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 combattere il cambiamento climatico. L’importanza dell’energia solare non sta solo nella sua economicità e affidabilità, ma nel fatto che aiuta 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, ti mostreremo come abbiamo utilizzato il nostro PA-14 Mini Linearer Attuatore per seguire il sole lungo un singolo asse di movimento. In questo modo la resa del pannello solare aumenta fino al 25% rispetto a un pannello fisso. Abbiamo anche allegato qui sotto un video “how to” per ulteriori spiegazioni.

Che cos’è un inseguitore solare?

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

Vantaggi dell’uso degli Attuatori lineari in un sistema di inseguimento solare

Nella realizzazione del tuo sistema di inseguimento solare, è consigliabile e vantaggioso utilizzare attuatori lineari 12V. Gli attuatori 12V sono solitamente impiegati negli inseguitori solari perché aiutano a garantire o migliorare l’efficacia dei pannelli solari. Pertanto, quando cerchi un attuatore per il sistema di inseguimento, considera sempre l’attuatore per inseguitore solare 12V.

Uno dei principali vantaggi dell’attuatore 12V è che raggiunge i movimenti desiderati con maggiore precisione. Quindi, indipendentemente dalla posizione del sole, questi attuatori garantiranno che i tuoi pannelli siano inclinati nella migliore posizione possibile per migliorarne l’efficacia nella cattura della luce solare.

Conversione dell’energia del pannello solare

Ci sono tre semplici passaggi per convertire l’energia solare in energia elettrica. Ogni passaggio è eseguito da un componente specifico, come elencato di seguito.

1. Pannello solare Sungold SGM-90W-18V. Assorbe i fotoni della luce solare e li converte in elettricità, che viene emessa come una tensione CC variabile.
2. Regolatore di carica solare Genasun GV-10 regola la tensione CC dal pannello solare per caricare la batteria.
3. Batteria agli ioni di litio 12VDC immagazzina l’elettricità per un uso immediato o successivo.

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

Come costruire un inseguitore solare portatile

Sistema di controllo

L’attuatore lineare è controllato da un microcontrollore Arduino tramite un Wasp Motor Controller. Legge i valori dai fotoresistori per determinare quale lato del pannello riceve luce e regola la posizione del pannello finché le letture dei fotoresistori non risultano abbastanza simili. Questo assicura che il pannello sia puntato direttamente verso il sole e offra la massima potenza.

Componenti

1. 1x Attuatore lineare mini PA-14 – 6 pollici – forza 150 lbs.
2. 1x Pannello solare Sungold SGM-90W-18 90 Watt.
3. 1x Regolatore di carica per pannello solare Genasun GV-10 12VDC. 
4. 1x Arduino Micro PLC.
5. 1x Wasp Motor Controller.
6. 2x fotoresistenze da 10k Ohm e 2x resistori da 7k Ohm. 
7. 1x Batteria ricaricabile al litio 12VDC. 
8. 1x connettore accendisigari per accessori 12V (opzionale).

Controller motore

Per la parte di controllo di questo inseguitore solare utilizzeremo l’Arduino Micro e il WASP Motor Controller. Il Wasp Motor Controller è pilotato dall’Arduino Micro tramite modulazione dell’ampiezza d’impulso (PWM). Il Wasp preleva quindi l’energia dalla batteria 12V per estendere e retrarre il mini attuatore lineare PA-14. Abbiamo scelto l’attuatore da 150 lbs di forza perché assorbe meno Corrente rispetto alla versione da 35 lbs per il Carico che abbiamo.

Sensore di luce

Per rilevare l’intensità luminosa del sole, abbiamo utilizzato una fotoresistenza da 10k Ohm. Una fotoresistenza 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 una fotoresistenza da 10k Ohm e un resistore da 7k Ohm in serie e fornisci un segnale a 5V dall’Arduino Micro. Leggi la tensione ai capi del resistore da 7k Ohm utilizzando un ingresso analogico dell’Arduino Micro. Poiché il circuito si comporta come un partitore di tensione, la lettura analogica dal resistore da 7k Ohm aumenterà con l’aumentare dell’intensità della luce.

Nota: la fotoresistenza è molto sensibile e potresti dover limitare la luce proveniente dal sole.

Per la nostra applicazione, abbiamo riscontrato che orientarla lateralmente rispetto al pannello e coprirla con nastro semitrasparente ha funzionato al meglio.

Programmazione

Il programma completo è disponibile nella sezione successiva sotto “Codice sorgente”. In questa sezione dell’articolo spieghiamo i singoli componenti del programma.

Libreria Servo

La libreria Servo.h consente all’Arduino Micro di controllare i servo RC con comandi su singola riga come segue:

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

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

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

Assegnazione dei pin

I pin 10 e 11 dell’Arduino Micro sono impostati rispettivamente come alimentazione e massa per pilotare il controller WASP. I pin 6 e 8 dell’Arduino Micro sono assegnati agli analogici 7 e 8, che vengono impostati per leggere i sensori di luce ovest & est.

Dichiarazione delle variabili

In questa sezione le variabili vengono dichiarate e inizializzate. Saranno utilizzate nelle funzioni per memorizzare le letture dei sensori di luce. Qui vengono dichiarati anche il tempo di campionamento e l’intervallo di regolazione. I loro valori possono essere modificati per impostare l’intervallo di tempo tra ogni lettura e l’intervallo tra ogni regolazione dell’angolo del pannello solare. Il valore iniziale è impostato per effettuare una lettura ogni 10 secondi e regolare la posizione del pannello ogni 10 minuti.

Impostazione Input & Output

Imposta WASP_Power e WASP_Ground su output per pilotare il controller WASP. Imposta sensor_west_pin1 e sensor_east_pin2 su input per effettuare le letture dai sensori di luce a fotoresistenza.

Letture dei sensori

Come detto, per determinare la direzione verso cui il pannello deve essere orientato, utilizziamo due fotoresistenze come sensori di luce per leggere l’intensità luminosa su ciascun lato del pannello. Il programma che abbiamo usato effettua un campionamento ogni 10 secondi per 10 campioni, quindi calcola la media delle letture dei due sensori per il confronto.

Movimento del pannello solare

Con l’Arduino Micro utilizziamo il controllo PWM per pilotare l’attuatore. È un metodo semplice e affidabile per controllare l’attuatore lineare. In base al valore impostato per il PWM possiamo estendere, retrarre o fermare l’attuatore per qualsiasi periodo di tempo, purché non si superi il Ciclo di lavoro dell’attuatore.

Dalle letture dei sensori otteniamo due valori medi di intensità luminosa dai sensori sui lati ovest ed est. Il sistema eseguirà quindi il comando di movimento per estendere, retrarre o rimanere fermo in base alla differenza tra le letture dei due sensori. Questo set di comandi viene eseguito ogni 10 minuti per garantire che il pannello solare riceva sempre la massima quantità di luce solare.

Ripristino della posizione durante la notte

Un’ulteriore funzione implementabile con l’inseguitore solare è il reset. Se l’inseguitore resta in funzione per alcuni giorni, è necessario assicurarsi che la mattina successiva torni alla posizione iniziale. A tal fine, utilizzeremo un semplice contatore che ripristinerà la posizione se l’inseguitore non si è mosso nelle ultime 10 ore. Ciò indica che è notte e l’inseguitore tornerà alla posizione iniziale in attesa della luce del giorno seguente.

Consulta il codice qui sotto per questa versione del nostro inseguitore solare. I valori possono sempre essere modificati per adattarsi a diverse regioni e stagioni durante l’anno.

Codice sorgente

Consulta qui sotto il codice che abbiamo utilizzato per questa versione del nostro inseguitore solare. Tieni presente che i valori possono essere sempre modificati per adattarsi a diverse regioni e stagioni durante l’anno.

<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 per inseguitore a singolo asse

Esistono innumerevoli modi per creare un inseguitore solare a singolo asse. Il metodo più semplice è costruire il telaio utilizzando tubi in PVC e giunti angolati in PVC. La parte più importante è la capacità di inseguimento, che può essere ottenuta usando un semplice mini attuatore lineare PA-14 e una staffa BRK-14.

Per la nostra realizzazione, abbiamo scelto un telaio a treppiede e utilizzato parti stampate in 3D per creare giunti e supporti. Questo ci ha permesso di creare un telaio per inseguitore solare molto portatile con il giusto grado d’inclinazione e capacità di inseguimento. Per una panoramica visiva del nostro processo di costruzione, visita il nostro canale YouTube.

Componenti

1. Tubo di rame da 3/4".
2. 1x tappo terminale per tubo di rame da 3/4". 
3. 3x fascetta a vite da 3/4". 
4. Tubo in PVC da 3/4".
5. 1x 1 fascetta a vite.
6. 5x bullone, dado e rondella M6.
7. Varie staffe stampate in 3D.
8. 2x perno di montaggio per Attuatore (inclusi nel set BRK-14).
9. 1x mini attuatore lineare PA-14.

Inclinazione ottimale

Oltre ad aggiungere la capacità di inseguire il sole, un altro modo per aumentare l’efficienza del pannello solare è regolare l’inclinazione fissa in base alla tua posizione. L’inclinazione ottimale è determinata dalla latitudine del luogo. Maggiori informazioni sono disponibili a questo link: Solar Panel Tilt.

Qui abbiamo un disegno quotato in vista laterale per mostrare come abbiamo calcolato l’inclinazione del nostro inseguitore. Puoi calcolare la Lunghezza B utilizzando la seguente formula:

Fabbricazione e assemblaggio

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

Passaggi

1. Calcola le lunghezze necessarie per ottenere l’inclinazione ottimale.
2. Raccogli tutti i componenti necessari.
3. Fissa le staffe al pannello solare praticando i fori e serrandole con i bulloni appropriati. 
4. Taglia i tubi in rame e PVC a misura.
5. Vernicia e carteggia i tubi in rame e PVC.
6. Fissa le staffe ai tubi e serrale con le fascette a vite. 
7. Monta il mini attuatore lineare PA-14 e fissalo utilizzando i perni di montaggio dell’Attuatore BRK-14.

Il nuovo e migliorato mini attuatore PA-01 (aggiornamento del PA-14) è il modello attuale che offriamo, con una serie di vantaggi aggiunti. Per un confronto, consulta le tabelle qui sotto e passa all’upgrade con fiducia!

Conclusione

La verità è che l’energia solare sostituirà davvero l’energia da combustibili fossili nel prossimo futuro. Con le persone che già trovano nuovi modi per aumentare l’efficacia dei pannelli solari, resta da vedere cosa riserva il futuro per il settore energetico. Speriamo che il nostro articolo e il video sulla creazione di un inseguitore solare portatile ti siano piaciuti.