Добавить комментарий

Солнечный трекер

Русский

Самодельный трекер для солнечных батарей

В наше время солнечные элементы и солнечные батареи часто используются как источники питания. Но солнечные панели производят гораздо больше энергии, если они направлены прямо на солнце все время, чем тогда, когда они находятся в фиксированном положении. Для этого нужен солнечный трекер - поворотный механизм, который меняет положение солнечной батареи в соответствии с положением солнца.

Этот материал является свободным переводом страницы Майка Дэвиса (Mike Davis) об изготовлении солнечного трекера своими руками. Майк Дэвис рассказывает.

Изготовить солнечный трекер своими руками можно. Вы тоже можете это сделать.

солнечный_трекер

Вот мои солнечные батареи на солнечном трекере, для изготовления которого я использовал старый антенный ротатор, купленный мной за 15 $.

коробка_ротатора

Вот коробка из-под антенного ротатора. Коробка потертая, но ротатор внутри был еще новый и завернутый в оригинальный пластик. Это старое изделие на основе технологий 1960-х годов. Человек купил блок новым, но никогда не использовал его. Он был в коробке в гараже в течение многих десятилетий, пока хозяин наконец решил избавиться от него и отдал в комиссионный магазин.

В основном я просто выбросил почти всю электронику блока, сохранил только то, что имело отношение к приводу двигателя, и присоединил свою систему управления. Подробнее об этом будет речь ниже.

Прежде всего нужно было придумать способ крепления приводного двигателя и солнечной батареи. Я решил сделать систему слежения, которая была бы простой, недорогой, и легко разбиралась для транспортировки. Это было сделано в основном из деревянных брусков 2x4 и стандартных фитингов, скрепленных болтами.

Конструкция солнечного трекера

 

основа_трекера

Это устройство было разработано, чтобы быть портативным: легко разбираться и легко снова собираться с помощью нескольких инструментов. Ядро блока состоит всего из пяти основных частей: северная боковина, южная, вращающийся узел, и две скобки, чтобы держать все вместе.

Перед использованием в естественных условиях базовый блок трекера будет выровненным по оси восток-запад и оси север-юг (с помощью компаса).

северная_сторона_трекера

Вот фото северной боковой стороны трекера солнечных батарей. Она имеет 48 дюймов в ширину у основания и 43 1/2 дюйма в высоту. Имейте в виду, что эти размеры правильны для использования на 34,6 градуса северной широты. Если вы значительно дальше на север или на юг, то вам нужно изменить размеры этой части. Подробнее об этом ниже. Боковина изготовлена ​​из брусков 2x4, нарезанных и склеенных. Обратите внимание, что есть две маленькие ножки внизу. Они помогают выровнять устройство при его установке. Промежуток между вертикальными брусками 2x4 равен толщине бруска (около 1 1/2 дюйма).

южная_сторона_трекера

Вот фото южной стороны трекера солнечных батарей. Эта сторона имеет 24 дюйма в ширину и 13 1/2 дюйма в высоту. Она также сделана из брусков 2x4, приклеенных и прикрученных. Эта часть также имеет маленькие ножки, чтобы помочь в выравнивании всего блока при установке. Эта часть, вероятно, является более или менее универсальной и будет работать на разных широтах. Опять же, зазор между вертикальными брусками 2x4 равный толщине бруска 2x4 (примерно 1 1/2 дюйма).

горизонтальная_скоба

Горизонтальная скоба 2х4, которая соединяет нижнюю часть северной боковины солнечного трекера с нижней частью южной боковины, составляет 48 дюймов в длину. Оно вписывается между стойками и крепится болтами через них. Это также нужно будет рассчитывать на вашей конкретной широте, так как расстояние между северной и южной опорами изменится при изменении угла оси север-юг.

Раскос (кусок 1x4) было добавлен, чтобы взять большую часть нагрузки от вращающегося узла (установлен на болты, удерживающие вращающийся узел на месте).

поворотный_узел_трекера

Вот сердце трекера солнечных батарей. Это приводной двигатель и вращающийся узел. Антенна двигателя и связанные с ним монтажные конструкции находятся слева. Однодюймовая стальная труба 4 фута длиной приводится в движение ротатором и будет нести солнечные батареи. Подшипники и крепления конструкции находятся на правом торце. Подробности ниже.

двигатель_крупный_план

Показан двигатель крупным планом. Этот антенный ротатор предназначен быть закрепленным на неподвижной мачте и вращать более короткую мачту с антенной, прикрепленной к ней. Так что я создал псевдо фиксированную мачту, чтобы прикрепить его. Короткий кусок трубы в 1 дюйм вверху (под проводом) служит точкой крепления для ротатора. Короткий отрезок трубы крепится фланцем, который, в свою очередь, прикреплен болтами к 3 1/2 х 3 1/2 дюйма квадратного куска дерева, приклеенного прикрученного шурупами к куску бруска 2х4 в 12 дюймов длиной. Этот брусок 2х4 проходит между стойками северной боковины и удерживается на месте болтами.

подшипник_крупний_план

Вот крупным планом показан подшипник на нижнем конце трубы длиной 4 фута, которая несет солнечные батареи. Переход сделан с помощью фланцев.

горизонтальная_скоба

В первый раз, когда я собрал прибор, я зажал все части большими зажимами. Как только я получил правильный угол оси, зажимы были затянуты. Тогда я просверлил отверстия для длинных болтов, чтобы соединить все части вместе.

Я должен поговорить немного о том, как я определил угол оси (вращения трекера) север-юг. Устройство должно быть выставленным по широте местности, где будет эксплуатироваться. Я не делал его регулируемым. Это будет правильный угол весной и осенью, когда я обычно нахожусь на моей собственности. Это будет немного слишком высоко летом, и немного низко зимой. Тем не менее, солнечные батареи будут давать значительно больше энергии, чем тогда, когда они фиксированные.

Угол оси вращения относительно земли устанавливается в соответствии широте места, где будет использоваться солнечный трекер. Подумайте об этом таким образом. Если он был использован на экваторе, где широта 0, угол относительно земли будет 0, так что ось будет горизонтальной. При использовании на одном из полюсов, 90 или -90 градусов широты, угол относительно земли будет вертикальным. Из этого следует, что правильный угол всегда соответствует широте места, где трекер будет эксплуатироваться. Мой участок земли имеет около 34,6 градуса северной широты, так что этот угол я использовал.

Итак, ваш угол, может отличаться, но и размеры вашей базовой конструкции также будут отличаться. Размеры основания зависят от используемого угла. И высота вашей северной и южной сторон, и расстояние между южной и северной боковинами должны быть рассчитаны.

Регулируемые версии конструкции могут быть легко созданы, они позволят выставлять ниже угол летом и более высокий угол в зимний период. Однако пока я оставлю это в качестве упражнения для читателя, меня пока устраивает то, что есть.

ротатора_головка_встановлена

Вот еще одна фотография установленной головки ротатора.

крепление_низ

Эта фотография показывает, как нижний конец подшипника приводной трубы вписывается в южную боковину и удерживается болтами. Другой конец прикреплен к северной боковине. Нижний конец диагональной скобки также виден.

крепление_низ_крупный_план

Вот крупным планом показано, как подшипник крепится с помощью фитингов.

В принципе, соединение просто хорошо смазано, а не затянуто до упора. Это позволяет ему служить достаточно хорошим подшипником, как показано на видео ниже. Чтобы соединение не затягивалось либо не заедалось при вращении, два хомута и Z-образный кусок металла используются для фиксации частей по отношению друг к другу. На этой фотографии вы можете просто увидеть Z-образный кусок металла под и между двумя хомутами.

Ниже приводится ссылка на короткое видео, показывающее, как соединение труб может быть использован в качестве опоры. Хомуты и г-образный кусок металла еще не установлены.

Видео соединения труб.

солнечная_батарея_рамка

Эта фотография показывает одну из алюминиевых рам, которые на трекере держат солнечные батареи. Она сделана из алюминиевого уголка, содержит 100W панель, и имеет 47 1/8 на 21 1/2 дюйма внутренних размеров. В основном, это немного больше, чем внешние размеры панели солнечных батарей. Панель фиксируется на месте с помощью винтов, которые проходят через рамки в стороны панели.

Можно увидеть надрезы в рамке для монтажа на трубу трекера.

угол_рамки

Эта фотография показывает, как рама соединена по углам (сварка углов также возможна).

надрезы

Вот крупным планом надрезы в раме для монтажа на трубу трекера. Выемки такой же глубины, что и хомуты, используемые для монтажа.

рамка_крепление

Вот крупным планом показано, как хомуты используются для крепления рамы на трубу трекера. Хомут действительно довольно плотно крепит раму на трубу. Я был удивлен тем, как хорошо он работал.

трекер_одна_батарея

Во время первого тестирования в помещении я установил продольно только одну солнечную батарею на всю приводную трубу (в конечном варианте должен был установить две батареи). Если у вас есть или нужна только одна батарея, это способ установить ее.

трекер_две_рамки

Эта фотография показывает две алюминиевые рамы, зажатые на приводной трубе.

трекер_две_батареи

Эта фотография показывает две солнечные батареи на трекере. Винты удерживают батареи на месте, так что ветер не может сдуть их из рам.

Верхняя панель является коммерческой, этот 100 Вт блок я купил, потому что получил действительно очень большую скидку на него. Нижняя панель является одной из моих самодельных 60-ваттных солнечных панелей. Перейдите по ссылке, чтобы увидеть, как я делаю их.

160 Вт могут показаться не слишком мощными, но мои потребности в электроэнергии минимальны. Трекер и мой самодельный ветрогенератор дополняют друг друга, мои батареи сохраняют заряд и у меня есть достаточно электроэнергии.

труба_противовеса

Эта фотография показывает трубу противовеса. Это кусок дюймовой стальной трубы 30 дюймов длиной. Она ввинчивается в уголок на верхнем конце блока двигателя. Одна труба - больший противовес, чем нужно для одной панели. Для двух панелей я добавил стальной T-образный фитинг на конце трубы. Антенный ротатор был разработан, чтобы двигаться сбалансировано относительно вертикальной мачты. Противовесом уменьшается величина крутящего момента, который двигатель должен предоставлять для перемещения панелей, подвешенных почти горизонтально относительно мачты. Ваши панели, вероятно, имеют разный вес, и требуется различное расположение противовеса. Поэкспериментируйте с различными длинами труб и/или дополнительных фитингов, чтобы получить баланс ближе к идеалу, насколько это возможно, и предотвратить перегрузку двигателя или передач.

Вот видео рабочего варианта солнечного трекера с подробным объяснением.

Для продолжения щелкните на кнопке с цифрой 2

Блок управления солнечного трекера

 

схема_ротатора

Вот оригинал принципиальной схемы антенного ротатора. Все абсолютно электромеханическое. Очень старая школа, почти примитивно. С другой стороны, он по-прежнему работает после десятилетий хранения. Одной из особенностей этого старого блока является то, что двигатель, вращающий головки, работает на 24 В переменного тока. Это сделало проектировании новой системы управления для него сложным. Я искал способы для изменения или автоматизации оригинального блока управления, но не мог придумать, как заставить ее работать. Поэтому я отказался от намерения использовать прежнее управление, разобрал его на части, и началось проектирование нового.

Я не смог повторно использовать многие из этих частей. Фактически головка ротатора используется. Но от блока управления я сохранил только трансформатор с 120V до 24V (# 110), и мотор конденсатор (# 107).

схема_контроллера_электроники

Вот схема контроллера электроники, которую я придумал после нескольких испытаний. Полноразмерная схема здесь. Схема основана на MBED, платформе быстрого прототипирования. Модуль MBED может быть запрограммирован на C с помощью онлайн IDE. MBED является достаточно мощным, есть множество возможностей IO. Это действительно слишком для этого проекта, но я был знаком с MBEDs, поскольку использовал их в проектах на работе. Вы можете легко заменить его на Arduino, Raspberry Pi, или другое, чтобы сделать то же самое.

Сердцем схемы является MBED. Он считывает значение напряжения (с помощью двух своих аналоговых входов) из двух небольших солнечных батарей, установленных под прямым углом друг к другу. Двигатель ротатора антенны перемещается так, что поддерживает напряжение от двух солнечных батарей почти равным, держа их направленными на солнце.

На двигатель подают энергию путем закрытия реле и включения инвертора переменного тока. Направление вращения двигателя регулируется другим реле. Я использовал 40 А автомобильные реле, потому что они дешевы, доступны везде, и у меня уже было несколько на руках. Реле возбуждается силовыми транзисторами TIP120 Дарлингтона управляемыми выходными линиями от MBED. Две кнопки были добавлены для ручного перемещения двигателя при тестировании и для устранения неисправностей. Нажатие PB1 перемещает двигатель на запад. Нажатие PB1 и PB2 вместе перемещает двигатель на восток.

Два конечные выключатели соединены с входными линиями MBED. Движение начинается только в заданном направлении, если конечный выключатель замкнут. Движение останавливается через прерывания, если конечные выключатели открыты.

Регулятор LM7809 с + 9В обеспечивает стабильное питание для MBED от источника 12В. MBED основано на логике 3,3, и имеет регулятор на борту и выходные линии на 3,3, для согласования использованы резисторы.

Список деталей блока управления солнечного трекера

C1 - 0,33 мкФ

С2 - 0,1 мкФ

C3 - NPО (взял из оригинальной коробки управления)

D1-D2 - 1N4001 или аналогичные диоды

ECell-WCell - тонкопленочные медь-индий-селенид (CIS) солнечные элементы

F1 - 2A инерционный предохранитель

IC1 - LM7809 + 9В регулятор напряжения

IC2 - NXP LPC1768 MBED

K1-K2 - 40A SPDT Bosch Automotive тип реле

LS1-LS2 - быстродействующий контакт NC коммутатор (см. ниже)

PB1-PB2 - быстродействующий контакт NO кнопки

Q1-Q2 - TIP120 NPN силовой транзистор Дарлингтона

R1-R6 - 1к 1/8 Вт резисторы

R7-R8 - 10K Trimpots

T1 - 120VAC к 24VAC 2A понижающий трансформатор

Инвертор AC - 200-250 Вт 12В постоянного тока до 120В переменного тока инвертор

Код (программное обеспечение) для этого проекта можно найти на http://mbed.org/users/omegageek64/code/suntracker/. Это достаточно простая программа. Как я уже сказал выше, MBED является чрезмерным для этого проекта. Однако его неиспользованный потенциал мог бы позволить добавляться новые функции в будущем (можно добавить вторую моторизованную ось, можно было бы добавить контроль заряда и температурную компенсацию).

корпус_блока_электроники

Электроника блока управления расположена в старом ящике от боеприпасов, который я приобрел в комиссионном за $ 5 Это идеальный корпус, крепкий, защищенный от непогоды и просторный. В нем есть два 40 Amp автомобильных реле, инвертор, 120В / 24В понижающий трансформатор, макет, содержащий логику повода, держатель предохранителя и клеммные колодки для проводки.

Эта фотография была сделана на самом раннем этапе проекта солнечного трекера с ранней версией электроники на нем. Небольшой инвертор 100W, показанный на фото, был позже заменен более надежным. Маленький инвертор работал, но я считал, что это было слабое место. Поэтому я купил большой на 250W. Двигатель после этого перемещается быстрее и плавнее, не слышны странные звуки, словно от умирающего животного.

корпус блока электроники 2

Здесь я начал монтаж электроники внутри ящика для патронов. Реле, трансформатор, клеммная колодка и одна из полос клемм были установлены.

Хотя, похоже, электроника солнечного трекера является последней вещью, о которой нужно говорить на этой веб-странице, она на самом деле была одной из первых вещей, над которыми я начал работать после приобретения антенного ротатора. Электроника прошла несколько различных версий, прежде чем я остановился на окончательном варианте.

корпус блока электроники 3

Вот вид внутри коробки из-под патронов со всеми установленными компонентами электроники. Белый макет со всей логикой в ​​правом верхнем углу. Длинный черный прямоугольник является инвертором. Макет и инвертор удерживаются на месте липучкой промышленной прочности.

Приглядевшись, вы увидите, что кабель USB подключен к модулю MBED на плате и идет к моему нетбуку, едва заметному в верхней части фото. Эта фотография была сделана во время программирования/ тестирования/наладки приводной электроники.

макет платы контроллера

Вот крупным планом плата с «мозгами» системы на ней. MBED компьютерный модуль находится справа. Слева от MBED есть два trimpots для регулирования сигналов от сенсорной головки. Ниже них силовые транзисторы для управления реле. Далее слева есть ручные кнопки коррекции (нажимаются для перемещения трекера вручную). В крайнем левом углу есть регулятор напряжения 9В .

Макет временный. Впоследствии я сделаю правильный печатную плату и установить ее.

элементы датчика трекера

Головка датчика состоит из двух небольших тонкопленочных Copper Indium di Selenide (CIS) солнечных элементов того же типа, который я использовал в моей самодельной складной 15-ваттной солнечной батарее. У меня осталось неиспользованными несколько таких элементов.

датчик

Два небольшие солнечные элементы установлены под углом 90 градусов по отношению друг к другу. Идея заключалась в том, что, когда один элемент или другой будут получать больше солнца, солнечный трекер будет двигаться, пока освещенность не выровняется.

сенсорная головка солнечного трекера

Здесь показан вид законченной сенсорной головки солнечного трекера. Она установлена ​​на короткий кусок алюминиевой трубки, которая, в свою очередь, будет установлена ​​на приводе трубы слежения. Я показал некоторые размеры для тех, кто всегда просит меня, чтобы включить их. Головка датчика крепится хомутом.

головка датчика трекера

Вот вид головки датчика, прикрепленного к солнечному трекеру. Она устанавливается на трубу, выходящую из верхней части поворотного устройства.

выключатели

Два конечные выключатели установлены на алюминиевый уголок, прикрепленный к приводной трубе хомутом таким же образом, как и солнечные панели.

переключатели подсоединены

Лопатки переключателей контактируют с управляющими длинными винтами, выступающими из деревянной несущей конструкции приводного двигателя. Конечные выключатели останавливают движение электродвигателя с обоих (восточного и западного) концов хода. Переключатели нормально закрыты, и открываются, когда граница перемещения будет достигнута.

Для продолжения щелкните на кнопке с цифрой 3

Тестирование, настройка и доработка солнечного трекера

 

тестирование с нетбуком

Эта фотография была сделана во время сеанса отладки в моей мастерской в ​​последние выходные перед отъездом в Аризону. Мой нетбук подключен к MBED блока управления. Батарея большая, глубокого цикла, обеспечивает питание электроники и блок трекера (нет в кадре).

тестирование трекера

Еще одна фотография тестирования и отладки блока управления. Датчик работал хорошо в помещении моей мастерской.

После этого, уже в Аризоне, была обнаружена проблема. Гораздо более сильный естественный солнечный свет питал солнечные элементы датчика, даже если они были под достаточно острым углом к ​​солнцу. Это привело к тому, что трекер не следил за солнцем с нужной точностью.

головка датчика настройка

Решение проблемы было найдено путем установки панели затемнения перед солнечными элементами и использованием черной изоленты для покрытия части солнечных элементов.

Это первый вариант панели затемнения, кусок металла вырезали из алюминиевой банки безалкогольного напитка, единственного тонкого листового металла, который был у меня на руках в то время.

крепление из алюминия

Прототип панели затемнения работал так хорошо, что постоянная панель затемнения из 1/32 листа алюминия, купленного в хозяйственном магазине, была сделана на следующий день. Была сделана шире, чтобы она давала более широкую тень и я мог отказаться от изоленты на солнечных элементах.

датчик, затемнение

Панель затемнения солнечного трекера установлена ​​на двух винтах, которые позволяют ей поворачиваться на восток и запад. Это нужно для тонкой настройки точности наведения трекера. С этой панелью трекер действительно начал работать хорошо.

На фото вы видите, как в тени большая часть восточного элемента. Когда различие в выходе тока между элементами превысит определенный предел, трекер начнет двигаться.

финальный вариант крепления рамки

Вот фото финальной версии крепления затемнения с размерами.

калибровка трекера

Панель затемнения прекрасно работает. Вот это фото сделано поздно днем, и солнечный трекер преодолел почти весь свой путь до заката. Устройство работает очень хорошо. Я не мог быть более довольным.

Калибровка трекера достаточно проста. В ясный день подключите портативный компьютер к модулю MBED в трекере, откройте приложение, чтобы увидеть информацию по MBED. Отрегулируйте панель затемнения, чтобы она находилась по центру. Вручную позиционирует трекер, чтобы он был направлен на Солнце, затем выключите инвертор, чтобы трекер не двигался самостоятельно. Отрегулируйте trimpots, пока показатели востока и запада не будут примерно равны Получите их как можно более близкими. Делайте довольно быстро, потому что солнце движется. Вы можете всегда вручную повторно центрировать трекер на солнце и попробовать еще раз. После того, как вы отрегулируете, включите инвертор и посмотрите, насколько хорошо трекер отслеживает движение солнца.

Поскольку Солнце движется медленно, калибровка может занять некоторое время. Возможно, вам придется ждать час или два, или даже большую часть дня для внесения корректировки.

трекер в пасмурный день

Здесь трекер направлен немного восточнее центра в пасмурный день. Даже через тонкие облака трекер работает хорошо. Трекер перестает отслеживать солнце, когда облака густые и яркость неба, как правило, достаточно равномерная.

Эта фотография сделана во временя тестирования в Аризоне. Мой самодельный контроллер заряда и инвертор для питания 120В переменного тока подсоединены с помощью оранжевого удлинителя. Впоследствии батарея и электроника будут в защищенном корпусе, под землей будут провода для 120В переменного тока и 12В постоянного тока, дистанционный переключатель мощности для инвертора и вольтметр батареи будут установлены в салоне. Это есть в плане.

На моем участке земли в Аризоне ветрено. В любой день мы можем видеть порывы до 35 миль в час. Еще хуже, если начинается буря. Эта фотография показывает деревянные колья на четырех углах базы солнечного трекера, чтобы удерживать его на месте. После того, как я решу, где на постоянно разместить трекер, я, вероятно, буду использовать стальные колышки, чтобы удерживать его на месте (они не будут гнить в земле).

Вот видео, показывающее солнечный трекер в работе.

головка датчика защищена

UPDATE - Мне кажется, я нашел дешевый и легкий способ сделать всепогодной головку датчика. Я разрезал бутылку 2 литра пополам и положил ее на головку датчика. Пришлось сделать несколько прорезей в нижней части бутылки, чтобы она скользила вокруг квадратной трубы в нижней части головы. Я могу отрегулировать положение панели затемнения (при необходимости) через крышку отверстия.

солнечный трекер 2

UPDATE - Я сделал некоторые изменения в солнечном трекере. Во-первых, как вы можете видеть на этой фотографии, он был окрашен, чтобы защитить древесину от погоды. Он также в настоящее время установлен на кирпич, чтобы предохранить его от контакта с влажной землей.

стальные колышки

Деревянные колья были заменены длинными стальными кольями, вбитыми глубоко в землю. Длинные винты идут через отверстия и надежно закрепляют трекер.

крепление батареи

Было добавлено крепление, чтобы стабилизировать батареи и не допустить их хлопанья при сильном ветре.

крепление трубы

Горизонтальная полоса поддержки была укреплена сваркой муфты 1/2 дюйма стальной трубы к главной однодюймовой несущей трубе. Два 24-дюймовые длинные куски 1/2 дюйма трубы затем образовали горизонтальную балку.

новые герметические выключатели

UPDATE - Старые конечные выключатели были заменены на новые герметичные для защиты от пыли и влаги.

защита головки датчика 1

UPDATE - Я сделал новую, защищенную от непогоды головку датчика для системы солнечного трекера. Теперь головка установлена ​​в прозрачную пластиковую банку.

защита головки датчика 2

Панель затемнения в настоящее время находится на внешней стороне контейнера для простоты тонкой настройки отслеживания и крепится на месте простым хомутом. После того, как новая головка датчика будет установлена ​​на системе слежения, силиконовый герметик по всему краю крышки банки защитит ее от влаги.

защита головки датчика 3

Вот вид головки датчика с удаленной банкой. Оригинальная головка имела два солнечных элемента, установленные под углом 90 градусов друг к другу. Такая конструкция не будет помещаться в этой банке, поэтому я установил элементы под более острым углом 60 градусов.

защита головки датчика 4

Эта фотография показывает нижнюю сторону головки датчика. Она также показывает, как монтажная опора навинчивается на крышку банки. Монтажная опора будет зажата на главном вале слежения с помощью хомута.

Оригинальный текст Майка Дэвиса можно прочитать на англоязычном сайте www.mdpub.com.

Пользовательский поиск