Трекер с солнечными батареями ed 1000. Двухосевой солнечный трекер на Arduino

Для начала, наверное, стоит рассказать, что в этой статье понимается под солнечным трекером. Коротко говоря, устройство представляет собой подвижную подставку под солнечную панель, нужную, чтобы в условиях наших умеренных широт панель собирала достаточное количество света, меняя своё положение вслед за солнцем.

В данном случае прототип солнечного трекера собирался на базе Arduino. Для вращения платформы в горизонтальной и вертикальной оси используются сервоприводы, угол поворота которых зависит от мощности падающего на фоторезисторы света. В качестве корпуса используется всеми любимый советский металлический конструктор.

Нелишним будет упомянуть, что всё это делалось как курсовой проект, поэтому я не стал заниматься приобретением и креплением собственно, самой солнечной панели и аккумулятора, так как их наличие не имеет отношения к работе трекера. В оправдание могу сказать, что возможности советского металлического конструктора необъятны, так что прикрутить к нему небольшую солнечную панель для зарядки телефона не составит особенного труда, если возникнет такое желание.

Итак, что использовалось при сборке:

• Arduino MEGA 2560 R3
• Сервопривод Tower SG90 - 2x
• Фоторезистор MLG4416 (90mW; 5-10kOhm/1.0MOhm) - 4x
• Звонок пьезоэлектрический KPR-G1750
• Металлический конструктор
• Резистор выводной 10 kOhm; 0,25W; 5% - 4x
• Печатная макетная плата, корпус, шнуры для соединения

Mega использовалась исключительно по причине её наличия в шкафу на момент утверждения темы проекта, если учитывать покупку всех элементов с нуля, то в данном случае вполне себе хватит и Uno, но выйдет, конечно, дешевле.

Внезапно оказавшийся в списке спикер потребовался для пущего эффекта высокотехнологичности. Дело в том, что сервоприводы могут поворачиваться только на 180 градусов, да большего нам и не требуется, при учёте того, что следим мы за солнцем. Но при тестировании работы проекта, когда за солнцем в две минуты демонстрации особо не последишь, оказалось, что неплохо было бы сигнализировать, в какой момент стоит перестать размахивать фонариком, потому что сервопривод достиг мёртвой зоны. Для этого и был добавлен вышеупомянутый звонок.

Итак, начнём собирать трекер. Для начала разделим предстоящий фронт работ на условные четыре этапа: сборка подставки для солнечных панелей и крепление сервоприводов, крепление к собранной конструкции светочувствительных элементов, пайка и написание кода для Arduino.

Фигура первая: конструкторская

Путём интенсивного поиска была найдена парочка примеров конструкции подобных устройств. Наибольшего внимания удостоились два:

• www.youtube.com/watch?v=SvKp3V9NHZY – победитель в номинации «Подача материала» проиграл в надёжности и практичности устройства: конструкция представляет собой соединение двух сервоприводов напрямую.
• www.instructables.com/id/Simple-Dual-Axis-Solar-Tracker - собственно, отсюда и была взята основная идея моей конструкции, за исключением материала и общего внешнего вида поворотного корпуса.

Сборка из металлического конструктора была сопряжена с определёнными трудностями: пришлось подогнать дрелью отверстия для подключения сервоприводов, а также надёжно приклеить их к платформам в двух плоскостях. То, что получилось, показано на видео ниже.

Фигура вторая: схемотехническая

Главной задачей крепления фоторезисторов было даже не их подключение, а обеспечение разделения света для каждого из четырёх элементов. Понятно, что оставить их без каких-нибудь перегородок было нельзя, так как тогда значения, получаемые с фоторезисторов, были бы примерно одинаковы и поворота бы не получилось. Тут, к сожалению, возможности металлического конструктора подвели, главным образом из-за наличия во всех деталях отверстий. Найти подходящей металлической детали не получилось, поэтому мой солнечный трекер обзавёлся инновационной перегородкой из картона. Несмотря на достаточно убогонький вид, своё предназначение она выполняет отлично.

Фоторезисторы к корпусу прикреплены вполне надёжно, единственное, с чем стоило бы поработать – это с аккуратностью их расположения на платформе: сейчас они смотрят вверх недостаточно перпендикулярно, что может расстраивать перфекционистов и слегка портить точность поворота.

Немного схемотехники: подключение светочувствительных элементов осуществляется по схеме делителя напряжения, для чего потребовались указанные в списке элементов выводные резисторы. Все фоторезисторы припаяны к общему контакту, подключенному к пятивольтному выходу питания Arduino. Для удобства и эстетики ноги фоторезисторов припаяны к контактам двух трёхжильных изолированных проводов (один контакт остался неиспользуемым и спрятан). Все схемотехнические детали можно рассмотреть на схеме ниже.

Фигура третья: паяльная

Что-либо подробно описывать тут не несёт особого смысла, поэтому просто прилагаю фото используемых материалов и полученную в результате макетную плату.

Фигура четвёртая: с новым кодом!

Общий алгоритм работы заключается в обработке данных с фоторезисторов при помощи АЦП. Имеем 4 элемента, то есть 4 показания, находим среднее показание по левой стороне ((верхний левый + нижний левый) / 2), аналогично по правой, верхней и нижней сторонам. Если разница по модулю между левой и правой стороной больше порога, то осуществляем поворот в сторону с большим средним значением. Аналогично для верха и низа. Особые плюшки в коде: можно задавать вручную чувствительность срабатывания и максимальный и минимальный угол в двух плоскостях. Листинг рабочего кода приведён ниже.

Код

#include Servo horizontal; int servoh = 90; int servohLimitHigh = 180; int servohLimitLow = 0; Servo vertical; int servov = 45; int servovLimitHigh = 180; int servovLimitLow = 0; int ldrlt = A2; //LDR top left - BOTTOM LEFT int ldrrt = A3; //LDR top rigt - BOTTOM RIGHT int ldrld = A1; //LDR down left - TOP LEFT int ldrrd = A0; //ldr down rigt - TOP RIGHT int buzz_pin = 10; int buzz_tone = 20; int tol = 50; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(buzz_pin, OUTPUT); horizontal.attach(31); vertical.attach(30); horizontal.write(servoh); vertical.write(servov); } void loop() { int lt = analogRead(ldrlt); // top left int rt = analogRead(ldrrt); // top right int ld = analogRead(ldrld); // down left int rd = analogRead(ldrrd); // down rigt int avt = (lt + rt) / 2; // average value top int avd = (ld + rd) / 2; // average value down int avl = (lt + ld) / 2; // average value left int avr = (rt + rd) / 2; // average value right int dvert = abs(avt - avd); // check the diffirence of up and down int dhoriz = abs(avl - avr);// check the diffirence of left and right Serial.print("avt: "); Serial.print(avt); Serial.print(" "); Serial.print("avd: "); Serial.print(avd); Serial.print(" "); Serial.print("avl: "); Serial.print(avl); Serial.print(" "); Serial.print("avr: "); Serial.println(avr); Serial.print("h: "); Serial.print(servoh); Serial.print(" "); Serial.print("v: "); Serial.print(servov); Serial.print(" "); if (dhoriz > tol) { if (avl > avr) { if (servoh - 1 >= servohLimitLow) servoh--; else beep(150); } else if (avl < avr) { if (servoh + 1 <= servohLimitHigh) servoh++; else beep(150); } horizontal.write(servoh); } if (dvert > tol) { if (avt > avd) { if (servov + 1 <= servovLimitHigh) servov++; else beep(100); } else if (avt < avd) { if (servov - 1 >= servovLimitLow) servov--; else beep(100); } vertical.write(servov); } } void beep(unsigned char delayms){ analogWrite(buzz_pin, buzz_tone); delay(delayms); analogWrite(buzz_pin, 0); delay(delayms); }

Результат работы

Заключение – что бы я сейчас изменил в проекте

1. Усовершенствование алгоритма работы: зависимость градуса поворота от разницы значений, получаемых с фоторезисторов, то есть поворот сразу на несколько градусов.
2. Идеально перпендикулярное крепление фоторезисторов к платформе.
3. Bluetooth для отсутствия проводов – конечно, идея неплоха, но потребует значительной доработки конструкции и приобретения второй ардуины.
4. Использование сервоприводов с металлическими шестернями (надёжность и более уверенные повороты не помешают, особенно если таки добавить к конструкции солнечную панель и использовать её по назначению).

Как известно, показывают наибольшую производительность, если расположены под прямым углом к солнечным лучам. Но в течении дня солнце движется по небу – так устроен мир и с этим ничего не поделаешь. Для слежения за движением светила и разворота панелей в нужной плоскости придумано много различных высокотехнологичных и дорогостоящих устройств (солнечных трекеров), однако также существует и доступная альтернатива – ротатор, который можно соорудить своими руками.

Оригинальное и простое решение было предложено выпускницей Пристонского университета Иден Фулл (Eden Full). Созданное ею устройство под названием SunSaluter представляет собой механический ротатор, который работает за счет силы притяжения и воды. Нехитрый девайс изобретательницы, работающий по принципу водяных часов , позволяет поворачивать фотоэлектрические модули в нужном направлении и, таким образом, увеличивать их эффективность на 30% без использования сложной электроники и дополнительных затрат энергии.

Но главным достоинством предложенной конструкции является то, что сделать механический трекер для солнечных батарей можно своими руками: для этого потребуются подручные материалы, которые есть в каждом хозяйстве. Чтобы продемонстрировать, насколько простым является разработанный ею способ, Иден создала наглядное пошаговое руководство:

Шаг 1 : Утро. Наберите 6 литров воды в две пластиковые бутылки.

Шаг 2 : Закрепите бутылки на одной стороне солнечной панели, а противовес – на другой. Настройте капельный механизм.

Шаг 3 : Вода из бутылок истекает в емкость и панель вращается вслед за солнцем.

Шаг 4 : Вечер. Получаете на 30% больше электроэнергии и перенастраиваете механизм на следующий день.

Стоит отметить, что устройство SunSaluter является не только доступным солнечным ротатором, но и выступает в качестве водного фильтра. Сейчас девайс при поддержке некоммерческой организации 501c3 работает в различных развивающихся странах. Пример того, как самодельный трекер помогает бедным индийским семьям, представлен на следующем видео:

Общая дисперсия света солнца, которая использовалась ранее, не давала отменного результата. Точнее сказать, тот результат, который человечество получало, нельзя было при всех его показателях назвать идеальным. Солнечные батареи устанавливались стационарно и пребывали в одном зафиксированном положении. Система слежения за солнцем сняла эту проблему.

Максимальная энергия, которую можно получить, будет генерирована в случае перпендикулярного направления солнечных лучей на плоскость батарей. В обратном случае эффективность солнечных батарей крайне мала – приблизительно 10-15%. Если использовать систему автоматического наведения батарей на солнце, можно повысить результат на 40%.

Как это работает

Устройство слежения состоит из двух важных частей: механизма, который осуществляет поворот и наклон батарей в нужную сторону и электронной схемы, которая приводит в действие механизм.

Расположение батарей определяется географической широтой местности, где они должны быть установлены. К примеру, нужно установить батареи в местности, которая соответствует 330 северной широты. Это значит, что ось устройства должна быть повернута на 330 по отношению к горизонту земли.

Само вращение возможно благодаря двигателем, работа которого регулируется автоматикой. Автоматика «следит» за местом расположения Солнца на небоскребе и по мере его продвижения в западном направлении дает сигнал двигателю делать поворот всех батарей.

Интересным и любопытным выдается тот факт, что питание для двигателя идет от самих солнечных батарей. Слежение за солнцем делает само солнце, а это тоже экономия средств.

Особенности конструкции

Для детального восприятия приведем пример, как использовались солнечные лучи батареями ранее. Например, солнечная батарея выполнена из двух панелей, каждая из которых содержит три элемента. Элементы соединены параллельно. Панели монтируются таким образом, чтобы между ними был прямой угол. В таком случае минимум одна панель в любом случае будет «впитывать» солнечные лучи.

Панели образуют угол в 900, биссектриса которого направлена строго на солнце. Если всю конструкцию повернуть на 450 вправо или влево, одна панель будет работать, вторая – бездействовать. Такая позиция использовалась для того, чтобы улавливать солнечные лучи одной батареей в первую половину дня, а во второй половине за дело принимается вторая батарея.

Однако с применением поворотного устройства автоматического слежения, можно навсегда забыть о проблемах расположения батарей. Теперь все они без исключения будут иметь обращенные под углом 900 поверхности к солнцу.

Схема автоматического поворота должна также для большей эффективности работы учитывать наличие факторов, которые ограничивают энергию солнечных лучей. Нет смысла использовать питание в случае тумана, дождя или облачности, когда солнце спрятано полностью или частично.

Особенности устройства

Автоматические системы слежения промышленного производства более прогрессивны как в техническом плане, так и в эстетическом. Однако это вовсе не значит, что устройства, которые были изготовлены в домашних условиях, являются неполноценными. Они могут иметь некоторые недочеты, но в любом случае имеют высокий показатель.

За что покупают и чем привлекает вся конструкция:

• Устройства не требуют компьютерной настройки и программного обеспечения;
• GPS-приемник считывает данные о местном времени, а также о местоположении;
• Легкий вес, что достигается использованием легких металлов (алюминий и его сплавы);
• Наличие коммуникационного порта дает возможность вовремя диагностировать неполадки в работе;
• Ременной привод, приводящий в действие механизм более надежный, чем шестеренный;
• GPS-приемник всегда обновляет данные о времени, так что сбой исключен – например, работа в ночное время невозможна;
• Любая конструкция требует минимального вмешательства со стороны человека;
• Позволяют работать при любых возможных атмосферных влияниях, в том числе низких и высоких температур;

Возможность изготовления своими руками

Если есть возможности и желание, то всегда можно попробовать изготовить устройство самому. Конечно, это несколько тяжело, ведь потребуется не только глубокое знание и навыков в электромоделировании, но и дополнительные усилия для изготовления самой мачты, при монтаже солнечных батарей и т.п.

Внимательно изучив форумы, можно смело заявлять о том, что есть профессионалы не промышленного уровня. В разных регионах (где это целесообразно и рентабельно) уже давно не диковинкой стало использование солнечных батарей при наличии поворотной системы слежения.

Разные мастера предлагают свои схемы, наработки, делятся опытом. Так что, если возникла потребность усовершенствовать конструкцию солнечных батарей и повысить производительность, всегда есть возможность сделать это самостоятельно, не задействовав при этом максимума финансовых средств.

Солнечная установка "Коловрат-Р" явилась решением по максимальной оптимизации и удешевлению с сохранением тех возможностей, которые были реализованы в установке автоматического слежения за солнцем "Коловрат".
В первую очередь - это удешевление самой несущей конструкции. За счёт отказа от автоматики существенно снижена её стоимость.
Второе, - применение новейших высокоэффективных солнечных батарей с КПД до 19% против 13-14% как у большинства нынешних. Применение таких солнечных модулей позволяет сократить площадь батарей, их вес, а следовательно нагрузку на треккер. Данный треккер не рассчитан на установку большого количества солнечных модулей. И такая "прибавка" весьма существенна. Ведь каждый дополнительный ватт установленной мощности будет использоваться с максимальной эффективностью за счёт поворота модулей.
Представьте сами. Если ранее на наш треккер можно было установить солнечных батарей максимум на 800 Вт, то теперь это - 975 Вт, - почти киловатт!!! Соответственно, если ранее суточная выработка могла составлять от 4 до 5,6 кВт/час, то теперь - от 4,9 до 6,8 кВт/час. Это в средней полосе России, а в южных районах - до 10 кВт/ час в сутки. Для дачного дома или небольшого коттеджа - это практически полная автономия!

Условия эксплуатации и преимущества "Коловрат-Р"

Данная утановка реализует все основные возможности автоматического солнечного треккера:
1) Возможность изменения угла наклона солнечных батарей от зимы к лету.
2) Возможность поворота по азимуту. При этом, угол поворота по азимуту у данной установки даже больше чем у автомата. Поворачивать солнечные батареи можно на 360 град. А у автоматичского треккера угол поворота несколько меньше 180-ти градусов. При этом известно, что в летнее время движение солнца от восхода до заката над горизонтом происходит в секторе большем 180 град. и такая возможность может оказаться совсем не лишней.

Итак, есть два варианта эксплуатации установки "Коловрат-Р".
Первый, - выставив оптимальный для данного времени года угол наклона солнечных батарей и задав направление на юг, оставить их в этом положении. Будет реализован вариант монтажа солнечных батарей на крыше, только с более точной юстировкой, поскольку плоскость крыши находится не всегда в оптимальном положении по отношению к солнцу.
Второй вариант, - проделав операции указанные выше, несколько раз в день (хотя бы раз-два) повернуть вручную солнечные батареи вслед за солнцем. Вследствии этого эффективность их работы резко вырастет.

Таким образом, для обеспечения себя электроэнергией на любом объекте Вам не придётся искать и дырявить крышу, карабкаться на неё. Не придётся думать достаточно ли хорошо плоскость крыши развёрнута к солнцу. Не нужно думать куда спрятать провода и как их протянуть от солнечных батарей до места установки аккумуляторов, чтобы это расстояние было небольшим. Поскольку само место установки батарей можно выбрать оптимально близко к аппаратной. Об эффективности работы батарей я уже и не говорю.

Несколько слов о монтаже установки

Монтируется установка на земле, в любом удобном освещённом месте рядом со строением. Площадь занимает минимальную, так как растяжек не требуется, в землю опускается только труба, а солнечные батареи располагаются на высоте, не мешая проходу.
При установке мачты не обойтись без бетонирования, но оно минимально, вполне доступно выполнения своими силами.

Отдельно стоит вопрос доставки. Ведь тут речь идёт не о коробках и рейках, а о металоконструкциях, причём довольно длинных. Этот вопрос нужно оговаривать. Мы же, со своей стороны, можем предложить полный комплекс услуг по доставке и монтажу. При этом мы можем доставить оборудование на объекты подъезд к которым на обычном легковом или грузовом транспорте затруднён.

Теперь о цене

Без учёта дополнительного оборудования (аккумуляторов и инвертора) цена установки будет составлять - 125 000 руб. (цена может быть скорректирована на момент времени заказа).