¿Cómo construir un rastreador solar portátil?

A diferencia de los combustibles fósiles y la energía nuclear, la energía solar es segura y limpia. Además, ayuda a evitar la destrucción de hábitats y combate el cambio climático. La importancia de la energía solar no radica solo en su bajo costo y fiabilidad, sino en que ayuda a preservar el hogar de la humanidad. Con las industrias ya concienciadas, está por verse si el mundo hará un cambio permanente hacia las energías renovables. En este proyecto, te mostramos cómo usamos nuestro PA-14 mini actuador lineal para seguir el sol a través de un único eje de movimiento. Hacer esto aumenta el rendimiento del panel solar hasta en un 25% frente a un panel fijo. También hemos adjuntado un video de “cómo hacerlo” más abajo para una explicación adicional.

¿Qué es un seguidor solar?

Un seguidor solar es un dispositivo usado para inclinar los paneles solares en la dirección de la luz solar. Los seguidores solares, por lo tanto, siguen al sol durante todo el día y aseguran que los paneles capten la mayor cantidad de energía posible. Su único propósito es maximizar la producción. La buena noticia es que puedes fabricar tu propio seguidor solar en casa. Con las herramientas adecuadas, y sobre todo con paneles solares y actuadores lineales, puedes crear tu seguidor y asegurarte de que tus paneles estén captando la máxima cantidad de luz solar.

Beneficios de usar actuadores lineales en un sistema de seguimiento solar

Al construir tu sistema de seguimiento solar, es aconsejable y beneficioso usar actuadores lineales de 12v. Los actuadores de 12v se emplean habitualmente en seguidores solares, ya que ayudan a garantizar y mejorar la eficacia de los paneles. Por lo tanto, al buscar un actuador para el sistema de seguimiento, considera siempre el actuador para seguidor solar de 12v.

Uno de los principales beneficios del actuador de 12v es que logra los movimientos deseados con gran precisión. Por lo tanto, independientemente de la posición del sol, estos actuadores garantizarán que tus paneles solares queden inclinados en la mejor posición posible para mejorar su eficacia al captar la luz solar.

Conversión de la energía del panel solar

Hay tres pasos simples para convertir la energía solar en energía eléctrica. Cada paso lo realiza un componente individual, como se indica a continuación.

1. Panel solar Sungold SGM-90W-18V. Absorbe fotones de la luz solar y los convierte en electricidad que se entrega como un voltaje de CC variable.
2. Controlador de carga solar Genasun GV-10 regula el voltaje de CC del panel solar para cargar la batería.
3. Batería de iones de litio de 12VDC almacena la electricidad para usarla de inmediato o más tarde.

En nuestro sistema, conectamos a la batería un conector de encendedor de coche. Esto nos permite conectar fácilmente accesorios automotrices de 12V al panel solar. En nuestro video usamos un ventilador oscilante, un reflector LED de alta potencia e incluso un cargador de teléfono.

Cómo construir un seguidor solar portátil

Sistema de control

El actuador lineal se controla con un microcontrolador Arduino usando un controlador de motor Wasp. Toma la lectura de fotorresistores para determinar qué lado del panel recibe luz y ajusta la posición hasta que las lecturas sean bastante iguales. Esto asegura que el panel apunte directamente al sol y entregue la máxima potencia.

Componentes

1. 1x actuador lineal mini PA-14 – 6 pulgadas – 150 lbs de fuerza.
2. 1x panel solar Sungold SGM-90W-18 de 90 W.
3. 1x controlador de carga para panel solar Genasun GV-10 12VDC. 
4. 1x Arduino Micro PLC.
5. 1x Wasp Motor Controller.
6. 2x fotorresistor de 10k Ohm y 2x resistor de 7k Ohm. 
7. 1x batería recargable de litio 12VDC. 
8. 1x conector de encendedor para accesorios de 12V (opcional).

Controlador de motor

Para la parte de control de este seguidor solar, usaremos el Arduino Micro y el WASP Motor Controller. El Wasp Motor Controller es controlado por el Arduino Micro mediante modulación por ancho de pulso (PWM). El Wasp toma energía de la batería de 12V para extender y retraer el actuador lineal mini PA-14. Elegimos el actuador de 150 lbs de fuerza porque consume menos corriente que la versión de 35 lbs para la carga que tenemos.

Sensor de luz

Para detectar la intensidad de la luz del sol, usamos un fotorresistor de 10k Ohm. Un fotorresistor se comporta como un resistor variable controlado por la luz: su resistencia disminuye a medida que aumenta la intensidad lumínica. Necesitaremos dos sensores, uno en el lado este del panel y otro en el oeste para poder determinar la posición del sol.

Conecta un fotorresistor de 10k Ohm y un resistor de 7k Ohm en serie y suministra una señal de 5V desde el Arduino Micro. Toma la lectura de voltaje a través del resistor de 7k Ohm usando una entrada analógica del Arduino Micro. Como el circuito se comporta exactamente como un divisor de tensión, la lectura analógica del resistor de 7k Ohm aumentará a medida que aumente la intensidad de la luz.

Ten en cuenta que el fotorresistor es muy sensible y puede que necesites limitar la luz que recibe del sol.

Para nuestra aplicación, descubrimos que orientarlo hacia el lateral del panel y cubrirlo con cinta translúcida funcionó mejor.

Programación

El programa completo se encuentra en la siguiente sección, en “Código fuente”. En esta parte del artículo explicamos los componentes individuales del programa.

Biblioteca Servo

La biblioteca Servo.h permite al Arduino Micro controlar servomotores RC mediante órdenes de una sola línea, como las siguientes:

myservo.writeMicroseconds (1000); // Actuator full speed backwards (1000)

myservo.writeMicroseconds (1520); // Actuator stop (1520)

myservo.writeMicroseconds (2000); // Actuator full speed forwards (2000)

Asignación de pines

Los pines 10 y 11 del Arduino Micro se configuran como alimentación y tierra para accionar el controlador WASP. Los pines 6 y 8 del Arduino Micro se asignan a analógico 7 y 8, que se configuran para tomar lecturas del sensor de luz oeste y este.

Declaración de variables

En esta sección se declaran e inicializan variables. Se usarán en las funciones para almacenar lecturas de los sensores de luz. También se declaran aquí el tiempo de muestreo y el intervalo de ajuste. Sus valores pueden cambiarse para establecer el intervalo entre cada lectura y el tiempo entre cada ajuste del ángulo del panel solar. El valor inicial está configurado para tomar una lectura cada 10 segundos y ajustar la posición del panel cada 10 minutos.

Configurar entradas y salidas

Configura WASP_Power y WASP_Ground como salida para accionar el controlador WASP. Configura sensor_west_pin1 y sensor_east_pin2 como entrada para tomar lecturas de los fotorresistores.

Lecturas de los sensores

Como se indicó antes, para determinar hacia qué dirección debe mirar el panel solar, usamos dos fotorresistores como sensores de luz para leer la intensidad en cada lado del panel. El programa que usamos tomará una muestra cada 10 segundos durante 10 muestras, y luego calculará el promedio de las lecturas de ambos fotorresistores para compararlas.

Movimiento del panel solar

Con el Arduino Micro, usamos control PWM para accionar el actuador. Es un método simple y fiable para controlar el actuador lineal. Según el valor que establezcamos para el PWM podemos extender, retraer o detener el actuador durante cualquier periodo de tiempo, siempre que no se exceda el ciclo de trabajo del actuador.

A partir de las lecturas de los sensores, tenemos dos valores promedio de intensidad de luz de los sensores en los lados oeste y este. Luego se ejecutará el comando de movimiento para extender, retraer o permanecer estacionario según la diferencia entre las lecturas de ambos sensores. Este conjunto de comandos se ejecutará cada 10 minutos para asegurar que el panel solar reciba siempre la mayor cantidad de luz solar.

Reinicio de posición nocturno

Otra función que puede implementarse con el seguidor solar es el reinicio. Si el seguidor se deja funcionando durante varios días, habrá que asegurarse de que se restablezca a su posición inicial a la mañana siguiente. Para ello, usaremos un simple contador que restablecerá la posición si el seguidor no se ha movido en las últimas 10 horas. Eso indicará que es de noche, y el seguidor volverá a su posición inicial y esperará la luz del día siguiente.

Consulta el código a continuación para esta iteración de nuestro seguidor solar. Los valores siempre pueden cambiarse para adaptarse a diferentes regiones y estaciones a lo largo del año.

Código fuente

Consulta el código que usamos a continuación para esta iteración de nuestro seguidor solar. Ten en cuenta que los valores siempre pueden cambiarse para adaptarse a diferentes regiones y estaciones a lo largo del año.

<p>/*<br>  This program will allow the solar panel to track the sun, and drive the actuator using
  pwm. Readings from two photoresistors will be taking from each side of the solar panel.
  A number of samples will be taken, and a average reading will be calculated in order
  to determine which side has a higher sunlight intensity. The linear acutor will then
  either extend or retract to angle the solar panel so it is facing the sun. 
  A reset function is implemented so it will move the solar panel to its defult position.
  This allow the solar panel ready to charge in the morning after remain stationary during
  night time.  </p><p>  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.
*/</p><p>#include 
Servo myservo;                                        // Create servo object to control a servo</p><p>/*
            PIN ASSIGNMENTS 
            
   Assign pins from WASP Controller and Arduino Micro to appropriate variable.
*/</p><p>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</p><p>/*
            VARIABLE DECLARATION
             
   Delcare variable that will be used in the functions later and initilize them.
*/</p><p>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)</p><p>void setup()
{</p><p>/*
            SET INPUT & OUTPUT 
            
   Set the input and output to the variables and pins.
*/</p><p>  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
}</p><p>void loop()
{
  
/*
            SENSOR READINGS
            
   Take 10 sample readings from both sensors, and take the average of the inputs.
*/</p><p>  int solar_input_west = 0;                                     // Sun light intensity readings from sensor west
  int solar_input_east = 0;                                     // Sun light intensity readings from sensor east</p><p>  for( int i=0; i<10; i++)
  {   
    sensor_west[i] = analogRead(sensor_west_pin1);              // Taking the analog readings from sensor west
    sensor_east[i] = analogRead(sensor_east_pin2);              // Taking the analog readings from sensor east
    solar_input_west = sensor_west[i] + solar_input_west;       // Sum all the inputs from sensor west
    solar_input_east = sensor_east[i] + solar_input_east;       // Sum all the inputs from sensor east
    delay(sample_time_interval);
  }</p><p>  solar_input_west = (solar_input_west) / 10;                   // The the average of input signals from sensor west
  solar_input_east = (solar_input_east) / 10;                   // The the average of input signals from sensor east</p><p> /*
            SOLAR PANEL MOVEMENT
            
   The solar panel will tilt toward west if the sunlight intensity detected on the west side of the panel is greater than the
   one detected on the east side. The solar panel will tilt toward east if the sunlight intensity detected on the east side
   is greater than the one detected on the west side. However, if the readings from both side are similar, the solar panel
   will remain stationary.   
*/</p><p>  if( solar_input_west - solar_input_east > 20)                // If the sunlight intensity is higher on the west side of the panel
  {
    myservo.writeMicroseconds(2000);                           // Full speed forwards (2000) signal pushing the solar panel to the left(west)
    delay(500); //0.5 seconds  
    reset_counter = 0;
  }
  
 else if( solar_input_east - solar_input_east > 20)           // If the sunlight intensity is higher on the east side of the panel
  {  
    myservo.writeMicroseconds(1000);                          // Full speed backwards (1000) signal pulling the solar panel to the right(east)
    delay(500); //0.5 seconds  
    reset_counter = 0;
  }  </p><p>  else                                                        // If ther sunlight intensity is similar from both side of the panel
  {
    myservo.writeMicroseconds(1520);                          // Stationary (1520) signal stop the solar panel from moving
    reset_counter++;
  } 
  
 delay(solar_panel_adjustment_interval);                      // Delay before another adjustment will be made</p><p>/*
            OVERNIGHT POSITION RESET</p><p>   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;
  }
}</p>

Hardware del seguidor de un solo eje

Hay innumerables formas de crear un seguidor solar de un solo eje. El método más sencillo sería construir el bastidor con tubos de PVC y uniones en ángulo de PVC. La parte más importante es la capacidad de seguimiento, que puede lograrse usando un simple actuador lineal mini PA-14 y un soporte BRK-14.

Para nuestra construcción, elegimos un bastidor con trípode y usamos piezas impresas en 3D para crear las uniones y soportes. Esto nos permitió crear un bastidor de seguidor solar muy portátil con la inclinación óptima y capacidad de seguimiento. Para una vista general del proceso de construcción, visita nuestro canal de YouTube.

Componentes

1. Tubo de cobre de 3/4".
2. 1x tapón para tubo de cobre de 3/4". 
3. 3x abrazadera de 3/4". 
4. Tubo de PVC de 3/4".
5. 1x 1 abrazadera.
6. 5x perno, tuerca y arandela M6.
7. Varios soportes impresos en 3D.
8. 2x pasador de montaje para actuador (se puede encontrar en el set BRK-14).
9. 1x actuador lineal mini PA-14.

Inclinación óptima

Además de añadir la capacidad de seguir al sol, otra forma de aumentar la eficiencia del panel solar es ajustar la inclinación fija según tu ubicación. La inclinación óptima viene determinada por la latitud de tu ubicación. Puedes encontrar más información en este enlace: Inclinación del panel solar.

Aquí tenemos un dibujo dimensional en vista lateral para mostrar cómo calculamos la inclinación de nuestro seguidor. Puedes calcular la Longitud B usando la siguiente ecuación:

Fabricación y montaje

Para una vista general de nuestro proceso de construcción, hemos subido un video de YouTube.

Pasos

1. Calcula las longitudes necesarias para lograr la inclinación óptima.
2. Reúne todos los componentes necesarios.
3. Fija los soportes al panel solar perforando orificios y asegurándolos con los pernos adecuados. 
4. Corta los tubos de cobre y PVC a la longitud.
5. Pinta y lija los tubos de cobre y PVC.
6. Acopla los soportes a los tubos y asegúralos con abrazaderas. 
7. Monta el actuador lineal mini PA-14 y asegúralo usando los pasadores de montaje BRK-14.

El nuevo y mejorado mini actuador PA-01 (actualización del PA-14) es el modelo actual que ofrecemos con una variedad de beneficios añadidos. Para una comparación, consulta las tablas a continuación y actualiza con confianza.

Conclusión

La verdad es que la energía solar sustituirá a los combustibles fósiles en un futuro cercano. Con personas que ya están ideando nuevas formas de aumentar la eficacia de los paneles solares, está por verse qué depara el futuro para la industria energética. Esperamos que hayas disfrutado de nuestro artículo y video sobre cómo crear un seguidor solar portátil.