Hur man bygger en bärbar solcellsspårare?

Till skillnad från fossila bränslen och kärnenergi är solenergi säker och ren. Dessutom bidrar den till att förhindra förstörelse av livsmiljöer samtidigt som den bekämpar klimatförändringar. Solenergins betydelse ligger helt enkelt inte i dess billighet och tillförlitlighet, utan i att den hjälper till att bevara människans hem. Med industrier som redan är sensibiliserade återstår det att se om världen kommer att göra en permanent övergång till förnybar energi. I det här projektet visar vi hur vi använde vår PA-14 Mini Linear Ställdon att följa solen längs en enda rörelseaxel. Genom att göra detta ökar solpanelens effektutbyte med upp till 25 % mer än en fast solpanel. Vi har också bifogat en instruktionsvideo nedan för ytterligare förklaring.

Vad är en soltracker?

En solföljare är en anordning som används för att luta solpanelerna i solljusets riktning. Solföljare följer därför solen hela dagen och säkerställer att solpanelerna fångar eller samlar in så mycket energi som möjligt. Deras enda syfte är helt enkelt att maximera produktionen. Den goda nyheten här är att du kan skapa din egen solföljare hemma. Med rätt sorts verktyg, viktigast av allt, solpaneler och linjära ställdon, kan du skapa din solspårare och se till att dina solpaneler fångar maximal mängd solljus.

Fördelar med att använda linjära ställdon i ett solföljningssystem

När du bygger ditt solföljningssystem är det verkligen lämpligt och fördelaktigt att använda 12V linjära ställdon. 12V-ställdon används vanligtvis i solföljare eftersom de hjälper till att säkerställa eller förbättra solpanelernas effektivitet. Därför, när du letar efter ett ställdon till solföljningssystemet, överväg alltid ett 12V solföljarställdon.

En av de största fördelarna med 12V-ställdonet är att det uppnår önskade rörelser med högre precision. Därför, oavsett solens position, kommer dessa ställdon att säkerställa att dina solpaneler är vinklade eller lutade i bästa möjliga läge för att förbättra deras effektivitet när det gäller att fånga solljus.

Konvertera solpanelkraft

Det finns tre enkla steg för att omvandla solenergi till elektrisk energi. Varje steg utförs av en enskild komponent enligt nedan.

1. Sungold solpanel SGM-90W-18V. Detta absorberar fotoner från solljus och omvandlar dem till elektricitet som avges som en varierande likspänning.
2. Solcellsladdregulator Genasun GV-10 reglerar likspänningen från solpanelen för att ladda batteriet.
3. 12 VDC litiumjonbatteri lagrar elektriciteten för omedelbar eller senare användning.

I vårt system kopplade vi en cigarettändaruttag till batteriet. Detta gör att vi enkelt kan ansluta 12V-biltillbehör till solpanelen. I vår video använde vi en oscillerande fläkt, en högpresterande LED-spotlight och till och med en telefonladdare.

Hur man bygger en bärbar soltracker

Kontrollsystem

De linjär ställdon kontrolleras av en Arduino mikrokontroller med hjälp av en Wasp-motorstyrenhet. Den tar avläsningen från fotoresistorer för att avgöra vilken sida av panelen som tar emot ljus och justerar solpanelens position tills fotoresistoravläsningarna är någorlunda lika. Detta säkerställer att solpanelen är riktad direkt mot solen och ger maximal effekt.

Komponenter

1. 1x PA-14 minilinjärt ställdon – 6 varv – 150 lb kraft.
2. 1x Sungold SGM-90W-18 90 Watts solpanel.
3. 1x Genasun GV-10 12 VDC laddningsregulator för solpaneler. 
4. 1x Arduino Micro PLC.
5. 1x Wasp Motor Controller.
6. 2x 10k ohm fotomotstånd och 2x 7k ohm motstånd. 
7. 1x 12 VDC litiumbatteri, uppladdningsbart. 
8. 1x cigarettändaruttag för 12V-tillbehör (tillval).

Motorstyrenhet

För styrdelen av denna solspårare kommer vi att använda Arduino Micro och WASP Motor Controller. Wasp Motor Controller styrs av Arduino Micro med hjälp av pulsbreddsmodulering. Wasp tar sedan ström från 12V-batteriet för att förlänga och dra in PA-14 mini-linjära ställdonet. Vi valde 150 lb kraftställdonet eftersom det drar mindre ström jämfört med en 35 lb kraftversion för den belastning vi har.

Ljussensor

För att detektera ljusintensiteten från solen använde vi ett fotomotstånd på 10 k Ohm. Ett fotomotstånd beter sig som ett variabelt motstånd som styrs av ljus. Resistansen minskar när ljusintensiteten ökar. Vi behöver två sensorer, en på panelens östra sida och den andra på den västra, för att kunna bestämma solens position.

Seriekoppla ett 10k ohm fotomotstånd och ett 7k ohm motstånd och mata in en 5V-signal från Arduino Micro. Mät spänningen över 7k ohm motståndet med hjälp av en analog ingång på Arduino Micro. Eftersom kretsen beter sig exakt som en spänningsdelare kommer den analoga avläsningen från 7k ohm motståndet att öka när ljusintensiteten ökar.

Observera att fotoresistorn är mycket känslig och du kan behöva begränsa ljuset som tas emot från solen.

För vår applikation fann vi att det fungerade bäst att rikta den mot sidan av panelen och täcka den med genomskinlig tejp.

Programmering

Det fullständiga programmet finns i nästa avsnitt under "Källkod". I det här avsnittet av artikeln förklaras programmets enskilda komponenter.

Servo-biblioteket

Servo.h-biblioteket gör det möjligt för Arduino Micro att styra RC-servomotorer via kommandon på en rad enligt följande:

minservo.skrivMikrosekunder (1000); // Ställdon full hastighet bakåt (1000)

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

minservo.skrivMikrosekunder (2000); // Ställdon full hastighet framåt (2000)

PIN-tilldelningar

Stift 10 och 11 på Arduino Micro är inställda på ström och jord för att driva WASP-styrenheten. Stift 6 och 8 på Arduino Micro är tilldelade analog 7 och 8, som är inställda på att ta avläsningar från ljussensorerna väst och öst.

Variabeldeklaration

I det här avsnittet deklareras och initieras variabler. De kommer att användas i funktionerna för att lagra avläsningar från ljussensorerna. Samplingstiden och justeringsintervallet deklareras också här. Deras värde kan ändras för att ställa in tidsintervallen mellan varje avläsning och tiden mellan varje vinkeljustering som görs på solpanelen. Startvärdet är inställt på att ta en avläsning var 10:e sekund och justera solpanelens position var 10:e minut.

Ställ in ingång och utgång

Ställ in WASP_Power och WASP_Ground som utgång för att driva WASP-styrenheten. Ställ in sensor_west_pin1 och sensor_east_pin2 som ingång för att ta avläsningar från fotoresistorernas ljussensorer.

Sensoravläsningar

Som tidigare nämnts, för att avgöra vilken riktning solpanelen ska vara vänd, använder vi två fotoresistorer som ljussensorer för att läsa av ljusintensiteten på varje sida av solpanelen. Programmet vi använde tar en provavläsning var 10:e sekund för 10 prover, och tar sedan medelvärdet av avläsningarna från de två fotoresistorerna för att jämföra.

Solpanelrörelse

Med Arduino Micro använder vi PWM-styrning för att driva ställdonet. Det är en enkel och pålitlig metod för att styra det linjära ställdonet. Beroende på vilket värde vi ställer in för PWM kan vi förlänga, dra in eller stoppa ställdonet under en valfri tidsperiod så länge det inte överskrider ställdonets arbetscykel.

Från våra sensoravläsningar har vi två genomsnittliga ljusintensitetsvärden från båda sensorerna på väst- och östsidan. Den kommer sedan att utföra rörelsekommandot för att förlänga, dra in eller förbli stillastående beroende på skillnaden mellan de två sensorernas avläsningar. Denna uppsättning kommandon kommer att köras var 10:e minut för att säkerställa att solpanelen alltid får mesta möjliga mängd solljus.

Återställning av position över natten

En annan funktion som kan implementeras med solföljaren är en återställningsfunktion. Om solföljaren lämnas igång i några dagar, måste man se till att den återställs till sin ursprungliga position nästa morgon. För detta använder vi en enkel räknarfunktion som återställer positionen om solföljaren inte har rört sig under de senaste 10 timmarna. Det indikerar att det är natt, och solföljaren återställs till sin ursprungliga position och väntar på följande dagsljus.

Se koden nedan för denna version av vår solspårare. Värdet kan alltid ändras för att passa olika regioner och årstider under året.

Källkod

Se koden vi använde nedan för denna version av vår solspårare. Tänk på att värdena alltid kan ändras för att passa olika regioner och årstider under året.

/*
 Detta program gör det möjligt för solpanelen att följa solen och driva ställdonet med hjälp av PWM. Avläsningar från två fotoresistorer kommer att tas från varje sida av solpanelen. Ett antal prover kommer att tas och en genomsnittlig avläsning kommer att beräknas för att avgöra vilken sida som har en högre solljusintensitet. Det linjära ställdonet kommer sedan antingen att förlängas eller dras in för att vinkla solpanelen så att den är vänd mot solen. En återställningsfunktion implementeras så att den flyttar solpanelen till sitt standardläge. Detta gör att solpanelen är redo att laddas på morgonen efter att ha förblivit stillastående under 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; // Skapa servoobjekt för att styra ett 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; // Solljusintensitetsavläsningar från sensorn väst int solar_input_east = 0; // Solljusintensitetsavläsningar från sensorn öst
 for( int i=0; i<10; i++) { sensor_west[i] = analogRead(sensor_west_pin1); // Tar analoga avläsningar från sensor väst sensor_east[i] = analogRead(sensor_east_pin2); // Tar analoga avläsningar från sensor öst solar_input_west = sensor_west[i] + solar_input_west; // Summerar alla ingångar från sensor väst solar_input_east = sensor_east[i] + solar_input_east; // Summerar alla ingångar från sensor öst delay(sample_time_interval); }
 solar_input_west = (solar_input_west) / 10; // Medelvärdet av insignalerna från sensorn väst solar_input_east = (solar_input_east) / 10; // Medelvärdet av insignalerna från sensorn öst
 /* SOLPANELENS RÖRELSE Solpanelen lutar mot väster om solljusintensiteten som detekteras på panelens västsida är större än den som detekteras på östsidan. Solpanelen lutar mot öster om solljusintensiteten som detekteras på östsidan är större än den som detekteras på västsidan. Men om avläsningarna från båda sidor är lika, kommer solpanelen att förbli stationär. */
 if( solar_input_west - solar_input_east> 20) // Om solljusintensiteten är högre på panelens västra sida { myservo.writeMicroseconds(2000); // Full fart framåt (2000) signal som drar solpanelen åt vänster (väst) delay(500); //0.5 sekunder reset_counter = 0; } else if( solar_input_east - solar_input_east> 20) // Om solljusintensiteten är högre på panelens östra sida { myservo.writeMicroseconds(1000); // Full fart bakåt (1000) signal som drar solpanelen åt höger (öst) delay(500); //0.5 sekunder reset_counter = 0; } 
 annars // Om solljusintensiteten är lika från båda sidor av panelen { myservo.writeMicroseconds(1520); // Stationär (1520) signal stoppar solpanelen från att röra sig reset_counter++; } delay(solar_panel_adjustment_interval); // Fördröjning innan ytterligare en justering görs
/* ÅTERSTÄLLNING AV ÖVERNATTSPOSISION
 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; }
}

Enaxlig spårningshårdvara

Det finns otaliga sätt att skapa en enaxlig solföljare. Den enklaste metoden är att konstruera ramen med PVC-rör och vinklade PVC-skarvar. Den viktigaste delen är möjligheten att spåra, vilket kan uppnås genom att använda ett enkelt PA-14 minilinjärt ställdon och en BRK-14 fäste.

För vår byggnation valde vi en stativram och använde 3D-printade delar för att skapa leder och fästen. Detta gjorde det möjligt för oss att skapa en mycket portabel solföljarram med optimal lutning och spårningsförmåga. För en visuell översikt över vår byggprocess, kolla in vår YouTube-kanal.

Komponenter

1. 3/4 tumm kopparrör.
2. 1x 3/4-tums ändkåpa för kopparrör. 
3. 3x 3/4 varv kugghjulsklämma. 
4. 3/4-tums PVC-rör.
5. 1x 1 växelklämma.
6. 5x M6-bult, mutter och bricka.
7. Olika 3D-printade fästen.
8. 2x Monteringsstift för ställdon (finns i setet BRK-14).
9. 1x PA-14 minilinjärt ställdon.

Optimal lutning

Förutom att lägga till möjligheten att spåra solen, är ett annat sätt att öka solpanelens effektivitet att justera den fasta lutningen baserat på din plats. Den optimala lutningen bestäms av din plats latitud. Mer information om detta finns på den här länken: Solpanellutning.

Här har vi en måttritning från sidan som visar hur vi beräknade vår trackers lutning. Du kan beräkna längd B med hjälp av följande ekvation:

Tillverkning och montering

För en visuell överblick över vår byggprocess har vi laddat upp en YouTube-video.

Steg

1. Beräkna de längder som behövs för att uppnå optimal lutning.
2. Samla alla komponenter som behövs.
3. Fäst fästena på solpanelen genom att borra hål och fästa dem med lämpliga bultar. 
4. Kapa koppar- och PVC-rören till rätt längd.
5. Måla och slipa koppar- och PVC-rören.
6. Fäst fästena på rören och säkra dem med kugghjulsklämmor. 
7. Montera PA-14 minilinjära ställdon och säkra det med BRK-14 ställdons monteringsstift.

Det nya och förbättrade PA-01 ministälldon (PA-14-uppgradering) är den nuvarande modellen vi erbjuder med en mängd olika fördelar. För en jämförelse, kolla in tabellerna nedan och uppgradera tryggt!

Slutsats

Sanningen är att solenergi verkligen kommer att ersätta fossila bränslen inom en snar framtid. Med tanke på att folk redan kommer på nya sätt att öka effektiviteten hos solpaneler återstår det att se vad framtiden har att erbjuda för energibranschen. Vi hoppas att du gillade vår artikel och video om att skapa en bärbar solcellsspårare.