Инженер-программист
Система ориентации солнечной панели в целях зарядки аккумулятора
Добавлено
25 сен 2024 в 00:57
Мне было интересно разработать самодельный солнечный трэкер.
Идея создания трекера появилась из-за отсутствия универсальных и продуманных конструкций.
На разработку изготовления трекера я потратил немало времени на проект получился достаточно
интересным и познавательным данный трэкер обладает низким энергопотреблением и
обеспечивает автоматическое слежение за солнцем по всей видимой области неба. Солнечный
трэкер представляет собой электронную-механическую систему предназначены для наведения
солнечных панелей на солнце. Электронная система определяет положение солнца сервоприводы
поворачивают панель в соответствующую сторону, таким образом применение солнечного
трекера позволяет получить максимальную производительность от солнечных панелей. Так же
солнечная энергия, является одной из самых экологически чистой энергией. Солнечная энергия
собственно говоря поступает от Солнца, которое в свою очередь на данный момент является
неисчерпаем источником.
Солнечный трекер
Небесная механика
В самом начале проекта я просматривал в интернете различные варианты трекеров и
большинство из них выполнена на основе фоторезистивных датчиков, обычно датчики
закреплены около солнечной батареи и направлены в ту же сторону.
У такого способа имеются следующие недостатки низкая:
• помехозащищенность, трэкер может реагировать на лунный свет, а также на другие
источники света
• загрязнение фото датчиков может привести к неправильному ориентированию
• неизвестно как поведет себя трэкер в облачную погоду в общем
сплошные недостатки мне не понравился такой способ наведения. Поэтому я начала изучать
небесную механику. Выяснилось что положение солнца можно определить чисто по формулам
исходя из географических координат точки наблюдения и точного времени. Положение Солнца
на небе можно определить не только по освещенности фотодатчиков, но и по формулам небесной
механики исходя из географических координат точки наблюдения и точного времени. Для
наведения солнечных панелей нужно определить горизонтальные координаты Солнца, это
высота и азимут. Центр данной системы координат совпадает с местонахождением наблюдателя,
расчеты ведутся относительно плоскости математического горизонта.
Высота h – это угол между плоскостью мат. горизонта и направлением на светило, отсчитывается
от 0⁰ до +90⁰ к зениту, и от 0⁰ до -90⁰ к надиру.
Азимут A – угол между полуденной линией (грубо говоря, направление на юг) и линией
пересечения плоскости мат. горизонта с плоскостью вертикального круга светила.
Отсчитывается от точки юга в сторону суточного вращения небесной сферы в пределах 0⁰…360⁰,
или от 0⁰ до +180⁰ к западу и от 0⁰ до −180⁰ к востоку. Горизонтальные координаты светила
постоянно изменяются, вследствие суточного вращения Земли.
Ниже приведены формулы для вычисления высоты и азимута светила:
h = asin ( sinδ ∙ sinϕ + cosδ ∙ cosϕ ∙ cost );
A = atan2 ( cosδ ∙ sint , cosδ ∙ sinϕ ∙ cost – sinδ ∙ cosϕ),
где δ – склонение светила, t – часовой угол светила, ϕ – широта точки наблюдения (0⁰…+90⁰ для
северного полушария, 0⁰…-90⁰ для южного, 0⁰ – экватор).
Расшифровка функции atan2(y, x):
Как видно для расчета горизонтальных координат, необходимо вычислить склонение и часовой
угол светила. Эти координаты относятся к первой экваториальной системе координат, где
основной плоскостью является плоскость небесного экватора.
Склонение δ – угол между плоскостью небесного экватора и направлением на светило,
отсчитывается от 0⁰ до +90⁰ в сторону северного полюса, и от 0⁰ до -90⁰ в сторону южного полюса.
Часовой угол t – двухгранный угол между плоскостью небесного меридиана и кругом склонения
светила. Отсчитывается в сторону суточного вращения небесной сферы, к западу от верхней
точки небесного экватора, в пределах 0⁰…360⁰, или от 00:00 до 24:00 (в часовой мере). Также
часовой угол может измеряться в пределах от 0⁰ до 180⁰ (от 00:00 до 12:00) к западу и от 0⁰ до
−180⁰ (от 00:00 до -12:00) к востоку. Часовой угол равен 0 в момент верхней кульминации
светила, для Солнца в истинный полдень.
Склонение Солнца изменяется в течение года от -23,43⁰ до +23, 43⁰, вследствие орбитального
движения Земли вокруг Солнца, и не связано с суточным вращением Земли. Определить
склонение Солнца для любого дня года, проще всего из таблицы средних значений склонения за
4-х летний цикл.
Часовой угол светила изменяется в течение суток, его можно вычислить, зная истинное
солнечное время:
t = Tс.ист – 12:00ч, (-12:00…+11:59),
где Tс.ист – истинное солнечное время (00:00…23:59ч).
Истинное солнечное время можно вычислить, зная местное время, часовой пояс и долготу точки
наблюдения:
Tс.ист = Tс.ср + EOT, или Tс.ист = UTC + λ + EOT,
где Tс.ср – среднее солнечное время в некоторой точке на Земле (зависит от долготы точки), UTC
– всемирное координированное время, λ – долгота точки наблюдения в часовых единицах, EOT
– уравнение времени.
Всемирное координированное время можно вычислить из местного времени и часового пояса
(N): UTC = Tм – N. Долгота местоположения λ отсчитывается от 0⁰ до 180⁰ к востоку от нулевого
меридиана (восточная долгота), и от 0⁰ до -180⁰ к западу (западная долгота). При подстановке в
вышеприведенную формулу, долготу нужно перевести в часовые единицы (1⁰ = 4 мин).
Уравнение времени EOT показывает разницу между средним солнечным временем и истинным
солнечным времени, так как суточное движение Солнца неравномерно, вследствие
эллиптичности орбиты Земли, а также наклона земной оси к плоскости эклиптики:
EOT = 9,87 ∙ sin2B – 7,53 ∙ cosB – 1,5 ∙ sinB,
где B = (360⁰ (N-81))/365, N – порядковый номер дня в году.
Таким образом, в течение года значение уравнения времени изменяется от -14,3 мин до +16,4
мин.
Ниже представлен график изменения уравнения времени в течение года:
Элементная база
В качестве контроллера( на этапе проектировки устройства) я выбрал Arduino Uno. Так
как этот котроллер является одним из самых популярных. На него легко найти документацию и
с ним легко связать почти все современные модули.
В роли устройства поворота солнечных панелей, я выбрал Привод постоянного вращения
Feetech FS5113R. Привод после включения постоянно потребляет электричество, что в свою
очередь скидывает идею автономной работы устройства. Так что, планируется установить реле,
которое будет подавать питание на привод, только в момент поворота солнечных панелей.
Характеристики:
• Диапазон вращения: 360° (без ограничения)
• Напряжение питания: 4,8–7,2 В
• Крутящий момент: 13 кг·см
• Размеры: 54×20×47 мм
• Вес: 56 г
Так же необходимо установить часы реального времени для постоянной работы устройства. Я
выбрал часы реального времени DS3231.
Характеристики:
• календарь до 2100 года
• два будильника
• напряжение питания : 2,7 - 5,3 В
• напряжение батарейки : 2,3 - 5,3 В
• ток потребления : 250 мкA
• погрешность составляет ±2 минуты за год.
Для зарядки аккумулятора от солнечных панелей я использовал зарядное устройство, Solar
Charger Shield v2.2,
Характеристики:
• Входное напряжение аккумулятора: 3 - 4.5В;
• Входное напряжение USB: 4.75 - 5.25В;
• Входное напряжение от солнечной батареи: 4.8 - 6В;
• Максимальная выходная мощность (с батареей): 3Вт (600мА @ 5В);
• Размеры: 68 х 53 мм.
Для автономной работы был выбран LP417596, Аккумулятор литий-полимерный (Li-Pol)
Характеристики:
• Емкость - 3500мАч
• Напряжение -3.7В
Солнечная панель 1W Solar Panel
Характеристики:
• Размеры: 100 х 80 х 2.5 мм
• Выходная мощность: 1Вт
• Рабочий ток: 170мА
• Максимальное напряжение нагрузки: 6.4В (в летние яркие дни может достигать до 10В)
Конструкция устройства
Я разрабатывал трэкер, для ориентации небольшой солнечной батареи с панелью на 6
вольт мощностью 2 вата. Сам трэкер будет питаться от литий-ионного аккумулятора, который
соответственно будет заряжаться от солнечной панели.
Для поворота панели я буду использовать Привод постоянного вращения Feetech
FS5113R. Установка позволяет ориентировать солнечную по двум плоскостям по высоте и
азимут в качестве микроконтроллера я использовал Arduino Uno, а программу решил написать
на языке си хотя до этого писал только на python и java. Схема солнечного трекера в основном
состоит из готовых модулей которые управляются микроконтроллера. Для определения
текущего времени и даты схеме используется модуль часов реального времени ds 3231 эти часы
достаточно точные.
Как я писал ранее трэкерr питается от литий-ионного аккумулятора максимальное
напряжение которого не превышает 3.7В. Сервоприводы потребляют энергию непрерывно
независимо от того вращается вал или нет, с такой нагрузкой аккумулятор долго не протянет.
Поэтому питание подается на короткий промежуток времени когда требуется изменить
положение вала питанием управляет микроконтроллер. Для сборки схемы была выбрана обычная
макетная плата
Идея создания трекера появилась из-за отсутствия универсальных и продуманных конструкций.
На разработку изготовления трекера я потратил немало времени на проект получился достаточно
интересным и познавательным данный трэкер обладает низким энергопотреблением и
обеспечивает автоматическое слежение за солнцем по всей видимой области неба. Солнечный
трэкер представляет собой электронную-механическую систему предназначены для наведения
солнечных панелей на солнце. Электронная система определяет положение солнца сервоприводы
поворачивают панель в соответствующую сторону, таким образом применение солнечного
трекера позволяет получить максимальную производительность от солнечных панелей. Так же
солнечная энергия, является одной из самых экологически чистой энергией. Солнечная энергия
собственно говоря поступает от Солнца, которое в свою очередь на данный момент является
неисчерпаем источником.
Солнечный трекер
Небесная механика
В самом начале проекта я просматривал в интернете различные варианты трекеров и
большинство из них выполнена на основе фоторезистивных датчиков, обычно датчики
закреплены около солнечной батареи и направлены в ту же сторону.
У такого способа имеются следующие недостатки низкая:
• помехозащищенность, трэкер может реагировать на лунный свет, а также на другие
источники света
• загрязнение фото датчиков может привести к неправильному ориентированию
• неизвестно как поведет себя трэкер в облачную погоду в общем
сплошные недостатки мне не понравился такой способ наведения. Поэтому я начала изучать
небесную механику. Выяснилось что положение солнца можно определить чисто по формулам
исходя из географических координат точки наблюдения и точного времени. Положение Солнца
на небе можно определить не только по освещенности фотодатчиков, но и по формулам небесной
механики исходя из географических координат точки наблюдения и точного времени. Для
наведения солнечных панелей нужно определить горизонтальные координаты Солнца, это
высота и азимут. Центр данной системы координат совпадает с местонахождением наблюдателя,
расчеты ведутся относительно плоскости математического горизонта.
Высота h – это угол между плоскостью мат. горизонта и направлением на светило, отсчитывается
от 0⁰ до +90⁰ к зениту, и от 0⁰ до -90⁰ к надиру.
Азимут A – угол между полуденной линией (грубо говоря, направление на юг) и линией
пересечения плоскости мат. горизонта с плоскостью вертикального круга светила.
Отсчитывается от точки юга в сторону суточного вращения небесной сферы в пределах 0⁰…360⁰,
или от 0⁰ до +180⁰ к западу и от 0⁰ до −180⁰ к востоку. Горизонтальные координаты светила
постоянно изменяются, вследствие суточного вращения Земли.
Ниже приведены формулы для вычисления высоты и азимута светила:
h = asin ( sinδ ∙ sinϕ + cosδ ∙ cosϕ ∙ cost );
A = atan2 ( cosδ ∙ sint , cosδ ∙ sinϕ ∙ cost – sinδ ∙ cosϕ),
где δ – склонение светила, t – часовой угол светила, ϕ – широта точки наблюдения (0⁰…+90⁰ для
северного полушария, 0⁰…-90⁰ для южного, 0⁰ – экватор).
Расшифровка функции atan2(y, x):
Как видно для расчета горизонтальных координат, необходимо вычислить склонение и часовой
угол светила. Эти координаты относятся к первой экваториальной системе координат, где
основной плоскостью является плоскость небесного экватора.
Склонение δ – угол между плоскостью небесного экватора и направлением на светило,
отсчитывается от 0⁰ до +90⁰ в сторону северного полюса, и от 0⁰ до -90⁰ в сторону южного полюса.
Часовой угол t – двухгранный угол между плоскостью небесного меридиана и кругом склонения
светила. Отсчитывается в сторону суточного вращения небесной сферы, к западу от верхней
точки небесного экватора, в пределах 0⁰…360⁰, или от 00:00 до 24:00 (в часовой мере). Также
часовой угол может измеряться в пределах от 0⁰ до 180⁰ (от 00:00 до 12:00) к западу и от 0⁰ до
−180⁰ (от 00:00 до -12:00) к востоку. Часовой угол равен 0 в момент верхней кульминации
светила, для Солнца в истинный полдень.
Склонение Солнца изменяется в течение года от -23,43⁰ до +23, 43⁰, вследствие орбитального
движения Земли вокруг Солнца, и не связано с суточным вращением Земли. Определить
склонение Солнца для любого дня года, проще всего из таблицы средних значений склонения за
4-х летний цикл.
Часовой угол светила изменяется в течение суток, его можно вычислить, зная истинное
солнечное время:
t = Tс.ист – 12:00ч, (-12:00…+11:59),
где Tс.ист – истинное солнечное время (00:00…23:59ч).
Истинное солнечное время можно вычислить, зная местное время, часовой пояс и долготу точки
наблюдения:
Tс.ист = Tс.ср + EOT, или Tс.ист = UTC + λ + EOT,
где Tс.ср – среднее солнечное время в некоторой точке на Земле (зависит от долготы точки), UTC
– всемирное координированное время, λ – долгота точки наблюдения в часовых единицах, EOT
– уравнение времени.
Всемирное координированное время можно вычислить из местного времени и часового пояса
(N): UTC = Tм – N. Долгота местоположения λ отсчитывается от 0⁰ до 180⁰ к востоку от нулевого
меридиана (восточная долгота), и от 0⁰ до -180⁰ к западу (западная долгота). При подстановке в
вышеприведенную формулу, долготу нужно перевести в часовые единицы (1⁰ = 4 мин).
Уравнение времени EOT показывает разницу между средним солнечным временем и истинным
солнечным времени, так как суточное движение Солнца неравномерно, вследствие
эллиптичности орбиты Земли, а также наклона земной оси к плоскости эклиптики:
EOT = 9,87 ∙ sin2B – 7,53 ∙ cosB – 1,5 ∙ sinB,
где B = (360⁰ (N-81))/365, N – порядковый номер дня в году.
Таким образом, в течение года значение уравнения времени изменяется от -14,3 мин до +16,4
мин.
Ниже представлен график изменения уравнения времени в течение года:
Элементная база
В качестве контроллера( на этапе проектировки устройства) я выбрал Arduino Uno. Так
как этот котроллер является одним из самых популярных. На него легко найти документацию и
с ним легко связать почти все современные модули.
В роли устройства поворота солнечных панелей, я выбрал Привод постоянного вращения
Feetech FS5113R. Привод после включения постоянно потребляет электричество, что в свою
очередь скидывает идею автономной работы устройства. Так что, планируется установить реле,
которое будет подавать питание на привод, только в момент поворота солнечных панелей.
Характеристики:
• Диапазон вращения: 360° (без ограничения)
• Напряжение питания: 4,8–7,2 В
• Крутящий момент: 13 кг·см
• Размеры: 54×20×47 мм
• Вес: 56 г
Так же необходимо установить часы реального времени для постоянной работы устройства. Я
выбрал часы реального времени DS3231.
Характеристики:
• календарь до 2100 года
• два будильника
• напряжение питания : 2,7 - 5,3 В
• напряжение батарейки : 2,3 - 5,3 В
• ток потребления : 250 мкA
• погрешность составляет ±2 минуты за год.
Для зарядки аккумулятора от солнечных панелей я использовал зарядное устройство, Solar
Charger Shield v2.2,
Характеристики:
• Входное напряжение аккумулятора: 3 - 4.5В;
• Входное напряжение USB: 4.75 - 5.25В;
• Входное напряжение от солнечной батареи: 4.8 - 6В;
• Максимальная выходная мощность (с батареей): 3Вт (600мА @ 5В);
• Размеры: 68 х 53 мм.
Для автономной работы был выбран LP417596, Аккумулятор литий-полимерный (Li-Pol)
Характеристики:
• Емкость - 3500мАч
• Напряжение -3.7В
Солнечная панель 1W Solar Panel
Характеристики:
• Размеры: 100 х 80 х 2.5 мм
• Выходная мощность: 1Вт
• Рабочий ток: 170мА
• Максимальное напряжение нагрузки: 6.4В (в летние яркие дни может достигать до 10В)
Конструкция устройства
Я разрабатывал трэкер, для ориентации небольшой солнечной батареи с панелью на 6
вольт мощностью 2 вата. Сам трэкер будет питаться от литий-ионного аккумулятора, который
соответственно будет заряжаться от солнечной панели.
Для поворота панели я буду использовать Привод постоянного вращения Feetech
FS5113R. Установка позволяет ориентировать солнечную по двум плоскостям по высоте и
азимут в качестве микроконтроллера я использовал Arduino Uno, а программу решил написать
на языке си хотя до этого писал только на python и java. Схема солнечного трекера в основном
состоит из готовых модулей которые управляются микроконтроллера. Для определения
текущего времени и даты схеме используется модуль часов реального времени ds 3231 эти часы
достаточно точные.
Как я писал ранее трэкерr питается от литий-ионного аккумулятора максимальное
напряжение которого не превышает 3.7В. Сервоприводы потребляют энергию непрерывно
независимо от того вращается вал или нет, с такой нагрузкой аккумулятор долго не протянет.
Поэтому питание подается на короткий промежуток времени когда требуется изменить
положение вала питанием управляет микроконтроллер. Для сборки схемы была выбрана обычная
макетная плата
