Comment construire un tracker solaire portable

L'énergie solaire est l'une des formes d'énergie renouvelable les plus accessibles et son efficacité et son accessibilité augmentent rapidement. Dans ce projet, nous vous montrerons comment nous avons utilisé notre   Actionneur linéaire miniature PA-14   Suivre la course du soleil sur un axe unique permet d'augmenter le rendement énergétique du panneau solaire jusqu'à 25 % par rapport à un panneau solaire fixe.

Système de contrôle

L'actionneur linéaire est piloté par un microcontrôleur Arduino via un contrôleur de moteur Wasp. Ce dernier utilise les mesures de photorésistances pour déterminer la face du panneau la plus exposée à la lumière et ajuste la position du panneau solaire jusqu'à ce que les mesures soient sensiblement égales. Ainsi, le panneau solaire est orienté directement vers le soleil, optimisant ainsi la production d'énergie.

Énergie des panneaux solaires

La conversion de l'énergie solaire en énergie électrique se déroule en trois étapes simples. Chaque étape est réalisée par un composant spécifique, comme indiqué ci-dessous :  

1.   Panneau solaire Sungold SGM-90W-18V : absorbe les photons de la lumière solaire et les convertit en électricité, laquelle est ensuite produite sous forme de tension continue variable.  

2.   Régulateur de charge solaire Genasun GV-10 :   régule la tension continue provenant du panneau solaire pour charger la batterie  

3.   Batterie lithium-ion 12 Vcc :   stocke l'électricité pour une utilisation immédiate ou ultérieure.  

Dans notre système, nous avons raccordé un connecteur allume-cigare à la batterie. Cela permet de brancher facilement des accessoires automobiles 12 V au panneau solaire. Dans notre vidéo, nous avons utilisé un ventilateur oscillant, un projecteur LED haute puissance et même un chargeur de téléphone.

Composants du système de contrôle

1. 1x mini-actionneur linéaire PA-14 – 6 po – force de 150 lb.  

2.   1 panneau solaire Sungold SGM-90W-18 de 90 watts.  

3.   1x Contrôleur de charge de panneau solaire Genasun GV-10 12 Vcc.  

4.   1x   Micro-automate programmable Arduino.

5.   1x   Contrôleur de moteur Guêpe.

6.   2 photorésistances de 10 kΩ et 2 résistances de 7 kΩ.  

7.   1 batterie rechargeable au lithium 12 Vcc.  

8.   1 connecteur allume-cigare pour accessoires 12V (en option).

Contrôleur de moteur

Pour la partie commande de ce suiveur solaire, nous utiliserons une carte Arduino Micro et un contrôleur de moteur WASP. Ce dernier est piloté par l'Arduino Micro grâce à la modulation de largeur d'impulsion (PWM). Le contrôleur WASP est alimenté par une batterie 12 V pour déployer et rétracter le mini-actionneur linéaire PA-14. Nous avons opté pour un actionneur d'une force de 150 lb (68 kg) car, pour la charge utilisée, il consomme moins de courant qu'un modèle de 35 lb (16 kg).

Capteur de lumière

Pour détecter l'intensité lumineuse du soleil, nous avons utilisé une photorésistance de 10 kΩ. Une photorésistance se comporte comme une résistance variable, dont la valeur est contrôlée par la lumière. Sa résistance diminue lorsque l'intensité lumineuse augmente. Nous aurons besoin de deux capteurs, l'un à l'est du panneau et l'autre à l'ouest, pour déterminer la position du soleil.  
Connectez en série une photorésistance de 10 kΩ et une résistance de 7 kΩ, puis alimentez-les avec un signal de 5 V provenant d'un Arduino Micro. Mesurez la tension aux bornes de la résistance de 7 kΩ à l'aide d'une entrée analogique de l'Arduino Micro. Le circuit se comportant comme un diviseur de tension, la tension mesurée aux bornes de la résistance de 7 kΩ augmentera avec l'intensité lumineuse. Attention : la photorésistance est très sensible et il peut être nécessaire de limiter la lumière solaire reçue. Dans notre cas, nous avons constaté qu'en l'orientant sur le côté du panneau et en la recouvrant d'un ruban adhésif translucide, les résultats étaient optimaux.

Programmation

Le programme complet se trouve dans la section suivante, intitulée « Code source ». Cette section de l'article explique les différents composants du programme.

Bibliothèque de servos

La bibliothèque Servo.h permet à la carte Arduino Micro de contrôler des servomoteurs RC via des commandes sur une seule ligne, comme suit :

myservo.writeMicroseconds (1000); // Actionneur pleine vitesse en marche arrière (1000)  

myservo.writeMicroseconds (1520); // Arrêt de l'actionneur (1520)  

myservo.writeMicroseconds (2000); // Actionneur pleine vitesse vers l'avant (2000)  

Affectation des épingles

Les broches 10 et 11 de l'Arduino Micro sont respectivement configurées pour l'alimentation et la masse afin de piloter le contrôleur WASP. Les broches 6 et 8 de l'Arduino Micro sont associées aux entrées analogiques 7 et 8, qui permettent de recevoir les mesures des capteurs de luminosité est et ouest.

Déclaration de variable

Dans cette section, les variables sont déclarées et initialisées. Elles serviront dans les fonctions à stocker les mesures des capteurs de lumière. La période d'échantillonnage et l'intervalle d'ajustement sont également déclarés ici ; leurs valeurs peuvent être modifiées pour définir l'intervalle de temps entre chaque mesure et l'intervalle entre chaque ajustement d'angle du panneau solaire. La valeur initiale est fixée à une mesure toutes les 10 secondes et à un ajustement de la position du panneau solaire toutes les 10 minutes.

Configurer l'entrée et la sortie

Configurez WASP_Power et WASP_Ground en sortie afin de piloter le contrôleur WASP, et sensor_west_pin1 et sensor_east_pin2 en entrée pour effectuer des relevés à partir des capteurs de lumière à photorésistance.

Lectures des capteurs

Pour déterminer l'orientation optimale du panneau solaire, nous utilisons deux photorésistances comme capteurs de lumière afin de mesurer l'intensité lumineuse de chaque face du panneau. Le programme utilisé effectue une mesure toutes les 10 secondes pendant 10 mesures, puis calcule la moyenne des mesures des deux photorésistances pour les comparer.

Mouvement des panneaux solaires

Avec la carte Arduino Micro, nous utilisons la modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour piloter l'actionneur. C'est une méthode simple et fiable pour contrôler un actionneur linéaire. Selon la valeur de PWM définie, nous pouvons déployer, rétracter ou immobiliser l'actionneur pendant une durée déterminée, tant que celle-ci ne dépasse pas son rapport cyclique.  
D'après les relevés de nos capteurs, nous obtenons deux valeurs moyennes d'intensité lumineuse, provenant des capteurs situés à l'ouest et à l'est. Le système exécutera ensuite une commande de mouvement pour déployer, rétracter ou maintenir le panneau solaire immobile, selon la différence entre ces deux valeurs. Cette série de commandes sera exécutée toutes les 10 minutes afin de garantir une exposition optimale au soleil.

Réinitialisation de la position de nuit

Une autre fonctionnalité que nous pouvons implémenter avec le suiveur solaire est une fonction de réinitialisation. Concrètement, si le suiveur solaire fonctionne pendant plusieurs jours, il doit revenir à sa position initiale le lendemain matin. Pour cela, nous utiliserons une simple fonction de compteur qui réinitialisera la position si le suiveur solaire est immobile depuis 10 heures. Cela indiquera qu'il fait nuit, et le suiveur solaire reviendra à sa position initiale et attendra le lever du jour.

Vous trouverez ci-dessous le code utilisé pour cette version de notre système de suivi solaire. Sa valeur peut être modifiée à tout moment pour s'adapter aux différentes régions et saisons.

Code source

Vous trouverez ci-dessous le code utilisé pour cette version de notre système de suivi solaire. Notez que les valeurs peuvent être modifiées à tout moment pour s'adapter aux différentes régions et saisons.

/*
 Ce programme permet au panneau solaire de suivre la course du soleil et de piloter l'actionneur par modulation de largeur d'impulsion (PWM). Deux photorésistances, placées de chaque côté du panneau, effectuent des mesures. Plusieurs mesures sont réalisées et une moyenne est calculée afin de déterminer le côté le plus exposé au soleil. L'actionneur linéaire se déploie ou se rétracte ensuite pour orienter le panneau solaire vers le soleil. Une fonction de réinitialisation ramène le panneau à sa position initiale. Ainsi, après une nuit d'inactivité, le panneau est prêt à charger le matin.
Matériel utilisé : 1 x Arduino Micro, 1 x contrôleur de moteur WASP, 1 x actionneur linéaire PA-14-6-150, 2 x photorésistances, 2 x résistances de 7 kΩ
*/
/* BIBLIOTHÈQUE SERVO Incluez la bibliothèque Servo et créez l'objet servo.
*/
#include Servo myservo; // Création d'un objet servo pour contrôler un servomoteur
/* AFFECTATION DES BROCHES Affectez les broches du contrôleur WASP et du microcontrôleur Arduino à la variable appropriée.
*/
const int WASP_Power = 10; // Affecter la broche 10 à l'alimentation du contrôleur WASP
const int WASP_Ground = 11; // Affecter la broche 11 à la masse pour le contrôleur WASP
const int sensor_west_pin1 = 7; // Broche 6 du capteur A7, entrée 1 ouest
const int sensor_east_pin2 = 8; // Broche 8 du capteur A8, entrée 2 est
/* DÉCLARATION DE VARIABLES Déclarez les variables qui seront utilisées ultérieurement dans les fonctions et initialisez-les.
*/
int sensor_west[10]; // 10 relevés d'échantillon du capteur situé à l'ouest
int sensor_east[10]; // 10 relevés d'échantillon du capteur situé à l'est
int reset_counter = 0; // Compteur de temps pour la réinitialisation de la position du panneau solaire
const int sample_time_interval = 10000; // Modifiez cette valeur pour définir l'intervalle entre chaque prélèvement d'échantillon (ms)
const long solar_panel_adjustment_interval = 600000; // Modifiez cette valeur pour définir l'intervalle entre chaque ajustement du panneau solaire (ms)
void setup()
{
/* CONFIGURATION DES ENTRÉES ET SORTIES Configurez les entrées et les sorties sur les variables et les broches.
*/
myservo.attach(9); // Attache le servo sur la broche 9 à l'objet servo pinMode(WASP_Power, OUTPUT); // Configure l'alimentation en sortie pinMode(WASP_Ground, OUTPUT); // Configure la masse en sortie digitalWrite(WASP_Power, HIGH); // Configure 5 V sur la broche 10 digitalWrite(WASP_Ground, LOW); // Configure la masse sur la broche 11 pinMode(sensor_west_pin1, INPUT); // Configure la broche ouest du capteur en entrée pinMode(sensor_east_pin2, INPUT); // Configure la broche est du capteur en entrée
}
boucle vide()
{ /* LECTURES DES CAPTEURS Prenez 10 lectures d'échantillon des deux capteurs et calculez la moyenne des entrées.
*/
int solar_input_west = 0; // Mesures de l'intensité lumineuse du soleil provenant du capteur ouest int solar_input_east = 0; // Mesures de l'intensité lumineuse du soleil provenant du capteur est
for( int i=0; i<10; i++) { sensor_west[i] = analogRead(sensor_west_pin1); // Lecture analogique du capteur ouest sensor_east[i] = analogRead(sensor_east_pin2); // Lecture analogique du capteur est solar_input_west = sensor_west[i] + solar_input_west; // Somme des entrées du capteur ouest solar_input_east = sensor_east[i] + solar_input_east; // Somme des entrées du capteur est delay(sample_time_interval); }
solar_input_west = (solar_input_west) / 10; // Moyenne des signaux d'entrée du capteur ouest. solar_input_east = (solar_input_east) / 10; // Moyenne des signaux d'entrée du capteur est.
/* MOUVEMENT DU PANNEAU SOLAIRE Le panneau solaire s'inclinera vers l'ouest si l'intensité lumineuse détectée à l'ouest est supérieure à celle détectée à l'est. Le panneau solaire s'inclinera vers l'est si l'intensité lumineuse détectée à l'est est supérieure à celle détectée à l'ouest. Cependant, si les mesures sont similaires des deux côtés, le panneau solaire restera immobile. */
Si l'intensité du rayonnement solaire est plus élevée à l'ouest du panneau (valeur solaire − ouest) : `myservo.writeMicroseconds(2000);` (impulsion de 2000 ms vers l'avant à pleine vitesse, poussant le panneau solaire vers la gauche, à l'ouest) ; `delay(500);` (0,5 seconde) ; `reset_counter = 0;`. Sinon, si l'intensité du rayonnement solaire est plus élevée à l'est du panneau (valeur solaire − est) : `myservo.writeMicroseconds(1000);` (impulsion de 1000 ms vers l'arrière à pleine vitesse, tirant le panneau solaire vers la droite, à l'est) ; `delay(500);` (0,5 seconde) ; `reset_counter = 0;`.
else // Si l'intensité lumineuse est similaire des deux côtés du panneau { myservo.writeMicroseconds(1520); // Signal stationnaire (1520) pour empêcher le panneau solaire de bouger reset_counter++; } delay(solar_panel_adjustment_interval); // Délai avant un nouvel ajustement
/* RÉINITIALISATION DE LA POSITION PENDANT LA NUIT
Si le panneau solaire est utilisé pendant la nuit, le contrôleur détectera que le panneau est resté immobile pendant plus de 10 heures, puis il réinitialisera le panneau solaire dans sa position par défaut orientée vers l'est.
Si le compteur de réinitialisation est supérieur à 60, le panneau solaire reprend sa position initiale après 10 heures d'immobilité. Le signal `myservo.writeMicroseconds(1000);` déclenche une rotation arrière à pleine vitesse (1000) tirant le panneau solaire vers la droite (est). Le signal `delay(12000);` dure 12 secondes. Le signal `myservo.writeMicroseconds(1520);` arrête le panneau solaire à l'arrêt (position 1520). Le signal `delay(500);` dure 0,5 seconde. Le signal `myservo.writeMicroseconds(2000);` déclenche une rotation avant à pleine vitesse (2000) poussant le panneau solaire vers la gauche (ouest). Le signal `delay(1000);` dure 1 seconde. `reset_counter = 0;`
}

Matériel de suivi mono-axe

Il existe d'innombrables façons de créer un suiveur solaire mono-axial. La méthode la plus simple consiste à construire le cadre à l'aide de tubes et de raccords coudés en PVC. L'élément le plus important est la capacité de suivi, qui peut être assurée par un simple actionneur linéaire miniature PA-14 et un support BRK-14.  
Pour notre projet, nous avons opté pour un trépied et utilisé des pièces imprimées en 3D pour les articulations et les fixations. Cela nous a permis de créer un système de suivi solaire très portable, offrant une inclinaison et une capacité de suivi optimales. Pour un aperçu visuel de notre processus de fabrication, consultez notre chaîne YouTube.

Composants

1.   Tuyau en cuivre 3/4 po.  

2.   1 bouchon d'extrémité de tuyau en cuivre 3/4 po.  

3.   3x 3/4 po Collier de serrage à engrenages.  

4.   Tuyau en PVC 3/4 po.  

5.   1x 1??? Pince à engrenages.  

6.   5 boulons M6, écrous et rondelles.  

7.   Divers supports imprimés en 3D.  

8.   2x Broche de montage de l'actionneur (peut être trouvée dans le kit BRK-14).  

9.   1 actionneur linéaire miniature PA-14.

Inclinaison optimale

Outre la possibilité de suivre la course du soleil, un autre moyen d'améliorer l'efficacité des panneaux solaires consiste à ajuster leur inclinaison fixe en fonction de votre situation géographique. L'inclinaison optimale dépend de votre latitude. Pour plus d'informations, consultez ce lien : Inclinaison des panneaux solaires .
Voici un dessin coté en perspective latérale illustrant le calcul de l'inclinaison de notre capteur. La longueur B se calcule à l'aide de l'équation suivante :

Fabrication et assemblage

Pour une présentation visuelle de notre processus de construction, nous avons mis en ligne une vidéo sur YouTube.

Mesures

1. Calculer les longueurs nécessaires pour obtenir l'inclinaison optimale.
2. Rassemblez tous les composants nécessaires.
3. Fixez les supports au panneau solaire en perçant des trous et en les fixant avec les boulons appropriés.
4. Coupez les tuyaux en cuivre et en PVC à la longueur voulue.
5. Peignez et poncez les tuyaux en cuivre et en PVC.
6. Fixez les supports aux tuyaux et sécurisez-les avec des colliers de serrage.
7. Montez le mini-actionneur linéaire PA-14 et fixez-le à l'aide des broches de montage de l'actionneur BRK-14.

Le nouveau mini-actionneur PA-01 amélioré (mise à niveau PA-14) est le modèle que nous proposons actuellement, offrant de nombreux avantages supplémentaires. Pour une comparaison, consultez les tableaux ci-dessous et effectuez la mise à niveau en toute confiance !

Conclusion

La vérité est que l'énergie solaire remplacera bel et bien les énergies fossiles dans un avenir proche. Alors que de nouvelles méthodes pour améliorer l'efficacité des panneaux solaires sont déjà mises au point, l'avenir du secteur énergétique reste incertain. Nous espérons que vous avez apprécié notre article et notre vidéo sur la création d'un suiveur solaire portable.