Дополнительно

Трекер слежения за солнцем своими руками. Система слежения за солнцем для солнечных батарей

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.

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).

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).

Принципиальная схема устройства слежения за солнцем

* или наоборот, зависит от подключения мотора

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

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.

В мире есть множество вещичек, делающих жизнь проще. Система слежения за солнцем (или трэкер, Solar Tracker) – одна из них. Главный недостаток батарей, работающих от солнечной энергии – их КПД заметно падает, если солнечные лучи падают на панель не под прямым углом. Использование трэкера поможет справиться с этой проблемой. Благодаря этому нехитрому устройству, всегда будет повернута к солнечным лучам под оптимальным углом.

Рассмотрим схему устройства слежения за солнцем. Она проста, включает минимум элементов, что не может не радовать начинающих радиолюбителей. Каждый сможет собрать ее своими руками.

Позицию солнца отслеживают два фоторезистора. Трэкер может работать и в темноте – моторчик, включенный по схеме H-моста (H-bridge) и рассчитанный на напряжение 6 – 15 В, ток – до 0,5 А, поворачивает устройство на источник света.

Общий вид системы слежения за солнцем:

Описание принципиальной схемы системы слежения за солнцем:

Принципиальная схема устройства по слежению за солнцем включает в себя следующие элементы: фоторезисторы, 4 диода 1N4004 (КД243Г), резисторы, подстроечные сопротивления, транзисторы BD140 (КТ814Г, КТ626В) и BD139 (КТ815Г, КТ961А), операционный усилитель LM1458 (К140УД20).

Из схемы видим, что мотор М включается при разности значений на выходах ОУ IC1a и IC1b.

Таблица истинности:

* либо наоборот, зависит от включения мотора.

Двигатель приводится в движение транзисторами, работающими в паре, по диагонали, и передающими сигнал +Ve или –Ve мотору. При остановке мотора, он не останавливается мгновенно. Этому препятствует вращающий момент, кроме того способствующий генерированию мощности. Чтобы противоЭДС не привела транзисторы к поломке, в схеме задействован диодный мост.

Входной каскад построен на фоторезисторах LDR и LDR’ и паре операционных усилителей ОУ (IC1). Если оба фоторезистора получают одинаковый по силе поток солнечных лучей, сопротивление фоторезисторов также имеет одинаковую величину. При этом напряжение на входе равно 12 В, в точке соединения фоторезисторов – 6В. Если световой поток, получаемый фоторезисторами, неодинаков, сопротивление их будет различно, следовательно, напряжение тоже изменится.

В схеме присутствуют ограничения (лимиты) от +V до 0V, реализованные посредством 4-х резисторов (включены последовательно), подстраиваемых парой подстроечных резисторов:

100К регулирует симметричность лимитов относительно точки баланса +V/2;
20К регулирует диапазон между лимитами (чувствительность).

Настройка схемы устройства, следящего за солнцем:

Измерьте напряжение источника питания
Подключите ДПТ.
Расположите фоторезисторы рядом (световой поток на обоих должен быть одинаковым).
Выкрутите подстроечные резисторы против часовой стрелки (полностью).
Подайте напряжение на схему. Если схема собрана верно, двигатель начнет работать.
Поверните подстроенный резистор 100К по часовой стрелке до его остановки. Отметьте эту позицию.
Продолжите вращение 100К до тех пор, пока мотор не войдет в реверс. Отметьте эту позицию.
Установите подстроечный резистор (100К) в среднее положение (между двумя отмеченными ранее позициями). Это будет точка баланса.
Вращайте подстроечный резистор 20К (отвечает за чувствительность) по часовой стрелке, пока двигатель не начнет дергаться.
Верните положение 20К немного назад. Мотор должен остановиться.
Поочередно заслоняйте рукой фоторезисторы, чтобы проверить правильность работы схемы.