Implementarea unui sistem pentru captarea energiei solare [311276]

Universitatea “Dunărea de Jos” [anonimizat], Inginerie Electrică și Electronică

Proiect de diplomă

Implementarea unui sistem pentru captarea energiei solare

Îndrumător : Codreș Bogdan Absolvent: [anonimizat] 2014

Declarație

Prin prezență declar că Lucrarea de licență cu titlul “Implementarea unui sistem pentru captarea energiei solare” este scrisă de mine și nu a mai fost prezentată niciodată la o altă facultate sau instituție de învățământ superior din țară sau străinătate. [anonimizat], [anonimizat], cu respectarea regulilor de evitare a plagiatului:

[anonimizat], sunt scrise între ghilimele și dețin referința precisă a sursei;

reformularea în cuvinte proprii a textelor scrise de către alți autori deține referința precisă;

rezumarea ideilor altor autori deține referința precisă la textul original.

Galați, 2014

Absolvent: [anonimizat]

_________________________

(semnătura în original)

Prefață

În cadrul acestei lucrări “Implementarea unui sistem pentru captarea energiei solare” [anonimizat] 4 senzori de lumină acesta reușește să se deplaseze cu ajutorul celor 2 servomotoare către sursa cea mai mare de energie.

[anonimizat], în primă fază pentru ca apoi să putem realiza un program care să faciliteze deplasarea înspre sursa care oferă cea mai însemnată cantitate de energie (mW/m²).

Capitolul 1 conține o prezentare a [anonimizat] a [anonimizat].

Capitolul 2 conține o prezentare amănunțită a [anonimizat] o clasificare a acestora.

Capitolul 3 conține o scurtă prezentare a [anonimizat] s-a [anonimizat] o prezentare a tuturor componentelor care formează ansamblul.

Capitolul 4 conține o prezentare în detaliu a programului de control.

Concluzii dar și intenții de îmbunătățire pe viitor.

Bibliografie si surse de inspirație.

Cuprins

Capitolul 1 : Introducere…………………………………………………………………………….8

Capitolul 2 : Introducere în lumea trackerelor solare……………………………………………11

Introducere……………………………………………………………………………….11

Conceptul de bază……………………………………………………………………….11

Tipuri de colectoare solare……………………………………………………………….14

Montaj fix…………….………………………………………..…………….14

Montaj pe suport „plutitor”…………………………..………………………15

Trackerele………………………………………………..…………………..15

Colector fix/oglindă mișcătoare…………………………..…………………16

Colectori în mișcare……………………………………………………..……17

Trackerele fotovoltaice neconcentrate (PV)……………………………………….…….17

Tehnologiile suportate…………………………………………..………..….17

Trackere fotovoltaice concentrate (CPV)……………………………………….……….18

Cerințe de acuratețe………………………………………………..…………18

Tehnologiile suportate………………………………………………..………18

Trackere pe o singură axă……………………………………………………………….19

Trackere orizontale pe o singură axă (HSAT)…………………..……………19

Trackerele verticale pe o singură axă (VSAT)…………………..…………..20

Trackerele pe o singură axă înclinate (TSAT)…………………..…………..21

Trackerele pe o [anonimizat] (PASAT)………………..………22

Trackere pe două axe…………………………………………………..…………………22

Trackerele pe două axe cu vârful înclinat (TTDAT)……….………………..23

Trackerele pe două axe tip azimut-înălțime (AADAT)…………….………..24

Selectarea tipului de tracker………………………………………………………………25

Panouri fotovoltaice cu mai multe oglinzi concentrate………………………………….26

Tipuri de conduceri (acționări)………………………………………………………27

Trackere active……………………………………………………………….27

Trackerele pasive…………………………………………………………….29

Trackerele cronologice………………………………………………………30

Trackerele manuale………………………………………………………….30

2.11 Clădiri rotative…………………………………………………………………….……31

Capitolul 3 : Componentele dispozitivului construit……………………………………………..33

3.1 Platforma Arduino Uno………………………………………………………………….33

3.2 Placa electronică auxiliară……………………………………………………………….34

3.3 Servomotoarele SpringRC………………………………………………………………..35

3.4 Senzorii de lumină profesionali………………………………………………………….37

Capitolul 4 : Programare și implementare……………………………………………………….39

4.1 Utilizarea Arduino Software……………………………………………………………..39

4.2 Analiza programului propriu-zis…………………………………………………………41

Concluzii…………………………………………………………………………………………….54

Bibliografie………………………………………………………………………………………….55

Anexe………………………………………………………………………………………………..56

Lista figurilor și a tabelelor

Figura 2.1 Suprafața captării efective a unui panou solar plat variază îm funcție de cosinusul nealinierii panoului cu Soarele……………………………………………………………12

Tabelul 2.2 Pierderea puterii pierdute (în %) din cauza nealinierii (unghiul i)………………………13

Figura 2.3 “Super Castron” situat deasupra “Bucătăriei Solare” in Auroville, India. Acesta concentrează lumina solară pe un receptor pentru a produce abur pentru gătit……………………..16

Figura 2.4 Trackere orizontale pe o singură axă în California………………………………………19

Figura 2.5 Trackere liniare orizontale în Coreea de Sud…………………………………………….20

Figura 2.6 Trackere pe o singură axă cu o inclinare de aproximativ 20° la baza aeriană militară Nellis în Nevada, SUA………………………………………………………………………………21

Figura 2.7 Tracker pe două axe de tip azimuth-înălțime în Toledo, Spania…………………………24

Figura 2.8 Antena parabolica focalizată într-un singur punct, care folosește un sistem Stirling……26

Figura 2.9 Unități concentratoare pe bază de oglinzi reflexive………………………………………27

Figura 2.10 Unitate de rotire…………………………………………………………………….…..28

Figura 2.11 Tracker pasiv în poziția de primavară/vară. Obiectele de culoare albastru închis sunt amortizoare hidraulice……………………………………………………………………………….30

Figura 2.12 Casa “Gemini” se ​​rotește cu toate elementele sale și panourile solare se rotesc independent, lucru care permite controlul încălzirii naturale de la Soare……………………………31

Figura 2.13 Casa “ReVolt”, proiectul Universității Tehnologice Delft (Olanda) înscris în cadrul concursului “Decatlonul Solar European” din 2012…………………………………………………32

Figura 3.1 Microcontrolerul Arduino Uno v3……………………………………………………….34

Figura 3.2 Plăcuță electronică auxiliară……………………………………………………………..35

Figura 3.3 Servomotor de tip SpringRC SM-S3317SR………………………………………………36

Figura 3.4 Stabilizator 5V brick……………………………………………………………………..36

Figura 3.5 Senzor de lumină profesional TSL235R…………………………………………………37

Figura 3.6 Trackerul solar „Vasi”……………………………………………………………………38

Figura 4.1 Frecvența de ieșire în comparație cu strălucirea……………………………………………………….41

Figura 4.2 Valorile citite de la senzori imprimate pe portul serial…………………………………..50

Figura 4.3 Plotarea valorilor citite de la senzorul 0…………………………………………………51

Figura 4.4 Plotarea valorilor citite de la senzorul 1…………………………………………………51

Figura 4.5 Plotarea valorilor citite de la senzorii 0, resprectiv 1, în același timp……………………51

Figura 4.6 Schema bloc a programului………………………………………………………………52

Figura 4.7 Schema bloc de funcționare a ansamblului………………………………………………53

Capitolul 1 – Introducere

În introducere, o sa vorbim puțin despre fenomenul din natură care a servit ca sursă de inspirație pentru inginerii care au dezvoltat sistemele de trackere solare și anume heliotropismul.

Heliotropism, o formă de tropism, e mișcarea diurnă sau sezonieră a unor părți componente ale plantelor (frunze sau flori) ca răspuns pentru direcția Soarelui. Deprinderea unor plante de a se mișca in spre Soare era cunoscută și de grecii antici. Ei au numit una din aceste plante dupa numele acestei proprietăți “Heliotropium”, care înseamnă “întoarcerea spre Soare”. Grecii au presupus că acesta este un efect pasiv, presupunând pierderea fluidelor pe partea iluminată, din această cauză nu au mai studiat fenomenul mai departe. Aceștia s-au bazat pe logica lui Aristotel, care spune că plantele sunt organisme pasive si imobile. Totuși, in secolul 19, botaniștii au descoperit ca sunt implicate procesele de creștere ale plantei si de aceea au pornit experimente ingenioase. A.P. de Candlle a numit acest fenomen, la orice plantă, heliotropism(1832). A fost renumit fototropism in 1892, pentru că este un răspuns pentru lumină si nu neaparat pentru Soare, și pentru că fototropismul algelor în laborator la acel moment depindeau foarte mult de luminozitate (fototropie pozitivă pentru lumină slabă și fototropie negativă pentru lumină puternica, cum e cea a Soarelui). Un botanist studiind subiectul în laborator, la nivel celular și subcelular, sau folosind lumină artificială, tinde să folosească cuvântul abstract fototropism. Cercetătorul francez Jean-Jacques dțOrtous de Mairan a fost unul dintre primii care a studiat heliotropismul în momentul în care a făcut câteva experimente cu mimosa pudica.

Mimosa pudica (mimoza) este o specie de plante tropicale din ordinul Fabales, familia Fabaceae, subfamilia ”Mimosoideae”. Mimoza crește sub formă de tufe, are o tulpină lemnoasă și frunzele lenticulare se prind perechi. Caracteristic plantei este reflexul de apărare: la atingerea plantei, scăderea temperaturii sau lipsei de lumină frunzele se restrâng. De aici provine zicala "sensibil ca o mimoză" sau în limba engleză "Touch-me-not" (Nu mă atinge). Mimosa pudica provine din America de Sud. Ea trăiește atât în păduri cât și cultivată în grădinile din Europa. Pentru prima oară semințe de mimoză au fost aduse în Europa de botanistul englez Joseph Banks.

Heliotropismul floral : Florile heliotropice urmăresc mișcarea Soarelui de-a lungul cerului de la est către vest. Pe parcursul nopții, folirle pot asuma o orientare aleatorie. însă în zori ele se

întorc din nou către est unde răsare Soarele. Mișcarea este realizată de celulele motor care se află într-un segment flexibil chiar sub floare, care se numește pulvinus. Celulele motor sunt specializate în a pompa ioni de potasiu înspre țesuturile din jur schimbându-le presiunea de turgescență. Segmentul flexează pentru că celulele motor se alungesc pe partea întunecată datorită creșterii turgescenței. Heliotropismul este un răspuns la lumina solară.

Mai multe ipoteze au fost propuse pentru apariția heliotropismului în flori :

Ipoteza atracției polenizatoare spune astfel : căldura asociată cu insolația totală a florii este o răsplată pentru polenizatori.

Ipoteza stimulării creșterii : presupune că efectul absorbției de energie solară și creșterea consecventă a temperaturii are un efect favorabil în germinarea polenului, creșterea tubului de polen și producerea de semințe.

Ipoteza răcirii : potrivită florilor într-un climat fierbinte, presupune că poziția florii este ajustată ca să poată evita supraîncalzirea.

În general, heliotropismul floral poate crește rata de succes a reproducției prin creșterea succesului polenizăarii și a fertilizării și/sau a dezvoltării semințelor, în special în cazul florilor primăvăratice.

Câteva plante care urmăresc Soarele nu sunt pur heliotropice. În cazul acelor plante schimbarea orientării este o mișcare circadian înnăscută declanșată de lumină, care continuă pentru una sau mai multe perioade daca ciclul luminii este întrerupt.

Florile tropicale din familia Convolvulaceae au o orientare preferată, spre poziția generală a Soarelui dar nu au caracteristica de a-l urmări foarte precis. Acestea nu au demonstrat să aibă heliotropism diurn ci mai degrabă unul sezonier. Dacă urmărirea Soarelui este exactă, razele solare ar intra întotdeauna în tubul corolei și ar încălzi gineceul, un proces care ar putea fi periculos într-un climat tropical. Oricum, prin adoptarea unui unghi anume altul decât unghiul solar, acest lucru este prevenit. Forma de trompetă a acestor flori se comportă așadar ca o umbrelă pentru gineceu în timpul atingerii radiației solare maxime și nu permite razelor să ajungă către acesta.

În cazul florii soarelui, o concepție greșită, foarte des întânită este că aceasta urmărește Soarele pe parcursul traversării cerului. Alinierea uniformă a florilor rezultă dintr-un heliotropism în etapa timpurie de dezvoltare, etapa mugurilor, înainte de apariția florii propriu-zise. Mugurii sunt heliotropici până la sfârșitul etapei mugurilor și în cele din urmă se îndreaptă spre est. De aceea florile înflorite (decolorate) ale florii soarelui crescând într-un spațiu deschis, sunt adevărate busole pline de viață (dar nu foarte exacte) : vestul este în spate, nordul este în stânga și sudul în dreapta.

Heliotropismul frunzelor : Este comportamentul de urmărire a luminii solare a frunzelor unei plante. Câteva specii de plante au frunze care se orintează perpendicular pe razele Soarelui dimineața (diaheliotropism) și altele care au frunze care se orientează paralel cu razele solare (paraheliotropism).

Heliotropismul floral nu este expus obligatoriu de aceleași plante care manifestă forme de heliotropism al frunzelor.

Capitolul 2 – Introducere în lumea trackerelor solare

2.1 Introducere

Un tracker solar este un dispozitiv care orientează o sarcină utilă către Soare. Sarcinile utile pot fi panourile fotovoltaice, reflectoarele, lentilele și alte dispozitive optice.

În aplicațiile cu panourile-plate fotovoltaice (PV), tracker-ele sunt folosite pentru a minimiza unghiul de incidență dintre lumina solară și un panou fotovoltaic. Acest lucru ajută la creșterea cantității de energie produsă în comparație cu un panou fotovoltaic fix. În cazul aplicațiilor fotovoltaice standard, se estimează că tracker-ele sunt folosite în cel puțin 85% dintre instalațiile comerciale cu o capacitate mai mare de 1MW din 2009 până în 2012.

În cazul aplicațiilor cu panouri fotovoltaice concentrate (CPV) și panouri fotovoltaice concentrate termic solar (CSP), tracker-ele sunt folosite pentru a porni componentele optice care alcătuiesc sistemele CPV si CSP. Componentele optice din interiorul sistemelor solare concentrate acceptă componența brută a luminii solare și prin urmare trebuie orientate corespunzător pentru a putea capta energie. Sistemele de tracking se găsesc în componența tuturor aplicațiilor cu panouri fotovoltaice concentrate pentru ca sistemele de acest gen nu produc energie decât dacă sunt îndreptate spre soare.

2.2 Conceptul de bază

Lumina solară are două componente, raza directă care conține în jur de 90% din energia solară și lumina solară difuză care conține rămășițele. Lumina solară difuză este redusă în zilele senine și crește semnificativ în zilele innorate. Altfel spus, este direct proporționala cu multitudinea de nori.

Așadar, cum majoritatea energiei emise de Soare se află în raza directă, maximizarea cantității colectate presupune ca Soarele să fie vizibil panourilor solare cât mai mult timp posibil.

Figura 2.1 Suprafața captării efective a unui panou solar plat variază îm funcție de cosinusul nealinierii panoului cu Soarele. (Sursă : www.wikipedia.org , Autor : Neil Clarke)

Energie contribuită de raza directă scade odata cu unghiul cosinus dintre lumina care sosește și panoul propriu-zis. În plus, reflexia (medie în toate polarizările) este aproximativ constantă pentru unghiurile de incidență pana la aproape 50⁰, după care aceasta scade rapid.

De exemplu trackerele care au o acuratețe de ±5⁰ pot furniza mai mult de 99.6% din energia captată din razele solare directe plus 100% din lumina difuză. De aici rezultă că acuratețea ridicată nu este tipic folosită în cazul aplicațiilor cu panouri fotovoltaice (PV) neconcentrate.

Soarele călătorește 360° de la est catre vest în fiecare zi, dar din perspectiva unei locații fixe este vizibilă doar o porțiune de 180°. Această călătorie durează cam jumătate de zi (mai mult primăvara și vara; mai puțin toamna și iarna). Orizontul local reduce acest efect cumva făcând mișcarea efectivă sa pară de doar 150°. Un panou solar într-o locație fixă între răsărit

Figura 2.2 Pierderea puterii pierdute (în %) din cauza nealinierii (unghiul i)

și apus vor vedea doar o mișcare de 75° în oricare din părți, așadar conform tabelului de mai sus, va pierde 75% din energie dimineața și seara. Rotind panourile spre est și vest se pot recupera acele pierderi. Un tracker care se rotește în directia est-vest este cunoscut sub denumirea de tracker pe o singura axa (single-axis tracker).

De asemenea Soarele se mișcă 46° nord sau sud pe parcursul unui an. Același set de panouri fixate într-un punct din mijloc între cele 2 extremități vor vedea așadar Soarele mișcându-se 23° în oricare din direcții, cauzând pierderi de 8.3%. Un tracker care se poate mișca atât zilnic cât și sezonier este cunoscut sub denumirea de tracker pe două axe (dual axis tracker). În general vorbind, pierderile din cauza schimbării unghiului sezonier sunt amplificate de schimbarea duratei unei zile, crescând însă rata colectării vara în zonele de nord si sud. Acest lucru mărește colectarea pe parcursul verii, astfel dacă panourile sunt înclinate mai aproape de unghiurile medii pe timpul verii, pierderea totală pe parcursul unui an sunt reduse în comparație cu un sistem înclinat la unghiurile solstițiilor de primăvară/toamnă (care este de fapt la fel ca și latitudinea locului).

Există numeroase dezbateri în cadrul industriei dacă mica diferență în colectarea anuală dintre sistemul pe o singură axă și sistemul pe două axe merită complexitatea sistemelor pe două axe. O analiză recentă a statisticilor producției actuale din sudul orașului Ontario sugerează că diferența era de aproape 4% în total, care reprezintă mult mai puțin decât costurile sistemelor pe două axe în comparație cu cele pe o singură axă. Aceasta se compară nefavorabil cu îmbunătățirea de 24-32% dintre un tracker fix și unul mobil pe o singură axă.

2.3 Tipuri de colectoare solare

Diferitele tipuri de colectoare solare și locația lor (latitudinea) necesită și tipuri diferite de mecanisme de urmărire. Colectoarele solare pot fi :

panouri plate neconcentrate, de obicei fotovoltaice sau apă caldă;

sisteme concentrate, de diferite tipuri;

Sistemele de montaj ale colectoarelor solare pot fi fixe (aliniate manual) sau de urmărire. Sistemele de urmărire pot fi configurate ca :

colector fix / oglinda mișcătoare (de exemplu, heliostat)

Colector mobil

2.3.1 Montaj fix

Panourile fotovoltaice și cele cu apă caldă domestice dar și cele comerciale la o scară mai mică sunt de obicei fixe, de cele mai multe ori încastrate într-un acoperiș înclinat. Avantajele sistemelor montate fix (factori care tind să indice împotriva trackerelor) includ următoarele :

Simplitate mecanică și prin urmare costuri mai mici de instalare și întreținere;

Rezistență împotriva vântului : este mai ușor și mai ieftin să ai la dispoziție un suport robust; toate suporturile în afară de panourile încastrate trebuie proiectate cu grijă pentru a rezista împotriva vânturilor puternice.

Lumină indirectă: aproximativ 10% din incidența radiației solare este lumină difuză, valabilă la orice unghi sau nealiniere cu Soarele.

Toleranță la nealiniere: zona de colectare efectivă pentru un panou plat este relativ insensibilă la un nivel ridicat de nealiniere cu Soarele. De exemplu, chiar și o nealiniere de 25% reduce energia solară directă colectată cu puțin sub 10%.

Suporturile fixe sunt folosite de obicei in cadrul sistemelor neconcentrate, totuși o clasă importantă de colectoare concentrate, o valoare deosebită în lumea a 3a, sunt mașinile de gatit solare, portabile. Acestea utilizează un nivel scăzut de concentrare, de obicei intre orele 2 și 8 și sunt aliniate manual.

2.3.2 Montaj pe suport “plutitor”

Trackerele solare pot fi construite folosind o fundație “plutitoare”, care stau deasupra solului fără a fi nevoie de fundații invazive de beton. În loc să plaseze trackerul pe o fundație din beton, acesta este plasat pe o fundație de pietriș care poate fi combinat cu o varietate de alte materiale, cum ar fi nisipul, pentru o mai bună siguranță a agregatului. Aceste trackere “plutitoare” pot rezista la aceleași vânturi puternice ca și un tracker tradițional, fix. Folosirea trackerelor “plutitoare” crește numărul de potențiale locuri pentru proiecte solare comerciale din moment ce acestea pot fi plasate chiar si deasupra depozitelor de deșeuri acoperite sau în zone unde fundațiile excavate nu sunt fezabile.

2.3.3 Trackerele

Chiar dacă un panou fix poate fi reglat pentru a colecta o proporție foarte mare din energia disponibilă în timpul amiezii, o putere semnificativă este de asemenea disponibilă dimineața devreme sau dupa-amiază târziu când nealinierea cu un panou fix devine excesivă pentru a mai putea colecta o proporție rezonabilă a energiei disponibile. De exemplu, chiar și când Soarele este la doar 10⁰ deasupra orizontului energia disponibilă poate fi undeva la jumătate din nivelul energiei disponibile la amiază (sau poate chiar mai mare, în funcție de latitudine, anotimp si condiții atmosferice).

Astfel, beneficiul principal al unui sistem de urmărire este de a colecta energia solară pentru o lungă perioadă a zilei, și cu alinierea cea mai exactă pe măsură ce poziția Soarelui se schimbă în funcție de anotimp.

În plus, cu cât este mai mare nivelul de concentrare angajat, cu atât mai importantă devine urmărirea exactă, pentru că proporția energiei derivate din radiația directă este mai mare, și regiunea în care energia concentrată este axată devine mai mică.

2.3.4 Colector fix/oglindă mișcătoare

Mulți colectori nu pot fi mișcați, de exemplu colectorii de temperaturi mari unde energia este recuperata prin intermediul lichidelor infierbântate sau al gazelor (de exemplu aburul). Alte exemple includ incălzirea directă și iluminatul clădirilor și aparatele de gătit solare, cum ar fi reflectoarele Scheffler. În astfel de cazuri e necesar să se folosească o oglindp în mișcare, astfel încât, indiferent de locul în care Soarele este poziționat pe cer, razele solare sunt redirecționate pe colector. Având în vedere mișcarea complicată a Soarelui pe cer, și nivelul de precizie necesar pentru a urmări corect razele Soarelui pe “țintă”, o oglindă heliostat are, în general, un sistem dublu de urmărire al axelor, cu cel puțin o axă mecanizat. În diferite aplicații, oglinzile pot fi plate sau concave.

Figura 2.3 “Super Castron” situat deasupra “Bucătăriei Solare” in Auroville, India. Acesta concentrează lumina solară pe un receptor pentru a produce abur pentru gătit. (Sursă : www.wikipedia.org , Autor : Magnus Manske)

2.3.5 Colectori în mișcare

Trackerele pot fi grupate în clase în funcție de numărul și orientarea axelor lui. Comparativ cu o montare fixă, un tracker cu o singură axă crește producția anuală cu aproximativ 30% și un tracker pe două axe cu 6%.

Trackerele fotovoltaice pot fi clasificate în două tipuri: trackere fotovoltaice standard, (PV) și trackere fotovoltaice concentrate (CPV). Fiecare dintre aceste tipuri de tracker pot fi clasificate în continuare de numărul și orientarea axelor lor, arhitectura lor de acționare și de tipul de unitate, cererile lor sunt destinate, suporturile lor verticale și fundația.

2.4 Trackere fotovoltaice neconcentrate (PV)

Panourile fotovoltaice acceptă atât lumină directă, cât și difuză de pe cer. Panourile fotovoltaice de pe trackerele standard, adună mereu lumina directă disponibilă. Funcționalitatea de urmărire în cazul trackerelor fotovoltaice standard, este utilizat pentru a minimiza unghiul de incidență între lumina de intrare și panoul fotovoltaic. Acest lucru crește cantitatea de energie adunată din componenta directă a razelor solare.

2.4.1 Tehnologiile suportate

Fizica din spatele trackerelor fotovoltaice standard (PV) funcționează cu toate tehnologiile standard de module fotovoltaice. Acestea includ toate tipurile de panouri de siliciu cristalin (monocristaline, policristaline) și toate tipurile de panouri subțiri de film (siliciu amorf, CdTe, CIGS, microcristaline).

2.5 Trackere fotovoltaice concentrate (CPV)

Optica din module CPV acceptă componenta directă a luminii de intrare și, prin urmare, trebuie să fie orientate în mod corespunzător pentru a maximiza energia colectată. In aplicații de concentrație scăzută o porțiune a luminii difuze de pe cer poate fi captată. Funcționalitatea de urmărire în cazul modulelor CPV este utilizată pentru orientare optica, astfel încât lumina de intrare este concentrată către un colector fotovoltaic.

Module CPV, care se concentrează într-o singură dimensiune trebuie să fie urmărite normal la soare într-o singură axă. Module CPV, care se concentrează în două dimensiuni trebuie să fie urmărite normal la soare în două axe.

2.5.1 Cerințele de acuratețe

Fizica din spatele opticii CPV prevede urmărirea creșterii preciziei pe măsură ce raportul de concentrare al sistemelor, crește. Cu toate acestea, pentru o concentrație dată, optica neimagistică furnizează cele mai largi posibile unghiuri de acceptare, care pot fi utilizate pentru a reduce precizia de urmărire.

În cazul sistemelor de urmărire tipice de mare concentrare precizia trebuie să fie în intervalul ± 0,1° pentru a furniza aproximativ 90% din puterea nominală. În sistemele de concentrare scăzută, precizia de urmărire trebuie să fie în intervalul ± 2,0 ° pentru a furniza 90% din puterea nominală. Prin urmare, sistemele de urmărire de înaltă precizie sunt tipice.

2.5.2 Tehnologiile suportate

Trackerele fotovoltaice concentrate sunt utilizate cu sisteme bazate pe concentratoare de refracție și reflexie. Există o serie de tehnologii de celule fotovoltaice în curs de dezvoltare utilizate în aceste sisteme. Acestea variază de la receptoare fotovoltaice pe bază de siliciu cristalin la receptoare fotovoltaice de triplă joncțiune pe bază de germaniu.

2.6 Trackere pe o singura axă

Trackerele pe o singură axă au un grad de libertate, care acționează ca o axă de rotație. Axa de rotație a trackerelor cu axă individuală este de obicei aliniată de-a lungul unui meridian real Nord. Este posibilă alinierea lor în orice direcție cardinală folosind algoritmi avansați de urmărire.

Există mai multe implementări comune de trackere pe o singură axă. Acestea includ trackere orizontale pe o singură axă (Hsat), trackere verticale pe o singură axă (VSAT), trackere înclinate pe o singură axă (Tsat) și trackere aliniate polar pe o singură axă (PSAT). Orientarea modulului în raport cu axa este importantă atunci când se modelează performanța.

2.6.1 Trackere orizontale pe o singură axă (HSAT)

Axa de rotație pentru trackerele orizontale pe o singură axă este poziționată la orizontală în raport cu solul. Posturile de la oricare capăt al axei de rotație ale unui tracker pe o axă orizontală poate fi împărțit între trackere pentru reducerea costulurilor de instalare.

Figura 2.4 Trackere orizontale pe o singură axă în California. (Sursă : www.engeo.com)

Configurația terenului ales în cazul trackerelor orizontale pe o singură axă trebuie să fie foarte flexibilă. Geometria simplă înseamnă că păstrarea tuturor axele de rotație paralele între ele este tot ceea ce este necesar pentru poziționarea corespunzătoare în raportul unuia cu celălalt.

Spațiere adecvată poate maximiza raportul producției de energie la cost, acesta fiind dependent de teren, de umbrire, de condițiile locale și de valoarea în timp/zi a energiei produse. Backtracking-ul este un mijloc de calcul al dispunerii de panouri.

Trackerele orizontale au de obicei fața modulului orientată paralel cu axa de rotație. Pe măsură ce un modul urmărește, acesta străbate un cilindru care este simetric rotațional în jurul axei de rotație.

În cazul trackerelor orizontale pe o singură axă, un tub lung orizontal este sprijinit pe rulmenții montați pe stâlpi sau cadre. Axa tubului este pe o linie nord – sud. Panourile sunt montate pe un tub, iar tubul se va roti în jurul axei sale pentru a urmări mișcarea aparentă a Soarelui pe parcursul zilei.

Figura 2.5 Trackere liniare orizontale în Coreea de Sud. (Sursă www.ookaboo.com )

2.6.2 Trackerele verticale pe o singură axă (VSAT)

Axa de rotație a trackerelor verticale pe o singură axă este verticală în raport cu solul.

Aceste trackere se rotesc de la est la vest pe parcursul zilei. Astfel de trackere sunt mai eficiente la latitudini mari decât sunt trackerele orizontale pe o singură axă.

Configurația terenului ales trebuie să ia în considerare umbrirea pentru a evita pierderile inutile de energie și pentru a optimiza utilizarea terenurilor. De asemenea, optimizare pentru ambalarea densă este limitată din cauza naturii umbririi pe parcursul unui an.

Trackerele verticale pe o singură axă au de obicei fața modulului orientată sub un unghi față de axa de rotație. Pe măsură ce un modul urmărește, acesta formează un con care este simetric rotațional în jurul axei de rotație.

2.6.3 Trackerele pe o singură axă înclinate (TSAT)

Toate trackerele cu axe de rotație între orizontală și verticală sunt considerate trackere pe o singură axă înclinate. Unghiuri de înclinare ale trackerelor sunt adesea limitate pentru a reduce profilul de vânt și pentru a reduce înălțimea capătului.

Configurația terenului ales trebuie să ia în considerare umbrirea, pentru a evita pierderile inutile și pentru a optimiza utilizarea terenurilor.

Figura 2.6 Trackere pe o singură axă cu o inclinare de aproximativ 20° la baza aeriană militară Nellis în Nevada, SUA. (Sursă : www.nellis.af.mil )

Cu backtracking, acestea pot fi înțesate fără umbrire, perpendicular pe propria axă de rotație la orice densitate. Cu toate acestea, înțesarea paralelă pe axele lor de rotație este limitată de unghiul de înclinare și latitudine.

Trackerele pe o singură axă înclinate au de obicei fața modulului orientată paralel cu axa de rotație. Pe măsură ce un modul urmărește, acesta formează un cilindru care este simetric rotațional în jurul axei de rotație.

2.6.4 Trackerele pe o singură axă, aliniate polar (PASAT)

Această metodă este științific bine cunoscută ca metoda standard de montare a unei structuri de sprijin telescop. Axa singulară înclinată este aliniată cu steaua polară. Din acest motiv este numit tracker pe o singură axă aliniat polar (PASAT). În această implementare particulară a unui tracker înclinat pe o singură axă, unghiul de înclinare este egal cu latitudinea locului. Aceasta aliniază axa de rotație a trackerului cu axa de rotație a Pământului.

2.7 Trackere pe două axe

Trackerele pe două axe au două grade de libertate, care acționează în calitate de axe de rotație. Aceste axe sunt de obicei tipice între ele. Axa care este fixă în raport cu solul poate fi considerată axa principală. Axa de referință față de axa primară poate fi considerată axa secundară.

Există mai multe implementări comune de trackere pe două axe. Ele sunt clasificate în funcție de orientarea axelor lor primare în raport cu solul. Două implementări comune sunt trackerele pe două axe cu vârful înclinat (TTDAT) și trackerele pe două axe tip azimut-altitudine (AADAT).

Orientarea modulului în raport cu axa trackerului este importantă atunci când se modelează performanța. Trackerele pe două axe au modulele, de obicei, paralele cu axele secundare de rotație.

Trackerele pe două axe captează un nivel optim de energie solară, datorită capacității lor de a urma Soarele atât pe verticală cât și pe orizontală. Indiferent unde este Soarele pe cer, trackerele pe două axe sunt capabile să-și adapteze unghiurile pentru a fi în contact direct cu acesta.

2.7.1 Trackerele pe două axe cu vârful înclinat (TTDAT)

Un tracker pe două axe cu vârful înclinat este numit așa deoarece panoul matrice este montat pe partea de sus a unui stâlp. În mod normal, mișcarea est-vest este condusă prin rotirea matricei în jurul părții de sus a stâlpului. În partea de sus a rulmentului de rotație este un mecanism în formă de T sau în formă de H care asigură rotația verticală a panourilor și oferă principalele puncte de montare ale matricei. Stâlpii de la oricare capăt al axei primare de rotație a unui tracker pe două axe cu vârful înclinat pot fi comuni între acestea pentru a reduce costurile de instalare.

Alte astfel de trackere TTDAT au o axă primară orizontală și o axă ortogonală dependentă. Axa verticală azimutală este fixă. Acest lucru permite o mare flexibilitate a conexiunii sarcinii utile a echipamentului montat pe pământ, pentru că nu există nici o răsucire a cablajului în jurul stâlpului.

Configurația terenului ales pentru trackerele pe două axe cu vârful înclinat este foarte flexibilă. Folosind noțiuni de geometrie simplă și menținând axele de rotație paralele între ele este tot ceea ce este necesar pentru poziționarea corespunzătoare în raport unul cu celălalt. În mod normal, trackerele ar trebui să fie poziționate la o densitate destul de scăzută, în scopul evitării umbririi unui tracker de către alt tracker în momentul în care Soarele este “jos” pe cer. Trackerele cu vârful înclinat compensează acest dezavantaj prin înclinarea mai aproape de orizontală pentru a minimiza efectul de umbrire și maximiza cantitatea totală de energie colectată.

Axele de rotație a mai multor trackere pe două axe cu vârful înclinat sunt de obicei aliniate fie de-a lungul un meridian nord adevărat sau de-a lungul unei linii de la vest la est pe latitudine.

Având în vedere capacitățile unice ale configurației cu vârful înclinat și controlorului potrivit, urmărirea complet automată este posibilă pentru utilizarea pe platforme portabile. Orientarea trackerul nu are nicio importanță și poate fi plasat după cum este necesar.

2.7.2 Trackerele pe două axe tip azimut-înălțime (AADAT)

Un tracker pe două axe tip azimut-înălțime are axa principală (axa azimut) verticală pe sol. Axa secundară (adesea numită axa elevație) este în mod tipic normală pe axa primară. Când sunt în funcțiune acestea sunt similar cu trackerele pe două axe cu vârful înclinat, dar acestea diferă în modul în care matricea este rotită pentru urmărirea de zi cu zi. În loc de rotație în jurul matricei de sus a stâlpului, sistemele AADAT pot utiliza un inel mare montat pe teren cu matricea montata pe o serie de role. Principalul avantaj al acestui aranjament este că greutatea matricei este distribuită pe o porțiune a inelului, spre deosebire de punctul unic de încărcare al polului în TTDAT. Acest lucru permite AADAT să sprijine matrice mult mai mari. Spre deosebire de TTDAT, în cadrul unui sistem de tip AADAT trackerele nu pot fi plasate mai aproape decât diametrul inelului unuia față de celălalt, acest lucru reducând densitatea în sistem, considerând în special umbrirea dintre acestea.

Figura 2.7 Tracker pe două axe de tip azimut-înălțime în Toledo, Spania.

(Sursă : www.slideshare.net )

2.8 Selectarea tipului de tracker

Selectarea tipului de tracker depinde de mulți factori, inclusiv dimensiunea de instalare, ritmul producerii de electricitate, stimulente guvernamentale, constrângerile de terenuri, latitudine și condițiile meteo locale.

Trackerele orizontale pe singură axă sunt de obicei utilizate pentru proiecte mari de generare distribuită și proiecte la scară de utilitate. Combinația de îmbunătățire a energiei, a costurilor de producție mai mici dar și complexitatea scăzută în cazul instalării rezultă într-o economie convingătoare în cazul implementărilor de mari dimensiuni. În plus, performanța puternică de după-amiază este deosebit de dorită pentru sistemele fotovoltaice de mari dimensiuni legate la rețea, astfel că producția se va potrivi în momentul cererii de vârf. Trackerele cu o singură axă orizontală adaugă, de asemenea, o cantitate substanțială de productivitate în timpul anotimpurilor de primăvară și vară atunci când Soarele este sus pe cer. Robustețea inerentă a structurii lor de sprijin și simplitatea mecanismului, de asemenea, duc la fiabilitate ridicată, fapt care menține costurile de întreținere scăzute. Deoarece panourile sunt orizontale, ele pot fi plasate compact pe tubul osie fără pericol de auto-umbrire și sunt, de asemenea, ușor accesibile pentru curățare.

Un tracker cu o axă verticală pivotează doar în jurul unui ax vertical, cu panourile fie verticale, fixe, reglabile, sau la un unghi de urmărire ridicat. Astfel de trackere cu unghiuri fixe ​​sau (sezoniere) reglabile sunt potrivite pentru latitudini mari, în cazul în care traiectoria solară aparent nu este deosebit de mare, dar ceea ce duce la zile lungi în timpul verii, cu Soarele care călătorește printr-un arc lung.

Trackerele pe două axe sunt de obicei folosite în instalațiile rezidențiale mai mici, și în locații subvenționate masiv din bani guvernamentali.

Figura 2.8 Antena parabolica focalizată într-un singur punct, care folosește un sistem Stirling.

(Sursă : www.pkpolitics.com )

2.9 Panouri fotovoltaice cu mai multe oglinzi concentrate

Acest dispozitiv utilizează mai multe oglinzi într-un plan orizontal, pentru a reflecta lumina Soarelui în sus pentru un sistem fotovoltaic de mare temperatură sau alt sistem care necesită energie solară concentrată. Problemele structurale și cheltuielile sunt foarte reduse, deoarece oglinzile nu sunt expuse în mod semnificativ la vânt. Prin angajarea unui mecanism patentat, doar două sisteme de acționare sunt necesare pentru fiecare dispozitiv. Datorită configurației, dispozitivul este potrivit în special pentru utilizarea pe acoperișuri plate și la latitudini mai joase. Fiecare din unitățile ilustrate produc un vârf de aproximativ 200 de wati (curent continuu).

Un sistem cu multiple oglinzi reflexive combinat cu un turn de putere centrală este angajat la Sierra SunTower, situat în Lancaster, California. Aceasta instalație de ultimă generație este operată de eSolar și a fost programată să înceapă operațiunile pe 05 august 2009. Acest sistem, care folosește mai multe heliostate într-o aliniere nord-sud, este compus din piese de pre-fabricate și este construit în așa fel încât să nu întârzie pornirea și să micșoreze costurile de instalare.

Figura 2.9 Unități concentratoare pe bază de oglinzi reflexive. (Sursa : www.wikimedia.org )

2.10 Tipuri de conduceri (acționări)

2.10.1 Trackere active

Trackerele active folosesc motoare și cutii de viteze pentru a fi direcționate ca si cum ar fi comandate de un controler care răspunde la direcția soarelui.

În scopul de a controla și de a gestiona mișcarea acestor structuri masive au fost proiectate, și testate riguros, unități speciale de rotire. Tehnologiile utilizate pentru a direcționa trackerele sunt în continuă evoluție și soluțiile recente ale Google și Eternegy au inclus utilizarea cablurilor și vinciuri pentru a înlocui unele componente mai costisitoare și mai fragile.

Figura 2.10 Unitate de rotire. (Sursă : www.kinematicsmfg.com )

Unitățile de rotire cu contor care încadrează un suport la un unghi fix pot fi aplicate pentru a crea o metodă de urmărire tip "multi-axă" care elimină rotația în raport cu alinierea longitudinală. Această metodă dacă este folosită pe o coloană sau un pilon va genera mai multă energie electrică decât PV fix și gama sa PV nu se va roti într-o parcare. Aceasta va permite, de asemenea, producerea de energie solară maximă în orice orientare.

Trackerele active pe două axe sunt, de asemenea, folosite pentru a orienta heliostatele – oglinzi mobile care reflectă lumina Soarelui spre absorbantul unei stații centrale de putere. Cum fiecare oglindă într-o arie largă va avea o orientare individuală acestea sunt controlate programatic prin intermediul unui sistem informatic central, care permite, de asemenea, ca sistemul să fie oprit atunci când este necesar.

Trackerele care detectează lumina au în componență, de obicei, doi sau mai mulți senzori de lumină, cum ar fi fotodiodele, configurate în mod diferențiat, astfel încât semnalul de ieșire să fie nul la primirea aceluiași flux luminos. Mecanic, ele ar trebui să fie omnidirecționale (de exemplu, plate) și sunt destinate la 90° unul față de celalalt. Acest lucru va provoca cea mai abruptă parte din funcțiile lor de transfer cosinus pentru a echilibra la cea mai abruptă parte, ceea ce se traduce printr-o sensibilitate maximă.

Deoarece motoarele consumă energie, acestea vor fi folosite doar dacă este necesar. Deci, în loc de o mișcare continuă, heliostatul este mutat în mai multe etape. De asemenea, dacă lumina este mai jos de un anumit prag nu ar fi suficientă energie generată pentru a justifica reorientarea. Acest lucru este valabil și atunci când nu este suficientă diferența de nivel de lumină de la o direcție la alta, cum ar fi atunci când norii trec pe deasupra capului. Trebuie să se ia în considerare faptul că trackerele irosesc energie în perioadele înnorate. Acest lucru trebuie împiedicat.

2.10.2 Trackerele pasive

Cele mai frecvent întâlnite trackere pasive utilizează un gaz lichid sub presiune cu punct de fierbere scăzut, care este condus dintr-o parte în alta (de energia solară creând presiune gazului) de a provoca trackerul să se deplaseze ca răspuns la un dezechilibru. Cum aceasta nu este o soluție de precizie, este nepotrivită pentru anumite tipuri de colectoare fotovoltaice concentrate, dar funcționează bine pentru tipuri obișnuite de panouri fotovoltaice. Acestea vor avea amortizoare vâscoase pentru a preveni mișcarea excesivă, ca răspuns la rafalele de vânt. Umbrarele/reflectoarele sunt folosite pentru a reflecta lumina Soarelui dimineața devreme pentru a "trezi" panoul și să-l incline spre Soare, care poate dura aproape o oră. Timpul pentru a face acest lucru poate fi mult redus prin adăugarea unei chingi cu auto-eliberare care poziționează panoul ușor trecut de zenit (astfel încât lichidul să nu trebuiască să compenseze gravitația) și folosind chinga din nou seara. (un arc moale va preveni eliberarea în condiții de vânt peste noapte.)

Un nou tip de tracker pasiv în curs de dezvoltare pentru panouri solare fotovoltaice folosește o hologramă în spatele fâșiilor de celule fotovoltaice, astfel incat lumina soarelui trece prin partea transparentă a modulului și reflectă pe hologramă. Acest lucru permite luminii soarelui să pătrundă celula prin spate, prin urmare sporind eficiența modulului. De asemenea, panoul nu trebuie să se deplaseze din moment ce holograma reflectă întotdeauna lumina soarelui de la unghiul corect față de celulele.

Figura 2.11 Tracker pasiv în poziția de primavară/vară. Obiectele de culoare albastru închis sunt amortizoare hidraulice. (Sursă : www.share-pdf.com )

2.10.3 Trackerele cronologice

Un tracker cronologic contracarează rotația Pământului prin rotirea la o rată egală cu pământul, dar în direcția opusă. De fapt, ratele nu sunt destul de egal, pentru că așa cum Pământul se învârte în jurul Soarelui, poziția Soarelui se schimbă în raport cu Pământul cu 360° în fiecare an sau la fiecare 365.24 zile. Un tracker cronologic este un tracker foarte simplu cu un potențial ridicat, dar care poate fi foarte precis și poate fi utilizat în special împreună cu un ansamblu polar. Metoda de acționare poate fi la fel de simplă ca a unui motor, care se rotește la o rată medie foarte lentă și anume o rotație pe zi (15° pe oră). În teorie trackerul se poate roti complet, presupunând că există un spațiu suficient pentru o rotație completă, și presupunând că firele de torsiune nu sunt o problemă, altfel o resetare simplă în poziția de zori pot fi efectuată în orice moment între amurg și zori.

2.10.4 Trackerele manuale

În unele țări în curs de dezvoltare, acționările electrice au fost înlocuite de către operatorii care ajustează trackerele. Acest lucru are beneficii de robustețe, având personal disponibil pentru întreținere și crează locuri de muncă pentru populația din imediata apropiere a terenului de exploatare.

2.11 Clădiri rotative

Această casă cilindrică din Austria (latitudine mai sus de 45° nord) se rotește cu toate elementele sale pentru a urmări Soarele, are panouri verticale montate pe o parte a clădirii. Această Casa “Gemini” este un exemplu unic de tracker pe o axă verticală.

Figura 2.12 Casa “Gemini” se ​​rotește cu toate elementele sale și panourile solare se rotesc independent, lucru care permite controlul încălzirii naturale de la Soare.

(Sursă : www.salzburg.orf.at )

Casa “ReVolt” este o casă rotativă și plutitoare proiectată de către studenții Universității Tehnologice Delft (Olanda) pentru concursul “Decatlonul Solar European” desfășurat la Madrid, în anul 2012. Casa a fost realizată în septembrie 2012. O fațadă închisă se întoarce spre Soare în timpul verii pentru a preveni expunerea spațiului interior căldurii. În timpul iernii, efectul e invers, fațada de sticlă se orientează catre Soare pentru a obține lumină directă și pentru a beneficia și de caldură, de asemenea.

Figura 2.13 Casa “ReVolt”, proiectul Universității Tehnologice Delft (Olanda) înscris în cadrul concursului “Decatlonul Solar European” din 2012.

(Sursă : www.bk.tudelft.nl )

Capitolul 3 – Componentele dispozitivului construit

3.1 Platforma Arduino Uno

Arduino Uno  este o platformă de procesare open-source, bazată pe software și hardware flexibil și simplu de folosit. Constă într-o platformă de mici dimensiuni (6.8 cm/5.3 cm – in cea mai des întalnită variantă) construită în jurul unui procesor de semnal și este capabilă de a prelua date din mediul înconjurător printr-o serie de senzori și de a efectua acțiuni asupra mediului prin intermediul luminilor, motoarelor, servomotoarelor și al altor tipuri de dispozitive mecanice. Procesorul este capabil să ruleze cod scris într-un limbaj de programare care este foarte similar cu limbajul C++.

Specificații :

Microcontroler : ATmega328

Tensiune de lucru : 5V

Tensiune de intrare (recomandată) : 7-12V

Tensiune de intrare (limită) : 6-20V

Pini digitali : 14 (6 PWM output)

Pini analogici : 6

Intensitate de ieșire : 40 mA

Intensitate de ieșire pe 3.3V : 50 mA

Flash Memory : 32 KB (ATmega328)  0.5 KB pentru bootloader

SRAM : 2 KB (ATmega328)

EEPROM : 1 KB (ATmega328)

Clock Speed : 16 MHz

Placa Arduino Uno se conectează la portul USB al calculatorului folosind un cablu de tip USB A-B.  Poate fi alimentată extern (din priză) folosind un alimentator extern.

Figura 3.1 Microcontrolerul Arduino Uno v3

3.2 Placa electronică auxiliară

Pentru a putea conecta toate componentele trackerului solar a fost necesară construirea unei placuțe electronice auxiliară platformei Arduino Uno.

Aceasta are în componență :

2 potențiometre de 10kΩ care vor fi folosite pentru servomotoare

4 rezistențe de 10kΩ care vor fi folosite pentru senzorii de lumină

Conectori mama GND

Conectori mama +5V pentru alimentarea servomotoarelor

Conectori mama +3.3V pentru alimentarea senzorilor de lumină

LED-uri roșii care se vor aprinde în prezența curentului în circuit

Figura 3.2 Plăcuță electronică auxiliară

3.3 Servomotoarele SpringRC

Au fost alese două servomotoare de putere medie tip SpringRC SM-S3317SR, compatibile cu microcontrolerele Arduino. Conform fișei tehnice acestea ar trebui sa funcționeze perfect între 0° și 180°. Testele au aratat însă ca funcționează perfect între 10° și 165°. Forțarea servomotoarelor dincolo de aceste limite ar putea duce la defectarea lor.

Specificații :

Tensiune de alimentare : 4.8V-6.0V

Viteză : 0.20s/60° la 4.8V sau 0.18s/60° la 6V

Cuplu : 2.8kg/cm (19.6on/in) la 4.8V sau 3.2kg/cm (19.6on/in) la 6V

Dimensiuni : 28.8 x 13.8 x 30.2mm

Primul dintre servomotoare va fi folosit pentru mișcarea pe vertical în timp ce al doilea va fi folosit pentru mișcarea pe orizontală.

Figura 3.3 Servomotor de tip SpringRC SM-S3317SR

Împreună cu cele două servomotoare a fost ales un stabilizator de 5V. Acesta este foarte util pentru a oferi o tensiune de alimentare la o intensitate mare (~1A) pentru diverse dispozitive (de exemplu, servomotoarele sau senzorii de alcool). Pentru servomotoare mai mari e nevoie de un radiator pus direct pe regulatorul LM7805. Puterea generată de diferența de tensiune dintre intrare si ieșire se disipă pe acesta sub formă de caldură. Cand avem un consum mare, integratul LM7805 se va incalzi destul de puternic și de aceea e nevoie de radiator.

Figura 3.4 Stabilizator 5V brick

3.4 Senzorii de lumină profesionali

Au fost aleși senzorii de lumină profesionali de tip TSL-235R deoarece aceștia sesizează, nivelul de iluminare al mediului, extrem de precis (etalonat). Mai exact, acești senzori furnizează un semnal dreptunghiular a carui frecvență variază cu intensitatea luminoasă recepționată de senzor (masurată in uW/cm²). Circuitul de pe placă adaugă un condensator de filtrare care face ca senzorul să fie foarte precis, interferențele cauzate de alimentare fiind eliminate.

Figura 3.5 Senzor de lumină profesional TSL235R

Figura 3.6 Trackerul solar „Vasi”

Capitolul 4 – Programare și implementare

4.1 Utilizarea Arduino Software

Ce este Arduino?

Arduino este un instrument care face computerele să poată simți și controla mai mult din lumea fizică decât computerul dumneavoastră de acasă. Este o platformă open-source de calcul fizic, bazată pe un microcontroler simplu și un mediu de dezvoltare software.

Arduino poate fi folosit pentru a dezvolta obiecte interactive, citind intrări dintr-o varietate de comutatoare sau senzori, și controlează o varietate de lumini, motoare și alte ieșiri fizice. Proiectele Arduino pot fi de sine stătătoare sau pot comunica cu alte programe care rulează pe calculatorul dumneavoastră (de exemplu : Flash, Processing, MaxMSP). Plăcile pot fi asamblate manual sau cumpărate premontate; IDE (integrated development environment) open-source poate fi descărcat gratuit.

Limbajul de programare Arduino este o implementare a “Wiring”, o platformă similară de calcul fizic, care se bazează pe mediul de programare de procesare multimedia.

IDE-ul “Wiring” este o aplicație cross-platform scrisă în Java, care este derivat din IDE făcut pentru limbajul de programare de procesare. Acesta este conceput pentru a introduce programarea și schițarea electronică artiștilor și designerilor. Acesta include un editor de cod cu caracteristici, cum ar fi sintaxa, bretelele de potrivire și indentare automată, capabil de întocmire și încărcarea de programe pe o placă doar cu un singur clic.

IDE-ul “Wiring” vine cu o bibliotecă C/C ++ biblioteca numită "Wiring", ceea ce face ca operațiunile de intrare/ieșire să fie executate mult mai ușor. Programele “Wiring” sunt scrise în C / C ++, deși utilizatorii au nevoie de doar două funcții pentru a face un program care să fie capabil să ruleze :

setup () – o funcție care rulează o dată, la începutul unui program și care poate fi folosită pentru a defini setările inițiale ale mediului de programare

loop () – o funcție apelată în mod repetat, până când placa este oprită

De ce Arduino?

Există multe alte microcontrolere și platforme de microcontrolere disponibile pentru calcul fizic. Parallax Basic Stamp, BX-24 de la NETMEDIA, Phidgets, Handyboard MIT, și multe altele care oferă funcționalitate similară. Toate aceste instrumente sunt capabile să ia toate detaliile murdare de programare a unui microcontroler și să îl împacheteze într-un pachet ușor de utilizat. Arduino simplifică, de asemenea, procesul de lucru cu microcontrolere, dar oferă multe avantaje pentru profesorii, studenții și amatorii interesați mai mult de alte sisteme :

Ieftin – placile Arduino sunt relativ ieftine în comparație cu alte platforme de microcontrolere. Cea mai ieftină versiune a modulului Arduino poate fi asamblată manual, dar nici chiar și modulele preasamblate Arduino nu costa mai mult de 50 de dolari.

Cross-platform – Mediul de programare Arduino rulează pe Windows, Macintosh OSX, Linux și sistemele de operare. Cele mai multe sisteme de microcontrolere concurente sunt limitate la Windows.

Mediu simplu, programare clară – Mediul de programare Arduino este suficient pentru utilizatorii avansați, precum și ușor de folosit pentru incepatori, dar și foarte flexibil. Pentru profesori, este convenabil fiind bazat pe Mediul de Programare și Procesare, astfel încât studenții care învață în acel mediu vor fi familiarizați cu aspectul Arduino.

Open source și program extensibil – Programul Arduino este publicat ca un instrumente open source, disponibil pentru extindere de către programatorii cu experiență. Limbajul poate fi extins prin intermediul bibliotecilor de C++, și oameni care doresc să înțeleagă mai multe detalii tehnice pot face saltul de la Arduino la AVR C, limbajul de programare pe care acesta se bazeaza. În mod similar, puteți adăuga cod AVR-C direct în programele Arduino, dacă doriți acest lucru.

Open source și hardware-ul extensibil – Arduino este bazat pe microcontrolere ale Atmel și anume ATmega8 și ATMEGA168. Planurile pentru modulele sunt publicate sub o licență Creative Commons, așa că designerii de circuit cu experiență pot face propria lor versiune a modulului, extinzându-se și îmbunătățindu-se. Chiar si utilizatorii neexperimentați pot relativ construi versiunea breadboard a modulului, în scopul de a înțelege cum funcționează și fiind de asemenea un mod de a salva bani.

4.2 Analiza programului propriu-zis

Inițial, solar trackerul a fost gândit să citească valori de la 4 senzori digitali TSL235R. Din nefericire microcontrolerul Arduino Uno nu este capabil sa citeasca valori decat de la 2 dintre aceștia.

Semnalul de ieșire al senzorului este o undă dreptunghiulară de 50% de la care frecvența este liniară cu suma de energie, microwatti per centimetri pătrați. Conform figurii 1 există un factor constant (~ 1.2) între aceste două la lungimi de undă specifice. Datorită faptului ca am vrut să primesc doar o estimare de prim ordin a energiei captate, voi folosi doar un raport de 1 la 1 ==> deci 1 kHz == 1uW/cm²== 10 mW/m²2.

Figura 4.1 Frecvența de ieșire în comparație cu strălucirea

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

//TSL235R senzor care convertește lumina în frecvență

//TSL235R dispunerea pinilor : PIN 1 = GND

// PIN 2 = 3.3V

// PIN 3 = Semnal (digital)

#include<Servo.h> //include librăria “Servo” care este capabilă să conducă servomotoare pe toți pinii, //simultan. Pentru un numar mai mare de 8, e necesar să indeplinim anumite condiții

// Servo horizontal; // servomotorul pentru mișcarea ansamblului pe orizontală (nefolosit)

// int servoh=70; // poziția de start a servomotorului pentru mișcarea ansamblului pe orizontală : (165-// 15) / 2 = 70

Servo vertical; // servomotorul pentru mișcarea ansamblului pe verticală

int servov=70; poziția de start a servomotorului pentru mișcarea ansamblului pe verticală : (165-15) / // 2 = 70

volatile unsigned long counter0= 0; // declarare variabilă pentru senzorul 0

volatile unsigned long counter1= 0; // declarare variabilă pentru senzorul 1

// volatile unsigned long counter2= 0; // declarare variabilă pentru senzorul 2 (nefolosit)

// volatile unsigned long counter3= 0; // declarare variabilă pentru senzorul 3 (nefolosit)

unsigned long oldcnt0 = 0; // declarare variabilă pentru senzorul 0

unsigned long oldcnt1 = 0; // declarare variabilă pentru senzorul 1

// unsigned long oldcnt2 = 0; // declarare variabilă pentru senzorul 2 (nefolosit)

// unsigned long oldcnt3 = 0; // declarare variabilă pentru senzorul 3 (nefolosit)

unsigned long t = 0; // declarare variabilă universală

unsigned long last; // declarare variabilă universală

//////////////////////////////////////////////////Inițializarea variabilelor//////////////////////////////////////////////////////////////

void irq0() // funcția care cere întreruperea pentru senzorul 0

{

counter0++; // creșterea contorului la fiecare pas pentru senzorul 0

}

void irq1() // funcția care cere întreruperea pentru senzorul 1

{

counter1++; // creșterea contorului la fiecare pas pentru senzorul 1

}

/* void irq2() // funcția care cere întreruperea pentru senzorul 2 (nefolosit)

{

counter2++; // creșterea contorului la fiecare pas pentru senzorul 2 (nefolosit)

}

void irq3() // funcția care cere întreruperea pentru senzorul 3 (nefolosit)

{

counter3++; // creșterea contorului la fiecare pas pentru senzorul 3 (nefolosit)

} */

/////////////////////////////////////////Declararea funcțiilor pentru întreruperi//////////////////////////////////////////////////

void setup()

{

Serial.begin(9600); // setează rata, în biți pe secundă, pentru transmiterea datelor prin portul serial

Serial.println("START"); // imprimare text pe portul serial

pinMode(2, INPUT); // configurează pinul respectiv să suporte date de intrare

digitalWrite(2, HIGH); // activează rezistorul intern al microcontrolerului

attachInterrupt(0, irq0, RISING); // apelarea rutinei de întrerupere pentru senzorul 0

attachInterrupt(1, irq1, RISING); // apelarea rutinei de întrerupere pentru senzorul 1

// attachInterrupt(2, irq2, RISING); // apelarea rutinei de întrerupere pentru senzorul 2 (nefolosit)

// attachInterrupt(3, irq3, RISING); // apelarea rutinei de întrerupere pentru senzorul 3 (nefolosit)

// horizontal.attach(9); // alocarea pinului digital 9 pentru comunicarea cu servomotorul responsabil cu // mișcarea ansamblului pe orizontală (nefolosit)

vertical.attach(10); // alocarea pinului digital 10 pentru comunicarea cu servomotorul responsabil cu // mișcarea ansamblului pe verticală

}

//In cadrul funcției setup() rutinele IRQ pentru fiecare senzor in parte, sunt inițializate = contoarele de pulsuri sunt inițializate și totodată și funcțiile care cresc valorile la fiecare front crescător (RISING edge).

//Microcontrolerul Arduino nu este capabil să proceseze mai mult de 2 rutine de întrerupere, de aceea 2 senzori vor rămâne nefolosiți.

//Contoarele nu sunt niciodată resetate în cadrul programului și la un moment dat pot sa exceadă (overflow). Având în vedere ca energia provenită din lumină poate diferi pe parcursul zilei e greu de spus cât durează până când valorile vor exceda.

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

void loop()

{

if (millis() – last > 1000)

{

last = millis();

t = counter0;

unsigned long hz0 = t – oldcnt0; // declarare variabilă care stochează frecvența pentru senzorul 0

Serial.print("\n"); // rând nou

Serial.print("FREQ0: "); // imprimare text pe portul serial

Serial.print(hz0); // imprimare pe portul serial a frecvenței calculate pentru senzorul 0

Serial.print("\t = "); // imprimare spațiu și text pe portul serial

Serial.print((hz0+50)/100); // imprimare pe portul serial a frecvenței, +50 == rotunjirea ultimei //cifre

Serial.println(" mW/m2"); // imprimare pe portul serial

oldcnt0 = t;

t = counter1;

unsigned long hz1 = t – oldcnt1; // declarare variabilă care stochează frecvența pentru senzorul 1

Serial.print("FREQ1: "); // imprimare text pe portul serial

Serial.print(hz1); // imprimare pe portul serial a frecvenței calculate pentru senzorul 0

Serial.print("\t = "); // imprimare spațiu și text pe portul serial

Serial.print((hz1+50)/100); // imprimare pe portul serial a frecvenței, +50 == rotunjirea ultimei //cifre

Serial.println(" mW/m2"); // imprimare pe portul serial

oldcnt1 = t;

// t = counter2;

// unsigned long hz2 = t – oldcnt2; // declarare variabilă care stochează frecvența pentru senzorul 2

// (nefolosit)

// Serial.print("FREQ2: "); // imprimare text pe portul serial

// Serial.print(hz2); // imprimare pe portul serial a frecvenței calculate pentru senzorul 2 (nefolosit)

// Serial.print("\t = "); // imprimare spațiu și text pe portul serial

// Serial.print((hz2+50)/100); // imprimare pe portul serial a frecvenței, +50 == rotunjirea ultimei //cifre

// Serial.println(" mW/m2"); // imprimare pe portul serial

// oldcnt2 = t;

// t = counter3;

// unsigned long hz3 = t – oldcnt3; // declarare variabilă care stochează frecvența pentru senzorul 3

// (nefolosit)

// Serial.print("FREQ3: "); // imprimare text pe portul serial

// Serial.print(hz3); // imprimare pe portul serial a frecvenței calculate pentru senzorul 3 (nefolosit)

// Serial.print("\t = "); // imprimare spațiu și text pe portul serial

// Serial.print((hz3+50)/100); // imprimare pe portul serial a frecvenței, +50 == rotunjirea ultimei //cifre

// Serial.println(" mW/m2"); // imprimare pe portul serial

// oldcnt3 = t;

// int dtime=analogRead(4)/20; // citirea potențiometrului 1(nefolosit) conectat pe pinul analogic 4

// int tol=analogRead(5)/4; // citirea potențiometrului 2 (nefolosit) conectat pe pinul analogic 5

// int avt=(hz0+hz2); // valoarea medie a senzorilor de “sus”

// int avd=(hz1+hz3); // valoarea medie a senzorilor de “jos”

// int avl=(hz0+hz1); // valoarea medie a senzorilor din “stânga”

// int avr=(hz2+hz3); // valoarea medie a senzorilor din “dreapta”

// int dvert=avt-avd; // verificarea diferenței dintre valorile senzorilor de sus si jos

// int dhoriz=avl-avr; // verificarea diferenței dintre valorile senzorilor din stânga și dreapta

// if (-1*tol>dvert||dvert>tol) // se verifică dacă diferența se regăsește în toleranță, altfel schimbă // unghiul vertical

// {

if(hz0>hz1) // daca frecvența luminii captate de senzorul 0 este mai mare decat frecvența senzorului 1, // servomotorul mișca ansamblul pe axa verticală spre direcția senzorului 0

// if (avt > avd) // structura funcției „if” dacă aveam 4 senzori funcționali
{
servov = ++servov;
if (servov > 165)
{
servov = 165; // unghiul maxim până la care se poate deplasa servomotorul responsabil cu mișcarea // pe verticală
}
}
// else if (avt < avd) // structura funcției “else if” dacă avem 4 senzori funcționali
else if (hz0<hz1) // daca frecvența luminii captate de senzorul 0 este mai mică decat frecvența // senzorului 1, servomotorul mișcă ansamblul pe axa verticală spre direcția senzorului 1

{
servov= –servov;
if (servov < 15)
{
servov = 15; // unghiul minim până la care se poate deplasa servomotorul responsabil cu mișcarea // pe verticală

}
}
vertical.write(servov); // trimiterea valorii calculate a variabilei “servov” către pinul digital
}
// Toată secvența pentru mișcarea ansamblului si pe axa orizontală este inactivă datorită imposibilității // folosirii tuturor celor 4 senzori de lumină, in paralel
// if (-1*tol > dhoriz || dhoriz > tol)

// {
// if (avl > avr)
// {
// servoh = –servoh;
// if (servoh < 15)
// {
// servoh = 15;
// }
// }
// else if (avl < avr)
// {
// servoh = ++servoh;
// if (servoh > 165)
// {
// servoh = 165;
// }
// }
// else if (avl == avr)
// {
// }
// horizontal.write(servoh);
// }
// delay(dtime);
// }

}

}

//În cadrul funcției loop() asteptăm 1 secundă (1000 de milisecunde în program) înainte de a imprima pe portul serial numărul de pulsuri ale ultimei secunde. Aici frecvența e convertită în mW/m² (miliwatti per metru pătrat). Am adăugat 50 frecvenței înainte de a o împărți la 100 pentru a rotunji valorile. Din motive de viteză am păstrat formula matematică în domeniul numerelor întregi.

Figura 4.2 Valorile citite de la senzori imprimate pe portul serial

Figura 4.3 Plotarea valorilor citite de la senzorul 0

Figura 4.4 Plotarea valorilor citite de la senzorul 1

Figura 4.5 Plotarea valorilor citite de la senzorii 0, resprectiv 1, în același timp

Figura 4.6 Schema bloc de funcționare a programului

Pasul 1 : Utilizatorul încarcă programul pe microcontroler.

Pasul 2 : Microcontrolerul pune in funcțiune întregul sistem.

Pasul 3 : Citește datele de la senzorii 0 și 1.

Pasul 4 : În funcție de frecvențele citite ale celor 2 senzori, trimite comanda către servomotor (alimentarea servomotorului trece printr-un brick/stabilizator de 5v).

Pasul 5-1 : Dacă frecvența citită de la senzorului 0 este mai mare decât cea citită de la senzorul 1, servomotorul va mișca ansamblul înspre senzorul 0.

Pasul 5-2 : Dacă frecvența citită de la senzorului 1 este mai mare decât cea citită de la senzorul 0, servomotorul va mișca ansamblul înspre senzorul 1.

Pasul 6 : Rutina se poate executa la nesfârșit.

Figura 4.7 Schema bloc de funcționare a ansamblului

Concluzii

Trackerul solar s-a vrut a fi unul foarte complex care să se deplaseze după sursa de lumină mai puternică, fie ea lumină natural, provenită de la Soare, sau fie ea si lumină artificială, provenită de la o lanternă, etc. Complexitatea este data de citirea valorilor (frecvență) de la mai mulți senzori și apoi mișcarea ansamblului pe cele două axe, verticală și orizontală.

După planificarea proiectului și achiziționarea componentelor s-a trecut la realizarea programului propriu-zis. S-a putut apoi observa ca valorile afișate pe portul serial de la senzorii 2 și 3 erau egale cu 0. Senzorii au fost testați separat și s-a dovedit că aceștia funcționează. După o investigație amănunțită s-a descoperit că acest lucru se datorează incapabilității microcontrolerului Arduino de a realiza întreruperi, catre 4 senzori de lumină digitali, simultan. Datorită acestui fapt, s-a renunțat la folosirea ambelor servomotoare.

Achiziționarea unor senzori mai ieftini, analogici ar fi fost, paradoxal, o idee mai bună.

Această limitare mă motivează ca pe viitor să particip la dezvoltarea acestei platforme open-source, pentru ca această să-și lărgească și mai mult orizonturile.

Bibliografie

Antonio L. Luque; Viacheslav M. Andreev (2007). Concentrator Photovoltaics. Springer Verlag.

Ignacio Luque-Heredia et al., "The Sun Tracker in Concentrator Photovoltaics" in Cristobal, A.B.,Martí, A.,and Luque, A. Next Generation Photovoltaics, Springer Verlag, 2012

William David Lubitz, "Effect of Manual Tilt Adjustments on Incident Irradiance on Fixed and Tracking Solar Panels", Applied Energy, Volume 88 (2011), pp. 1710-1719

David Cooke, "Single vs. Dual Axis Solar Tracking", Alternate Energy eMagazine, April 2011

Gay, CF and Wilson, JH and Yerkes, JW (1982). "Performance advantages of two-axis tracking for large flat-plate photovoltaic energy systems". Conf. Rec. IEEE Photovoltaic Spec. Conf 16: 136

King, D.L. and Boyson, W.E. and Kratochvil, J.A. (May 2002). "Analysis of factors influencing the annual energy production of photovoltaic systems". Photovoltaic Specialists Conference, 2002. Conference Record of the Twenty-Ninth IEEE: 1356–1361.

Chaves, Julio (2008). Introduction to Nonimaging Optics. CRC PressI Llc.

Roland Winston; Juan C. Miñano; Pablo Benítez (2005). Nonimaging Optics. Academic Press.

http://playground.arduino.cc/