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.
Jednoosiowy czy dwuosiowy?
Do pierwszego modelu warto wybrać układ jednoosiowy, który podąża za słońcem ze wschodu na zachód. Jeden napęd i dwa fotorezystory upraszczają montaż oraz sterowanie. Śledzenie dziennego ruchu słońca daje zasadniczą część korzyści z takiej konstrukcji, choć ich wielkość zależy od miejsca instalacji, pogody i ustawienia osi.
Układ dwuosiowy dodatkowo dostosowuje nachylenie panelu do wysokości słońca nad horyzontem, zmieniającej się w ciągu dnia i wraz z porami roku. W prostym modelu oznacza to drugi serwomechanizm i cztery fotorezystory. Dodatkowy uzysk względem dobrze dobranego układu jednoosiowego może być niewielki, a konstrukcja staje się cięższa i wymaga sterowania dwoma napędami. Przy wyborze trzeba więc uwzględnić także energię zużywaną przez napędy, sztywność mocowania i nakład pracy przy budowie.
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.
Fotorezystor w dzielniku napięcia
Każdy fotorezystor potrzebuje własnego dzielnika: LDR łączy się między zasilaniem a punktem pomiarowym, a rezystor stały między tym punktem a masą. Typowo stosuje się rezystor o wartości nominalnej 10 kΩ. Punkt połączenia obu elementów podłącz do wejścia analogowego Arduino: A0 dla pierwszego czujnika i A1 dla drugiego. W wersji z czterema czujnikami dwa pozostałe dzielniki można podłączyć do A2 i A3. Wszystkie dzielniki powinny mieć takie same rezystory stałe i wspólną masę z Arduino.
Napięcie w punkcie pomiarowym opisuje wzór Uwy = Uzasilania × R / (RLDR + R), gdzie R to rezystancja rezystora stałego, a RLDR — rezystancja fotorezystora. Przy takim połączeniu silniejsze światło zmniejsza rezystancję LDR-u, więc napięcie na wejściu analogowym rośnie. Zamiana miejscami LDR-u i rezystora odwraca tę zależność. Arduino mierzy napięcie, a nie bezpośrednio natężenie oświetlenia w luksach; do sterowania wystarczy porównanie odczytów z jednakowo zbudowanych dzielników.
Porównywanie odczytów i sterowanie serwomechanizmem
Niewielka przegroda między czujnikami rzuca cień na jeden z nich, gdy światło pada z boku. Arduino odejmuje odczyt prawego czujnika od odczytu lewego. Jeżeli różnica przekracza przyjęty próg, program zmienia zadane położenie serwomechanizmu małym krokiem w stronę jaśniejszego czujnika. Po ruchu ponownie odczytuje oba wejścia. Kierunek obrotu trzeba dopasować do montażu napędu tak, aby kolejne ruchy zmniejszały różnicę odczytów.
Nie należy wymagać idealnej równości odczytów. Niewielka strefa nieczułości, czyli dopuszczalna różnica wskazań, sprawia, że po wyrównaniu oświetlenia program przestaje zmieniać położenie serwa. Dzięki temu drobne wahania sygnału nie wywołują ciągłych korekt i drgania panelu. Próg dobiera się do rozrzutu wskazań czujników przy jednakowym oświetleniu; pomocne jest też uśrednianie kolejnych próbek. W programie należy ograniczyć zakres zadawanych położeń do rzeczywistego zakresu ruchu mechanizmu.
W układzie dwuosiowym cztery LDR-y umieszcza się w narożnikach niewielkiego kwadratu, z przegrodą w kształcie krzyża pośrodku. Dla jednej osi program porównuje średnią z dwóch lewych czujników ze średnią z dwóch prawych, a dla drugiej — średnią z dwóch górnych ze średnią z dwóch dolnych. Każdy serwomechanizm koryguje swoją oś do chwili, gdy odpowiednia różnica mieści się w strefie nieczułości.
Schemat wykorzystania energii słonecznej.
Arduino Solar Tracking-Wymagane komponenty
Poniższe zestawienie obejmuje części elektryczne do niewielkiego modelu. Liczba czujników, rezystorów i napędów zależy od liczby sterowanych osi.
| Element | Układ jednoosiowy | Układ dwuosiowy | Uwagi |
|---|---|---|---|
| Arduino Uno | 1 szt. | 1 szt. | Odczytuje napięcia z dzielników i steruje napędami. |
| Fotorezystory LDR | 2 szt. | 4 szt. | Dobierz czujniki tego samego typu. |
| Rezystory 10 kΩ | 2 szt. | 4 szt. | Wartość nominalna; po jednym rezystorze na każdy LDR. |
| Serwomechanizmy | 1 szt. | 2 szt. | Moment obrotowy dobierz do obciążenia, a napięcie zasilania do specyfikacji serwa. |
| Mały panel fotowoltaiczny | 1 szt. | 1 szt. | Jego masa i sposób mocowania muszą odpowiadać możliwościom napędu. |
| Przewody połączeniowe | Według potrzeb | Według potrzeb | Połączenia zasilania, masy, czujników i sygnałów sterujących. |
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.
