Stały panel fotowoltaiczny osiąga największą moc tylko wtedy, gdy promienie słoneczne padają na niego pod korzystnym kątem. Prosty układ nadążny może przez cały dzień korygować jego ustawienie. W tym projekcie wykorzystamy Arduino, dwa fotorezystory LDR i serwomechanizm, aby zbudować niedrogi model śledzący kierunek najsilniejszego oświetlenia.
Co to jest Solar Tracker i jak działa?
Arduino Solar Tracking-Podążanie za Słońcem dzięki czujnikom.
Solarne układy nadążne automatycznie ustawiają panele w stronę słońca. Czujniki wykrywają zmianę kierunku oświetlenia, a mechanizm koryguje położenie modułu. Utrzymywanie korzystnego kąta w ciągu dnia pozwala lepiej wykorzystać dostępną energię; w odpowiednich warunkach układy nadążne mogą zwiększyć produkcję nawet o 40%.
Arduino Solar Tracking-Jak działają czujniki?
Układ dąży do zmniejszenia kąta między promieniem słonecznym a prostą prostopadłą do powierzchni panelu. Im bliżej zera znajduje się ten kąt, tym większe napromienienie dociera do modułu. Precyzyjne śledzenie ma szczególne znaczenie w skoncentrowanych systemach solarnych, które wymagają bezpośredniego ustawienia względem słońca.
Solarny układ nadążny.
Dwa główne typy systemów nadążnych za słońcem
Systemy śledzące słońce występują w wielu odmianach, ale najczęściej dzieli się je na konstrukcje jednoosiowe i dwuosiowe.
Arduino Solar Tracking-Jednoosiowe systemy nadążne za słońcem
System jednoosiowy obraca panel wokół jednej osi w obu kierunkach. Zależnie od sposobu montażu może mieć oś poziomą, pionową, pochyloną albo ustawioną równolegle do osi obrotu Ziemi.
Trackery słoneczne dwuosiowe
Systemy dwuosiowe występują między innymi w konfiguracji tip-tilt oraz azymut–elewacja. Ruch w dwóch osiach pozwala korygować zarówno kierunek poziomy, jak i pionowy, dzięki czemu panel może pozostawać zwrócony ku słońcu przez większą część dnia.
Systemy śledzące położenie słońca.
Arduino Solar Tracking-Jak stworzyć solar tracker za pomocą Arduino
Znając zasadę działania układu nadążnego, można przejść do wykonania prostego modelu z Arduino. Konstrukcja wymaga zaledwie kilku elementów, dokładnego montażu i poprawnego skalibrowania czujników.
Arduino Solar Tracking-Jak to działa?
Aby panel wykorzystywał możliwie dużo energii, powinien zmieniać położenie wraz z ruchem słońca. Układ najpierw porównuje natężenie światła po obu stronach panelu, a następnie obraca go w kierunku mocniej oświetlonego czujnika.
Dwa LDR-y umieszczone po przeciwnych stronach panelu tworzą wraz z rezystorami dzielniki napięcia. Arduino odczytuje ich wartości, oblicza różnicę i wysyła polecenie do serwomechanizmu. Napęd obraca panel w odpowiednią stronę, aż oba czujniki zostaną oświetlone w podobnym stopniu.
Schemat wykorzystania energii słonecznej.
Arduino Solar Tracking-Wymagane komponenty
Płyta Arduino UNO
Arduino UNO
Serwomotor
Czujniki światła
LDR
2 x 10k Rezystor
Zworki
1 x Płyta MDF
Serwomotor zapewnia precyzyjną kontrolę położenia panelu i szeroki zakres ruchu. Do tego projektu należy wybrać model przystosowany do zasilania 5V i o momencie odpowiednim do masy konstrukcji. Skrót LDR oznacza light-dependent resistor, czyli fotorezystor. Jego rezystancja maleje przy silnym oświetleniu, a rośnie, gdy światła jest mniej.
Schemat połączeń
Schemat połączeń jest prosty. Arduino Uno pełni funkcję sterownika, a sygnały z 2 LDR-ów trafiają do wejść analogowych A0 i A1. Niewielki serwomechanizm można podczas prób zasilić z 5 V Arduino, lecz przy większym poborze prądu bezpieczniej zastosować osobne stabilizowane źródło i połączyć jego masę z masą płytki.
Arduino Solar Tracking-Konfiguracja i montaż
Krok 1: Zacznij od wykonania podstawy. Przytnij płytę MDF na elementy o wymiarach 12*8 cm i 12*2 cm.
Płyta MDF.
Krok 2: Za pomocą kleju na gorąco zamocuj element 12*2cm pionowo do podstawy 12*8cm.
Pistolet do kleju na gorąco.
Krok 3: Przymocuj serwomotor do podstawy za pomocą kątownika w kształcie litery L i kleju.
Krok 4: Przyklej LDR-y po przeciwnych stronach panelu. Umieszczona między nimi niewielka przegroda ułatwi wykrywanie różnicy kierunku oświetlenia.
Panel słoneczny.
Krok 5: Zbuduj dwa dzielniki napięcia. Do każdego LDR-u podłącz rezystor 10k pełniący funkcję rezystora pull-down, a jego drugi koniec połącz z masą.
Krok 6: Podłącz trzy przewody serwomechanizmu: masę, V_in i sygnał. Pin V_in połącz z 5 V Arduino, przewód masowy z masą układu, a przewód sygnałowy z pinem 9 Arduino.
Krok 7: Zmontuj całość. Zamocuj Arduino do podstawy z MDF-u, a serwomechanizm do pionowego wspornika za pomocą kleju na gorąco. Następnie przykręć panel do orczyka serwa. Przed uruchomieniem sprawdź, czy mechanizm porusza się swobodnie i nie przekracza dopuszczalnego zakresu obrotu.
Zalety trackera słonecznego
Układ nadążny może poprawić wykorzystanie instalacji fotowoltaicznej, choć jego opłacalność zależy od klimatu, konstrukcji i kosztów napędu. Najważniejsze zalety to:
Panel z układem nadążnym może wytwarzać więcej energii niż porównywalny system nieruchomy.
Różne konstrukcje jedno- i dwuosiowe pozwalają dopasować rozwiązanie do dostępnej przestrzeni, pogody i wymagań elektrycznych.
Dłuższe utrzymywanie panelu w korzystnym położeniu względem słońca zwiększa ilość odbieranego promieniowania w ciągu dnia.
Nowoczesne napędy i sterowniki mogą ograniczać obsługę, ale elementy ruchome nadal wymagają okresowej kontroli mechanicznej i konserwacji.
W systemie rozliczeń zależnym od pory użytkowania (TOU) przesunięcie części produkcji na godziny szczytowego zapotrzebowania może zwiększyć wartość oddawanej energii. Rzeczywiste korzyści zależą jednak od lokalnych taryf i zasad rozliczania prosumentów.
Instalacja wykorzystująca energię słoneczną.
Podsumowanie
Prosty model układu nadążnego można zbudować z Arduino, dwóch LDR-ów, serwomechanizmu i kilku elementów mechanicznych. Projekt pokazuje w praktyce, jak porównać sygnały z czujników i wykorzystać sprzężenie zwrotne do ustawiania panelu. W pełnowymiarowej instalacji trzeba dodatkowo uwzględnić obciążenie wiatrem, pobór energii przez napęd, krańcówki, trwałość mechaniki i lokalne warunki pracy.
Jeśli potrzebujesz pomocy przy projekcie PCB do sterownika Arduino lub własnego systemu automatyki, skontaktuj się z nami.