Come costruire un inseguitore solare portatile?

A differenza dei combustibili fossili e dell'energia nucleare, l'energia solare è sicura e pulita. Inoltre, contribuisce a prevenire la distruzione degli habitat e a contrastare i cambiamenti climatici. L'importanza dell'energia solare non risiede solo nella sua economicità e affidabilità, ma nel fatto che contribuisce a preservare la casa dell'uomo. Con le industrie già sensibilizzate, resta da vedere se il mondo passerà definitivamente alle energie rinnovabili. In questo progetto, vi mostreremo come abbiamo utilizzato la nostra energia solare. PA-14 Mini LineaR Attuatore seguire il sole lungo un singolo asse di movimento. In questo modo, la resa energetica del pannello solare aumenta fino al 25% rispetto a un pannello solare fisso. Abbiamo anche allegato un video tutorial qui sotto per ulteriori spiegazioni.

Che cos'è un inseguitore solare?

Un inseguitore solare è un dispositivo utilizzato per inclinare i pannelli solari nella direzione della luce solare. Gli inseguitori solari, quindi, seguono il sole per tutto il giorno e assicurano che i pannelli solari catturino o raccolgano quanta più energia possibile. Il loro unico scopo è semplicemente massimizzare la produzione. La buona notizia è che puoi costruire il tuo inseguitore solare a casa. Con gli strumenti giusti, soprattutto pannelli solari e attuatori lineari, puoi creare il tuo inseguitore solare e assicurarti che i tuoi pannelli solari catturino la massima quantità di luce solare.

Vantaggi dell'utilizzo di attuatori lineari in un sistema di inseguimento solare

Nella realizzazione del vostro sistema di inseguimento solare, è consigliabile e vantaggioso utilizzare attuatori lineari a 12 V. Gli attuatori a 12 V sono comunemente impiegati nei sistemi di inseguimento solare perché contribuiscono a garantire o migliorare l'efficienza dei pannelli solari. Pertanto, quando cercate un attuatore per il vostro sistema di inseguimento solare, prendete sempre in considerazione un attuatore a 12 V specifico per questo tipo di impianto.

Uno dei principali vantaggi dell'attuatore a 12 V è la sua elevata precisione nel raggiungere i movimenti desiderati. Pertanto, indipendentemente dalla posizione del sole, questi attuatori garantiranno che i pannelli solari siano inclinati nella posizione ottimale per massimizzare la cattura della luce solare.

Conversione dell'energia dei pannelli solari

La conversione dell'energia solare in energia elettrica si articola in tre semplici passaggi. Ciascun passaggio viene eseguito da un singolo componente, come elencato di seguito.

1. Pannello solare Sungold SGM-90W-18V. Questo dispositivo assorbe i fotoni della luce solare e li converte in elettricità, che viene emessa sotto forma di tensione continua variabile.
2. Regolatore di carica solare Genasun GV-10 Regola la tensione continua proveniente dal pannello solare per caricare la batteria.
3. Batteria agli ioni di litio da 12 Vcc immagazzina l'elettricità per utilizzarla immediatamente o in un secondo momento.

Nel nostro sistema, abbiamo collegato un connettore per accendisigari da auto alla batteria. Questo ci permette di collegare facilmente accessori per auto a 12V al pannello solare. Nel nostro video abbiamo utilizzato un ventilatore oscillante, un faretto LED ad alta potenza e persino un caricabatterie per cellulare.

Come costruire un inseguitore solare portatile

Sistema di controllo

IL attuatore lineare è controllato da un microcontrollore Arduino Utilizzando un controller per motori Wasp, questo dispositivo rileva le letture dei fotoresistori per determinare quale lato del pannello riceve la luce e regola la posizione del pannello solare fino a quando le letture dei fotoresistori non sono pressoché uguali. Ciò garantisce che il pannello solare sia puntato direttamente verso il sole e produca la massima energia.

Ingegneria

1. 1x mini-attuatore lineare PA-14 – 6 pollici – forza 150 libbre.
2. 1 pannello solare Sungold SGM-90W-18 da 90 Watt.
3. 1x Regolatore di carica per pannelli solari Genasun GV-10 12 Vcc. 
4. 1x Arduino Micro PLC.
5. 1x Regolatore di motore Wasp.
6. 2 fotoresistori da 10 kOhm e 2 resistori da 7 kOhm. 
7. 1 batteria ricaricabile al litio da 12 Vcc. 
8. 1 connettore per accendisigari per accessori a 12V (opzionale).

Controllore motore

Per la parte di controllo di questo inseguitore solare, utilizzeremo Arduino Micro e il controller per motori WASP. Il controller per motori WASP è controllato da Arduino Micro tramite modulazione di larghezza di impulso (PWM). Il WASP preleva quindi l'energia dalla batteria da 12V per estendere e ritrarre il mini-attuatore lineare PA-14. Abbiamo scelto l'attuatore con una forza di 150 libbre perché assorbe meno corrente rispetto alla versione con una forza di 35 libbre, a parità di carico.

Sensore di luce

Per rilevare l'intensità luminosa del sole, abbiamo utilizzato un fotoresistore da 10 kΩ. Un fotoresistore si comporta come un resistore variabile controllato dalla luce. La resistenza diminuisce all'aumentare dell'intensità luminosa. Avremo bisogno di due sensori, uno sul lato est del pannello e l'altro sul lato ovest, per poter determinare la posizione del sole.

Collega in serie un fotoresistore da 10 kΩ e una resistenza da 7 kΩ e alimenta l'Arduino Micro con un segnale a 5 V. Misura la tensione ai capi della resistenza da 7 kΩ utilizzando un ingresso analogico dell'Arduino Micro. Poiché il circuito si comporta esattamente come un partitore di tensione, la lettura analogica ai capi della resistenza da 7 kΩ aumenterà all'aumentare dell'intensità luminosa.

Tieni presente che il fotoresistore è molto sensibile e potrebbe essere necessario limitare la luce solare che riceve.

Per la nostra applicazione, abbiamo riscontrato che orientarlo verso il lato del pannello e coprirlo con del nastro adesivo traslucido funzionava meglio.

Programmazione

Il programma completo è disponibile nella sezione successiva, alla voce "Codice sorgente". Questa sezione dell'articolo illustrerà i singoli componenti del programma.

Libreria Servo

La libreria Servo.h permette ad Arduino Micro di controllare i servomotori RC tramite comandi a riga singola, come segue:

myservo.scrivereMicrosecondi (1000); // Attuatore alla massima velocità in retromarcia (1000)

myservo.scrivereMicrosecondi (1520); // Arresto dell'attuatore (1520)

myservo.scrivereMicrosecondi (2000); // Attuatore a piena velocità in avanti (2000)

Assegnazione dei pin

I pin 10 e 11 dell'Arduino Micro sono impostati rispettivamente su alimentazione e massa per pilotare il controller WASP. I pin 6 e 8 dell'Arduino Micro sono assegnati ai pin analogici 7 e 8, configurati per acquisire le letture dal sensore di luce ovest ed est.

Dichiarazione delle variabili

In questa sezione vengono dichiarate e inizializzate le variabili. Queste verranno utilizzate nelle funzioni per memorizzare le letture dei sensori di luce. Vengono inoltre dichiarati il tempo di campionamento e l'intervallo di regolazione. Il loro valore può essere modificato per impostare l'intervallo di tempo tra una lettura e l'altra e il tempo tra ogni regolazione angolare del pannello solare. Il valore iniziale è impostato per effettuare una lettura ogni 10 secondi e regolare la posizione del pannello solare ogni 10 minuti.

Imposta input e output

Imposta WASP_Power e WASP_Ground come uscite per pilotare il controller WASP. Imposta sensor_west_pin1 e sensor_east_pin2 come ingressi per acquisire le letture dai sensori di luce a fotoresistenza.

Letture del sensore

Come già accennato, per determinare la direzione in cui orientare il pannello solare, utilizziamo due fotoresistori come sensori di luce per misurare l'intensità luminosa su ciascun lato del pannello. Il programma che abbiamo utilizzato effettuerà una lettura campione ogni 10 secondi per 10 campioni, e poi calcolerà la media delle letture dei due fotoresistori per confrontarle.

Movimento dei pannelli solari

Con Arduino Micro, utilizziamo il controllo PWM per azionare l'attuatore. Si tratta di un metodo semplice e affidabile per controllare l'attuatore lineare. A seconda del valore impostato per il PWM, possiamo estendere, ritrarre o arrestare l'attuatore per qualsiasi periodo di tempo, purché non superi il duty cycle dell'attuatore stesso.

Dai dati dei sensori, otteniamo due valori medi di intensità luminosa dai sensori posti sul lato ovest ed est. Il sistema eseguirà quindi il comando di movimento per estendere, ritrarre o mantenere fermo il pannello solare, a seconda della differenza tra le letture dei due sensori. Questa sequenza di comandi verrà eseguita ogni 10 minuti per garantire che il pannello solare riceva sempre la massima quantità di luce solare.

Ripristino posizione durante la notte

Un'altra funzionalità che può essere implementata con l'inseguitore solare è la funzione di reset. Se l'inseguitore solare viene lasciato in funzione per alcuni giorni, è necessario assicurarsi che si riposizioni nella posizione iniziale la mattina successiva. A tale scopo, utilizzeremo una semplice funzione contatore che azzererà la posizione se l'inseguitore solare non si è mosso per le ultime 10 ore. Questo indicherà che è notte e l'inseguitore solare si riposizionerà nella posizione iniziale, attendendo l'arrivo della luce del giorno successivo.

Di seguito è riportato il codice per questa versione del nostro inseguitore solare. Il valore può essere modificato in qualsiasi momento per adattarsi alle diverse regioni e stagioni dell'anno.

Codice sorgente

Di seguito trovate il codice che abbiamo utilizzato per questa versione del nostro inseguitore solare. Tenete presente che i valori possono essere modificati per adattarsi alle diverse regioni e stagioni dell'anno.

/*
 Questo programma permetterà al pannello solare di seguire il sole e di azionare l'attuatore tramite modulazione PWM. Verranno effettuate misurazioni da due fotoresistori, uno per lato del pannello solare. Verrà effettuato un certo numero di misurazioni e ne verrà calcolata la media per determinare quale lato riceve una maggiore quantità di luce solare. L'attuatore lineare si estenderà o si ritrarrà quindi per orientare il pannello solare verso il sole. È implementata una funzione di reset che riporta il pannello solare nella sua posizione predefinita. Ciò consente al pannello solare, pronto per la ricarica al mattino, di rimanere fermo durante la notte. 
 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; // Crea un oggetto servo per controllare un 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; // Letture dell'intensità della luce solare dal sensore ovest int solar_input_east = 0; // Letture dell'intensità della luce solare dal sensore est
 for( int i=0; i<10; i++) { sensor_west[i] = analogRead(sensor_west_pin1); // Acquisisce le letture analogiche dal sensore ovest sensor_east[i] = analogRead(sensor_east_pin2); // Acquisisce le letture analogiche dal sensore est solar_input_west = sensor_west[i] + solar_input_west; // Somma tutti gli ingressi dal sensore ovest solar_input_east = sensor_east[i] + solar_input_east; // Somma tutti gli ingressi dal sensore est delay(sample_time_interval); }
 solar_input_west = (solar_input_west) / 10; // La media dei segnali di ingresso dal sensore ovest solar_input_east = (solar_input_east) / 10; // La media dei segnali di ingresso dal sensore est
 /* MOVIMENTO DEL PANNELLO SOLARE Il pannello solare si inclinerà verso ovest se l'intensità della luce solare rilevata sul lato ovest del pannello è maggiore di quella rilevata sul lato est. Il pannello solare si inclinerà verso est se l'intensità della luce solare rilevata sul lato est è maggiore di quella rilevata sul lato ovest. Tuttavia, se le letture da entrambi i lati sono simili, il pannello solare rimarrà fermo. */
 if( solar_input_west - solar_input_east> 20) // Se l'intensità della luce solare è maggiore sul lato ovest del pannello { myservo.writeMicroseconds(2000); // Segnale in avanti a piena velocità (2000) che spinge il pannello solare a sinistra (ovest) delay(500); //0,5 secondi reset_counter = 0; } else if( solar_input_east - solar_input_east> 20) // Se l'intensità della luce solare è maggiore sul lato est del pannello { myservo.writeMicroseconds(1000); // Segnale all'indietro a piena velocità (1000) che tira il pannello solare a destra (est) delay(500); //0,5 secondi reset_counter = 0; } 
 altrimenti // Se l'intensità della luce solare è simile da entrambi i lati del pannello { myservo.writeMicroseconds(1520); // Stazionario (1520) il segnale arresta il movimento del pannello solare reset_counter++; } delay(solar_panel_adjustment_interval); // Ritardo prima che venga effettuata un'altra regolazione
/* RIPRISTINO POSIZIONE NOTTURNA
 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; }
}

Hardware di tracciamento ad asse singolo

Esistono innumerevoli modi per creare un inseguitore solare monoasse. Il metodo più semplice sarebbe quello di costruire il telaio utilizzando tubi in PVC e giunti angolari in PVC. La parte più importante è la capacità di inseguimento che può essere ottenuta utilizzando un semplice mini-attuatore lineare PA-14 e un Staffa BRK-14.

Per la nostra realizzazione, abbiamo scelto un telaio a treppiede e utilizzato componenti stampati in 3D per creare giunti e supporti. Questo ci ha permesso di realizzare un telaio per inseguitore solare molto portatile, con un'inclinazione e una capacità di inseguimento ottimali. Per una panoramica visiva del nostro processo di costruzione, visitate il nostro canale YouTube.

Ingegneria

1. Tubo di rame da 3/4 pollici.
2. 1 tappo terminale per tubo in rame da 3/4 pollici. 
3. 3x 3/4 pollice Morsetto a ingranaggi. 
4. Tubo in PVC da 3/4 di pollice.
5. 1x 1 Morsetto a ingranaggi.
6. 5 bulloni, dadi e rondelle M6.
7. Vari tipi di staffe stampate in 3D.
8. 2x Perni di montaggio dell'attuatore (reperibili nel set BRK-14).
9. 1x mini-attuatore lineare PA-14.

Inclinazione ottimale

Oltre alla possibilità di seguire il sole, un altro modo per aumentare l'efficienza del pannello solare è quello di regolare l'inclinazione fissa in base alla propria posizione geografica. L'inclinazione ottimale è determinata dalla latitudine del luogo. Ulteriori informazioni sono disponibili a questo link: Inclinazione del pannello solare.

Qui abbiamo un disegno dimensionale in prospettiva laterale che mostra come abbiamo calcolato l'inclinazione del nostro tracker. È possibile calcolare la lunghezza B utilizzando la seguente equazione:

Fabbricazione e assemblaggio

Per una panoramica visiva del nostro processo di costruzione, abbiamo caricato un Video di YouTube.

Passaggi

1. Calcola le lunghezze necessarie per ottenere l'inclinazione ottimale.
2. Raccogli tutti i componenti necessari.
3. Fissare le staffe al pannello solare praticando dei fori e fissandole con i bulloni appropriati. 
4. Tagliate i tubi di rame e PVC alla lunghezza desiderata.
5. Verniciare e carteggiare i tubi di rame e PVC.
6. Fissare le staffe ai tubi e bloccarle con fascette a cricchetto. 
7. Montare l'attuatore lineare miniaturizzato PA-14 e fissarlo utilizzando i perni di montaggio dell'attuatore BRK-14.

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Conclusione

La verità è che l'energia solare sostituirà effettivamente i combustibili fossili in un futuro prossimo. Con le persone che già stanno ideando nuovi modi per aumentare l'efficienza dei pannelli solari, resta da vedere cosa riserverà il futuro al settore energetico. Ci auguriamo che abbiate apprezzato il nostro articolo e il video sulla creazione di un inseguitore solare portatile.