Hvordan bygge en bærbar solcellesporer?

I motsetning til fossilt brensel og kjernekraft er solenergi trygg og ren. I tillegg bidrar den til å forhindre ødeleggelse av habitater, samtidig som den bekjemper klimaendringer. Solenergiens betydning ligger rett og slett ikke i dens billighet og pålitelighet, men i det faktum at den bidrar til å bevare menneskenes hjem. Med industrier som allerede er sensibilisert, gjenstår det å se om verden vil gjøre et permanent skifte til fornybar energi. I dette prosjektet vil vi vise deg hvordan vi brukte vår PA-14 Mini Linear Aktuator å følge solen gjennom en enkelt bevegelsesakse. Dette øker solcellepanelets effektutbytte med opptil 25 % mer enn et fast solcellepanel. Vi har også lagt ved en «veiledningsvideo» nedenfor for ytterligere forklaring.

Hva er en solcelletracker?

En solcellesporer er en enhet som brukes til å vinkle solcellepanelene i retning av sollyset. Solcellesporere følger derfor solen hele dagen og sørger for at solcellepanelene fanger opp eller samler inn så mye energi som mulig. Deres eneste formål er ganske enkelt å maksimere produksjonen. Den gode nyheten her er at du kan lage din egen solcellesporer hjemme. Med riktig type verktøy, viktigst av alt, solcellepaneler og lineære aktuatorer, kan du lage din egen solcelletracker og sørge for at solcellepanelene dine fanger opp maksimal mengde sollys.

Fordeler med å bruke lineære aktuatorer i et solsporingssystem

Når du lager solsporingssystemet ditt, er det virkelig tilrådelig og fordelaktig å bruke 12V lineære aktuatorer. 12V aktuatorer brukes vanligvis i solsporere, da de bidrar til å sikre eller forbedre effektiviteten til solcellepanelene. Derfor, når du ser etter en aktuator til solsporingssystemet, bør du alltid vurdere 12V solsporingsaktuatoren.

En av hovedfordelene med 12V-aktuatoren er at den oppnår de ønskede bevegelsene med høyere presisjon. Derfor, uavhengig av solens posisjon, vil disse aktuatorene sørge for at solcellepanelene dine er skråstilt eller hellt i best mulig posisjon for å forbedre effektiviteten deres i å fange sollys.

Konvertering av solcellepanelkraft

Det er tre enkle trinn for å konvertere solenergi til elektrisk energi. Hvert trinn utføres av en individuell komponent som listet opp nedenfor.

1. Sungold solcellepanel SGM-90W-18V. Dette absorberer fotoner fra sollys og omdanner dem til elektrisitet som sendes ut som en varierende likespenning.
2. Solcelleladningskontroller Genasun GV-10 regulerer likespenningen fra solcellepanelet for å lade batteriet.
3. 12 VDC litiumionbatteri lagrer strømmen for bruk umiddelbart eller på et senere tidspunkt.

I systemet vårt koblet vi en sigarettennerkontakt til batteriet. Dette lar oss enkelt koble 12V biltilbehør til solcellepanelet. I videoen vår brukte vi en oscillerende vifte, en kraftig LED-spotlight og til og med en telefonlader.

Hvordan bygge en bærbar solcellesporer

Kontrollsystem

De lineær aktuator er kontrollert av en Arduino mikrokontroller ved hjelp av en Wasp-motorkontroller. Den tar avlesningen fra fotomotstander for å bestemme hvilken side av panelet som mottar lys og justerer posisjonen til solcellepanelet til fotomotstandsavlesningene er ganske like. Dette sikrer at solcellepanelet er rettet direkte mot solen og gir maksimal effekt.

Komponenter

1. 1x PA-14 mini-lineær aktuator – 6 tommer – 150 lb kraft.
2. 1x Sungold SGM-90W-18 90 watts solcellepanel.
3. 1x Genasun GV-10 12 VDC solcellepanel ladekontroller. 
4. 1x Arduino Micro PLS.
5. 1x Wasp Motor Controller.
6. 2x 10k ohm fotomotstand og 2x 7k ohm motstand. 
7. 1x 12 VDC litium oppladbart batteri. 
8. 1x sigarettennerkontakt for 12V-tilbehør (valgfritt).

Motorstyring

For kontrolldelen av denne solcellesporeren bruker vi Arduino Micro og WASP-motorkontrolleren. Wasp-motorkontrolleren styres av Arduino Micro ved hjelp av pulsbreddemodulasjon. Wasp-en tar deretter strøm fra 12V-batteriet for å forlenge og trekke inn PA-14 mini-lineær aktuator. Vi valgte 150 lb kraftaktuatoren siden den trekker mindre strøm sammenlignet med en 35 lb kraftversjon for belastningen vi har.

Lyssensor

For å oppdage lysintensiteten fra solen brukte vi en 10k Ohm fotomotstand. En fotomotstand oppfører seg som en variabel motstand styrt av lys. Motstanden vil avta når lysintensiteten øker. Vi trenger to sensorer, en på østsiden av panelet og den andre på vestsiden for å kunne bestemme solens posisjon.

Koble den ene 10k ohm fotomotstanden og den ene 7k ohm motstanden i serie, og send et 5V signal fra Arduino Micro. Mål spenningen over 7k ohm motstanden ved hjelp av en analog inngang på Arduino Micro. Siden kretsen oppfører seg nøyaktig som en spenningsdeler, vil den analoge avlesningen fra 7k ohm motstanden øke etter hvert som lysintensiteten øker.

Merk at fotoresistoren er svært følsom, og du må kanskje begrense lyset som mottas fra solen.

For vår applikasjon fant vi ut at det fungerte best å peke den mot siden av panelet og dekke det med gjennomsiktig tape.

Programmering

Det komplette programmet finner du i neste avsnitt under «Kildekode». Denne delen av artikkelen vil forklare de enkelte komponentene i programmet.

Servo-biblioteket

Servo.h-biblioteket lar Arduino Micro styre RC-servomotorer via enkeltlinjekommandoer som følger:

minservo.skrivMikrosekunder (1000); // Aktuator full hastighet bakover (1000)

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

minservo.skrivMikrosekunder (2000); // Aktuator full hastighet forover (2000)

PIN-tildelinger

Pinne 10 og 11 på Arduino Micro er satt til strøm og jord for å drive WASP-kontrolleren. Pinne 6 og 8 på Arduino Micro er tilordnet analog 7 og 8, som er satt til å ta avlesninger fra lyssensoren vest og øst.

Variabeldeklarasjon

I denne delen deklareres og initialiseres variabler. De vil bli brukt i funksjonene for å lagre avlesninger fra lyssensorene. Samplingstiden og justeringsintervallet deklareres også her. Verdien deres kan endres for å angi intervallene mellom hver avlesning og tiden mellom hver vinkeljustering som gjøres på solcellepanelet. Startverdien er satt til å ta en avlesning hvert 10. sekund og justere solcellepanelets posisjon hvert 10. minutt.

Angi inngang og utgang

Sett WASP_Power og WASP_Ground til utgang for å drive WASP-kontrolleren. Sett sensor_west_pin1 og sensor_east_pin2 til inngang for å ta avlesninger fra lyssensorene til fotomotstandene.

Sensoravlesninger

Som nevnt tidligere, for å bestemme hvilken retning solcellepanelet skal vende, bruker vi to fotoresistorer som lyssensor for å lese lysintensiteten på hver side av solcellepanelet. Programmet vi brukte vil ta en prøveavlesning hvert 10. sekund for 10 prøver, og deretter ta gjennomsnittsavlesningene fra de to fotoresistorene for å sammenligne.

Solcellepanelbevegelse

Med Arduino Micro bruker vi PWM-kontroll for å drive aktuatoren. Det er en enkel og pålitelig metode for å kontrollere den lineære aktuatoren. Avhengig av verdien vi setter for PWM, kan vi forlenge, trekke tilbake eller stoppe aktuatoren i en hvilken som helst periode så lenge den ikke overskrider aktuatorens driftssyklus.

Fra sensoravlesningene våre har vi to gjennomsnittlige lysintensitetsverdier fra begge sensorene på vest- og østsiden. Den vil deretter utføre bevegelseskommandoen for å forlenge, trekke tilbake eller forbli stasjonær, avhengig av forskjellen mellom de to sensorenes avlesninger. Dette settet med kommandoer vil kjøres hvert 10. minutt for å sikre at solcellepanelet alltid får mest mulig sollys.

Tilbakestilling av nattposisjon

En annen funksjon som kan implementeres med soltrackeren er en tilbakestillingsfunksjon. Hvis soltrackeren har blitt kjørt i noen dager, må man sørge for at den tilbakestilles til sin opprinnelige posisjon neste morgen. For dette bruker vi en enkel tellerfunksjon som tilbakestiller posisjonen hvis soltrackeren ikke har beveget seg de siste 10 timene. Det vil indikere at det er natt, og soltrackeren vil tilbakestilles til sin opprinnelige posisjon og vente på dagslys neste dag.

Se koden nedenfor for denne iterasjonen av vår soltracker. Verdien kan alltid endres for å tilpasses forskjellige regioner og årstider gjennom året.

Kildekode

Se koden vi brukte nedenfor for denne iterasjonen av solsporeren vår. Husk at verdiene alltid kan endres for å tilpasses forskjellige regioner og årstider gjennom året.

/*
 Dette programmet lar solcellepanelet spore solen og drive aktuatoren ved hjelp av PWM. Avlesninger fra to fotoresistorer vil bli tatt fra hver side av solcellepanelet. En rekke prøver vil bli tatt, og en gjennomsnittsavlesning vil bli beregnet for å bestemme hvilken side som har høyest sollysintensitet. Den lineære aktuatoren vil deretter enten forlenges eller trekkes tilbake for å vinkle solcellepanelet slik at det vender mot solen. En tilbakestillingsfunksjon er implementert slik at den flytter solcellepanelet til standardposisjonen. Dette gjør at solcellepanelet er klart til lading om morgenen etter å ha forblit stasjonært 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; // Opprett servoobjekt for å 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; // Sollysintensitetsavlesninger fra sensor vest int solar_input_east = 0; // Sollysintensitetsavlesninger fra sensor øst
 for (int i=0; i<10; i++) { sensor_west[i] = analogRead(sensor_west_pin1); // Tar de analoge avlesningene fra sensor vest sensor_east[i] = analogRead(sensor_east_pin2); // Tar de analoge avlesningene fra sensor øst solar_input_west = sensor_west[i] + solar_input_west; // Summer alle inngangene fra sensor vest solar_input_east = sensor_east[i] + solar_input_east; // Summer alle inngangene fra sensor øst delay(sample_time_interval); }
 solar_input_west = (solar_input_west) / 10; // Gjennomsnittet av inngangssignaler fra sensor vest solar_input_east = (solar_input_east) / 10; // Gjennomsnittet av inngangssignaler fra sensor øst
 /* SOLPANELENS BEVEGELSE Solcellepanelet vil vippe mot vest hvis sollysintensiteten som registreres på vestsiden av panelet er større enn den som registreres på østsiden. Solcellepanelet vil vippe mot øst hvis sollysintensiteten som registreres på østsiden er større enn den som registreres på vestsiden. Men hvis avlesningene fra begge sider er like, vil solcellepanelet forbli stasjonært. */
 hvis (solar_input_west - solar_input_east> 20) // Hvis sollysintensiteten er høyere på vestsiden av panelet { myservo.writeMicroseconds(2000); // Signal for full fart fremover (2000) som skyver solcellepanelet til venstre (vest) delay(500); //0,5 sekunder reset_counter = 0; } ellers hvis (solar_input_east - solar_input_east> 20) // Hvis sollysintensiteten er høyere på østsiden av panelet { myservo.writeMicroseconds(1000); // Signal for full fart bakover (1000) som trekker solcellepanelet til høyre (øst) delay(500); //0,5 sekunder reset_counter = 0; } 
 ellers // Hvis sollysintensiteten er lik fra begge sider av panelet { myservo.writeMicroseconds(1520); // Stasjonært (1520) signal stopper solcellepanelet fra å bevege seg reset_counter++; } delay(solar_panel_adjustment_interval); // Forsinkelse før en ny justering blir gjort
/* Nullstilling av nattposisjon
 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; }
}

Maskinvare for sporing med én akse

Det finnes utallige måter å lage en solcellesporer med én akse på. Den enkleste metoden ville være å konstruere rammen ved hjelp av PVC-rør og vinklede PVC-skjøter. Den viktigste delen er muligheten til å spore, som kan oppnås ved å bruke en enkel PA-14 mini-lineær aktuator og en BRK-14 brakett.

Til byggingen vår valgte vi en stativramme og brukte 3D-printede deler til å lage skjøter og fester. Dette gjorde at vi kunne lage en svært bærbar solsporingsramme med optimal vippe- og sporingsevne. For en visuell oversikt over byggeprosessen vår, sjekk ut YouTube-kanalen vår.

Komponenter

1. 3/4 tommer kobberrør.
2. 1x 3/4 tommer endehette til kobberrør. 
3. 3x 3/4 tommer girklemme. 
4. 3/4 tommer PVC-rør.
5. 1x 1 girklemme.
6. 5x M6 bolt, mutter og skive.
7. Ulike 3D-printede braketter.
8. 2x Monteringspinne for aktuator (finnes i settet BRK-14).
9. 1x PA-14 mini-lineær aktuator.

Optimal tilt

Bortsett fra muligheten til å spore solen, er en annen måte å øke effektiviteten til solcellepanelet å justere den faste helningen basert på plasseringen din. Den optimale helningen bestemmes av plasseringens breddegrad. Mer informasjon om dette finner du på denne lenken: Solcellepanelvipping.

Her har vi en dimensjonstegning fra siden som viser hvordan vi beregnet sporingsenhetens helning. Du kan beregne lengde B ved hjelp av følgende ligning:

Fabrikasjon og montering

For en visuell oversikt over byggeprosessen vår har vi lastet opp en YouTube-video.

Trinn

1. Beregn lengdene som trengs for å oppnå optimal helning.
2. Samle alle komponentene som trengs.
3. Fest brakettene til solcellepanelet ved å bore hull og feste dem med passende bolter. 
4. Kutt kobber- og PVC-rørene til riktig lengde.
5. Mal og slip kobber- og PVC-rørene.
6. Fest brakettene til rørene og fest dem med girklemmer. 
7. Monter PA-14 mini-lineær aktuator og fest den med BRK-14 aktuatorens monteringspinner.

Det nye og forbedrede PA-01 miniaktuator (PA-14-oppgradering) er den nåværende modellen vi tilbyr med en rekke tilleggsfordeler. For en sammenligning, sjekk ut tabellene nedenfor og oppgrader med trygghet!

Konklusjon

Sannheten er at solenergi faktisk vil erstatte fossil energi i nær fremtid. Siden folk allerede kommer opp med nye måter å øke effektiviteten til solcellepaneler på, gjenstår det å se hva fremtiden bringer for energibransjen. Vi håper du likte artikkelen og videoen vår om å lage en bærbar solcellesporer.