كيفية بناء جهاز تتبع شمسي محمول؟

على عكس الوقود الأحفوري والطاقة النووية، تُعدّ الطاقة الشمسية آمنة ونظيفة. إضافةً إلى ذلك، فهي تُساعد في منع تدمير الموائل الطبيعية، وتُساهم في مكافحة تغير المناخ. تكمن أهمية الطاقة الشمسية ليس فقط في رخص ثمنها وموثوقيتها، بل في كونها تُساعد في الحفاظ على بيئة الإنسان. ومع ازدياد وعي الصناعات، يبقى أن نرى ما إذا كان العالم سيتحول بشكل دائم إلى الطاقة المتجددة. في هذا المشروع، سنُوضح لكم كيف استخدمنا PA-14 ميني لينيار المشغل لتتبع الشمس عبر محور حركة واحد. يؤدي ذلك إلى زيادة إنتاج الطاقة من اللوحة الشمسية بنسبة تصل إلى 25% مقارنةً باللوحة الشمسية الثابتة. كما أرفقنا أدناه فيديو توضيحيًا لشرح كيفية القيام بذلك.

ما هو جهاز تتبع الشمس؟

جهاز تتبع الشمس هو أداة تُستخدم لتوجيه الألواح الشمسية نحو ضوء الشمس. وبالتالي، يتتبع هذا الجهاز الشمس طوال اليوم، مما يضمن التقاط الألواح الشمسية لأكبر قدر ممكن من الطاقة. هدفه الأساسي هو زيادة إنتاج الطاقة إلى أقصى حد. والخبر السار هو أنه يمكنك صنع جهاز تتبع الشمس بنفسك في المنزل. باستخدام الأدوات المناسبة، والأهم من ذلك، الألواح الشمسية و... المحركات الخطيةيمكنك إنشاء جهاز تتبع شمسي والتأكد من أن الألواح الشمسية الخاصة بك تلتقط أقصى قدر من ضوء الشمس.

فوائد استخدام المحركات الخطية في نظام تتبع الطاقة الشمسية

عند تصميم نظام تتبع الطاقة الشمسية، يُنصح بشدة باستخدام المحركات الخطية بجهد 12 فولت. تُستخدم هذه المحركات عادةً في أنظمة تتبع الطاقة الشمسية لأنها تُسهم في ضمان أو تعزيز كفاءة الألواح الشمسية. لذا، عند البحث عن محرك لنظام تتبع الطاقة الشمسية، ضع في اعتبارك دائمًا استخدام محرك بجهد 12 فولت مُخصص لأنظمة تتبع الطاقة الشمسية.

من أهم مزايا المحرك ذي جهد 12 فولت قدرته على تحقيق الحركات المطلوبة بدقة عالية. لذا، وبغض النظر عن موقع الشمس، يضمن هذا المحرك توجيه الألواح الشمسية بزاوية مثالية لتعزيز كفاءتها في امتصاص ضوء الشمس.

تحويل طاقة الألواح الشمسية

تتضمن عملية تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية ثلاث خطوات بسيطة. يتم تنفيذ كل خطوة بواسطة مكون فردي كما هو موضح أدناه.

1. لوحة شمسية من صن جولد SGM-90W-18V. يمتص هذا الجهاز الفوتونات من ضوء الشمس ويحولها إلى كهرباء يتم إخراجها على شكل جهد تيار مستمر متغير.
2. منظم شحن الطاقة الشمسية Genasun GV-10 ينظم جهد التيار المستمر من اللوحة الشمسية لشحن البطارية.
3. بطارية ليثيوم أيون 12 فولت تيار مستمر يخزن الكهرباء لاستخدامها فوراً أو في وقت لاحق.

في نظامنا، قمنا بتوصيل موصل ولاعة سجائر السيارة بالبطارية. يتيح لنا ذلك توصيل ملحقات السيارة التي تعمل بجهد 12 فولت بسهولة باللوحة الشمسية. في الفيديو، استخدمنا مروحة متذبذبة، ومصباح LED عالي الطاقة، وحتى شاحن هاتف.

كيفية بناء جهاز تتبع شمسي محمول

نظام التحكم

ال المحرك الخطي يتم التحكم فيه بواسطة متحكم دقيق أردوينو باستخدام وحدة تحكم محرك Wasp، تقوم هذه الوحدة بأخذ قراءات من المقاومات الضوئية لتحديد أي جانب من اللوحة الشمسية يستقبل الضوء، ثم تُعدّل موضع اللوحة الشمسية حتى تتساوى قراءات المقاومات الضوئية تقريبًا. هذا يضمن توجيه اللوحة الشمسية مباشرةً نحو الشمس، مما يُنتج أقصى قدر من الطاقة.

عناصر

1. 1x مشغل خطي صغير PA-14 – 6 بوصة – قوة 150 رطل.
2. لوحة شمسية واحدة من نوع Sungold SGM-90W-18 بقدرة 90 وات.
3. 1x وحدة تحكم شحن الألواح الشمسية Genasun GV-10 12 VDC. 
4. 1x أردوينو مايكرو بي إل سي.
5. 1x وحدة تحكم محرك الدبور.
6. 2x مقاوم ضوئي 10 كيلو أوم و 2x مقاوم 7 كيلو أوم. 
7. بطارية ليثيوم قابلة لإعادة الشحن بجهد 12 فولت تيار مستمر. 
8. موصل ولاعة سجائر واحد لملحقات 12 فولت (اختياري).

وحدة تحكم المحرك

بالنسبة لجزء التحكم في هذا المتتبع الشمسي، سنستخدم متحكم Arduino Micro ووحدة تحكم المحرك WASP. يتم التحكم في وحدة تحكم المحرك WASP بواسطة متحكم Arduino Micro باستخدام تقنية تعديل عرض النبضة (PWM). ثم تستمد وحدة WASP الطاقة من بطارية 12 فولت لتمديد وسحب المحرك الخطي المصغر PA-14. اخترنا المحرك بقوة 150 رطلًا لأنه يستهلك تيارًا أقل مقارنةً بنسخة بقوة 35 رطلًا للحمل الذي لدينا.

مستشعر الضوء

لقياس شدة ضوء الشمس، استخدمنا مقاومة ضوئية قيمتها 10 كيلو أوم. تعمل المقاومة الضوئية كمقاومة متغيرة تتأثر بالضوء، حيث تقل مقاومتها مع ازدياد شدة الضوء. نحتاج إلى مستشعرين، أحدهما على الجانب الشرقي من اللوحة والآخر على الجانب الغربي، لتحديد موقع الشمس.

قم بتوصيل مقاومة ضوئية بقيمة 10 كيلو أوم ومقاومة أخرى بقيمة 7 كيلو أوم على التوالي، ثم قم بتزويدها بإشارة 5 فولت من متحكم أردوينو مايكرو. قِس الجهد عبر المقاومة 7 كيلو أوم باستخدام مدخل تناظري في متحكم أردوينو مايكرو. بما أن الدائرة تعمل تمامًا كمقسم جهد، فإن القراءة التناظرية من المقاومة 7 كيلو أوم ستزداد مع ازدياد شدة الضوء.

لاحظ أن المقاوم الضوئي حساس للغاية وقد تحتاج إلى الحد من الضوء الذي تتلقاه من الشمس.

بالنسبة لتطبيقنا، وجدنا أن توجيهه إلى جانب اللوحة وتغطيته بشريط شفاف كان هو الأفضل.

برمجة

يمكنكم الاطلاع على البرنامج الكامل في القسم التالي تحت عنوان "شفرة المصدر". سيشرح هذا القسم من المقالة المكونات الفردية للبرنامج.

مكتبة سيرفو

تتيح مكتبة Servo.h لـ Arduino Micro التحكم في محركات RC المؤازرة من خلال أوامر سطر واحد كما يلي:

myservo.كتابة بالمايكروثانية (1000)؛ // تشغيل المحرك بأقصى سرعة للخلف (1000)

myservo.كتابة بالمايكروثانية (1520)؛ // إيقاف المشغل (1520)

myservo.كتابة بالمايكروثانية (2000)؛ // محرك يعمل بأقصى سرعة للأمام (2000)

تخصيصات الدبابيس

تم ضبط المنفذين 10 و11 على لوحة أردوينو مايكرو لتزويد الطاقة والأرضي لتشغيل وحدة تحكم WASP. أما المنفذان 6 و8 على لوحة أردوينو مايكرو فقد تم تخصيصهما للمنفذين التناظريين 7 و8، واللذين تم ضبطهما لأخذ قراءات من مستشعر الضوء غربًا وشرقًا.

إعلان المتغيرات

في هذا القسم، يتم تعريف المتغيرات وتهيئتها. ستُستخدم هذه المتغيرات في الدوال لتخزين قراءات مستشعرات الضوء. كما يتم تعريف زمن أخذ العينات وفترة الضبط هنا. يمكن تغيير قيمها لضبط الفاصل الزمني بين كل قراءة والفاصل الزمني بين كل تعديل لزاوية اللوحة الشمسية. القيمة الابتدائية مُحددة لأخذ قراءة كل 10 ثوانٍ وضبط موضع اللوحة الشمسية كل 10 دقائق.

ضبط المدخلات والمخرجات

قم بتعيين WASP_Power وWASP_Ground كمخرجات لتشغيل وحدة تحكم WASP. قم بتعيين sensor_west_pin1 وsensor_east_pin2 كمدخلات لأخذ قراءات من مستشعرات الضوء المقاومة للضوء.

قراءات المستشعر

كما ذكرنا سابقاً، لتحديد الاتجاه الأمثل للوحة الشمسية، نستخدم مقاومين ضوئيين كمستشعرات ضوئية لقياس شدة الإضاءة على جانبي اللوحة. يقوم البرنامج المستخدم بأخذ قراءة عينة كل 10 ثوانٍ لعشر عينات، ثم يحسب متوسط القراءات من المقاومين الضوئيين للمقارنة.

حركة الألواح الشمسية

باستخدام لوحة أردوينو مايكرو، نعتمد على تقنية تعديل عرض النبضة (PWM) لتشغيل المحرك الخطي. إنها طريقة بسيطة وموثوقة للتحكم في المحرك الخطي. بناءً على القيمة التي نضبطها لتقنية PWM، يمكننا تمديد المحرك أو تقليصه أو إيقافه لأي مدة زمنية طالما أنها لا تتجاوز دورة تشغيل المحرك.

من خلال قراءات المستشعرات، نحصل على قيمتين متوسطتين لشدة الإضاءة من كلا المستشعرين على الجانبين الغربي والشرقي. وبناءً على الفرق بين قراءتي المستشعرين، سيتم تنفيذ أمر الحركة لتمديد اللوحة الشمسية أو تقليصها أو تثبيتها في مكانها. ستعمل هذه الأوامر كل 10 دقائق لضمان حصول اللوحة الشمسية على أكبر قدر من ضوء الشمس باستمرار.

إعادة ضبط الوضع الليلي

من الميزات الأخرى التي يمكن إضافتها إلى جهاز تتبع الشمس وظيفة إعادة الضبط. فإذا تُرك الجهاز يعمل لعدة أيام، يجب التأكد من عودته إلى وضعه الأولي في صباح اليوم التالي. ولتحقيق ذلك، سنستخدم عدادًا بسيطًا يُعيد ضبط الموقع إذا لم يتحرك الجهاز خلال العشر ساعات الماضية. وهذا يُشير إلى حلول الليل، فيعود الجهاز إلى وضعه الأولي وينتظر ضوء النهار في اليوم التالي.

يرجى الاطلاع على الكود أدناه لهذه النسخة من جهاز تتبع الشمس. يمكن تعديل القيمة لتناسب مختلف المناطق والفصول على مدار العام.

شفرة المصدر

يرجى الاطلاع على الكود الذي استخدمناه أدناه في هذه النسخة من جهاز تتبع الشمس. ضع في اعتبارك أنه يمكن تعديل القيم لتناسب مختلف المناطق والفصول على مدار العام.

/*
 سيُمكّن هذا البرنامج اللوحة الشمسية من تتبع الشمس، وتشغيل المحرك باستخدام تقنية تعديل عرض النبضة (PWM). سيتم أخذ قراءات من مقاومين ضوئيين من كل جانب من جوانب اللوحة الشمسية. سيتم أخذ عدد من العينات، وحساب متوسط القراءات لتحديد الجانب الذي يتعرض لشدة ضوء الشمس الأعلى. بعد ذلك، سيقوم المحرك الخطي إما بالتمدد أو الانكماش لتوجيه اللوحة الشمسية نحو الشمس. تم تفعيل وظيفة إعادة الضبط لإعادة اللوحة الشمسية إلى وضعها الافتراضي. هذا يسمح للوحة الشمسية بالبقاء ثابتة خلال الليل، جاهزة للشحن في الصباح. 
 Hardware used: 1 x Arduino Micro 1 x WASP Motor Controller 1 x PA-14-6-150 Linear Actuator 2 x Photoresistors 2 x 7k ohm Resistors
*/
/* SERVO LIBRARY Include the Servo library and create the servo object.
*/
#include Servo myservo; // إنشاء كائن سيرفو للتحكم في سيرفو
/* PIN ASSIGNMENTS Assign pins from WASP Controller and Arduino Micro to appropriate variable.
*/
const int WASP_Power = 10; // Assign pin 10 to Power for the WASP controller
const int WASP_Ground = 11; // Assign pin 11 to Ground for the WASP controller
const int sensor_west_pin1 = 7; // A7 pin 6 sensor input 1 west
const int sensor_east_pin2 = 8; // A8 pin 8 sensor input 2 east
/* VARIABLE DECLARATION Delcare variable that will be used in the functions later and initilize them.
*/
int sensor_west[10]; // 10 sample readings from sensor on the west side
int sensor_east[10]; // 10 sample readings from sensor on the east side
int reset_counter = 0; // Time counter for resetting the solar panel position
const int sample_time_interval = 10000; // Change this value to set the interval between each sample is taken (ms)
const long solar_panel_adjustment_interval = 600000; // Change this value to set the interval between each adjustment from the solar panel (ms)
void setup()
{
/* SET INPUT & OUTPUT Set the input and output to the variables and pins.
*/
 myservo.attach(9); // Attaches the servo on pin 9 to the servo object pinMode(WASP_Power, OUTPUT); // Set Power to output pinMode(WASP_Ground, OUTPUT); // Set Ground to output digitalWrite(WASP_Power, HIGH); // Set 5V to pin 10 digitalWrite(WASP_Ground, LOW); // Set GND to pin 11 pinMode(sensor_west_pin1, INPUT); // Set sensor west pin to input pinMode(sensor_east_pin2, INPUT); // Set sensor east pin to input
}
void loop()
{ /* SENSOR READINGS Take 10 sample readings from both sensors, and take the average of the inputs.
*/
 int solar_input_west = 0; // قراءات شدة ضوء الشمس من المستشعر الغربي int solar_input_east = 0; // قراءات شدة ضوء الشمس من المستشعر الشرقي
 for( int i=0; i<10; i++) { sensor_west[i] = analogRead(sensor_west_pin1); // قراءة البيانات التناظرية من المستشعر الغربي sensor_east[i] = analogRead(sensor_east_pin2); // قراءة البيانات التناظرية من المستشعر الشرقي solar_input_west = sensor_west[i] + solar_input_west; // جمع جميع المدخلات من المستشعر الغربي solar_input_east = sensor_east[i] + solar_input_east; // جمع جميع المدخلات من المستشعر الشرقي delay(sample_time_interval); }
 solar_input_west = (solar_input_west) / 10; // متوسط إشارات الإدخال من المستشعر الغربي solar_input_east = (solar_input_east) / 10; // متوسط إشارات الإدخال من المستشعر الشرقي
 /* حركة اللوحة الشمسية: تميل اللوحة الشمسية نحو الغرب إذا كانت شدة ضوء الشمس المُقاسة على الجانب الغربي منها أكبر من تلك المُقاسة على الجانب الشرقي. وتميل اللوحة الشمسية نحو الشرق إذا كانت شدة ضوء الشمس المُقاسة على الجانب الشرقي أكبر من تلك المُقاسة على الجانب الغربي. أما إذا كانت القراءات من كلا الجانبين متقاربة، فستبقى اللوحة الشمسية ثابتة. */
 إذا كان الفرق بين شدة ضوء الشمس في الجهة الغربية (solar_input_west - solar_input_east) أكبر من 20، فهذا يعني أن شدة ضوء الشمس أعلى في الجهة الغربية من اللوحة الشمسية. يتم تشغيل المحرك بسرعة كاملة للأمام (2000) لدفع اللوحة الشمسية إلى اليسار (الغرب)، ثم يتم تأخير العملية لمدة 0.5 ثانية، وإعادة ضبط العداد إلى الصفر. أما إذا كان الفرق بين شدة ضوء الشمس في الجهة الشرقية (solar_input_east - solar_input_east) أكبر من 20، فهذا يعني أن شدة ضوء الشمس أعلى في الجهة الشرقية من اللوحة الشمسية. يتم تشغيل المحرك بسرعة كاملة للخلف (1000) لسحب اللوحة الشمسية إلى اليمين (الشرق)، ثم يتم تأخير العملية لمدة 0.5 ثانية، وإعادة ضبط العداد إلى الصفر. 
 وإلا // إذا كانت شدة ضوء الشمس متساوية من جانبي اللوحة { myservo.writeMicroseconds(1520); // إشارة ثابتة (1520) توقف اللوحة الشمسية عن الحركة reset_counter++; } delay(solar_panel_adjustment_interval); // تأخير قبل إجراء تعديل آخر
/* إعادة ضبط الوضع الليلي
 If the solar panel will be used overnight, the controller will detect the panel remained stationary for more than 10 hours, It will then reset the solar panel to its default position facing east.
*/ if( reset_counter> 60) // After the solar panel remained stationary for more than 10 hours, it will move to its default position { myservo.writeMicroseconds(1000); // Full speed backwards (1000) signal pulling the solar panel to the right(east) delay(12000); //12 seconds myservo.writeMicroseconds(1520); // Stationary (1520) signal stop the solar panel from moving delay(500); //0.5 seconds myservo.writeMicroseconds(2000); // Full speed forwards (2000) signal pushing the solar panel to the left(west) delay(1000); //1 seconds reset_counter = 0; }
}

أجهزة تتبع أحادية المحور

توجد طرق لا حصر لها لإنشاء جهاز تتبع شمسي أحادي المحور. أسهل طريقة هي بناء الإطار باستخدام أنابيب PVC ووصلات زاوية PVC. الجزء الأهم هو القدرة على التتبع، والتي يمكن تحقيقها باستخدام مشغل خطي صغير PA-14 بسيط و... قوس BRK-14.

اخترنا في تصميمنا إطارًا ثلاثي القوائم، واستخدمنا أجزاءً مطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء المفاصل والتركيبات. وقد مكّننا هذا من تصميم إطار متتبع شمسي سهل الحمل، يتمتع بقدرة مثالية على الإمالة والتتبع. للاطلاع على عرض مرئي لعملية التصميم، تفضلوا بزيارة قناتنا على يوتيوب.

عناصر

1. أنبوب نحاسي بقطر 3/4 بوصة.
2. غطاء طرفي لأنبوب نحاسي مقاس 3/4 بوصة. 
3. مشبك تروس 3x 3/4 بوصة. 
4. أنبوب PVC مقاس 3/4 بوصة.
5. مشبك تروس 1x1.
6. 5 مسامير وصواميل وغسالات M6.
7. أقواس مطبوعة ثلاثية الأبعاد متنوعة.
8. 2x دبوس تثبيت المشغل (يمكن العثور عليه في المجموعة BRK-14).
9. 1x مشغل خطي صغير PA-14.

الميل الأمثل

إلى جانب إضافة خاصية تتبع الشمس، هناك طريقة أخرى لزيادة كفاءة الألواح الشمسية وهي تعديل زاوية ميلها الثابتة بناءً على موقعك. وتُحدد زاوية الميل المثلى بناءً على خط عرض موقعك. يمكنك الاطلاع على المزيد من المعلومات حول هذا الموضوع عبر هذا الرابط: إمالة اللوحة الشمسية.

هنا رسم توضيحي ثلاثي الأبعاد من منظور جانبي يُبين كيفية حساب ميل جهاز التتبع. يمكنك حساب الطول B باستخدام المعادلة التالية:

التصنيع والتجميع

للحصول على نظرة عامة مرئية على عملية البناء لدينا، قمنا بتحميل ملف فيديو على يوتيوب.

خطوات

1. احسب الأطوال اللازمة لتحقيق الميل الأمثل.
2. اجمع كل المكونات اللازمة.
3. قم بتثبيت الأقواس على اللوحة الشمسية عن طريق حفر الثقوب وتثبيتها بالمسامير المناسبة. 
4. قم بقطع أنابيب النحاس والبلاستيك PVC إلى الطول المطلوب.
5. قم بطلاء وصنفرة أنابيب النحاس والبلاستيك PVC.
6. قم بتثبيت الأقواس على الأنابيب وثبتها بمشابك التروس. 
7. قم بتركيب المشغل الخطي المصغر PA-14 وثبته باستخدام دبابيس تثبيت المشغل BRK-14.

الجديد والمحسّن مشغل صغير PA-01 (ترقية PA-14) هي الطراز الحالي الذي نقدمه مع مجموعة متنوعة من المزايا الإضافية. للمقارنة، اطلع على الجداول أدناه وقم بالترقية بثقة!

خاتمة

الحقيقة هي أن الطاقة الشمسية ستحل محل الطاقة الأحفورية في المستقبل القريب. ومع ابتكار طرق جديدة لزيادة كفاءة الألواح الشمسية، يبقى أن نرى ما يخبئه المستقبل لقطاع الطاقة. نأمل أن تكونوا قد استمتعتم بمقالنا وفيديو تصميم جهاز تتبع شمسي محمول.