Hogyan építsünk hordozható napelemes nyomkövetőt?

A fosszilis tüzelőanyagokkal és az atomenergiával ellentétben a napenergia biztonságos és tiszta. Ezenkívül segít megelőzni az élőhelyek pusztulását, miközben a klímaváltozás ellen is küzd. A napenergia fontossága nem egyszerűen az olcsóságában és a megbízhatóságában rejlik, hanem abban, hogy segít megőrizni az emberi otthonokat. Mivel az iparágak már érzékenyek erre, még nem tudni, hogy a világ véglegesen átáll-e a megújuló energiára. Ebben a projektben bemutatjuk, hogyan használtuk fel a... PA-14 Mini Linear Működtető hogy egyetlen mozgástengely mentén kövesse a Napot. Ez akár 25%-kal is növelheti a napelem energiahozamát egy rögzített napelemhez képest. További magyarázatért alább egy „hogyan kell” videót is csatoltunk.

Mi az a napkövető?

A napkövető egy olyan eszköz, amely a napelemeket a napfény irányába dönti. A napkövetők tehát egész nap követik a napot, és biztosítják, hogy a napelemek a lehető legtöbb energiát rögzítsék vagy gyűjtsék össze. Egyetlen céljuk egyszerűen a termelés maximalizálása. A jó hír az, hogy otthon is elkészítheted a saját napkövetődet. A megfelelő eszközökkel, és ami a legfontosabb, a napelemek és... lineáris aktuátorok, létrehozhatod a napkövetődet, és biztosíthatod, hogy a napelemeid a lehető legtöbb napfényt gyűjtsék be.

A lineáris aktuátorok használatának előnyei napkövető rendszerekben

Napkövető rendszer kialakításakor valóban ajánlott és előnyös a 12 V-os lineáris aktuátorok használata. A 12 V-os aktuátorokat általában napkövetőkben használják, mivel segítenek biztosítani vagy növelni a napelemek hatékonyságát. Ezért, amikor napkövető rendszerhez aktuátort keres, mindig vegye figyelembe a 12 V-os napkövető aktuátort.

A 12 V-os aktuátor egyik fő előnye, hogy a kívánt mozgásokat nagyobb pontossággal éri el. Ezért a nap helyzetétől függetlenül ezek az aktuátorok biztosítják, hogy a napelemek a lehető legjobb helyzetben legyenek ferdén vagy megdöntve, hogy fokozzák a napfény befogásának hatékonyságát.

Napelemes energia átalakítása

A napenergia elektromos energiává alakítása három egyszerű lépésben történik. Minden egyes lépést egy különálló alkatrész hajt végre, az alábbiakban felsoroltak szerint.

1. Sungold napelem SGM-90W-18V. Ez elnyeli a napfény fotonjait, és elektromos árammá alakítja azokat, amely változó egyenfeszültségként kerül kibocsátásra.
2. Genasun GV-10 napelemes töltésvezérlő szabályozza a napelemből érkező egyenfeszültséget az akkumulátor töltéséhez.
3. 12 VDC lítium-ion akkumulátor tárolja az elektromos áramot azonnali vagy későbbi felhasználásra.

A rendszerünkben egy autó szivargyújtó csatlakozóját csatlakoztattuk az akkumulátorhoz. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy könnyen csatlakoztassunk 12 V-os autós tartozékokat a napelemhez. A videónkban egy oszcilláló ventilátort, egy nagy teljesítményű LED-es reflektort és egy telefontöltőt is használtunk.

Hogyan építsünk hordozható napelemes nyomkövetőt

Vezérlőrendszer

A lineáris aktuátor egy Arduino mikrovezérlő egy Wasp motorvezérlő segítségével. A fotorezisztorok adatai alapján határozza meg, hogy a panel melyik oldala kapja a fényt, és addig állítja a napelem pozícióját, amíg a fotorezisztor adatai nagyjából egyenlőek nem lesznek. Ez biztosítja, hogy a napelem közvetlenül a nap felé mutasson, és maximális teljesítményt nyújtson.

Alkatrészek

1. 1x PA-14 mini-lineáris működtető – 6 hüvelyk – 150 lb erő.
2. 1x Sungold SGM-90W-18 90 wattos napelem.
3. 1x Genasun GV-10 12 VDC napelem töltésvezérlő. 
4. 1x Arduino Micro PLC.
5. 1x Darázs motorvezérlő.
6. 2 db 10k ohmos fotoellenállás és 2 db 7k ohmos ellenállás. 
7. 1x 12 VDC lítium újratölthető akkumulátor. 
8. 1 db szivargyújtó csatlakozó 12 V-os tartozékokhoz (opcionális).

Motorvezérlő

A napkövető vezérléséhez az Arduino Micro-t és a WASP motorvezérlőt fogjuk használni. A Wasp motorvezérlőt az Arduino Micro vezérli impulzusszélesség-moduláció segítségével. A Wasp ezután a 12 V-os akkumulátorról veszi fel az áramot a PA-14 mini lineáris aktuátor kinyújtásához és visszahúzásához. A 150 fontos erőhatású aktuátort választottuk, mivel a terhelésünkhöz képest kevesebb áramot fogyaszt, mint egy 35 fontos változat.

Fényérzékelő

A nap fényintenzitásának érzékeléséhez egy 10k ohmos fotoellenállást használtunk. A fotoellenállás egy változtatható ellenállásként viselkedik, amelyet a fény vezérel. Az ellenállás csökken a fényintenzitás növekedésével. Két érzékelőre lesz szükségünk, az egyikre a panel keleti, a másikra a nyugati oldalán, hogy meg tudjuk határozni a nap helyzetét.

Kösd sorba egy 10k ohmos fotoellenállást és egy 7k ohmos ellenállást, és adj 5V-os jelet az Arduino Micro-ról. Mérd le a feszültséget a 7k ohmos ellenálláson keresztül az Arduino Micro analóg bemenetén keresztül. Mivel az áramkör pontosan úgy viselkedik, mint egy feszültségosztó, a 7k ohmos ellenállásról érkező analóg érték a fényintenzitás növekedésével növekedni fog.

Ne feledd, hogy a fotorezisztor nagyon érzékeny, és szükség lehet a napból érkező fény korlátozására.

A mi alkalmazásunknál azt tapasztaltuk, hogy a panel oldalára irányítva és áttetsző ragasztószalaggal lefedve működött a legjobban.

Programozás

A teljes program a következő részben, a „Forráskód” alatt található. A cikk ezen része a program egyes összetevőit ismerteti.

Szervo könyvtár

A Servo.h könyvtár lehetővé teszi az Arduino Micro számára, hogy RC szervomotorokat vezéreljen egysoros parancsokkal az alábbiak szerint:

myservo.Mikroszekundumok írása (1000); // Aktuátor teljes sebességgel hátrafelé (1000)

myservo.Mikroszekundumok írása (1520); // Aktuátor leállítása (1520)

myservo.Mikroszekundumok írása (2000); // Aktuátor teljes sebességgel előre (2000)

PIN-kiosztások

Az Arduino Micro 10-es és 11-es lábai tápellátásra és földelésre vannak beállítva a WASP vezérlő vezérléséhez. Az Arduino Micro 6-os és 8-as lábai a 7-es és 8-as analóg lábakhoz vannak rendelve, amelyek a nyugati és keleti fényérzékelőről érkező jelek fogadására vannak beállítva.

Változó deklaráció

Ebben a szakaszban változókat deklarálunk és inicializálunk. Ezeket a függvényekben a fényérzékelőktől származó értékek tárolására fogjuk használni. A mintavételi idő és a beállítási intervallum is itt deklarálódik. Értékük módosítható az egyes leolvasások közötti időközök és a napelem szögének beállítása között eltelt idő beállításához. A kezdeti érték 10 másodpercenkénti leolvasást és 10 percenkénti napelem pozíció beállítását jelenti.

Bemenet és kimenet beállítása

A WASP vezérlő vezérléséhez állítsd a WASP_Power és a WASP_Ground paramétereket kimenetre. A fotorezisztorok fényérzékelőinek adatainak fogadásához állítsd a sensor_west_pin1 és sensor_east_pin2 paramétereket bemenetre.

Érzékelő leolvasások

Ahogy korábban említettük, annak meghatározásához, hogy a napelem melyik irányba nézzen, két fotorezisztort használunk fényérzékelőként, hogy leolvassuk a napelem mindkét oldalának fényintenzitását. Az általunk használt program 10 másodpercenként 10 mintát vesz le, majd összehasonlítja a két fotorezisztor átlagértékeit.

Napelemes mozgás

Az Arduino Micro-val PWM vezérlést használunk az aktuátor meghajtására. Ez egy egyszerű és megbízható módszer a lineáris aktuátor vezérlésére. A PWM-hez beállított értéktől függően kinyújthatjuk, visszahúzhatjuk vagy leállíthatjuk az aktuátort tetszőleges időtartamra, amíg az nem haladja meg az aktuátor kitöltési tényezőjét.

Az érzékelőink által leolvasott értékek alapján két átlagolt fényintenzitás-értéket kapunk a nyugati és a keleti oldalon található érzékelőktől. Ezután végrehajtja a mozgásparancsot, amely a két érzékelő által leolvasott érték közötti különbségtől függően kinyúlik, visszahúzódik vagy mozdulatlan marad. Ez a parancskészlet 10 percenként lefut, hogy a napelem mindig a lehető legtöbb napfényt kapja.

Éjszakai pozíció visszaállítása

A napkövetővel egy további funkció is megvalósítható, ez pedig a visszaállítási funkció. Ha a napkövetőt néhány napig hagyták működni, biztosítani kell, hogy másnap reggel visszaálljon a kiindulási helyzetébe. Ehhez egy egyszerű számlálófüggvényt fogunk használni, amely visszaállítja a pozíciót, ha a napkövető az elmúlt 10 órában nem mozdult el. Ez azt jelzi, hogy éjszaka van, és a napkövető visszaáll a kiindulási helyzetébe, és megvárja a következő nap fényét.

Kérjük, tekintse meg az alábbi kódot a napelemes nyomkövetőnk ezen verziójához. Az érték bármikor módosítható, hogy az év különböző régióihoz és évszakaihoz igazodjon.

Forráskód

Kérjük, tekintse meg az alábbi kódot, amelyet a napkövetőnk ezen verziójához használtunk. Ne feledje, hogy az értékek bármikor módosíthatók az év különböző régióinak és évszakainak megfelelően.

/*
 Ez a program lehetővé teszi a napelem számára, hogy kövesse a napot, és PWM segítségével vezérelje az aktuátort. A napelem mindkét oldaláról két fotorezisztorról vesznek leolvasásokat. Számos mintát vesznek, és egy átlagértéket számítanak ki annak meghatározása érdekében, hogy melyik oldalon nagyobb a napfény intenzitása. A lineáris aktuátor ezután kinyúlik vagy visszahúzódik, hogy a napelem a nap felé nézzen. Egy visszaállítási funkció van implementálva, így a napelem alapértelmezett helyzetébe áll. Ez lehetővé teszi, hogy a napelem reggel töltésre kész legyen, miután éjszaka mozdulatlan marad. 
 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; // Szervo objektum létrehozása egy szervo vezérléséhez
/* 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; // Napfény intenzitás mérése a nyugati érzékelőtől int solar_input_east = 0; // Napfény intenzitás mérése a keleti érzékelőtől
 for( int i=0; i<10; i++) { sensor_west[i] = analogRead(sensor_west_pin1); // Analóg leolvasások vétele a nyugati érzékelőről sensor_east[i] = analogRead(sensor_east_pin2); // Analóg leolvasások vétele a keleti érzékelőről solar_input_west = sensor_west[i] + solar_input_west; // A nyugati érzékelő összes bemenetének összegzése solar_input_east = sensor_east[i] + solar_input_east; // A keleti érzékelő összes bemenetének összegzése delay(sample_time_interval); }
 solar_input_west = (solar_input_west) / 10; // A nyugati érzékelő bemeneti jeleinek átlaga solar_input_east = (solar_input_east) / 10; // A keleti érzékelő bemeneti jeleinek átlaga
 /* NAPELEM MOZGÁSA A napelem nyugat felé dől, ha a panel nyugati oldalán érzékelt napfény intenzitása nagyobb, mint a keleti oldalon érzékelt napfény intenzitása. A napelem kelet felé dől, ha a keleti oldalon érzékelt napfény intenzitása nagyobb, mint a nyugati oldalon érzékelt napfény intenzitása. Ha azonban a két oldalról mért értékek hasonlóak, a napelem mozdulatlan marad. */
 if( solar_input_west - solar_input_east> 20) // Ha a napfény intenzitása a panel nyugati oldalán nagyobb { myservo.writeMicroseconds(2000); // Teljes sebességű előre (2000) jel a napelemet balra (nyugatra) tolja delay(500); //0,5 másodperc reset_counter = 0; } else if( solar_input_east - solar_input_east> 20) // Ha a napfény intenzitása a panel keleti oldalán nagyobb { myservo.writeMicroseconds(1000); // Teljes sebességű hátra (1000) jel a napelemet jobbra (keletre) húzza delay(500); //0,5 másodperc reset_counter = 0; } 
 else // Ha a napfény intenzitása a panel mindkét oldaláról hasonló { myservo.writeMicroseconds(1520); // Álló (1520) jel megállítja a napelem mozgását reset_counter++; } delay(solar_panel_adjustment_interval); // Késleltetés a következő beállítás előtt
/* ÉJSZAKAI POZÍCIÓ VISSZAÁLLÍTÁSA
 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; }
}

Egytengelyes nyomkövető hardver

Számtalan módja van egytengelyes napkövető létrehozásának. A legegyszerűbb módszer a keret PVC csövekből és PVC szögillesztésekből történő megépítése. A legfontosabb rész a követési lehetőség, amelyet egy egyszerű PA-14 minilineáris aktuátor és egy ... használatával lehet elérni. BRK-14 konzol.

Az építéshez egy háromlábú vázat választottunk, és 3D nyomtatott alkatrészeket használtunk az illesztésekhez és a rögzítésekhez. Ez lehetővé tette számunkra, hogy egy nagyon hordozható napkövető keretet hozzunk létre optimális dőlési és követési képességgel. Az építési folyamat vizuális áttekintéséért tekintse meg YouTube-csatornánkat.

Alkatrészek

1. 3/4 hüvelykes rézcső.
2. 1x 3/4 hüvelyk Rézcsővégsapka. 
3. 3x 3/4 hüvelykes fogaskerék-szorító. 
4. 3/4 hüvelykes PVC cső.
5. 1x 1 fogaskerék-szorító.
6. 5x M6-os csavar, anya és alátét.
7. Különböző 3D nyomtatott konzolok.
8. 2x Működtető rögzítőcsap (a BRK-14 készletben található).
9. 1x PA-14 mini-lineáris aktuátor.

Optimális dőlésszög

A napkövetési képesség mellett a napelem hatékonyságának növelésére egy másik módszer a fix dőlésszögnek a tartózkodási helyhez igazított beállítása. Az optimális dőlésszöget a tartózkodási hely szélességi foka határozza meg. További információ erről ezen a linken található: Napelem dőlésszöge.

Itt egy oldalnézeti méretrajz látható, amely bemutatja, hogyan számítottuk ki a nyomkövetőnk dőlését. A B hosszúságot a következő egyenlettel számíthatja ki:

Gyártás és összeszerelés

Az építési folyamatunk vizuális áttekintéséhez feltöltöttünk egy YouTube-videó.

Lépések

1. Számítsa ki az optimális dőlésszög eléréséhez szükséges hosszúságokat.
2. Gyűjtse össze az összes szükséges alkatrészt.
3. Rögzítse a konzolokat a napelemhez lyukak fúrásával és a megfelelő csavarokkal történő rögzítéssel. 
4. Vágja le a réz- és PVC-csöveket a megfelelő hosszra.
5. Fesse le és csiszolja le a réz- és PVC-csöveket.
6. Rögzítse a konzolokat a csövekhez, és rögzítse őket fogaskerék-szorítókkal. 
7. Szerelje fel a PA-14 minilineáris aktuátort, és rögzítse a BRK-14 aktuátor rögzítőcsapjaival.

Az új és továbbfejlesztett PA-01 mini aktuátor A (PA-14 frissítés) a jelenlegi modellünk, számos további előnnyel. Összehasonlításképpen tekintse meg az alábbi táblázatokat, és frissítsen bizalommal!

Következtetés

Az igazság az, hogy a napenergia valóban felváltja a fosszilis tüzelőanyagokat a közeljövőben. Mivel az emberek már új módszereket találnak ki a napelemek hatékonyságának növelésére, még várat magára, hogy mit hoz a jövő az energiaipar számára. Reméljük, élvezte cikkünket és videónkat a hordozható napelemes nyomkövető elkészítéséről.