Солнечный трекер или поворотная мачта для солнечных батарей. Двухосевой солнечный трекер на Arduino

Канал “тяп-ляп” показал, как сделать самодельный солнечный трекер для панелей. Они будут автоматически поворачивается вслед за солнцем, увеличивая КПД энергетической установки.

Понадобятся две солнечные батареи мощностью по по 3,5 ватт. На на выходе у одной более 6 вольт, что при последовательном соединении двух батарей даст более 12 вольт. На обратной стороне USB гнездо. Три выхода из трех сегментов батареи. Каждый из которых генерируют по 2 вольта. То есть при необходимости можно подключиться соответствующим образом и получить 2, 4, 6 вольт.

Следующий важный узел – два сервопривода. Один будет поворачивать солнечную батарею по горизонтальной оси, а другой по вертикальной. Эти приводы непростые, их не так просто заставить вращаться. Необходима некоторая доработка. В наборе с каждым из двигателей идут пластиковые крестовины, диски, винты для крепления. Для двигателя приобретённые кронштейны. Также в наборе крепежные винты, подшипник и диски. Контроллер заряда. Он будет принимать энергию от солнечных батарей и передавать её в аккумулятор.

Начнем работу своими руками с электронной начинки. Схема трекера для солнечной панели ниже.

Электрическая схема, плата, программа для редактирования платы: https://cloud.mail.ru/public/DbmZ/5NBCG4vsJ
Схема очень простая и легкая для повторения. Она наиболее удачная из нескольких проверенных вариантов. Но даже ей автору пришлось немножко изменить. Пришлось изменить номиналы переменных и постоянных резисторов, была спроектирована схема печатной платы.

Для начала распечатаем схему печатной платы трекера на специальной бумаге. Это лазерно-утюжная технология. Бумага имеет глянцевый вид. С обратной стороны она обычная матовая. Печатать нужно на лазерном принтере на глянцевой стороне. После контакта с утюгом надо дать остыть и бумага легко отрывается от слоя.

Перед переносом текстолит обязательно нужно обезжирить. Лучше всего использовать мелкую наждачную бумагу. Прикладываем рисунок к плате и проглаживаем горячим утюгом 2 минуты.
Теперь нужно вытравить плату трекера. Можно использовать персульфат аммония. Продается в магазинах радиотоваров. Один и тот же раствор можно использовать несколько раз. Желательно перед применением подогрев жидкости до 45 градусов. Это сильно ускорит процесс травления. Через 20 минут правление успешно завершилось. Теперь нужно снять тонер. Опять используем наждачку или ацетон.

Теперь можно проделать отверстие в плате. Можно приступать к пайке деталей.

Сердце солнечного трекера – операционный усилитель lm324n. Два транзистора типа 41c, типа 42c. Один керамический конденсатор 104. Многие детали автор разработки заменил на smd тип. Вместо диодов 5408 использованные их аналоги smd типа. Главное использовать не менее 3 ампер. Один резистор на 15 килоом, 1 на 47 килоом. Два фоторезистора. 2 подстроечных резисторов на 100 и 10 килоом. Последний отвечает за чувствительность фото датчика.

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

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).

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).

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:

Как известно, КПД солнечной панели максимально при попадании на нее прямых солнечных лучей. Но т.к. солнце постоянно движется по горизонту, то КПД солнечных батарей сильно падает, когда солнечные лучи падают на панель под углом. Чтобы повысить КПД солнечных панелей, применяются системы следящие за солнцем и автоматически поворачивающие солнечную панель для попадания прямых лучей.
В данной статье представлена схема устройства слежения за солнцем или по другому трэкер (Solar Tracker).

Схема трэкера проста, компактна и вы легко сможете собрать ее своими руками. Для определения позиции солнца, используются два фоторезистора. Мотор включен по схеме H-моста (H-bridge), который позволяет коммутировать ток до 500 мА при напряжении питания 6-15В. В темноте, устройство также работоспособно и будет поворачивать моторчик на наиболее яркий источник света.

Принципиальная схема устройства слежения за солнцем

Как видно на рисунке ниже, схема проста до безобразия и содержит микросхему операционного усилителя LM1458 (К140УД20), транзисторы BD139 (КТ815Г, КТ961А) и BD140 (КТ814Г,КТ626В), фоторезисторы, диоды 1N4004 (КД243Г), резисторы и подстроечные резисторы.

Из схемы видно, что мотор М приводится в движение при разных значениях на выходах ОУ IC1a и IC1b. Таблица истинности:

* или наоборот, зависит от подключения мотора

Транзисторы в схеме работают в паре, по диагонали, коммутируя +Ve или -Ve к мотору, и заставляя его вращаться вперед или назад.

Во время остановки мотора, он продолжает вращаться, т.к. присутствует вращающийся момент. Вследствие этого, мотор какое-то время генерирует мощность, которая может вывести транзисторы из строя. Для защиты транзисторов от противоЭДС в схеме моста используется 4 диода.

Входной каскад состоит из двух ОУ (IC1) и фоторезисторов LDR и LDR". Если количество света, попадающее на них одинаково, то сопротивления фоторезисторов также равны. Следовательно, если напряжение питания 12В, то в месте соединения фоторезисторов LDR LDR" будет напряжение в 6В. Если количество света попадающего на один фоторезистор будет больше, чем на другом фоторезисторе, то напряжение будет изменяться.

Ограничения (лимиты) от +V до 0V устанавливаются четырьмя последовательно соединенными резисторами и подстраивается 2-мя подстроечными резисторами. Если напряжение выйдет за пределы этих ограничений, то ОУ запустит мотор и он постоянно будет вращаться.
Подстроечный резистор 20K регулируют чувствительность, т.е. диапазон между лимитами. Подстроечник 100К регулирует то, насколько лимиты будут симметричны относительно +V/2 (точка баланса).

Настройка схемы:
1. Проверьте напряжение источника питания схемы
2. Подключите двигатель пост. тока
3. Установите фоторезисторы рядом, чтобы на них попадало одинаковое количество света.
4. Полностью выкрутите оба подстроечный резистора против часовой стрелки
5. Подайте питание на схему. Моторчик закрутиться
6. Вращайте подстроечник 100К по часовой стрелке до тех пор, пока он не остановится. Отметьте эту позицию.
7. Продолжайте вращать подстроечник 100К по часовой стрелке до тех пор, пока мотор не начнет вращаться в другую сторону. Отметьте эту позицию.
8. Разделите угол между двумя позициями пополам и установите там подстроечник (это будет точка баланса).
9. Теперь, вращайте подстроечник 20К по часовой стрелке до тех пор, пока мотор не начнет дергаться
10. Немного верните положение подстроечника назад (против часовой стрелки), чтобы мотор остановился (данный подстроечник отвечает за чувствительность)
11. Проверьте корректность работы схемы, поочередно заслоняя от света один и второй фоторезисторы.

Список радиоэлементов

Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
Операционный усилитель	LM1458	1	Аналог: К140УД20	В блокнот
Биполярный транзистор	BD139	2	Аналоги: КТ815Г, КТ961А	В блокнот
Биполярный транзистор	BD140	2	Аналоги: КТ814Г,КТ626В	В блокнот
Выпрямительный диод	1N4004	4	Аналог: КД243Г	В блокнот
Резистор	15 кОм	1		В блокнот
Резистор	47 кОм	1		В блокнот
Подстроечный резистор	100 кОм	1