Самонаводящаяся солнечная панель.

Автор: Oto. Опубликовано в Автоматика в быту

 1Как известно, наибольшее КПД солнечной панели при попадании на нее максимально прямых солнечных лучей. Чтобы повысить КПД солнечных панелей, применяются системы следящие за солнцем, и автоматически поворачивающие солнечную панель для попадания прямых лучей.

Хотя и существуют системы слежения за солнцем, которыми можно оснастить солнечную батарею, эти «солнечные трекеры» обходятся не дешево. К тому же, автоматические системы ориентации усложняют процесс монтажа новых панелей, и непросто их интегрировать в уже установленные солнечные массивы панелей.

Традиционная установка солнечных модулей на крышах, обычно фиксируются «намертво» в определенном положении. Монтаж такого крепления проще, но он не позволяет использовать потенциал фотоэлементов солнечной панели в полной мере, так как солнце, двигаясь по небу в течение дня, «напрямую» с панелями взаимодействует лишь некоторую часть времени.

В данной статье, представлена любительская схема и программа для самонаводящейся солнечной панели, или другими словами трекер слежения за солнцем (Solar Tracker).

Такую схему трекера вы сможете собрать своими руками, к тому же это весьма интересно сделать такую автоматику своими руками, здесь очень много места для индивидуального творчества.

Если собрать эту схему управления, получим солнечную панель, автоматически поворачиваемую вслед за солнцем, увеличивая КПД этой солнечной панели.

Для начала, наверное, стоит рассказать, что в этой статье понимается под солнечным трекером, вкратце это устройство состоит из двух частей

  1. Механическая часть с электроприводами
  2. Электрическая схема с программой управления.

Слаженное взаимодействие этих частей, позволяет панели в течение солнечного дня собирать достаточное количество света, меняя своё положение вслед за солнцем.

При создании этого трекера слежения за солнцем, процесс изготовления можно разделить на условные четыре этапа:

1) сборка механической части механизма поворота и наклона для солнечных панелей, 2) изготовление электроприводов и их крепление, 3) сборка и крепление светочувствительных элементов к собранной конструкции, 4) разработка электрической схемы и создания к ней программы управления.

Механическая часть поворотного механизма с электроприводами.

В идеале, нужно создать крепкую платформу, способную выдержать вес поворотного механизма и вес самих панелей, а также порывы ветра.

Механика поворотной платформы должна быть крепкая, тяжелая и с высокой устойчивостью парусности.

Солнечные панели расположить так, чтобы их ничего не затеняло.

На практике разнообразие поворотных механизмов велико, на многие из них можно найти описание в интернете. Упрощено говоря, варианты эти по «мощности» от нескольких килограмм до нескольких тонн.

Механизм, описанный в этой статье, сделан для одной солнечной панели весом 12кг, с помощью электроприводов на основе стеклоподъемников (по факту получается червячно-винтовой привод, он очень мощный и не требует удержания положения СП двигателем).

Да и вообще, для небольших самоделок, приводы на основе механизмов для стеклоподъемников, самый бюджетный вариант для подобных самоделок. Например, в онлайн - объявлениях на OLX , по цене 5-10$ за моторчики в сборе, и их там можно найти неимоверное количество, и это будет очень выгодная покупка за такие деньги.

Видео, в начальной стадии сборки механизма поворота и наклона солнечной панели, в данной конструкции угол разворота 160°.

Кому нужен больший механизм, нужно просто масштабировать элементы поворотного устройства, схема с программой управления не имеет никаких отличий для разных видов поворотных механизмов.

 Фото  панели и механизма в эксплуатации.

 

0  1  1
  Лето    Лето-Осень    Осень

Механизм трекера позволит контролировать положение солнечных панелей сразу в двух плоскостях.

Привода изменения угла наклона и поворота включены по схеме H-моста (H-bridge).

Схемотехническая и программная часть.

sxema

Рис. №1 Электрическая схема, основные детали - графический дисплей Nokia5110, микроконтроллер ATmega328, 8-битный расширитель ввода-вывода PCF8574t, однополярные датчики холла A3144, операционный усилитель "Rail-to-Rail" MCP602, пульт и приемник Д/У.

    Nokia5110     ATmega328     PCF8574t     A3144     MCP602     RF 433MHz.      DS1307
5110 298 298 298 298 298  1307

Датчиком для определения позиции солнца, используются четыре солнечных фотоэлемента.

Общий алгоритм работы заключается в обработке данных с фотоэлементов датчика при помощи АЦП.

IMG_2

Имеем 4 фотоэлемента, то есть 4 показания, по ним находим среднее показание по горизонтали - ось Х, аналогично по вертикали - ось У.

Важно чтобы закрепленные фотоэлементы, имели разделение света для каждого из четырёх элементов.

Если разница по оси Х между левым и правым фотоэлементом «не уравновешены», то осуществляем поворот в сторону с большим значением. Аналогично для вертикали, по оси У.

Индивидуальными настройками в меню пользователя можно задавать нужную чувствительность срабатывания и период движения панели.

1.1) Основной режим отслеживания.

Поворот и наклон панелей производится с помощью приводов М1 – М2.

Принцип такой, с помощью электромотора М1, поддерживается баланс освещенности солнечными лучами фотоэлементов x0, x1 . Ограничение поворота (движения) по оси Х, датчики d_X0, d_X1.

С помощью электромотора М2, поддерживается баланс освещенности солнечными лучами фотоэлементов у2, у3 . Ограничение поворота (движения) по оси У, датчики d_Y2, d_Y3.

Очередность и расположение датчиков должно быть как на рис.№3

3

1.1.2) Включение двигателей М1 – М2 управляется программно и раздельно друг от друга, два привода никогда не включаются одновременно.

Этим достигается уменьшение токовой нагрузки на блок питания двумя двигателями одновременно, это исключение одновременного включение двигателей по оси Х и У предусмотрено программно. Контроль превышения потребляемой мощности по встроенному амперметру(см.п. 3.6.1). Программная настройка PWM макс. мощности для привода каждой из осей (см.п. 3.6.2).

1.1.3) Также в программе предусмотрено, что один привод по оси Х или У не может работать более чем 10 минут без выключения, если при работе привода будет превышено 10-ти минутное время беспрерывной работы, программный таймер отключит этот двигатель на 10 минут паузы. (на экран будет выведено сообщение «превышен лимит движения Х_У», также каждые 5 секунд на 1 секунду будет включаться звуковой сигнал bz_1 (порт РВ0)).

1.1.4) В программе, предусмотрена возможность работы трекера только по одной оси Х или У, эти варианты возможны на выбор пользователя см.п.3.3.5,

 


 

2.1 Пульт дистанционный – команды управления.

vid_pultm

В режиме основного отслеживания, четыре команды управления, кнопки A,B,C и D соответственно.

2.1.1) Кнопка «В», условно это положение можно называть как "О" или положение восход**.

Независимо от данных датчиков освещенности Х-У, трекер поворачивает панель в крайнюю точку оси Х , где происходит сработка концевого датчика d_X0 (изменении положения по оси У, при этой команде не происходит).

Данное направление панели соответствует утреннему восходу солнца.

2.1.2) Кнопка «D», положение при непогоде**.

Данная команда устанавливает панель в крайние положения, выбранным пользователем в меню.

( В меню выбора следует указать, в какое положение по датчикам d_X0, d_X1, или d_Y2, d_Y3 произойти установка панели, значения датчикам присваивается 0 или 1 (0= не поворачивать к датчику, 1= поворачивать панель до срабатывания датчика).

Например: при команде №2.1.2 установки значений d_X0=0, d_X1=1 и d_Y2=0, d_Y3=1 , панель примет крайние положения относительно датчиков d_X1 и d_Y3 по оси Х-У.

Или, еще вариант, при установленных значениях d_X0=0, d_X1=1 и d_Y2=0, d_Y3=0 , панель примет крайние положение относительно датчика d_X1 по оси Х. По оси У панель смещена не будет так как мы задали значения датчикам d_Y2=0, d_Y3=0.

2.1.3) Кнопка «А». Автоматическое слежение.

При данной команде отменяются действия команд 2.1.1, 2.1.2 и 2.1.4, работа программы переводится в основной режим отслеживания по п.1.1.

2.1.4) Кнопка «С», " Стоп " (остановка приводов).

Команда останавливает движение приводов по осям Х-У. Параметр сохраняется в .еер МК, сброс этой команды возможен только командой см.п. 2.1.3

**ограничение удержания по времени в положении достигнутых от команд 2.1.1, 2.1.2 , 12 часов (настраивается в меню №1). Также следует учесть, команды 2.1.1, 2.1.2 не имеют фиксации состояния в .еер МК, или отключить эту команду см.п. 2.1.3.

 

2.2) Так же с помощью пульта Д/У можно производить ручной поворот и наклон панели по оси Х-У, с помощью электроприводов М1 – М2.

Для этого, когда трекер находится в режиме основного отслеживания, на пульте Д/У зажать одновременно кнопки В и С, программа перейдет в режим ручного управления М1 – М2, см. меню п.3.1.3.

В этом режиме при одноразовом нажатии на кнопки A,B,C или D, электроприводы панели будут поворачивать панель в нужное вам положение (движение будет производиться не дальше, чем это допускают датчики d_X0, d_X1, или d_Y2, d_Y3).

Выход из режима ручного управления Д/У, осуществляется одновременным зажатием двух кнопок A и D.

 Демонстрация работы пульта Д/У

 

2.3) Кнопки управления на панели прибора Кн1, Кн2, Кн3.

2.3.1) В режиме основного отслеживания (см.п.1.1).

При удержании Кн2 (более 3х сек.) происходит вход в меню пользовательских настроек (см.п.3).

Кратковременным нажатием, Кн1 вызывает для просмотра статистика утренних или вечерних парковок (работает, если соблюдения условия п.3.4.4).

Кратковременное нажатие Кн3 , производит ручной сброс сработавших программных защит таких как см.п.1.1.3 и 3.6.1.

Длительное удержание Кн3 разово активирует (см.п.1.1) подстройку СП на наиболее освещенное направление (сбрасываются условия п.3.2.4).

2.3.2) Кнопки Кн1, Кн2, Кн3, в меню пользовательских настроек.

Кнопка Кн2 , короткое нажатие – движение по пунктам и параметрам в меню настроек, длинное нажатие – возврат к предыдущему пункта меню, вплоть до основного режима п.1.1

   Кн1 и Кн3 изменение параметров настроек в меню пользователя.


 

3. Пункты меню.

Основные свойства программы в большей части отображены в пунктах меню, именно настройка некоторых пунктов меню, позволит каждому пользователю приспособить эту программу к своим условиям.

menu

3.1.1) Пункт настройки, для кнопки Д/У которую я условно называю «непогода»

С помощью настройки значений 3.1.1, пользователь может вручную кнопкой Д/У установить СП (солнечную панель) согласно расположения датчиков (см. рис.№3) , в наиболее защищенное положение при неблагоприятных погодных условиях.

Так же эта настройка будет использована автоматически, по превышению показаний тахометра (см.п.3.6.3), панель установится по датчикам в положение «непогода».

3.1.2) Настройка времени ручного удержания СП в заданном положении при управлении пультом Д/У (см. описание команд Д/У 2.1.1 и 2.1.2 ).

3.1.3) Пункт перехода в меню ручного дистанционного управления, в данном меню управление кнопками Д/У, напоминает управление джойстика в четыре направления (подробней смотри видео). В режим ручного управления, можно войти и дистанционно см.п.2.2, одновременно нажав на пульте Д/У кнопки С + В - вход в «режим джойстика», A + D – выход из ручного режима наклона и поворота, (возврат к автоматическому слежению).

3.2.1) Отображение показаний по каждому элементу датчиков (см. рис1 элементы x0, x1, у2, у3) , показания используются только для изучения свойств , баланса освещенности датчика направленного на солнце, другого назначения эта информация не имеет (показометр).

3.2.2) Программная установка порога минимальной освещенности, параметр имеет значения только для функции «вечерняя» или «утренняя» парковка (взаимосвязь с пунктом 3.3.1. и 3.3.2).

3.2.3) Программная установка общего порога освещенности для фотоэлементов x0, x1, у2, у3, когда какой либо из фотоэлементов x0, x1, у2, у3, будет освещен выше установленного порога, программа получает разрешение приступить к автоматическому режиму основного отслеживания п.1.1.

3.2.4) Движение панели можно «разбить» на временные циклы, после того как панель устанавливается в баланс наводки на солнце, начинается отсчет паузы установленной в этом пункте от 1 до 99 минут, таким образом получается как бы «шаговый» режим движения слежения за солнцем.

3.3.1) Варианты вечерней и утренней парковки.

Вариант «0» парковки нет.

Вариант №1 парковка может быть поэтапная, вечером к одному из датчиков d_X0, d_X1, d_Y2, d_Y3, утром к любому другому, off – парковки нет.

Вариант №2 , когда парковка будет произведена к двум из датчиков d_X0, d_X1, d_Y2, d_Y3, утром или вечером за одно действие, off – парковки к датчику нет.

3.3.2) Выбор датчиков куда припаркуется СП, по вариантам п.3.3.1 или если выбрано off, автоматической парковки не будет.

3.3.3) Пользователь сам выбирает наиболее выгодный фотоэлемент, участвующий в автоматическом определении времени парковки, например в моем использовании это у2 (тут более важно, выбрать правильный порог освещенности в пункте 3.2.2).

3.3.4) Стабилизация слежения установки СП на солнце.

«ДА» программная стабилизация включена. Если выбор «НЕТ», то отключена.

3.3.5) Возможность программно отключить один из приводов М1 - М2 , по оси Х или У, данный вариант может быть использован тем, кто использует слежение трекером например только по оси Х, это может быть в том случае когда кто то считает нецелесообразным настройку положения по оси У.

3.4.1) Регистрация пульта управления , для работы с данной программой трекера, в данных строках отображается код приходящий код от брелков Д/У.

3.4.2) В данных строках, отображается приходящий код от брелков Д/У записанный в память .еер МК.

3.4.3) По нажатию Кн1, код из буфера обмена п.3.4.1 , запишется в .еер МК п.3.4.2 . Подробней смотрите видео.

3.4.4) Отображение адресов на шине i2c , для pcf8574 это должен быть строго 0x40, для ds3231 или ds1307 будет 0xD0. Установка часов реального времени, в данном проекте вовсе необязательна, это все использовалось в чисто экспериментальных целях, для фиксации времени парковки, кому это интересно, можете просматривать эту статистику, при установленной микросхеме ds3231 или ds1307, в основном экране нажать Кн1 на экран будет выведена информация о времени последних 24 парковок. Установка или отсутствие ds3231 или ds1307 на работу основной программы слежения никак не влияет.

3.5.1) В зависимости от типа индикатора, может понадобиться изменить инверсию подсветки.

3.5.2) Подстройка контрастности дисплея.

3.5.3) Установка времени для автоматического выхода из меню настроек, в главный экран, такой выход из меню произойдет когда в течение выбранного времени, не будет нажата ни одна из кнопок Кн1, Кн2, Кн3..

3.5.4) Установка времени для ds3231 или ds1307 (см. п.3.4.4).

3.6.1) Установка порога амперметра, в случае непредвиденного, повышения потребления мощности приводами пол. оси Х-У. Встроенный амперметр, будет делать отключение команд включения приводов, с дальнейшей попыткой, через 1 минуту возобновить работу (каждые 5 секунд на 1 секунду будет включаться звуковой сигнал bz_1 (порт РВ0).)

3.6.2) Настройка PWM макс. мощности для привода каждой из осей Х и У.

3.6.3) Установка количества оборотов для тахометра, в случае превышения оборотов от установленного, панель станет в положение согласно установок пункта меню №3.1.1, на время 10 минут, далее последует авто возврат, в автоматическое отслеживание (отсчет авто возврата можно контролировать на главном экране, появится строка «Ветро ЗАЩИТА» с отчетом времени).

3.6.4) Перезагрузка МК, данный параметр не имеет большой ценности в этом меню, просто при отладке сторожевого таймера это использовалось, в общем пусть пока будет (и если активны условия п.3.4.4, по этой команде происходит обнуление статистики утренних или вечерних парковок см.п.2.3.1).

3.6.5) При первой подаче питания на МК небольшое придержание работы электроприводов, кому то это может оказаться полезной вещью кому то бесполезной, и те и другие могут настроить этот параметр на свой выбор…

3.6.6) Практически аналогично сказанному, в пункте 3.6.5 , время работы реле «самоподпитки», индивидуальная настройка для этого реле.


 

4. Подключение электроприводов – драйвера для электроприводов.

На принципиальной схеме рис.№2 показан наиболее понятный принцип подключения электроприводов М1 - М2 с помощью идеального решения для такой схемы, драйвера L298n.

L298n – сдвоенный Н-мостовой драйвер, для управления двунаправленными нагрузками, с токами до 2А и напряжениями от 4,5 до 46 вольт. Разработан для управления реле, соленоидами, двигателями постоянного тока и шаговыми двигателями.

В L298 существует разделение электропитания для логической схемы и для нагрузки, что позволяет подключить нагрузку с меньшим или большим напряжением питания, чем у микросхемы, а также уменьшает помехи. Но все это идеально, пока нагрузка от М1 - М2 не будет превышать 2.5 ампера.

В моем же случае используемые электроприводы от стеклоподъемников, на практике максимально до 6 ампер. Можно конечно на выход L298 добавить более мощные ключи на полевых транзисторах, но это так сказать на любителя, по цене и качеству будет проигрыш по сравнению с готовым вариантом драйвера, например BTS7960, нагрузка по постоянному току до 40A.

Когда ко мне приехали эти модули BTS7960, оказалось что логика управления, у него чуть отличается от L298, поэтому чтобы не плодить прошивки для схемы с разными драйверами, пришлось BTS7960 подключить через несложный адаптер в виде такой схемы рис. №5.

5

В общем, по финалу, электроприводами М1 - М2 можно управлять, в виде таких вариантов схемных решений:

Вариант №1 драйвером L298n .

Вариант №2 драйвера BTS7960.

Вариант №3 традиционный и простой, с помощью электромагнитных реле.

                         №1  L298n                            №2 BTS7960.             №3  реле  
             298         8  
  1 1 1  

 

Симуляция работы схемы в протеусе

2

FUSE: Программа работает на тактовой частоте 16 МГц, с внешним кварцем.

7 

Далее, уже собранная электрическая схема на печатной плате в «железе», фото готовой печатной платы прилагаю.

 5

Рисунок печатной платы.

11

После монтажа солнечного трекера выработка энергии увеличится, благодаря более длительному воздействию солнца на панели, а также за счет оптимизации угла установки солнечных панелей по отношению к солнцу.

Поэтому, такие солнечные трекеры довольно популярны, нужно лишь определиться, соорудить трекер самостоятельно, или купить готовый китайский, кстати, стоимость около 100 долларов, это гораздо больше себестоимости самих радиодеталей примененных в нем.

Сделать описанное в статье устройство может любой, кто разбирается в принципах работы электрических схем, и имеет практику работы с микроконтроллерами, для тех, кто предпочитает сделать все самостоятельно, самодельный трекер обойдется раз в 10 дешевле покупного, это точно.

Шильда с характеристиками солнечной панели используемой в данном устройстве слежения.

                    ALTEK                                Actuator with solar controller               20A Solar Charge controller       
6   7 12

Небольшое видео, работы солнечного трекера в течение суток.

В архиве протеус, прошивка и файл печатной платы.

Форум

 

You have no rights to post comments.
Недостаточно прав для комментирования