Hvordan bygger man en bærbar solcelletracker?

I modsætning til fossile brændstoffer og atomenergi er solenergi sikker og ren. Derudover hjælper den med at forhindre ødelæggelse af levesteder, samtidig med at den bekæmper klimaforandringer. Solenergiens betydning ligger simpelthen ikke i dens billighed og pålidelighed, men i, at den hjælper med at bevare menneskets hjem. Med industrier, der allerede er blevet sensibiliseret, er det endnu uvist, om verden vil foretage et permanent skift til vedvarende energi. I dette projekt vil vi vise dig, hvordan vi brugte vores PA-14 Mini Linear Aktuator at følge solen gennem en enkelt bevægelsesakse. Dette øger solpanelets effektudbytte med op til 25 % mere end et fast solpanel. Vi har også vedhæftet en instruktionsvideo nedenfor for yderligere forklaring.

Hvad er en soltracker?

En soltracker er en enhed, der bruges til at hælde solpanelerne i retning af sollyset. Soltrackere følger derfor solen hele dagen og sikrer, at solpanelerne opfanger eller indsamler så meget energi som muligt. Deres eneste formål er simpelthen at maksimere outputtet. Den gode nyhed her er, at du kan lave din egen soltracker derhjemme. Med det rigtige værktøj er solpaneler vigtigst af alt og... lineære aktuatorer, kan du oprette din soltracker og sikre, at dine solpaneler indfanger den maksimale mængde sollys.

Fordele ved at bruge lineære aktuatorer i et solsporingssystem

Når du bygger dit solsporingssystem, er det tilrådeligt og fordelagtigt at bruge 12V lineære aktuatorer. 12V aktuatorer bruges normalt i solsporere, da de hjælper med at sikre eller forbedre solpanelernes effektivitet. Derfor bør du altid overveje en 12V solsporingsaktuator, når du leder efter en aktuator til solsporingssystemet.

En af de største fordele ved 12V-aktuatoren er, at den opnår de ønskede bevægelser med højere præcision. Derfor vil disse aktuatorer, uanset solens position, sikre, at dine solpaneler er skrå eller hældet i den bedst mulige position for at forbedre deres effektivitet i at indfange sollys.

Konvertering af solpanelstrøm

Der er tre enkle trin i at omdanne solenergi til elektrisk energi. Hvert trin udføres af en individuel komponent som anført nedenfor.

1. Sungold solpanel SGM-90W-18V. Dette absorberer fotoner fra sollys og omdanner dem til elektricitet, der udsendes som en varierende jævnspænding.
2. Solcelleladningsregulator Genasun GV-10 regulerer jævnspændingen fra solpanelet for at oplade batteriet.
3. 12 VDC litium-ion-batteri lagrer elektriciteten til øjeblikkelig eller senere brug.

I vores system har vi tilsluttet et cigarettænderstik til bilens batteri. Dette gør det nemt for os at tilslutte 12V biltilbehør til solpanelet. I vores video brugte vi en oscillerende ventilator, en kraftig LED-spotlight og endda en telefonoplader.

Sådan bygger du en bærbar soltracker

Kontrolsystem

De lineær aktuator styres af en Arduino mikrocontroller ved hjælp af en Wasp-motorstyring. Den tager aflæsningen fra fotomodstande for at bestemme, hvilken side af panelet der modtager lys, og justerer solpanelets position, indtil fotomodstandsaflæsningerne er nogenlunde ens. Dette sikrer, at solpanelet er rettet direkte mod solen og giver maksimal effekt.

Komponenter

1. 1x PA-14 mini-lineær aktuator – 6 tommer – 150 lb kraft.
2. 1x Sungold SGM-90W-18 90 Watt solpanel.
3. 1x Genasun GV-10 12 VDC solpanelladeregulator. 
4. 1x Arduino Micro PLC.
5. 1x Wasp Motor Controller.
6. 2x 10k ohm fotomodstand og 2x 7k ohm modstand. 
7. 1x 12 VDC litium genopladeligt batteri. 
8. 1x cigarettænderstik til 12V tilbehør (valgfrit).

Motorstyring

Til styringsdelen af denne soltracker bruger vi Arduino Micro og WASP Motor Controller. Wasp Motor Controlleren styres af Arduino Micro ved hjælp af pulsbreddemodulation. Wasp tager derefter strøm fra 12V-batteriet for at forlænge og trække PA-14 mini-lineær aktuatoren ind. Vi valgte 150 lb kraftaktuatoren, da den trækker mindre strøm sammenlignet med en 35 lb kraftversion til den belastning, vi har.

Lyssensor

For at detektere lysintensiteten fra solen brugte vi en 10k Ohm fotomodstand. En fotomodstand opfører sig som en variabel modstand styret af lys. Modstanden vil falde, når lysintensiteten stiger. Vi skal bruge to sensorer, en på østsiden af panelet og den anden på vestsiden, for at kunne bestemme solens position.

Forbind den ene 10k ohm fotomodstand og den ene 7k ohm modstand i serie, og send et 5V signal fra Arduino Micro. Mål spændingen over 7k ohm modstanden ved hjælp af en analog indgang på Arduino Micro. Da kredsløbet opfører sig præcis som en spændingsdeler, vil den analoge aflæsning fra 7k ohm modstanden stige, når lysintensiteten stiger.

Bemærk at fotoresistoren er meget følsom, og du skal muligvis begrænse det lys, der modtages fra solen.

Til vores anvendelse fandt vi ud af, at det fungerede bedst at pege den mod siden af panelet og dække den med gennemsigtig tape.

Programmering

Det komplette program kan findes i næste afsnit under 'Kildekode'. Dette afsnit af artiklen vil forklare programmets individuelle komponenter.

Servo-biblioteket

Servo.h-biblioteket gør det muligt for Arduino Micro at styre RC-servomotorer via enkeltlinjekommandoer som følger:

minservo.skrivMikrosekunder (1000); // Aktuator fuld hastighed baglæns (1000)

minservo.skrivMikrosekunder (1520); // Aktuatorstop (1520)

minservo.skrivMikrosekunder (2000); // Aktuator fuld hastighed fremad (2000)

Pin-tildelinger

Pin 10 og 11 på Arduino Micro er indstillet til strøm og jord for at drive WASP-controlleren. Pin 6 og 8 på Arduino Micro er tildelt analog 7 og 8, som er indstillet til at tage aflæsninger fra lyssensorerne vest og øst.

Variabeldeklaration

I dette afsnit deklareres og initialiseres variabler. De vil blive brugt i funktionerne til at gemme aflæsninger fra lyssensorerne. Prøvetidspunktet og justeringsintervallet deklareres også her. Deres værdi kan ændres for at indstille intervallerne mellem hver aflæsning og tiden mellem hver vinkeljustering, der foretages på solpanelet. Startværdien er indstillet til at tage en aflæsning hvert 10. sekund og justere solpanelets position hvert 10. minut.

Indstil input og output

Indstil WASP_Power og WASP_Ground til output for at styre WASP-controlleren. Indstil sensor_west_pin1 og sensor_east_pin2 til input for at tage aflæsninger fra fotoresistorernes lyssensorer.

Sensoraflæsninger

Som nævnt tidligere bruger vi to fotoresistorer som lyssensor for at bestemme, hvilken retning solpanelet skal vende. Programmet, vi brugte, tager en prøveaflæsning hvert 10. sekund i 10 prøver og tager derefter gennemsnitsaflæsningerne fra de to fotoresistorer for at sammenligne.

Solpanelbevægelse

Med Arduino Micro bruger vi PWM-styring til at styre aktuatoren. Det er en simpel og pålidelig metode til at styre den lineære aktuator. Afhængigt af den værdi, vi indstiller for PWM, kan vi forlænge, trække tilbage eller stoppe aktuatoren i et hvilket som helst tidsrum, så længe den ikke overstiger aktuatorens duty cycle.

Fra vores sensoraflæsninger har vi to gennemsnitlige lysintensitetsværdier fra begge sensorer på vest- og østsiden. Den vil derefter udføre bevægelseskommandoen for at forlænge, trække sig tilbage eller forblive stationær afhængigt af forskellen mellem de to sensorers aflæsninger. Dette sæt kommandoer vil køre hvert 10. minut for at sikre, at solpanelet altid får mest muligt sollys.

Nulstilling af nattens position

En anden funktion, der kan implementeres med soltrackeren, er en nulstillingsfunktion. Hvis soltrackeren har kørt i et par dage, skal man sikre sig, at den nulstilles til sin oprindelige position den næste morgen. Til dette bruger vi en simpel tællerfunktion, der nulstiller positionen, hvis soltrackeren ikke har bevæget sig i de sidste 10 timer. Det vil indikere, at det er nat, og soltrackeren nulstilles til sin oprindelige position og venter på den følgende dags dagslys.

Se venligst koden nedenfor for denne version af vores soltracker. Værdien kan altid ændres for at imødekomme forskellige regioner og årstider i løbet af året.

Kildekode

Se venligst koden, vi brugte nedenfor, til denne version af vores soltracker. Husk, at værdierne altid kan ændres for at imødekomme forskellige regioner og årstider i løbet af året.

/*
 Dette program vil give solpanelet mulighed for at spore solen og styre aktuatoren ved hjælp af PWM. Der vil blive taget aflæsninger fra to fotoresistorer fra hver side af solpanelet. Der vil blive taget et antal prøver, og en gennemsnitlig aflæsning vil blive beregnet for at bestemme, hvilken side der har en højere sollysintensitet. Den lineære aktuator vil derefter enten forlænge eller trække sig tilbage for at vinkle solpanelet, så det vender mod solen. En nulstillingsfunktion er implementeret, så den flytter solpanelet til sin standardposition. Dette gør det muligt for solpanelet at oplade om morgenen efter at have forblivet stationært om natten. 
 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; // Opret servoobjekt til at styre en servo
/* 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; // Sollysintensitetsaflæsninger fra sensor vest int solar_input_east = 0; // Sollysintensitetsaflæsninger fra sensor øst
 for( int i=0; i<10; i++) { sensor_west[i] = analogRead(sensor_west_pin1); // Tager de analoge aflæsninger fra sensor vest sensor_east[i] = analogRead(sensor_east_pin2); // Tager de analoge aflæsninger fra sensor øst solar_input_west = sensor_west[i] + solar_input_west; // Summer alle input fra sensor vest solar_input_east = sensor_east[i] + solar_input_east; // Summer alle input fra sensor øst delay(sample_time_interval); }
 solar_input_west = (solar_input_west) / 10; // Gennemsnittet af indgangssignalerne fra sensor vest solar_input_east = (solar_input_east) / 10; // Gennemsnittet af indgangssignalerne fra sensor øst
 /* SOLPANELENS BEVÆGELSE Solpanelet vil hælde mod vest, hvis sollysintensiteten, der registreres på panelets vestside, er større end den, der registreres på østsiden. Solpanelet vil hælde mod øst, hvis sollysintensiteten, der registreres på østsiden, er større end den, der registreres på vestsiden. Men hvis aflæsningerne fra begge sider er ens, vil solpanelet forblive stationært. */
 if( solar_input_west - solar_input_east> 20) // Hvis sollysintensiteten er højere på vestsiden af panelet { myservo.writeMicroseconds(2000); // Signal for fuld hastighed fremad (2000) der skubber solpanelet til venstre (vest) delay(500); //0.5 sekunder reset_counter = 0; } else if( solar_input_east - solar_input_east> 20) // Hvis sollysintensiteten er højere på østsiden af panelet { myservo.writeMicroseconds(1000); // Signal for fuld hastighed bagud (1000) der trækker solpanelet til højre (øst) delay(500); //0.5 sekunder reset_counter = 0; } 
 ellers // Hvis sollysintensiteten er ens fra begge sider af panelet { myservo.writeMicroseconds(1520); // Stationært (1520) signal stopper solpanelet fra at bevæge sig reset_counter++; } delay(solar_panel_adjustment_interval); // Forsinkelse før yderligere justering foretages
/* NULSTIL AF POSITION OVER NATTEN
 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; }
}

Enkeltakset sporingshardware

Der er utallige måder at lave en enkeltakset soltracker på. Den nemmeste metode ville være at konstruere rammen ved hjælp af PVC-rør og PVC-vinklede samlinger. Den vigtigste del er evnen til at spore, hvilket kan opnås ved hjælp af en simpel PA-14 mini-lineær aktuator og en BRK-14 beslag.

Til vores byggeri valgte vi en stativramme og brugte 3D-printede dele til at lave samlinger og beslag. Dette gjorde det muligt for os at skabe en meget bærbar soltrackerramme med optimal vippe- og sporingsevne. For et visuelt overblik over vores byggeproces, se vores YouTube-kanal.

Komponenter

1. 3/4 tommer kobberrør.
2. 1x 3/4 tommer endekappe til kobberrør. 
3. 3x 3/4 tommer gearklemme. 
4. 3/4 tommer PVC-rør.
5. 1x 1 gearklemme.
6. 5x M6 bolt, møtrik og skive.
7. Diverse 3D-printede beslag.
8. 2x Aktuatormonteringsstift (findes i sættet BRK-14).
9. 1x PA-14 mini-lineær aktuator.

Optimal hældning

Udover at tilføje muligheden for at spore solen, er en anden måde at øge solpanelets effektivitet på at justere den faste hældning baseret på din placering. Den optimale hældning bestemmes af din placerings breddegrad. Mere information om dette kan findes på dette link: Solpanelhældning.

Her har vi en dimensionstegning fra siden, der viser, hvordan vi beregnede vores trackers hældning. Du kan beregne længde B ved hjælp af følgende ligning:

Fremstilling og montering

For at få et visuelt overblik over vores byggeproces har vi uploadet en YouTube-video.

Trin

1. Beregn de nødvendige længder for at opnå den optimale hældning.
2. Saml alle de nødvendige komponenter.
3. Fastgør beslagene til solpanelet ved at bore huller og fastgøre dem med de passende bolte. 
4. Skær kobber- og PVC-rørene til i længden.
5. Mal og slib kobber- og PVC-rørene.
6. Fastgør beslagene til rørene og fastgør dem med tandhjulsklemmer. 
7. Monter PA-14 mini-lineær aktuator og fastgør den med BRK-14 aktuatormonteringsstifterne.

Det nye og forbedrede PA-01 miniaktuator (PA-14 opgradering) er den nuværende model, vi tilbyder, med en række ekstra fordele. For en sammenligning kan du se tabellerne nedenfor og opgradere med ro i sindet!

Konklusion

Sandheden er, at solenergi faktisk vil erstatte fossile brændstoffer i den nærmeste fremtid. Da folk allerede finder på nye måder at øge effektiviteten af solpaneler, er det stadig uvist, hvad fremtiden bringer for energibranchen. Vi håber, du nød vores artikel og video om at skabe en bærbar solcelletracker.