Разработка и создание управляемой модели двухосной системы ориентации солнечных панелей

Актуальность

Сложно представить сферу, где в современном мире не использовались бы солнечные батареи, являющиеся качественным, экологичным и экономически выгодным источником получения энергии.

Наиболее эффективное использование солнечной панели достигается путем её автоматического наведения (ориентации) на источник света с помощью поворотного механизма.

Предлагаемое решение ориентировано на увеличение эффективности преобразования энергии солнца в электричество путем создания управляемой модели двухосной системы ориентации солнечной панели. Разработанная модель позволит в перспективе повысить КПД солнечной панели, аккумулировать большее количество солнечной энергии, повысить спрос и рентабельность данного источника альтернативной неисчерпаемой энергии.

Цель

Разработать и создать модель двухосной системы ориентации солнечной панели, управляемой с использованием микроконтроллера Arduino Uno.

Задачи

1. Подобрать и изучить теоретический материал по проекту.

2. Освоить схемотехнику и программное обеспечение.

3. Собрать модель.

4. Провести тестирование и отладку.

5. Подготовить документацию.

6. Представить готовое функционирующее устройство.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Электронные компоненты: микроконтроллер Arduino Uno, солнечная панель 80х100, 5.5В 170мА, фоторезисторы GL 5528, резисторы 100 кОм, микросервоприводы Tower Pro SG92R, макетная плата, провода, USB-кабель
• Программное обеспечение: Arduino IDE, Autodesk Tinkercad, Slicer
• Расходный материал: филамент
• 3D-принтер Picaso

Описание

Функционально устройство слежения (ориентации) состоит из: механизма, осуществляющего поворот и наклон солнечной панели в необходимую сторону, электронной схемы и программного кода, приводящих в действие механизм вращения.

В качестве языка программирования для управления моделью используется Си-подобный язык – С/С++ с фреймворком Wiring.

Для генерации энергии используется солнечная панель 80х100, 5.5В 170мА.

Для определения максимально яркого источника света используются 4 фоторезистора GL 5528 и 4 резистора с сопротивлением 100 кОм для ограничения тока и поглощения электрической энергии.

Фотоэлементы приводятся в движение с помощью двух микросервоприводов модели Tower Pro SG92R.

По команде программы управления моделью система становится «активной», определяет наиболее интенсивный источник света в радиусе видимости, вычисляет необходимый угол поворота и приводит в действие сервоприводы, поворачивающие платформу с солнечной панелью. При получении угла, поворот на который физически невозможен, система прекращает движение.

Система наведения является двухосной и постоянно направлена на источник света с наибольшей интенсивностью, поскольку сервоприводы могут обеспечивать движение панели в двух разных осях.

Работа над проектом была разделена на три этапа: подготовительный (теоретический), аппаратный и программный.

Сначала авторами была изучена теоретическая информация о солнечных панелях, принципах их работы, применении и функциональных возможностях. Также был изучен рынок комплектующих и необходимого оборудования.

Далее авторами были проведены схемотехнические работы и продумана функциональная схема модели.

С помощью 3D-принтера были напечатаны детали корпуса. Параллельно авторы написали код управления моделью, протестированный в программе Tinkercad.

Далее была произведена сборка прототипа модели и его отладка, подготовлена документация.

Результаты работы/выводы

В результате выполнения работы спроектирована и собрана действующая электронная схема ориентации солнечной панели в направлении максимальной освещенности, а также двухосный поворотный механизм, работающий на сервоприводах, запускаемых разработанным программным кодом на Си-подобном языке программирования. Авторы реализовали двухосную систему ориентации солнечной панели. Такая система по сравнению с одноосевой имеет более высокую выходную электрическую мощность и позволяет настраивать механизм слежения в двух осях вращения.

Внедрение ориентируемых солнечных панелей вместо простых (с фиксированным углом захвата источника света) в долгосрочной перспективе позволит повысить рентабельность данного источника энергии, так как эффективность преобразования энергии света в электричество улучшается, когда модули постоянно движутся, настраиваясь на оптимальный угол. Повышение эффективности энергетических установок на базе солнечной энергии позволит увеличить область их применения и даст возможность снизить использование невозобновляемых источников энергии.

Перспективы использования результатов работы

Авторы намерены продолжить работу над проектом, модернизируя и улучшая его эффективность. Планируется дооснастить аппаратно-программный комплекс солнечной панелью и полностью автоматизировать устройство, реализовав генерацию собственного питания. Также рассматривается возможность использования разработанной модели в качестве компонента для других проектов.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИУ ВШЭ

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Всероссийский конкурс исследовательских и проектных работ школьников «Высший пилотаж» по направлению «Спутникостроение и геоинформационные технологии: Terra Notum» 2021 – диплом победителя.

Мнение авторов

«В ходе работы над проектом мы познакомились с микроконтроллером Arduino Uno и научились использовать совместно с ним внешние устройства (сервоприводы, фоторезисторы). Также мы попробовали свои силы в программировании, научились 3D-моделированию и 3D-печати.

Проект «Инженерный класс в московской школе» даёт возможность учащимся получить новые знания и компетенции, проявить свои технические способности и навыки.

Участие в конференции «Инженеры будущего» позволило нам продемонстрировать своё изобретение и получить независимую экспертную оценку специалистов».