхивал и перезапускал алгоритм поиска звезды.Первые звездные датчики представляли собой фотоэлементы с небольшим полем зрения, которые умели наводиться только на одну яркую звезду. Несмотря на ограниченность возможностей, они активно использовались на межпланетных станциях. Сейчас технический прогресс, фактически, создал новый класс устройств. Современные звездные датчики используют матрицу фотоэлементов, работают в паре с компьютером с каталогом звезд и определяют ориентацию аппарата по тем звездам, которые видны в поле их зрения. Такие датчики не нуждаются в предварительном построении грубой ориентации другими приборами и способны определить положение аппарата вне зависимости от участка неба, в которое их направят.
Типичные звездные датчики
Чем больше поле зрения, тем проще ориентироваться
Иллюстрация работы датчика - по взаимному положению звезд по данным каталога рассчитывается направление взгляда
Достоинства:
- Максимальная точность, может быть меньше угловой секунды.
- Не нуждается в других приборах, может определить точное положение самостоятельно.
- Работают на любых орбитах.
- Высокая цена.
- Не работают при быстром вращении аппарата.
- Чувствительны к засветке и помехам.
Магнитометр
Сравнительно новым направлением является построение ориентации по магнитному полю Земли. Магнитометры для измерения магнитного поля часто ставились на межпланетные станции, но не использовались для построения ориентации.
Магнитное поле Земли позволяет строить ориентацию по всем трем осям
"Научный" магнитометр зондов "Пионер-10" и -11
Первый цифровой магнитометр. Эта модель появилась на станции "Мир" в 1998 г. и использовалась в посадочном модуле "Филы" зонда "Розетта"
Достоинства:
- Простота, дешевизна, надежность, компактность.
- Средняя точность, от угловых минут до нескольких угловых секунд.
- Можно строить ориентацию по всем трем осям.
- Подвержен помехам в т.ч. и от оборудования космического аппарата.
- Не работает выше 10 000 км от Земли.
Гиростабилизированная платформа
Исторически, космические аппараты часто летали неориентированными или в режиме солнечной закрутки. Только в районе цели миссии они включали активные системы, строили ориентацию по трем осям и выполняли свою задачу. Но что, если нам необходимо поддерживать произвольную ориентацию длительное время? В этом случае нам надо "помнить" текущее положение и фиксировать свои повороты и маневры. А для этого человечество не придумало ничего лучше гироскопов (измеряют углы поворота) и акселерометров (измеряют линейные ускорения).Гироскопы
Широко известно свойство гироскопа стремиться сохранить свое положение в пространстве:
Изначально гироскопы были только механическими. Но технический прогресс привел к появлению множества других типов.
Оптические гироскопы
. Очень высокой точностью и отсутствием движущихся деталей отличаются оптические гироскопы - лазерные и оптоволоконные. В этом случае используется эффект Саньяка - фазовый сдвиг волн во вращающемся кольцевом интерферометре.
Лазерный гироскоп
Твердотельные волновые гироскопы . В этом случае измеряется прецессия стоячей волны резонирующего твердого тела. Не содержат движущихся частей и отличаются очень высокой точностью.
Вибрационные гироскопы . Используют для работы эффект Кориолиса - колебания одной части гироскопа при повороте отклоняют чувствительную часть:
Вибрационные гироскопы производятся в MEMS-исполнении, отличаются дешевизной и очень маленькими размерами при сравнительно неплохой точности. Именно эти гироскопы стоят в телефонах, квадрокоптерах и тому подобной технике. MEMS-гироскоп может работать и в космосе, и их ставят на микроспутники.
Размер и точность гироскопов наглядно:
Акселерометры
Конструктивно, акселерометры представляют собой весы - фиксированный груз меняет свой вес под воздействием ускорений, и датчик переводит этот вес в величину ускорения. Сейчас акселерометры кроме больших и дорогих версий обзавелись MEMS-аналогами:
Пример "большого" акселерометра
Микрофотография MEMS-акселерометра
Комбинация трех акселерометров и трех гироскопов позволяет фиксировать поворот и ускорение по всем трем осям. Такое устройство называется гиростабилизированной платформой. На заре космонавтики они были возможны только на карданном подвесе, были очень сложными и дорогими.
Гиростабилизированная платформа кораблей Apollo. Синий цилиндр на переднем плане - гироскоп. Видео испытаний платформы
Вершиной механических систем были бескарданные системы, когда платформа висела неподвижно в потоках газа. Это был хайтек, результат работы больших коллективов, очень дорогие и секретные устройства.
Сфера в центре - гиростабилизированная платформа. Система наведения МБР Peacekeeper
Ну а сейчас развитие электроники привело к тому, что платформа с пригодной для простых спутников точностью умещается на ладони, ее разрабатывают студенты, и даже публикуют исходный код.
Интересным нововведением стали MARG-платформы. В них данные с гироскопов и акселерометров дополняются магнитными датчиками, что позволяет исправлять накапливающуюся ошибку гироскопов. MARG-датчик, наверное, самый подходящий вариант для микроспутников - он маленький, простой, дешевый, не имеет движущихся частей, потребляет мало энергии, обеспечивает ориентацию по трем осям с коррекцией ошибок.
В "серьезных" системах для исправления ошибок ориентации гиростабилизированной платформы обычно используют звездные датчики.
В настоящее время множество людей переходит на солнечные фонарики для сада, к примеру, или на зарядное устройство для телефона. Как всем известно, и понятно, работает такая зарядка от полученной днем солнечной энергии. Однако светило не стоит на месте целый день, а потому, создав поворотное устройство для солнечной батареи своими руками, можно повысить эффективность зарядка примерно в половину, передвигая батарею по направлению к солнцу на протяжении всего дня.
Трекер для солнечных панелей своими руками обладает несколькими очень весомыми преимуществами, которые стоят того, чтобы потратить время на его изготовление и установку.
- Первое и наиболее важное преимущество – это то, что поворот солнечного элемента в течение всего дня может повысить КПД батареи примерно в половину. Достигается это за счет того, что максимально эффективная работа солнечных батарей достигается в период, когда лучи от светила падают перпендикулярно на фотоэлемент.
- Второе преимущество устройства создается под влиянием первого. Из-за того, что батарея повышает свою эффективность и производит вполовину больше энергии, отпадает необходимость установки дополнительных стационарных батарей. К тому же сама поворотная батарея может обладать меньшим фотоэлементом, чем при стационарном способе. Все это экономит большие материальные средства.
Составные элементы трекера
Создание поворотного устройства для солнечных панелей своими руками включает в себя те же комплектующие, что и заводские товары.
Список обязательных деталей для создания такого устройства:
- Основа или каркас – состоит из несущих деталей, которые подразделяются на две категории – это подвижные и неподвижные. В некоторых случаях каркас имеет подвижную часть лишь с одной осью – горизонтальной. Однако есть модели и с двумя осями. В таких случаях нужны актуаторы, которые управляют вертикальной осью.
- Описанный ранее актуатор также должен входить в конструкцию и обладать устройствами не только поворота, но и устройствами контроля за этими действиями.
- Необходимы детали, которые будут защищать устройство от капризов погоды – гроза, сильный ветер, дождь.
- Возможность удаленного управления и доступа к поворотному устройству.
- Элемент, преобразующий энергию.
Но стоит отметить, что сбор такого устройства иногда дороже, чем покупка уже готового, а потому в некоторых случаях упрощается до несущих деталей, актуатора, управление актуатором.
Электронные системы поворота
Принцип работы
Принцип работы поворотного устройства очень прост и держится на двух деталях, одна из которых механическая, а другая электронная. Механическая часть поворотного устройства соответственно отвечает за поворот и наклон батареи. А электронная часть регулирует моменты времени и углы наклона, по которым действует механическая часть.
Электрооборудование, используемое вместе с солнечными батареями, заряжается от самих же батарей, что в некотором роде также экономит средства на подпитку электроники.
Положительные стороны
Если говорить о достоинствах электронного оборудования для поворотного устройства, то стоит отметить удобство. Удобство заключается в том, что электронная часть устройства будет в автоматическом режиме управлять процессом поворота батареи.
Данное преимущество не единственное, а является лишь еще одним в списке тех, что были перечислены ранее. То есть помимо экономии средств и повышения КПД, электроника освобождает человека от надобности вручную осуществлять поворот.
Как сделать своими руками
Создать трекер для солнечных батарей своими руками несложно, так как схема его создания проста. Для того чтобы создать работоспособную схему трекера своими руками необходимо иметь в наличии два фоторезистора. Кроме этих составляющих, нужно также приобрести моторное устройство, которое будет поворачивать батареи.
Подключение этого устройства осуществляется при помощи Н – моста. Этот метод подключения позволит преобразовывать ток силой до 500 мА с напряжением от 6 до 15 В. Схема сборки позволить не только понять, как работает трекер для солнечных батарей, но и создать его самому.
Чтобы настроить работу схемы, необходимо провести следующие действия:
- Удостовериться в наличия питания на схему.
- Провести подключение двигателя с постоянным током.
- Установить фотоэлементы нужно рядом, чтобы добиться одинакового количества солнечных лучей на них.
- Необходимо выкрутить два подстроечных резистора. Сделать это нужно против часовой стрелки.
- Запускается подача тока на схему. Должен включиться двигатель.
- Вкручиваем один из подстроечников до тех пор, пока он не упрется. Помечаем это положение.
- Продолжить вкручивание элемента до тех пор, пока двигатель не начнет крутиться в противоположную сторону. Помечаем и это положение.
- Делим полученное пространство на равные отделы и посередине устанавливаем подстроечник.
- Вкручиваем другой подстроечник до тех пор, пока двигатель не начнет немного дергаться.
- Возвращаем подстроечник немного назад и оставляем в таком положении.
- Для проверки правильности работы можно закрывать участки солнечной батареи и смотреть за реакцией схемы.
Часовой механизм поворота
Устройство часового механизма поворота в основе своей довольное простое. Для того чтобы создать такой принцип работы, нужно взять любые механические часы и соединить их с двигателем солнечной батареи.
Для того чтобы заставить работать двигатель, необходимо установить один подвижный контакт на длинную стрелку механических часов. Второй неподвижный закрепляется на двенадцати часах. Таким образом, каждый час, когда длинная стрелка будет проходить через двенадцать часов, контакты будут замыкаться, и двигатель будет поворачивать панель.
Временной промежуток в один час, выбран исходя из того, что за это время солнечное светило проходит по небу около 15 градусов. Установить еще один неподвижный контакт можно на шесть часов. Таким образом, поворот будет проходить каждые полчаса.
Водяные часы
Данный способ управления поворотным устройством был изобретен одной предприимчивой канадской студенткой лет и отвечает за поворот лишь одной оси, горизонтальной.
Принцип работы также прост и заключается в следующем:
- Солнечная батарея устанавливается в изначальное положение, когда солнечные лучи попадают на фотоэлемент перпендикулярно.
- После этого к одной из сторон цепляют емкость с водой, а к другой стороне цепляют какой-нибудь предмет такого же веса, что и емкость с водой. Дно емкости должно обладать небольшим отверстием.
- Через него вода будет понемногу вытекать из емкости, из-за чего будет уменьшаться вес, а панель будет потихоньку наклоняться в сторону противовеса. Определить размеры отверстия для емкости придется экспериментально.
Данный способ является наиболее простым. К тому же он экономит материальные средства, которые ушли бы на покупку двигателя, как в случае с часовым механизмом. К тому же, провести монтаж поворотного механизма в виде водяных часов можно самостоятельно, даже не обладая какими-либо специальными знаниями.
Видео
Как сделать трекер для солнечной батареи своими руками, вы узнаете из нашего видео.