Κατασκευή συστήματος ηλιακού ιχνηλάτη για τη καταγραφή της θέσης του ήλιου (αζιμούθιο - ύψος) και μέτρηση και καταγραφή της ηλιακής ακτινοβολίας ( άμεση - δίάχυτη - συνολική)

Abstract

Στη παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται ένα μοντέλο κατασκευής συστήματος ηλιακού ιχνηλάτη που καταγράφει και μετράει την ηλιακή ακτινοβολία (άμεση – διάχυτη – συνολική). Με βάση τη θέση του Ηλίου αλλά και τη σχετική του κίνηση ως προς τη Γη υπολογίζονται, με χρήση των ηλιακών εξισώσεων, οι ηλιακές συντεταγμένες (αζιμούθιο και ύψος Ηλίου) μεγέθη πολύ χρήσιμα σε πολλές επιστήμες όπως η αστρονομία, η μετεωρολογία αλλά και στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. Υπάρχουν πολλοί αλγόριθμοι για τον προσδιορισμό της θέσης του ηλίου. Στην εργασία παρουσιάζονται δύο από αυτούς. Με βάση αυτούς τους αλγορίθμους γίνεται και η οδήγηση του ιχνηλάτη. Ως προς την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τον Ήλιο, οι ηλιακές συντεταγμένες έχουν βαρύνουσα σημασία, αφού ανάλογα με την κίνηση του Ήλιου και τη γεωγραφική θέση κάθε περιοχής μπορεί η στήριξη των φωτοβολταϊκών στοιχείων να αυξήσει ή να μειώσει κατά πολύ την ενεργειακή τους απόδοση.Για τον υπολογισμό των συντεταγμένων του Ηλίου κρίνεται απαραίτητη και αρκετά σημαντική η χρήση κατάλληλου προγραμματιστικού περιβάλλοντος για την επεξεργασία των δεδομένων. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε περιβάλλον Labview και δημιουργήθηκε ένας εύχρηστος και φιλικός προς το χρήστη κώδικας που υπολογίζει σε ετήσια βάση τη θέση του Ηλίου ανά κάποιο βήμα το οποίο επιλέγεται από το χρήστη. Με βάση αυτό το περιβάλλον έγιναν διαγράμματα της πορείας του ηλίου για διάφορες ημερομηνίες και διάφορες γεωγραφικές συντεταγμένες. Στη συνέχεια της εργασίας, αναλύθηκε η ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον Ήλιο. Εξετάστηκε η διαδρομή που ακολουθεί αλλά και τα εμπόδια που συναντά στο ταξίδι της μέχρι τη Γη. Ορίστηκαν όλες οι μετρήσιμες μορφές της ηλιακής ακτινοβολίας και τρόποι υπολογισμού της. Επιπλέον παρουσιάστηκε το ανισοτροπικό μοντέλο για τονυπολογισμό της πυκνότητας ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας σε κεκλιμένο επίπεδο, από τις μετρήσεις της πυκνότητας ισχύος της ηλιακής ακτινοβολίας σε οριζόντιο επίπεδο. Αφού περιγράφηκε το θεωρητικό πλαίσιο, στη συνέχεια παρουσιάζεται το μηχανικό μέρος του συστήματος ηλιακού ιχνηλάτη όπως κατασκευάστηκε και χρησιμοποιήθηκε. Ως ανιχνευτές των γωνιών χρησιμοποιούνται οι στρεφόμενες συσκευές “zaber T-RS60A”. Οι συσκευές αυτές έχουν μεγάλη ακρίβεια μετρήσεων θέσεως (0,01ο).Οι συσκευές αυτές προγραμματίζονται σε περιβάλλον Labview έτσι ώστε να κατασκευάζεται σύστημα ιχνηλάτη της θέσης και πορείας του ηλίου για κάθε μέρα του χρόνου. Η οδήγηση του ιχνηλάτη γίνεται με βάση τους 2 αλγορίθμους προσδιορισμού της ηλιακής θέσης. Ο χρήστης μπορεί να ορίζει είτε πραγματική παρακολούθηση της ηλιακής τροχιάς με κάποιο βήμα είτε προσομοίωση της ηλιακής τροχιάς στο εργαστήριο. Τέλος στον ιχνηλάτη προσαρμόστηκαν αισθητήρες μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας και λήφθηκαν πιλοτικές μετρήσεις στην ταράτσα του κτηρίου Ηλεκτρολόγων στο ΕΜΠ. Μετρήθηκε η άμεση, η διάχυτη και η συνολική ηλιακή ακτινοβολία.

In this paper, a construction model of a solar tracker is presented. This tracker also records and measures the solar radiation (direct – diffuse and total). Based on the position of the sun and its relative motion to the Earth, the solar coordinates can be calculated through using the solar equations (azimuth and height of the Sun) . This procedure is believed to be very useful in many disciplines such as astronomy, meteorology and in the field of the production of electrical energy by using photovoltaic technology. There are many algorithms of determining the position of the sun. We represent two of them in this paper. The solar tracker is based on these two. As for the production of electricity from the sun, solar coordinates have relevance, since depending of the movement of the Sun and the geographic location of each region, we can support the photovoltaic cells in order to increase or greatly decrease their efficiency. In order to calculate the coordinates of the Sun, a suitable programming environment was created and used. In this study Labview environment was used and as a result a convenient and user-friendly code was created. This program calculates the position of the Sun on an annual basis at any time step chosen by the user. Based on this environment, we created solar position and path charts on different dates and different geographic coordinates. Furthermore, in this paper the radiation emitted by the sun is analyzed. The followed path is examined and the obstacles it encounters on its journey to earth. All measurable forms of solar radiation and calculation methods are represented. Also the anisotropic model of calculating the energy density of the solar radiation is presented. Having described the theoretical framework, then the mechanical part of the solar tracker is presented. As probes of the angles we used the rotary devices “zaber T-RS60A” . These devices offer measurements of high accuracy. These devices programmed in Labview enviroment so we construct the solar tracking system. The driving of this system is based on the 2 algorithms for determining the solar position. The user may specify either actual monitoring of solar orbit with a step or simulation of solar orbit in the laboratory. Finally we adjust sensors for solar radiation measurements. The measurements were taken in an N.T.U.A building's roof. We measured directly diffused and total solar radiation. 15