Como construir um rastreador solar portátil?

Diferente dos combustíveis fósseis e da energia nuclear, a energia solar é segura e limpa. Além disso, ajuda a evitar a destruição de habitats e também combate as mudanças climáticas. A importância da energia solar não está apenas no baixo custo e na confiabilidade, mas no fato de que ajuda a preservar o lar da humanidade. Com as indústrias já conscientizadas, resta saber se o mundo fará uma mudança permanente para a energia renovável. Neste projeto, mostraremos como usamos nosso PA-14 Mini atuador linear para seguir o sol em um único eixo de movimento. Isso aumenta a geração do painel solar em até 25% em relação a um painel solar fixo. Também anexamos um vídeo “como fazer” abaixo para mais explicações.

O que é um rastreador solar?

Um rastreador solar é um dispositivo usado para inclinar os painéis solares na direção da luz do sol. Assim, os rastreadores solares seguem o sol durante todo o dia e garantem que os painéis solares captem o máximo de energia possível. Seu único propósito é simplesmente maximizar a produção. A boa notícia é que você pode fazer seu próprio rastreador solar em casa. Com as ferramentas certas, principalmente os painéis solares e atuadores lineares, você pode criar seu rastreador solar e garantir que seus painéis estejam captando a maior quantidade possível de luz solar.

Benefícios de usar Atuadores lineares em um sistema de rastreamento solar

Ao montar seu sistema de rastreamento solar, é recomendável e vantajoso usar atuadores lineares de 12 V. Atuadores de 12 V são normalmente usados em rastreadores solares, pois ajudam a garantir e aumentar a eficácia dos painéis solares. Portanto, ao procurar um atuador para o sistema de rastreamento solar, considere sempre o atuador de rastreador solar de 12 V.

Um dos principais benefícios do atuador de 12 V é alcançar os movimentos desejados com maior precisão. Assim, independentemente da posição do sol, esses atuadores garantirão que seus painéis solares fiquem inclinados na melhor posição possível para aumentar a eficácia na captação da luz solar.

Conversão de energia do painel solar

Há três passos simples para converter a energia solar em energia elétrica. Cada etapa é executada por um componente individual, conforme listado abaixo.

1. Painel Solar Sungold SGM-90W-18V. Absorve fótons da luz solar e os converte em eletricidade, que é fornecida como uma tensão CC variável.
2. Controlador de Carga Solar Genasun GV-10 regula a tensão CC do painel solar para carregar a bateria.
3. Bateria de íons de lítio 12VCC armazena a eletricidade para uso imediato ou posterior.

Em nosso sistema, conectamos um conector de acendedor de cigarro à bateria. Isso nos permite conectar facilmente acessórios automotivos de 12 V ao painel solar. No nosso vídeo, usamos um ventilador oscilante, um refletor de LED de alta potência e até um carregador de celular.

Como construir um rastreador solar portátil

Sistema de controle

O atuador linear é controlado por um microcontrolador Arduino usando um controlador de Motor Wasp. Ele faz a leitura de fotorresistores para determinar qual lado do painel está recebendo luz e ajusta a posição do painel solar até que as leituras dos fotorresistores estejam bem próximas. Isso garante que o painel solar esteja apontado diretamente para o sol e produza potência máxima.

Componentes

1. 1x miniautuador linear PA-14 – 6 polegadas – 150 lbs de força.
2. 1x Painel Solar Sungold SGM-90W-18 de 90 W.
3. 1x Controlador de Carga de Painel Solar Genasun GV-10 12VCC. 
4. 1x Arduino Micro PLC.
5. 1x Controlador de Motor Wasp.
6. 2x fotorresistor de 10k Ohm e 2x resistor de 7k Ohm. 
7. 1x Bateria recarregável de lítio 12VCC. 
8. 1x conector de acendedor de cigarro para acessórios de 12 V (opcional).

Controlador do Motor

Para a parte de controle deste rastreador solar, usaremos o Arduino Micro e o Controlador de Motor WASP. O Controlador de Motor Wasp é controlado pelo Arduino Micro usando modulação por largura de pulso (PWM). O Wasp então usa a energia da bateria de 12 V para estender e retrair o miniautuador linear PA-14. Escolhemos o atuador de 150 lbs de força porque consome menos corrente em comparação com a versão de 35 lbs para a Carga que temos.

Sensor de luz

Para detectar a intensidade da luz do sol, usamos um fotorresistor de 10k Ohm. Um fotorresistor se comporta como um resistor variável controlado por luz. A resistência diminui à medida que a intensidade da luz aumenta. Precisaremos de dois sensores, um no lado leste do painel e outro no lado oeste para poder determinar a posição do sol.

Conecte um fotorresistor de 10k Ohm e um resistor de 7k Ohm em série e forneça um sinal de 5 V a partir do Arduino Micro. Faça a leitura de tensão no resistor de 7k Ohm usando uma entrada analógica no Arduino Micro. Como o circuito se comporta exatamente como um divisor de tensão, a leitura analógica do resistor de 7k Ohm aumentará à medida que a intensidade da luz aumentar.

Observe que o fotorresistor é muito sensível e talvez seja necessário limitar a luz recebida do sol.

Para nossa aplicação, descobrimos que apontá-lo para a lateral do painel e cobri-lo com fita translúcida funcionou melhor.

Programação

O programa completo pode ser encontrado na próxima seção, em “Código-fonte”. Esta seção do artigo explicará os componentes individuais do programa.

Biblioteca Servo

A biblioteca Servo.h permite que o Arduino Micro controle servomotores RC por meio de comandos de uma única linha, da seguinte forma:

myservo.writeMicroseconds (1000); // Atuador em velocidade máxima para trás (1000)

myservo.writeMicroseconds (1520); // Parada do Atuador (1520)

myservo.writeMicroseconds (2000); // Atuador em velocidade máxima para frente (2000)

Atribuições de pinos

Os pinos 10 e 11 do Arduino Micro são configurados como alimentação e terra para acionar o controlador WASP. Os pinos 6 e 8 do Arduino Micro são atribuídos aos analógicos 7 e 8, configurados para fazer leituras do sensor de luz oeste e leste.

Declaração de variáveis

Nesta seção, as variáveis são declaradas e inicializadas. Elas serão usadas nas funções para armazenar leituras dos sensores de luz. O tempo de amostragem e o intervalo de ajuste também são declarados aqui. Seus valores podem ser alterados para definir o intervalo entre cada leitura e o tempo entre cada ajuste de ângulo feito no painel solar. O valor inicial está definido para fazer uma leitura a cada 10 segundos e ajustar a posição do painel solar a cada 10 minutos.

Definir entrada & saída

Defina WASP_Power e WASP_Ground como saída para acionar o controlador WASP. Defina sensor_west_pin1 e sensor_east_pin2 como entrada para fazer leituras dos sensores de luz (fotorresistores).

Leituras dos sensores

Como dito antes, para determinar para que direção o painel solar deve estar voltado, usamos dois fotorresistores como sensor de luz para ler a intensidade luminosa de cada lado do painel solar. O programa que utilizamos fará uma leitura de amostra a cada 10 segundos, por 10 amostras, e depois calculará as médias dos dois fotorresistores para comparar.

Movimento do painel solar

Com o Arduino Micro, usamos o controle PWM para acionar o atuador. É um método simples e confiável para controlar o Atuador linear. Dependendo do valor definido para o PWM, podemos estender, retrair ou parar o atuador por qualquer período de tempo, desde que não exceda o ciclo de trabalho do Atuador.

A partir das leituras dos nossos sensores, temos dois valores médios de intensidade de luz, dos sensores nos lados oeste e leste. Em seguida, serão executados os comandos de movimento para estender, retrair ou permanecer parado, dependendo da diferença entre as leituras dos dois sensores. Esse conjunto de comandos será executado a cada 10 minutos para garantir que o painel solar esteja sempre recebendo o máximo de luz solar.

Redefinição de posição durante a noite

Mais um recurso que pode ser implementado no rastreador solar é uma função de redefinição. Se o rastreador solar ficar funcionando por alguns dias, é preciso garantir que ele voltará à posição inicial na manhã seguinte. Para isso, usaremos uma função simples de contador que redefinirá a posição se o rastreador solar não tiver se movido nas últimas 10 horas. Isso indicará que é noite, e o rastreador solar será redefinido para a posição inicial e aguardará a luz do dia seguinte.

Consulte o código abaixo para esta versão do nosso rastreador solar. O valor sempre pode ser alterado para se adequar a diferentes regiões e estações ao longo do ano.

Código-fonte

Confira abaixo o código que usamos nesta versão do nosso rastreador solar. Lembre-se de que os valores podem ser alterados para atender a diferentes regiões e estações ao longo do ano.

<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 do rastreador de eixo único

Existem inúmeras maneiras de criar um rastreador solar de eixo único. O método mais fácil seria construir a estrutura usando tubos de PVC e conexões anguladas de PVC. A parte mais importante é a capacidade de rastreamento, que pode ser obtida usando um simples miniautuador linear PA-14 e um suporte BRK-14.

Para nossa construção, escolhemos uma estrutura de tripé e usamos peças impressas em 3D para criar as junções e os suportes. Isso nos permitiu criar um quadro de rastreamento solar muito portátil, com a inclinação ideal e ótima capacidade de rastreamento. Para uma visão geral visual do nosso processo de construção, confira nosso canal no YouTube.

Componentes

1. Tubo de cobre de 3/4".
2. 1x tampa de extremidade para tubo de cobre de 3/4". 
3. 3x abraçadeira de engrenagem de 3/4". 
4. Tubo de PVC de 3/4".
5. 1x abraçadeira de engrenagem. 
6. 5x parafuso, porca e arruela M6.
7. Vários suportes impressos em 3D.
8. 2x pino de Montagem do Atuador (podem ser encontrados no conjunto BRK-14).
9. 1x miniautuador linear PA-14.

Inclinação ideal

Além de adicionar a capacidade de seguir o sol, outra forma de aumentar a eficiência do painel solar é ajustar a inclinação fixa com base na sua localização. A inclinação ideal é determinada pela latitude da sua localização. Mais informações podem ser encontradas neste link: Inclinação do painel solar.

Aqui temos um desenho dimensional na perspectiva lateral para mostrar como calculamos a inclinação do nosso rastreador. Você pode calcular o Comprimento B usando a seguinte equação:

Fabricação e Montagem

Para uma visão geral visual do nosso processo de construção, carregamos um vídeo no YouTube.

Passos

1. Calcule os comprimentos necessários para alcançar a inclinação ideal.
2. Reúna todos os componentes necessários.
3. Prenda os suportes ao painel solar perfurando furos e fixando-os com os parafusos adequados. 
4. Corte os tubos de cobre e PVC no comprimento.
5. Pinte e lixe os tubos de cobre e PVC.
6. Prenda os suportes aos tubos e fixe-os com abraçadeiras de engrenagem. 
7. Instale o miniautuador linear PA-14 e fixe usando os pinos de Montagem do Atuador BRK-14.

O novo e aprimorado mini atuador PA-01 (atualização do PA-14) é o modelo atual que oferecemos, com uma variedade de benefícios adicionais. Para comparar, confira as tabelas abaixo e faça o upgrade com confiança!

Conclusão

A verdade é que a energia solar de fato substituirá a energia de combustíveis fósseis em um futuro próximo. Com as pessoas já apresentando novas maneiras de aumentar a eficácia dos painéis solares, resta saber o que o futuro reserva para o setor de energia. Esperamos que você tenha gostado do nosso artigo e do vídeo sobre a criação de um rastreador solar portátil.