Kako izdelati prenosni sledilnik sonca?

Za razliko od fosilnih goriv in jedrske energije je sončna energija varna in čista. Poleg tega pomaga preprečevati uničevanje habitatov ter hkrati blaži podnebne spremembe. Pomembnost sončne energije ni le v njeni ugodnosti in zanesljivosti, temveč v tem, da pomaga ohraniti človekov dom. Ker so industrije že bolj ozaveščene, bo čas pokazal, ali se bo svet trajno preusmeril na obnovljive vire energije. V tem projektu vam bomo pokazali, kako smo uporabili naš PA-14 Mini Linear Actuator za sledenje soncu po eni osi gibanja. Tako se lahko izplen moči sončnega panela poveča za do 25 % v primerjavi s fiksno nameščenim panelom. Spodaj smo priložili tudi video z navodili za dodatno razlago.

Kaj je sledilnik sonca?

Sledilnik sonca je naprava, ki nagne sončne panele v smeri sončne svetlobe. Zato sledilniki sonca čez ves dan sledijo soncu in poskrbijo, da paneli zajamejo čim več energije. Njihov glavni namen je maksimirati izplen. Dobra novica je, da lahko sledilnik sonca izdelate tudi doma. Z ustreznim orodjem, predvsem sončnimi paneli in linearnimi aktuatorji, si lahko ustvarite svoj sledilnik in zagotovite, da vaši paneli ujamejo kar največ sončne svetlobe.

Prednosti uporabe linearnih aktuatorjev v sistemu sledenja soncu

Pri izdelavi sistema sledenja soncu je priporočljivo in koristno uporabiti 12 V linearne aktuatorje. 12 V aktuatorji se v sledilnikih sonca običajno uporabljajo, saj pripomorejo k večji učinkovitosti sončnih panelov. Zato pri izbiri aktuatorja za sledilnik sonca vedno razmislite o 12 V aktuatorju.

Ena glavnih prednosti 12 V aktuatorja je, da omogoča želena gibanja z večjo natančnostjo. Ne glede na položaj sonca bodo ti aktuatorji poskrbeli, da bodo vaši paneli nagnjeni v kar najboljši položaj za učinkovito zajemanje svetlobe.

Pretvorba energije sončnega panela

Sončno energijo v električno energijo pretvorimo v treh preprostih korakih. Vsak korak izvede posamezna komponenta, kot je navedeno spodaj.

1. Sungold Solar Panel SGM-90W-18V. Ta absorbira fotone sončne svetlobe in jih pretvarja v elektriko, ki je na izhodu kot spremenljiva enosmerna napetost (DC).
2. Solar Charge Controller Genasun GV-10 uravnava enosmerno napetost iz panela za polnjenje baterije.
3. 12VDC litij-ionska baterija shrani elektriko za takojšnjo ali kasnejšo uporabo.

V našem sistemu smo na baterijo priključili konektor avtomobilskega vžigalnika. To nam omogoča preprosto priključitev 12 V avtomobilskih dodatkov na sončni panel. V videu smo uporabljali nihalni ventilator, zmogljivo LED-svetilko in celo polnilec za telefon.

Kako izdelati prenosni sledilnik sonca

Krmilni sistem

Linearni aktuator krmili Arduino mikrokrmilnik preko krmilnika motorja Wasp. Meritve s fotouporov povedo, katera stran panela prejema svetlobo, nato pa krmilnik prilagodi položaj panela, dokler nista odčitka fotouporov približno enaka. Tako je panel usmerjen neposredno proti soncu in dosega največjo moč.

Komponente

1. 1x PA-14 mini linearni aktuator – 6 inch – 150 lbs sila.
2. 1x Sungold SGM-90W-18 90 W sončni panel.
3. 1x Genasun GV-10 12VDC krmilnik polnjenja sončnega panela. 
4. 1x Arduino Micro PLC.
5. 1x Krmilnik motorja Wasp.
6. 2x 10k Ohm fotoupor in 2x 7k Ohm upor. 
7. 1x 12VDC litij baterija za ponovno polnjenje. 
8. 1x konektor vžigalnika za 12 V dodatke (neobvezno).

Krmilnik motorja

Za krmilni del tega sledilnika bomo uporabili Arduino Micro in krmilnik motorja WASP. Krmilnik Wasp Arduino Micro upravlja s pulzno-širinsko modulacijo (PWM). Wasp nato črpa energijo iz 12 V baterije za izteg in uvlek mini linearnega aktuatorja PA-14. Izbrali smo aktuator z 150 lbs sile, ker porabi manj toka kot različica z 35 lbs sile za obremenitev, ki jo imamo.

Svetlobni senzor

Za zaznavanje intenzitete svetlobe sonca smo uporabili fotoupor 10k Ohm. Fotoupor se obnaša kot spremenljiv upor, ki ga nadzoruje svetloba. Upor se zmanjša, ko se intenziteta svetlobe poveča. Potrebovali bomo dva senzorja: enega na vzhodni strani panela in drugega na zahodni, da lahko določimo položaj sonca.

Povežite en 10k Ohm fotoupor in en 7k Ohm upor zaporedno ter zagotovite 5 V signal iz Arduino Micro. Napetost izmerite prek 7k Ohm upora z analognim vhodom na Arduino Micro. Ker se vezje obnaša kot delilnik napetosti, se bo analogni odčitek na 7k Ohm uporu povečeval z naraščanjem intenzitete svetlobe.

Upoštevajte, da je fotoupor zelo občutljiv in boste morda morali omejiti svetlobo, ki prihaja neposredno s sonca.

Za našo uporabo se je najbolje obneslo, da je bil usmerjen na stran panela in prekrit s prosojnim lepilnim trakom.

Programiranje

Celoten program najdete v naslednjem poglavju pod »Izvorna koda«. Ta del članka razloži posamezne sestavne dele programa.

Knjižnica Servo

Knjižnica Servo.h omogoča, da Arduino Micro z enovrstičnimi ukazi krmili RC servo motorje, na primer:

myservo.writeMicroseconds (1000); // Aktuator – polna hitrost nazaj (1000)

myservo.writeMicroseconds (1520); // Aktuator – ustavitev (1520)

myservo.writeMicroseconds (2000); // Aktuator – polna hitrost naprej (2000)

Dodelitev pinov

Pina 10 in 11 na Arduino Micro sta nastavljena na napajanje in maso za krmiljenje krmilnika WASP. Pina 6 in 8 na Arduino Micro sta dodeljena analognima 7 in 8, ki sta nastavljena za odčitavanje s svetlobnih senzorjev zahod & vzhod.

Deklaracija spremenljivk

V tem razdelku so spremenljivke deklarirane in inicializirane. Uporabljene bodo v funkcijah za shranjevanje odčitkov svetlobnih senzorjev. Tu sta deklarirana tudi vzorčni čas in interval prilagajanja. Njuni vrednosti lahko spremenite, da nastavite čas med posameznimi odčitki in čas med posameznimi prilagoditvami kota panela. Začetna vrednost je nastavljena tako, da odčitek vzame vsakih 10 sekund, položaj panela pa se prilagodi vsakih 10 minut.

Nastavitev vhodov in izhodov

Nastavite WASP_Power in WASP_Ground na izhod, da lahko poganjata krmilnik WASP. Nastavite sensor_west_pin1 in sensor_east_pin2 na vhod za odčitavanje s fotouporov.

Odčitki senzorjev

Kot že omenjeno, za določitev smeri, kamor naj bo usmerjen panel, uporabljamo dva fotouporova kot svetlobna senzorja za merjenje intenzitete svetlobe na vsaki strani panela. Program bo vsakih 10 sekund vzel vzorec za 10 vzorcev, nato pa primerjal povprečji obeh fotouporov.

Gibanje sončnega panela

Z Arduino Micro uporabljamo PWM za poganjanje aktuatorja. To je preprost in zanesljiv način za krmiljenje linearnega aktuatorja. Glede na nastavljeno vrednost PWM lahko aktuator iztegujemo, uvlačimo ali ustavimo za katero koli obdobje, dokler ne presežemo delovnega cikla aktuatorja.

Na podlagi odčitkov senzorjev imamo dve povprečni vrednosti intenzitete svetlobe z zahodne in vzhodne strani. Nato bo sledilnik izvedel ukaz za izteg, uvlek ali mirovanje, odvisno od razlike med odčitkoma obeh senzorjev. Ta nabor ukazov se bo izvajal vsakih 10 minut, da bo panel vedno zajemal čim več sončne svetlobe.

Ponastavitev položaja čez noč

Še ena funkcija, ki jo lahko vključite, je ponastavitev. Če sledilnik deluje več dni, je treba zagotoviti, da se naslednje jutro vrne v začetni položaj. Za to bomo uporabili preprost števec, ki bo položaj ponastavil, če se sledilnik 10 ur ni premaknil. To pomeni, da je noč, sledilnik pa se bo vrnil v začetni položaj in počakal na dnevno svetlobo naslednjega dne.

Kodo za to različico našega sledilnika najdete spodaj. Vrednosti lahko vedno prilagodite različnim regijam in letnim časom.

Izvorna koda

Kodo, ki smo jo uporabili v tej različici sledilnika sonca, najdete spodaj. Imejte v mislih, da lahko vrednosti vedno prilagodite različnim regijam in letnim časom.

<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>

Strojna oprema enosnega sledilnika

Obstaja nešteto načinov, kako izdelati enosni sledilnik sonca. Najlažji pristop je izdelava ogrodja iz PVC cevi in kotnih PVC-spojk. Najpomembnejši del je možnost sledenja, ki jo dosežete s preprostim mini linearnim aktuatorjem PA-14 in nosilcem BRK-14.

Pri naši izdelavi smo izbrali stativ in za izdelavo spojev ter nosilcev uporabili 3D-natisnjene dele. To nam je omogočilo zelo prenosno ogrodje sledilnika z optimalnim naklonom in sposobnostjo sledenja. Za vizualen pregled procesa izdelave si oglejte naš kanal na YouTubu.

Komponente

1. 3/4" bakrena cev.
2. 1x 3/4" bakren pokrov za konec cevi. 
3. 3x 3/4" cevna objemka. 
4. 3/4" PVC cev.
5. 1x 1 cevna objemka.
6. 5x vijak M6, matica in podložka.
7. Razni 3D-natisnjeni nosilci.
8. 2x montažni zatič aktuatorja (najdete v setu BRK-14).
9. 1x PA-14 mini linearni aktuator.

Optimalni naklon

Poleg dodajanja možnosti sledenja soncu lahko učinkovitost panela povečate tudi z nastavitvijo fiksnega naklona glede na vašo lokacijo. Optimalni naklon je določen z geografsko širino lokacije. Več informacij najdete na tej povezavi: Solar Panel Tilt.

Tu je prikazan stranski pogled z merami, ki kaže, kako smo izračunali naklon našega sledilnika. Dolžino B lahko izračunate po naslednji enačbi:

Izdelava in sestava

Za vizualen pregled procesa smo naložili video na YouTubu.

Koraki

1. Izračunajte dolžine, potrebne za doseganje optimalnega naklona.
2. Zberite vse potrebne komponente.
3. Na panel pritrdite nosilce tako, da izvrtate luknje in jih pritrdite z ustreznimi vijaki. 
4. Bakrene in PVC cevi odrežite na mero.
5. Bakrene in PVC cevi pobarvajte in obrusite.
6. Na cevi pritrdite nosilce in jih zavarujte s cevnim objemkami. 
7. Namestite mini linearni aktuator PA-14 in ga zavarujte z montažnimi zatiči BRK-14.

Novi in izboljšani PA-01 mini aktuator (nadgradnja PA-14) je trenutni model v naši ponudbi z vrsto dodatnih prednosti. Za primerjavo si oglejte spodnje tabele in nadgradite z zaupanjem!

Zaključek

Res je, da bo sončna energija v bližnji prihodnosti nadomestila fosilna goriva. Ker ljudje že iščejo nove načine za povečanje učinkovitosti sončnih panelov, bo prihodnost pokazala, kaj čaka energetsko industrijo. Upamo, da ste uživali v našem članku in videu o izdelavi prenosnega sledilnika sonca.