Ako postaviť prenosný solárny sledovač?

Na rozdiel od fosílnych palív a jadrovej energie je solárna energia bezpečná a čistá. Navyše pomáha predchádzať ničeniu biotopov a zároveň bojovať proti zmene klímy. Dôležitosť solárnej energie nespočíva len v jej lacnosti a spoľahlivosti, ale v tom, že pomáha chrániť domov človeka. Keďže priemysel je už vnímavý, zostáva otázne, či svet vykoná trvalý prechod na obnoviteľnú energiu. V tomto projekte vám ukážeme, ako sme použili náš PA-14 Mini Linear aktuátor na sledovanie slnka po jednej osi pohybu. Týmto sa zvýši výnos výkonu solárneho panelu až o 25 % oproti pevnému solárnemu panelu. Nižšie sme priložili aj video s návodom pre ďalšie vysvetlenie.

Čo je solárny sledovač?

Solárny sledovač je zariadenie, ktoré nakláňa solárne panely smerom k slnečnému žiareniu. Sledovače teda počas celého dňa sledujú slnko a zabezpečujú, aby panely zachytili čo najviac energie. Ich jediným účelom je maximalizovať výkon. Dobrou správou je, že si môžete vyrobiť vlastný solárny sledovač aj doma. S vhodnými nástrojmi – predovšetkým solárnymi panelmi a lineárnymi aktuátormi – si vytvoríte vlastný sledovač a zabezpečíte, aby vaše panely zachytávali maximum slnečného svetla.

Výhody použitia lineárnych aktuátorov v systéme solárneho sledovania

Pri tvorbe systému solárneho sledovania je vhodné a užitočné použiť 12 V lineárne aktuátory. 12 V aktuátory sa zvyčajne používajú v solárnych sledovačoch, pretože pomáhajú zabezpečiť a zvyšovať účinnosť solárnych panelov. Preto pri výbere aktuátora pre systém sledovania slnka vždy zvážte 12 V aktuátor pre solárny sledovač.

Jednou z hlavných výhod 12 V aktuátora je, že dosahuje požadované pohyby s vyššou presnosťou. Bez ohľadu na polohu slnka tak tieto aktuátory zabezpečia, že panely budú naklonené v čo najlepšej polohe na zachytávanie svetla.

Konverzia energie zo solárneho panelu

Konverzia solárnej energie na elektrickú má tri jednoduché kroky. Každý krok vykonáva samostatná súčasť, ako je uvedené nižšie.

1. Sungold Solar Panel SGM-90W-18V. Absorbuje fotóny zo slnečného svetla a premieňa ich na elektrinu, ktorá je na výstupe ako premenlivé jednosmerné napätie.
2. Solar Charge Controller Genasun GV-10 reguluje jednosmerné napätie zo solárneho panelu na nabíjanie batérie.
3. 12VDC Lithium-Ion Battery ukladá elektrinu na okamžité použitie alebo na neskôr.

V našom systéme sme k batérii pripojili konektor do autozapaľovača. Umožňuje nám to jednoducho pripojiť 12 V automobilové príslušenstvo k solárnemu panelu. Vo videu sme použili oscilačný ventilátor, výkonné LED svietidlo a dokonca aj nabíjačku telefónu.

Ako postaviť prenosný solárny sledovač

Riadiaci systém

Lineárny aktuátor je riadený mikrokontrolérom Arduino pomocou ovládača motora Wasp. Číta hodnoty z fotorezistorov, aby určil, ktorá strana panela je osvetlená, a upravuje polohu solárneho panelu, kým nie sú hodnoty fotorezistorov približne rovnaké. Tým sa zabezpečí, že panel smeruje priamo na slnko a dosahuje maximálny výkon.

Komponenty

1. 1x PA-14 mini lineárny aktuátor – 6 inch – 150 lbs sila.
2. 1x Sungold SGM-90W-18 90 W solárny panel.
3. 1x Genasun GV-10 12VDC regulátor nabíjania solárneho panela. 
4. 1x Arduino Micro PLC.
5. 1x Wasp Motor Controller.
6. 2x 10 k Ohm fotorezistor a 2x 7 k Ohm rezistor. 
7. 1x 12 V DC lítiová nabíjateľná batéria. 
8. 1x konektor do zapaľovača pre 12 V príslušenstvo (voliteľné).

Ovládač motora

Na riadenie tohto solárneho sledovača použijeme Arduino Micro a WASP Motor Controller. Ovládač Wasp je riadený Arduinom Micro pomocou modulácie šírky impulzu (PWM). Wasp potom berie energiu z 12 V batérie na vysúvanie a zasúvanie PA-14 mini lineárneho aktuátora. Zvolili sme aktuátor s 150 lbs silou, pretože odoberá menej prúdu v porovnaní s verziou s 35 lbs silou pri zaťažení, ktoré máme.

Svetelný senzor

Na detekciu intenzity svetla zo slnka sme použili 10 k Ohm fotorezistor. Fotorezistor sa správa ako premenlivý rezistor riadený svetlom. Keď sa zvyšuje intenzita svetla, odpor klesá. Budeme potrebovať dva senzory – jeden na východnej strane panela a druhý na západnej – aby sme vedeli určiť polohu slnka.

Pripojte jeden 10 k Ohm fotorezistor a jeden 7 k Ohm rezistor do série a priveďte 5 V signál z Arduino Micro. Odčítajte napätie na 7 k Ohm rezistore pomocou analógového vstupu na Arduino Micro. Keďže obvod sa správa presne ako delič napätia, analógová hodnota na 7 k Ohm rezistore bude rásť so zvyšujúcou sa intenzitou svetla.

Upozornenie: fotorezistor je veľmi citlivý a možno bude potrebné obmedziť množstvo svetla zo slnka.

V našej aplikácii sa nám najviac osvedčilo nasmerovať ho na bočnú stranu panela a prekryť priesvitnou páskou.

Programovanie

Kompletný program nájdete v ďalšej časti pod „Source Code“. Táto časť článku vysvetlí jednotlivé komponenty programu.

Knižnica Servo

Knižnica Servo.h umožňuje Arduinu Micro ovládať RC servo motory pomocou jednoradkových príkazov nasledovne:

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

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

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

Priradenie pinov

Pin 10 a 11 na Arduino Micro sú nastavené na napájanie a zem na ovládanie radiča WASP. Piny 6 a 8 na Arduino Micro sú priradené k analógovým 7 a 8, ktoré sú nastavené na odčítavanie hodnôt zo svetelných senzorov západ & východ.

Deklarácia premenných

V tejto časti sú premenné deklarované a inicializované. Budú použité vo funkciách na ukladanie hodnôt zo svetelných senzorov. Tu sú deklarované aj čas vzorkovania a interval úprav. Ich hodnoty možno zmeniť tak, aby určovali interval medzi jednotlivými odčítaniami a čas medzi každou úpravou uhla panelu. Počiatočná hodnota je nastavená na odčítanie každých 10 sekúnd a úpravu polohy panela každých 10 minút.

Nastavenie vstupov a výstupov

Nastavte WASP_Power a WASP_Ground ako výstup na riadenie radiča WASP. Nastavte sensor_west_pin1 a sensor_east_pin2 ako vstup na odčítavanie hodnôt z fotorezistorov.

Odčítania zo senzora

Ako už bolo uvedené, na určenie smeru natočenia solárneho panela používame dva fotorezistory, ktoré merajú intenzitu svetla na každej strane panelu. Program odoberie vzorku každých 10 sekúnd pre 10 vzoriek a potom porovná priemerné hodnoty z oboch fotorezistorov.

Pohyb solárneho panelu

Pomocou Arduino Micro používame PWM riadenie na pohon aktuátora. Je to jednoduchá a spoľahlivá metóda na ovládanie lineárneho aktuátora. Podľa nastavenej hodnoty PWM môžeme aktuátor vysúvať, zasúvať alebo zastaviť na ľubovoľné obdobie, pokiaľ neprekročí pracovný cyklus aktuátora.

Na základe meraní zo senzorov máme dve priemerné hodnoty intenzity svetla zo západnej a východnej strany. Následne sa vykoná príkaz pohybu – vysunúť, zasunúť alebo zostať stáť – v závislosti od rozdielu medzi hodnotami z dvoch senzorov. Táto sada príkazov sa spustí každých 10 minút, aby panel vždy získaval čo najviac slnečného svetla.

Nočný reset polohy

Ďalšou funkciou, ktorú možno implementovať, je reset. Ak by solárny sledovač bežal niekoľko dní, je potrebné zabezpečiť, aby sa nasledujúce ráno vrátil do východzej polohy. Na to použijeme jednoduchý čítač, ktorý resetuje polohu, ak sa sledovač za posledných 10 hodín nepohol. To indikuje noc a sledovač sa vráti do východzej polohy a počká na denný svit nasledujúceho dňa.

Kód pre túto verziu nášho sledovača nájdete nižšie. Hodnoty možno vždy upraviť podľa rôznych regiónov a ročných období.

Zdrojový kód

Pozrite si nižšie kód, ktorý sme použili pre túto verziu nášho solárneho sledovača. Majte na pamäti, že hodnoty možno vždy upraviť podľa rôznych regiónov a ročných období.

<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>

Hardvér jednoosového sledovača

Existuje nespočetne veľa spôsobov, ako vytvoriť jednoosový solárny sledovač. Najjednoduchšia metóda je zostaviť rám z PVC rúrok a PVC rohových spojov. Najdôležitejšia časť je samotné sledovanie, ktoré možno dosiahnuť použitím jednoduchého PA-14 mini lineárneho aktuátora a držiaka BRK-14.

Pre naše riešenie sme zvolili trojnohý rám a použili 3D tlačené diely na vytvorenie spojov a úchytov. Umožnilo nám to vytvoriť veľmi prenosný rám solárneho sledovača s optimálnym náklonom a schopnosťou sledovania. Pre vizuálny prehľad nášho postupu si pozrite náš kanál na YouTube.

Komponenty

1. 3/4" Medená rúra.
2. 1x 3/4" Koncová zátka na medenú rúru. 
3. 3x 3/4" Sťahovacia spona. 
4. 3/4" PVC rúra.
5. 1x 1 sťahovacia spona.
6. 5x skrutka M6, matica a podložka.
7. Rôzne 3D tlačené držiaky.
8. 2x montážny čap aktuátora (je súčasťou sady BRK-14).
9. 1x PA-14 mini lineárny aktuátor.

Optimálny náklon

Okrem pridania schopnosti sledovať slnko môžete účinnosť panelu zvýšiť aj nastavením pevného náklonu podľa vašej polohy. Optimálny náklon je daný zemepisnou šírkou vášho miesta. Viac informácií nájdete na tomto odkaze: Náklon solárneho panela.

Tu je rozmerový výkres z bočného pohľadu, ktorý ukazuje, ako sme vypočítali náklon nášho sledovača. Dĺžku B môžete vypočítať podľa nasledujúcej rovnice:

Výroba a montáž

Pre vizuálny prehľad nášho postupu sme nahrali video na YouTube.

Kroky

1. Vypočítajte dĺžky potrebné na dosiahnutie optimálneho náklonu.
2. Zhromaždite všetky potrebné komponenty.
3. Prichyťte držiaky k solárnemu panelu navŕtaním otvorov a zaistením vhodnými skrutkami. 
4. Orežte medené a PVC rúry na dĺžku.
5. Natrieť a zbrúsiť medené a PVC rúry.
6. Prichytiť držiaky k rúram a zaistiť ich sťahovacími sponami. 
7. Nainštalujte PA-14 mini lineárny aktuátor a zaistite montážnymi čapmi aktuátora BRK-14.

Nový a vylepšený PA-01 mini aktuátor (upgrade PA-14) je aktuálny model, ktorý ponúkame, a prináša množstvo výhod. Pre porovnanie si pozrite tabuľky nižšie a upgradujte s istotou!

Záver

Pravdou je, že solárna energia v blízkej budúcnosti skutočne nahradí energiu z fosílnych palív. Keďže ľudia už prichádzajú s novými spôsobmi zvyšovania účinnosti solárnych panelov, zostáva otázne, čo budúcnosť prinesie energetickému priemyslu. Dúfame, že sa vám náš článok a video o vytvorení prenosného solárneho sledovača páčili.