Система слежения за солнцем. Как сделать простой солнечный трекер, пошаговая инструкция (видео) - ЭкоТехника Трекеры для солнечных панелей своими руками
До сих пор при эксплуатации солнечных батарей мы довольствовались общей дисперсией солнечного света. Правда, учитывались некоторые сезонные изменения, а также время суток (ориентирование в направлении восток — запад). Тем не менее солнечные батареи оставались более или менее зафиксированными в однажды найденном рабочем положении. В ряде случаев мы даже не придавали этому особого значения, приблизительно выставляя батарею в направлении солнца.
Однако из опыта известно, что солнечные элементы генерируют максимальную энергию, только когда они располагаются точно перпендикулярно направлению солнечных лучей, а это может случиться только один раз в день. В остальное время эффективность работы солнечных элементов составляет менее 10 %.
Предположим, что вы смогли проследить за положением солнца на небосклоне? Другими словами, что случилось бы, если бы вы поворачивали солнечную батарею в течение дня так, чтобы она всегда была направлена непосредственно на солнце? Только благодаря изменению этого параметра вы повысили бы полную отдачу от солнечных элементов приблизительно на 40 %, что составляет чуть ли не половину вырабатываемой энергии. Это означает, что 4 ч полезной солнечной интенсивности автоматически превращаются почти в 6 ч. Следить за солнцем совсем не сложно.
Следящее устройство состоит из двух частей. Одна из них объединяет механизм, приводящий в движение приемник солнечного излучения, другая — электронную схему, управляющую этим механизмом.
Был разработан ряд методов слежения за солнцем. Один из них основан на креплении солнечных элементов на держателе, параллельном полярной оси 11. Возможно, вы слышали о подобных устройствах, называемых экваториальными следящими системами. Это популярный термин, используемый астрономами.
Благодаря вращению Земли нам кажется, что Солнце движется по небосклону. Если бы мы учли это вращение Земли, Солнце, образно выражаясь, «остановилось» бы. Подобным образом действует экваториальная следящая система. Она имеет вращающуюся ось, параллельную полярной оси Земли.
Если закрепить за ней солнечные элементы и вращать их вперед и назад, получится имитация вращения Земли (рис. 1).
Угол наклона оси (полярный угол) определяется географическим положением и соответствует широте места, в котором смонтировано устройство. Предположим, вы живете в местности, соответствующей 40° с. ш. Тогда ось следящего устройства будет повернута на угол 40° к горизонту (на Северном полюсе она перпендикулярна поверхности Земли, рис. 2).
Вращение солнечных элементов на восток или запад относительно этой наклонной оси будет имитировать движение солнца по небосклону. Если мы будем поворачивать солнечные элементы с угловой скоростью вращения Земли, мы сможем полностью «остановить» Солнце.
Это вращение осуществляется механической системой следящего устройства. Для вращения солнечных элементов вокруг оси необходим двигатель. В любой момент суточного движения солнца плоскость солнечных батарей будет теперь перпендикулярна направлению солнечных лучей.
Электронная часть следящего устройста выдает ведущему механизму информацию о положении Солнца. По электронной команде панель устанавливается в нужном направлении. Как только солнце сместится к западу, электронный регулятор запустит электродвигатель до тех пор, пока снова не восстановится нужное направление панели на солнце.
Новизна нашего следящего устройства состоит не только в осуществлении ориентации солнечных элементов на солнце, но и в том, что они питают управляющий электронный «мозг». Это достигается благодаря уникальной комбинации конструктивных и электрических характеристик устройства.
Рассмотрим сначала особенности конструкции устройства, обратившись к рис. 3. Солнечная батарея состоит из двух панелей, содержащих по три элемента, соединенных последовательно и размещенных на плоскостях прозрачного пластмассового корпуса. Панели соединены параллельно.
Эти панели монтируются под прямым углом друг к другу. В результате по крайней мере один из модулей будет постоянно освещен солнцем (с учетом рассмотренных ниже ограничений).
Сначала рассмотрим случай, когда все устройство расположено так, что биссектриса угла, образованного панелями, направлена точно на солнце. При этом каждая панель наклонена под углом 45° к солнцу (рис. 4) и вырабатывает электрическую энергию.
Если повернуть устройство на 45° вправо, правая панель займет параллельное положение, а левая — перпендикулярное солнечным лучам. Теперь только левая панель генерирует энергию, правая — бездействует.
Повернем устройство еще на 45°. Свет продолжает попадать на левую панель, но под углом 45°. Как и раньше, правая сторона не освещается и, следовательно, не генерирует никакой энергии.
Можно повторить подобное вращение и в левую сторону, при этом правая панель будет генерировать энергию, а левая — бездействовать. В любом случае хотя бы одна батарея вырабатывает электроэнергию. Поскольку панели соединены параллельно, устройство всегда будет вырабатывать электроэнергию. Во время нашего эксперимента модуль вращался на 180°.
Таким образом, если конкретное устройство закрепить так, чтобы стык панелей был направлен на полуденное солнце, на выходе солнечной батареи всегда будет вырабатываться электрическое напряжение независимо от положения солнца на небосклоне. От рассвета и до заката какая-то часть устройства будет освещаться солнцем. Прекрасно, но зачем все это? Сейчас узнаете.
Чтобы следить за движением солнца по небосклону, электронная схема управления должна выполнять две функции. Прежде всего она должна решить, есть ли вообще необходимость в слежении. Нет смысла тратить энергию на работу электромотора, если отсутствует достаточное солнечное освещение, например при наличии тумана или облачности. Вот для какой цели прежде всего необходимо описанное выше устройство!
Чтобы понять принцип его действия, обратимся к электронной схеме, приведенной на рис. 3. Сначала сконцентрируем свое внимание на реле RL 1. Для упрощения дальнейших рассуждений предположим, что транзистор Q1 находится в состоянии насыщения (проводит ток), а транзистор Q2 отсутствует.
Реле RL 1 — элемент схемы, реагирующий на протекающий через него ток. В реле имеется проволочная катушка, в которой энергия электрического тока преобразуется в энергию магнитного поля. Напряженность поля прямо пропорциональна силе тока, протекающего через катушку.
При увеличении тока наступает момент, когда напряженность поля возрастает настолько, что якорь реле притягивается к сердечнику обмотки и контакты реле замыкаются. Этому моменту соответствует так называемый порог срабатывания реле.
Теперь ясно, почему реле используется при измерении пороговой интенсивности солнечной радиации с помощью солнечных элементов. Как вы помните, ток солнечного элемента зависит от интенсивности света. В нашей схеме к реле фактически подключены две солнечные панели, и пока они не генерируют ток, превышающий порог срабатывания, реле не включается. Таким образом, именно количество падающего света определяет порог срабатывания.
Если сила тока чуть меньше минимального значения, то схема не работает. Реле и солнечная батарея подобраны так, что реле срабатывает при интенсивности света, достигающей 60 % от максимальной величины.
Так решается первая задача следящей системы — определение уровня интенсивности солнечного излучения. Замкнутые контакты реле включают электродвигатель, и система начинает искать ориентацию на солнце.
Вот мы и подошли к следующей задаче, а именно к нахождению точной ориентации солнечной батареи на солнце. Для этого вернемся к транзисторам Q1 и Q2.
В коллекторной цепи транзистора Q1 стоит реле. Чтобы включить реле, необходимо закоротить транзистор Q1. Резистором R1 задается ток смещения, которым открывается транзистор Q1.
Транзистор Q2 представляет фототранзистор, его базовая область освещается светом (у обычных транзисторов на базу подается электрический сигнал). Ток коллектора фототранзистора прямо пропорционален интенсивности света.
Резистор R1 кроме того, что он задает ток смещения транзистора Q1, используется также в качестве нагрузки транзистора Q2. Когда база транзистора Q2 не освещается светом, коллекторный ток отсутствует и весь ток, проходящий через резистор R1, течет через базу, насыщая транзистор Q1.
По мере увеличения освещения фототранзистора начинает течь коллекторный ток, который протекает только через резистор R1. Согласно закону Ома, увеличение тока через фиксированный резистор /?1 приводит к возрастанию на нем падения напряжения. Таким образом, изменяется и напряжение на коллекторе Q2.
Когда это напряжение станет меньше 0,7 В, произойдет предсказанное явление: пропадает смещение транзистора Q1 в силу того, что ему требуется по крайней мере 0,7 В, чтобы протекал базовый ток. Транзистор Q1 перестанет проводить ток, реле RL1 выключится, и его контакты разомкнутся.
Этот режим работы будет иметь место только тогда, когда транзистор Q2 направлен непосредственно на солнце. При этом поиск точной ориентации на солнце прекращается благодаря размыканию цепи питания двигателя контактами реле. Теперь солнечная батарея точно направлена на солнце.
Когда солнце уходит из поля зрения транзистора Q2, транзистор
Q1 включает реле и механизм снова приходит в движение. И опять находит солнце. Поиск повторяется многократно при движении солнца по небосклону в течение дня.
К вечеру интенсивность освещения падает. Солнечная батарея уже не может генерировать количество энергии, достаточное для питания электронной системы, и контакты реле размыкаются в последний раз. Ранним утром следующего дня солнце освещает батарею следящей системы, ориентированную на восток, и работа схемы начинается снова.
Аналогичным образом происходит размыкание контактов реле, если освещенность снижается из-за плохой погоды. Предположим, например, что с утра прекрасная погода и следящая система начала работу. Однако в полдень небо стало хмуриться и снижение освещенности привело к прекращению работы следящей системы до тех пор, пока небо снова не прояснится после полудня, а может быть, на следующий день. Когда бы это ни произошло, следящая система всегда готова возобновить работу.
Смастерить устройство слежения достаточно просто, поскольку значительная часть деталей изготовляется из органического стекла.
Однако очень важным моментом является согласование характеристик солнечных батарей и реле. Необходимо отобрать элементы, генерирующие ток 80 мА при максимальной интенсивности солнечного излучения. Отбор можно осуществить с помощью тестирования. Я обнаружил, что серповидные элементы выдают в среднем ток около 80 мА. Поэтому из всех типов элементов, поступающих в продажу, для своего устройства я использовал именно эти элементы.
Обе солнечные панели аналогичны по конструкции. Каждая содержит три элемента, которые соединены последовательно и прикреплены к пластинам из оргстекла размером 10x10 см2. Элементы будут постоянно подвержены воздействию окружающей среды, поэтому для них необходимо предусмотреть меры защиты.
Неплохо бы сделать следующее. Поместите готовую батарею на пластину из оргстекла, положенную на плоскую металлическую поверхность. Сверху накройте батарею сравнительно толстым (0,05—0,1 мм) слоем лавсановой пленки. Основательно прогрейте полученную конструкцию паяльной лампой, чтобы пластмассовые детали расплавились и спаялись вместе.
При этом будьте осторожны. Если положить пластину из оргстекла на недостаточно плоскую поверхность или перегреть ее, она может покоробиться. Все должно происходить аналогично приготовлению сэндвича с сыром на гриле.
По окончании проверьте надежность герметизации, в особенности по краям солнечных элементов. Может быть, потребуется слегка обжать края лавсана, пока он еще горячий.
После того как панели достаточно остынут, склейте их вместе согласно рис. 5 и соедините их параллельно. Не забудьте припаять к батареям выводы, прежде чем собирать устройство.
Следующим важным элементом конструкции является реле. Практически реле представляет собой катушку, намотанную на гер-коновый контакт небольшого размера.
Обмотка реле состоит из 420 витков эмалированного медного провода № 36, намотанного на каркас достаточно малого размера, чтобы в него с натягом входил герконовый контакт. Я использовал в качестве каркаса соломинку для коктейля. Если вы прикоснетесь горячим лезвием ножа к концам соломинки, образуются как бы щечки каркаса, предохраняющие обмотку от сползания за края. Полное сопротивление обмотки должно составлять 20—30 Ом. Вставьте геркон в каркас и зафиксируйте его каплей клея.
Затем присоедините к реле транзистор Q1 и резистор R1. Не подключая транзистор Q2, подайте электропитание от солнечных элементов и проверьте работоспособность схемы.
Если все работает правильно, реле должно срабатывать, когда интенсивность солнечного света составляет около 60 % полной интенсивности. Для этого можно просто прикрыть 40 % поверхности солнечных элементов непрозрачным материалом, например картоном.
В зависимости от качества геркона, возможно, будут наблюдаться некоторые отклонения от идеального значения. Приемлемо начало работы реле при интенсивности света, составляющей 50—75 % максимально возможной величины. С другой стороны, если вы не уложились в эти пределы, необходимо изменить либо количество витков обмотки реле, либо ток солнечной батареи.
Количество витков обмотки реле следует менять в соответствии со следующим правилом. Если реле срабатывает раньше, количество витков необходимо уменьшить, если позже — увеличить. Если вы хотите поэкспериментировать с изменением тока солнечной батареи, подключите к ней шунтирующий резистор.
Теперь подсоедините к схеме фототранзистор Q2. Его надо поместить в светонепроницаемый корпус, иначе он не будет правильно работать. Для этого возьмите медную или алюминиевую трубу длиной около 2,5 см и диаметром, соответствующим диаметру корпуса транзистора.
Один конец трубы следует расплющить так, чтобы осталась щель шириной 0,8 мм. Закрепите трубу на транзисторе. Готовая схема управления, содержащая элементы Q1, Q2, R1 и RL 1, с целью герметизации заливается жидким каучуком.
От устройства выводятся четыре привода: два — от контактов реле, два — от солнечных батарей. Для заливки жидкого каучука используется форма из плотной бумаги (типа почтовой карточки). Для ее изготовления листом бумаги оберните карандаш и закрепите бумагу, чтобы она не развернулась После засыхания слоя полимера вокруг схемы удалите бумажную форму.
Эксплуатировать следящее устройство достаточно просто. Для начала соберите несложный следящий механизм.
Укрепите вашу батарею на вращающейся оси. Вы можете закрепить батарею на подходящей раме, после чего присоединить раму к трубе, используя подшипники трения или качения. Затем установите мотор с редуктором для вращения рамы вокруг оси. Это можно сделать множеством способов.
Поскольку реле выполняет лишь функции включения и выключения в электронной схеме, необходимо иметь элементы, которые переключали бы напряжение вращения электромотора. Для этого необходимы концевые выключатели, располагаемые в крайних положениях рамы. Они подключаются согласно схеме, приведенной на рис. 6.
Из рисунка видно, что это простая схема переключателя полярности При подаче питания электромотор начинает вращаться. Направление его вращения зависит от полярности источника питания.
В момент подачи питания реле переключения полярности RL1 2) не срабатывает, потому что цепь питания его обмотки разорвана нормально разомкнутыми контактами. Электромотор вращает раму по направлению к концевому выключателю № 1. Этот выключатель расположен так, что рама упирается в нею только в крайнем положении своего вращения.
При замыкании этого выключателя срабатывает реле RL 1, которое меняет полярность питающего напряжения электромотора, и последний начинает вращаться в противоположном направлении. Хотя концевой контакт № 1 снова размыкается, реле остается включенным благодаря тому, что его контакты замкнуты.
При нажатии рамы на концевой выключатель № 2 цепь питания реле RL 1 размыкается и реле выключается. Направление вращения мотора снова изменяется, и слежение за небосводом продолжается.
Цикл прерывается только с помощью герконового реле RL 1 из схемы слежения за интенсивностью солнечного излучения, которое управляет схемой питания электромотора. Однако реле RL 1 — слаботочный прибор и не может непосредственно коммутировать ток мотора. Таким образом, герконовое реле коммутирует вспомогательное реле, которое управляет электромотором, как показано на рис. 6.
Солнечные батареи системы слежения необходимо расположить вблизи механизма вращения. Угол их наклона должен совпадать о углом наклона полярной оси, а стык батарей направлен на полуденное солнце. Электронный модуль подключается непосредственно к устройству вращения. Щель крышки фототранзистора сориентируйте параллельно полярной оси. Тем самым учитываются сезонные изменения в положении солнца над горизонтом.
Список деталей
Q1—2N2222, транзистор
Q2—FPT-100, фототранзистор
R1—1000 Ом, резистор
RL1 — реле (см. текст)
6 кремниевых солнечных элементов, каждый нз которых генерирует ток 80 мА
Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.
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.
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
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.
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
Результат работы
Заключение – что бы я сейчас изменил в проекте
- Усовершенствование алгоритма работы: зависимость градуса поворота от разницы значений, получаемых с фоторезисторов, то есть поворот сразу на несколько градусов.
- Идеально перпендикулярное крепление фоторезисторов к платформе.
- Bluetooth для отсутствия проводов – конечно, идея неплоха, но потребует значительной доработки конструкции и приобретения второй ардуины.
- 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).
После начала использования солнечных батарей для производства электроэнергии в промышленных масштабах инженеры и проектировщики стали искать способы по повышению эффективности таких электростанций. Общая дисперсия света Солнца, которая определяется изменением направления падения солнечных лучей на фотоэлементы, не позволяла эффективно использовать солнечные батареи в течение всего светового дня. Выход из такой ситуации был найден достаточно быстро – солнечные панели стали устанавливать на подвижном основании, подключенном к системе слежения за Солнцем.
Как известно, для получения максимальной мощности от солнечных батарей необходимо, чтобы солнечные лучи попадали на плоскость батарей перпендикулярно. При таком направлении лучей КПД солнечных батарей может достигать 50-55%. Для стационарно установленных батарей этот показатель может снижаться до 10-15% из-за изменения угла падения солнечных лучей.
Устройство слежения за движением Солнца состоит из двух основных частей:
1. Схема управления, которая и определяет положение Солнца. Простейшая схема устройства слежения за солнцем или по-другому трекер (Solar Tracker) приведена ниже. Для определения позиции Солнца, используются два фоторезистора. В состав схемы входят:
- микросхема операционного усилителя LM1458 (К140УД20);
- транзисторы BD139 (КТ815Г, КТ961А) и BD140 (КТ814Г,КТ626В);
- фоторезисторы;
- диоды 1N4004 (КД243Г);
- резисторы и подстроечные резисторы.
2. Механизмы поворота и наклона батарей в зависимости от направления солнечных лучей. Механизм наклона позволяет использовать такие системы слежения в любых географических широтах: при установке солнечных батарей в местности, которая соответствует 320 северной широты, ось устройства должна быть повернута на 320 по отношению к горизонту. Привода всех механизмов системы слежения строятся на базе электродвигателей, на которые и воздействует система управления. Питание электродвигателей и системы управления осуществляется от самих солнечных батарей, поэтому такие установки автономны.
Как видно, схема и устройство солнечного трекера достаточно просты. Естественно, что в промышленных масштабах используют более сложные системы, однако подобную схему можно собрать самостоятельно для бытовой установки по производству электроэнергии на основе солнечных батарей.
Сеть содержит не малое количество готовых схем и решений по системам слежения за Солнцем. Так что, если возникла потребность усовершенствовать конструкцию солнечных батарей и повысить их производительность, всегда есть возможность сделать это самостоятельно.
Очень часто панели солнечных батарей устанавливают жестко и стационарно. Это просто, но не очень эффективно, так как в течение дня солнце перемещается по небу и количество световой энергии, получаемое солнечными панелями меняется. Максимальная отдача солнечной батареи возможна только когда свет падает на панель перпендикулярно ее плоскости. Для того, чтобы солнечные лучи падали на солнечную батарею всегда перпендикулярно. используются системы слежения за солнцем разной конструкции и разного уровня сложности. Такая система хоть и усложняет монтаж солнечных батарей, но позволяет взять от них по максимуму. Солнечные панели все еще не дешевы, и мы, вкладывая в них свои средства, наверняка хотим реализовать весь их потенциал.
Часто простейшие системы слежения могут поворачивать панель только по одной оси. Такие устройства имеют в своем составе пару фотодатчиков и пару компараторов, которые управляют одним электродвигателем, включенным в диагональ простейшего H-моста. Такие устройства конечно тоже повышают эффективность работы солнечных панелей, но делают это не совсем эффективно, так как работают только в пределах одной оси. В этой статье описывается очень простая система слежения за солнцем, которая, тем не менее, умеет перемещать панель по двум осям, что повышает эффективность работы солнечной батареи. Во время работы система непрерывно пытается расположить панель так, чтобы ее плоскость всегда была перпендикулярна падающим солнечным лучам и получить максимальную отдачу электроэнергии от батареи. Устройство слежения следует за солнцем с рассвета до последних лучей заката и автоматически возобновляет свою работу на следующее утро.
Схема устройства
содержит микросхему LM339, которая представляет собой четыре аналоговых компаратора в общем корпусе. Двумя моторами управляет специализированная микросхема L293D - сдвоенный H-мост. Кроме микросхем принципиальная схема содержит несколько дискретных элементов. В качестве датчиков интенсивности освещения используются фоторезисторы LDR1 - LDR4.Эти фоторезисторы определяют положение солнечной панели относительно лучей солнца.
Блок фоторезисторов совместно с компаратором LM339 формирует сигналы управления для драйвера моторов L293D. Фоторезисторы LDR1 и LDR2 закреплены в углах солнечной панели на оси Х, в LDR3 и LDR4 - на оси Y. Подстроечные резисторы служат для настройки системы так, чтобы двигатели останавливались когда солнечные лучи падают на панель перпендикулярно ее плоскости, при этом на выходах компараторов должны быть низкие уровни напряжения.
Рассмотрим алгоритм работы системы на примере ее части, отвечающей за перемещения по оси Х. Если фоторезистор LDR2 получает больше света чем LDR1, то сопротивление LDR2 становится меньше сопротивления LDR1.На входах компараторов А1 и А2 (4, 7) появляется более высокий уровень напряжения. При этом на выходе компаратора А2 (1) появляется высокий уровень напряжения. Мотор М1 начинает вращаться в одном из направлений (скажем, против часовой стрелки), поворачивая солнечную панель.
Если LDR1 получает света больше чем LDR2, то его сопротивление становится меньше, чем сопротивление LDR2, тем самым уменьшая напряжение га входах компараторов (4, 7). На выходе (2) компаратора А2 появляется высокий уровень и мотор начинает вращаться в противоположном направлении (скажем, по часовой стрелке). Точно таким же образом работает слежение по оси Y.
На рисунке ниже показана возможная конструкция системы слежения за солнцем. Схему можно собрать на унифицированной макетной плате или развести для нее обычную печатную плату.
