Привод слежения за солнцем на базе Arduino

XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Привод слежения за солнцем на базе Arduino

Медетова А.А. 1
1МАОУ лицей №110
Токмакова Н.В. 1
1МАОУ лицей №110
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Цель моего проекта – создание на базе микроконтроллера Arduino устройства слежения за положением Солнцем, способного управлять зеркалом, отражающим лучи от движущегося Солнца в выбранную точку с целью концентрации и сбора электромагнитного солнечного излучения.

Задачи:

  • Анализ существующей информации о уже существующих решениях подобной задачи;

  • Проектирование устройства, способного исполнять поставленную цель;

  • Написание программы для устройства на языке С++;

  • Испытание устройства.

Методы исследования: анализ информационных ресурсов, анализ аналогов, моделирование устройства, исследование созданного прототипа, обобщение информации.

В работе рассмотрено устройство позиционирования зеркал гелиостанции на приёмник (мишень) на основе микроконтроллера ARDUINO.

В работе предлагается анализ проблем создания и использования солнечной энергии.

Актуальность темы

Жизнь без энергии невозможна, но традиционные источники (нефть, газ, уголь) скоро исчерпаются, что обостряет проблему их замены. Также сжигание углеводородов наносит вред экологии, поэтому необходимо искать альтернативные [1], экологически чистые источники энергии. Самые популярные и известных - это ветряные электростанции и солнечные батареи. Безуглеродная энергетика [2] – это направление развития энергетической отрасли, которое стремится к снижению или исключению выбросов углекислого газа в процессе производства энергии. Использование солнечной энергии – одно из ключевых достижений человечества в области энергетики. Однако сейчас главная проблема заключается не столько в сборе солнечной энергии, сколько в её хранении и распределении. Если получится преодолеть эти трудности, традиционные предприятия, работающие на ископаемом топливе, смогут уйти на заслуженный отдых.

Солнечные батареи. Эти устройства напрямую преобразуют энергию солнечного света в электрическую энергию, которая потом накапливается в аккумуляторах. Существуют как маленькие солнечные батареи, способные лишь зажечь светодиод, так и огромные устройства, обеспечивающие целые жилые дома.

Ветряные электростанции. В них использован принцип перехода от механической энергии ветра в электрическую с помощью электрогенератора, которая потом накапливается в аккумуляторах.

Общим недостатком этих методов является:

- наличие аккумуляторов, которые имеют ограниченный срок службы, а также они создают экологические проблемы в процессе их производства и утилизации;

- не высокий КПД, в настоящий момент не превышает 22%.

Идея накопления солнечной энергии заключается в том, чтобыпреобразовать её в тепловую и уже тепло хранить в нагретом массивном теле. В качестве этого тела выступает расплавленная соль, которая используется для хранения энергии в солнечных тепловых установках (рис.1). Сотни гелиостатов больших зеркал, сориентированных на Солнце, собирают солнечное излучение, нагревают и плавят соль. Затем расплавленная соль, нагретая более 560 градусов, направляется в накопительный резервуар. В дальнейшем с помощью парогенератора получают пар, который вращает турбину, вырабатывая электроэнергию традиционным способом. Эта технология помогает продлевать время работы элктростанции и давать электричество в то время, когда нет Солнца.

Создание и изготовление рабочей модели привода слежения за Солнцем

Прототип гелиостата представляет собой платформу с двумя колоннами, с расположенными на каждой, пары шаговых двигателей. Каждый двигатель поворачивает платформу с зеркалом (рис. 7, 8) или датчиком направления (рис.3, 4, 5) во взаимно перпендикулярных направлениях. Принцип действия следящего привода основан на вычислении угла между направлением на Солнце и приёмником (резервуар с солью) с помощью датчика и микроконтроллера ARDUINO.

На основании вычислений микроконтроллер управляет моторами привода колонн на одной из которых находятся конструкция с фоторезисторами (датчик направления) следящими за Солнцем, а на второй колонне находится зеркало, концентрирующее солнечные лучи на выбранной точке.

Принцип действия привода

Принцип действия привода основан на законе оптики о равенстве угла падения углу отражения (рис. 2). В момент восхода Солнца, датчик слежения определяет направление на Солнце. Так как положение «мишени» относительно зеркала известно, контроллер вычисляет угол «Солнце – зеркало – мишень», после этого контроллер производит вычисления и поворачивает зеркало на половину угла, измеренного датчиком. Измерение и поворот производится в двух плоскостях: вертикальной (высота Солнца над горизонтом) и горизонтальной (движение Солнца с востока на запад).

Вычисление угла происходит следующим образом:

- контроллер считает количество шагов двигателя относительно направления на «мишень», необходимое для точного направления датчика на Солнце;

- так как на шаговый двигатель делает за один полный оборот ровно 2048 шагов мы можем вычислить угол, на который поворачивается двигатель за один шаг и с помощью этого мы можем измерить угол, на который повернулся датчик направлении Солнце относительно направления на «мишень».

Устройство датчика направления на Солнце показано на рис. 3, внешний вид на рис. 4, 5. Датчик состоит из двух пар фоторезисторов, каждая пара контролирует направление на Солнце: одна пара по горизонтали другая по другая по вертикали.

Так как сопротивление фоторезистора зависит от уровня его освещенности, поэтому если оба фоторезистора от освещены одинаково значит ось датчика в этом направлении направлена точно на Солнце. ARDUINO контролирует напряжение на каждом из фоторезисторов в паре и при их различии контроллер поворачивает шаговый двигатель в сторону более освещённого фоторезистора, при равенстве напряжений, контроллер даёт команду на остановку двигателя.

Условие точного направления на Солнце:

UR1 – UR2 = 0 и UR3 – UR4 = 0

  • когда условие выполняется, вычисляется количество шагов шаговых двигателей М1 и М2.

  • вычисляется угол между направлением на Солнце и приёмником.

  • подаётся сигнал на двигатели М3 и М4 и зеркало направляет солнечные лучи на приёмник.

После захода Солнца, уровень освещённости падает и датчик общей освещённости даёт команду на поворот в сторону востока и цикл повторяется.

Общий вид устройства показан на рисунках 4 – 8, чертежи модели для 3D принтера на рисунках 9 – 12.

Аналоги и прототипы

SolarReserve [3] - компания, предлагающая использовать расплавленную соль в солнечных электростанциях. Вместо использования солнечной энергии для выработки электроэнергии и дальнейшего хранения её в аккумуляторных батареях, SolarReserve предлагает перенаправлять её на тепловые накопители (башни). Накопленное тепло в дальнейшем используется в производстве электроэнергии с помощью паровой турбины. Проект Solar Two мощностью 10 МВт успешно функционировал в течение нескольких лет и был выведен из эксплуатации в 1999 году, подтвердив жизнеспособность идеи.

Преимущество технологии использования расплавленной соли заключается в том, что она позволяет поставлять мощность по требованию, а не только тогда, когда светит солнце. Соль может сохранять тепло в течение нескольких месяцев, поэтому иногда случающийся пасмурный день не влияет на доступность электроэнергии. Кроме того, выбросы электростанции минимальны, и, конечно же, нет никаких опасных отходов, созданных в качестве побочного продукта процесса.

Солнечная электростанция (рис.13) использует 10 347 зеркал (гелиостатов), установленных на 647,5 гектар (это 900 с лишним футбольных полей), чтобы сконцентрировать солнечный свет на центральной башне высотой в 195 метров и заполненной солевой «начинкой». Эта соль нагревается солнечными лучами до 565 °C, и тепло хранится, а затем используется для преобразования воды в пар и для работы генераторов, производящих электричество. Зеркала называются гелиостатами, так как каждое из них может наклоняться и поворачиваться, чтобы точно направлять свой луч света. Расположенные в концентрических кругах, они фокусируют солнечный свет на «приемнике» в верхней части центральной башни. Горячая соль стекает в резервуар из нержавеющей стали ёмкостью 16 тыс. м³.

Солнечныйтрекер EcoFlow Solar Tracker [6]

Cолнечный трекер потребительского класса EcoFlow Solar Tracker (рис. 14) предназначен для того, чтобы определить лучший угол размещения солнечной панели по отношению к Солнцу. Для определения параметров трекер будет вращаться и поворачиваться по двум осям. Однако он не решает задачу концентрации солнечной энергии. Стимость EcoFlow Solar Tracker € 2850.

Заключение

В ходе выполнения работы я получила следующие результаты:

  1. Собрала действующую модель (прототип) привода. модель показала свою работоспособность, но я выявила ряд недостатков конструкции, а именно для увеличения точности необходимо уменьшить люфт в редукторе шаговых двигателей как у зеркала, так и у датчика положения солнца;

  2. Данный проект является универсальным и позволит использовать солнечную энергию как для выработки электроэнергии на тепловой электростанции, так и для утилизации мусора путём его пиролиза [4]. Также, при перепрограммировании и замене зеркал на фотоэлектирческие панели, моё устройство может использоваться для динамической ориентации фотоэлектрических панелей на Солнце вместо статичной ориентации на юг.

Список литературы

  1. Здания высоких технологий – Инженерные системы – Электронный журнал / Альтернативные источники энергии / [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://zvt.abok.ru/articles/467/Alternativnie_istochniki_energii

  1. Вестник атомпрома / информационно-аналитическое издание / №3 март 2021 /

  2. Wikipedia – The free encyclopedia / SolarReserve / [электронныйресурс] – режимдоступа: https://en.wikipedia.org/wiki/SolarReserve

  3. Национальная электронная библиотека / заявка на изобретение RU 2012 110 797/ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://rusneb.ru/catalog/000224_000128_2012110797_20130927_A_RU/?ysclid=m4u6k31xvs351619884

  4. С. Монк Программируем Arduino. Профессиональная работа со скетчами. - СПб.: Питер, 2017.

  5. Солнечный трекер EcoFlow Solar Tracker / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ecoflow-russia.com/products/solnechnyj-treker-ecoflow-solar-tracker

ПРИВОД СЛЕЖЕНИЯ ЗА СОЛНЦЕМ НА БАЗЕ ARDUINO

Медетова Анна Андреевна

Россиия, Свердловская область, г.Екатеринбург

МАОУ лицей №110 им. Л.К. Гришиной, 8 класс

Приложения

рис. 1
 

рис. 2
 

рис. 3
 
 
   

рис. 4

рис. 5
   
 

рис. 6
   

рис. 7

рис. 8
 
 
   

рис. 9

рис. 10
   

рис. 11

рис. 12
 

рис. 13
 

рис. 14
Просмотров работы: 11