Дано математическое описание системы слежения за солнцем. Получена кинематическая модель солнечного трекера. Получен действующий прототип имитационной модели системы слежения за солнцем с 3D-визуализацией рассматриваемого промышленного объекта. Снята механическая характеристика вращения узла системы наведения. Получены сравнительные графики выработки инсоляции для двух типов трекера
MATLAB, электроэнергетика, инсоляция, трекер, Simscape
Из всех известных способов производства электрической энергии наиболее востребованными и динамично развивающимися в настоящее время являются фотоэлектрические технологии, к конкурентным преимуществам которых относят большой срок службы основных энергетических компонентов, минимальные эксплуатационные затраты, возможность создания генерирующих установок на широкий диапазон мощностей с максимальным приближением к объектам электропотребления.
Несмотря на многие преимущества, высокая стоимость оборудования и низкая эффективность преобразования энергии по сравнению с другими типами электростанций, остаются сдерживающими факторами для внедрения фотоэлектрических электростанций (ФЭС). Такое положение вещей принуждает инженеров, разрабатывающих фотоэлектрические системы, находить новые и совершенствовать известные технические решения, повышающие эффективность, производительность и снижающие себестоимость вырабатываемой энергии. Одним из таких решений является использование систем слежения за положением солнца, которыми являются солнечные трекеры (СТ).
Системы слежения за Солнцем (ССС) предназначены для сохранения перпендикулярности падения солнечных лучей на поверхность солнечных модулей в течение дня, что способствует максимальному сбору энергии. Невыполнение этого условия приводит к уменьшению эффективной площади и дополнительным отражениям. Опыт использования ССС в мире продемонстрировал, что их применение обеспечивает повышение производительности солнечных панелей в среднем от 15 до 70 % в зависимости от вида трекера, координат солнечной электростанции и времени года. Предполагаемая выгода применения ССС стимулирует развитие данной технологии солнечной энергетики [1, 2].
Максимальную эффективность использования солнечной энергии обеспечивают двухосевые трекеры, конструкции которых подразделяются по направлению основной оси. Из двухосевых систем слежения наибольшее распространение получили трекеры с осью вращения на несущем столбе (tip tilt dual axis tracker – TTDAT) и трекеры с опорной плоскостью (аzimuth altitude dual axis tracker – AADAT), в которых главная ось является вертикальной. Достоинствами TTDAT трекеров является простота конструкции и большая гибкость территориального размещения, что позволяет их использовать для построения ФЭС как небольшой мощности для индивидуального применения, так и в крупных энергетических проектах [3]. На практике применяются два основных алгоритма слежения за положением Солнца – астрономический и по датчикам света. Вследствие простоты технической реализации чаще используется алгоритм слежения по световым датчикам, принцип действия которого заключается в позиционировании солнечной батареи на максимальную интенсивность света на небосводе, определяемую по текущим показаниям фотоприемников. Серьезным недостатком трекерных систем с датчиками света является их неработоспособность в пасмурную погоду, при интенсивных осадках и загрязнении фотоприемников. Более надежны астрономические алгоритмы, которые в простейшем случае могут быть реализованы путем дискретного изменения положения солнечной батареи по суточной программе таймера [4].
Для работы СТ необходимы данные о положении солнца на небе в указанный момент времени, нахождение солнца определяется небесной механикой, состоящей из следующих основных формул.
Угол высоты подъема Солнца над горизонтом вычисляется по формуле:
Зенитный угол Солнца определяется по выражению:
где 
– широта местности в точке установки панелей.
Часовой угол вычисляется по формуле:
где 
– текущее официальное местное время, час; 
– разница между местным официальным временем и средним временем по Гринвичу, час; – географическая долгота точки размещения приемной площадки, град.
Угол склонения находится по формуле:
где N – номер календарного дня с начала года.
Углы восхода 
и заката Солнца по солнечному времени определяются из выражений:
При определении параметров солнечной следящей системы удобно использовать диаграмму траектории движения Солнца, внешний вид которой показан на рис. 1. В Ангарске максимальное годовое значение углов азимута и подъема солнца не превышает 300° и 60° соответственно.
Следовательно, для СЭС, территориально расположенной в районе г. Ангарска, требуется следящая система со следующими рабочими диапазонами перемещения: 250° по азимуту, и 60° по наклону.
1. Lee J.F., Rahim N.A. Performance Comparison of Dual Axis Solar Tracker vs Static Solar System in Malaysia [Электронный ресурс]. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/Performance-comparison-of-dual-axis-solar-tracker-Lee-Rahim/40b85f7289f2ceac8b8bb7e89a891ba245e0b193.
2. Ribeiro D.B.S., Demetino G.G., Pepe I.M. Solar Trackers: Worldwide Map of Performances // 22 International Congressof Mechanical Engineering. - Ribeirno Preto, Brazil, 2013. -Р. 5521-5530.
3. Prinsloo G., Dobson R. Solar Tracking. South Africa. EBook. - 2015. - ISBN: 978-0620-61576-1. [Электронный ресурс] URL: https://www.researchgate.net/profile/Gerro-Prinsloo.
4. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2018. Т. 329. № 10. 95-106 Обухов С.Г., Плотников И.А. Выбор параметров и анализ эффективности применения систем слежения за солнцем. [Электронный ресурс] URL: https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/51499/1/bulletin_tpu-2018-v329-i10-10.pdf.
5. Dual-Axis Solar Tracker: Functional Model Realization and Full-Scale Simulations Myo Thaw and Melanie Li Sing How Р. 143-145. [Электронный ресурс] URL: https://www.academia.edu/33093665.
6. Численное моделирование динамических процессов в трансмиссии транспортных средств. Худорожков С.И. Красильников А.А. [Электронный ресурс] URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=45714645.
7. САПР машин. Инженерный анализ в среде MATLAB-SIMULINK. А. С. Поварехо В. Н. Плищ. Минск БНТУ 2022 С. 48-58. [Электронный ресурс] URL: https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/110942/SAPR.pdf?sequence=1&isAllowed=y&ysclid=l4wo05c96d668758101.
8. Моделирование и визуализация движений механических систем В MATLAB Омск•2007 С. 15-22. [Электронный ресурс] URL: http://window.edu.ru/resource/733/79733/files/ED1646.pdf .
9. [Сайт] URL: https://www.mathworks.com/help/smlink/ug/installing-and-linking-simmechanics-link-software.html;jsessionid=086dc2742925e003c72812e18c4a.
