Как сделать солнечную батарею с самонаводкой

Сложное самонаводящееся устройство для солнечных панелей, управляемое через облачное соединение интернета со смартфона можно собрать у себя дома. Самонаводящиеся фотопанели собраны в основном из кусков фанеры сечением 5×10 см, деревянных шестерен с пинами, старого багета для штор, а также болтов, гаек и длинных шпилек.

Для точного наведения на солнце служит собранный в домашних условиях электронный контроллер с поддержкой WiFi, подключенный к акселерометру и магнитометру, управляющий шаговыми двигателями. Механические привода разработаны для передвижения полноразмерных 90 ваттных фотоэлектрических панелей в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Шестерни, приводящие в движение фотопанели, собраны из деревянных колышек — их как будто спроектировали в 16-м веке. Но на самом деле они прорисованы с использованием современного инструмента 3D CAD SolidWorks. Чтобы деревянные шестерни были водостойкими, их покрыли лаком.

Чтобы собрать движущиеся солнечные панели, управляемые через облачное хранилище придется освоить: кинетическую механику, веб-приложения, работу интернета через WiFi, 3D-моделирование, микропрограммирование, основы электроники, микроконтроллер с акселерометром и магнитометром, по возможности станок с ЧПУ для точной обработки деревянных изделий. Организовать интернет соединение поможет инновационная платформа облачной базы данных Electric Imp — http://www.electricimp.com.

Построить самонаводящиеся солнечные панели пришлось из-за необходимости автоматизировать систему орошения на своем огороде. На уход за овощами остается мало времени после работы. Солнечные батареи питают небольшие электронасосы, которые самостоятельно включаются в течение дня.

До этого автор самоделки собрал конструкцию в виде двух бочек на высоких опорах для сбора дождевой воды из деревянных паллет, пошедших во вторичную переработку. Мощности фотоэлектрических панелей 90 ватт оказалось намного больше, чем нужно для двух водяных насосов — вот и хорошо, со временем точно найдется какой-нибудь ещё электроприбор для подключения.

О необходимости точного наведения на солнце фотоэлектрических панелей рассказано много в широкодоступной литературе в интернете, научных журналах, так что нет необходимости напоминать об этом. Есть много аргументов за и против. Всё же увеличение эффективности до 30% в сравнении со статической установкой делает самонаводящиеся солнечные панели очень привлекательными.

Остается только убедиться, что материальные затраты на постройку высокотехнологичных солнечных панелей покроются прогнозируемым приростом эффективности от их работы. Дополнительной тратой вдобавок к общей стоимости установки будет личное время. Но самодельные изделия не должны быть дорогими — по крайней мере, в качестве домашнего хобби, когда есть интерес сделать небольшие механизированные солнечные батареи. Собрать автоматическое устройство можно самому, прочитав инструкцию «Как в 14 шагов собрать самонаводящиеся солнечные панели с управлением от смартфона».

К точности наведения панелей нет высоких требований. Вполне можно перевести микроконтроллер, управляющий отслеживанием солнца, в режим потребления малой энергии, при котором солнечные батареи остаются на месте как можно дольше, и лишь изредка требуется рывок высокой мощности для включения электродвигателей, ненадолго.

Есть и другие способы отслеживать солнце: оптические датчики, подключенные к простой схеме, вроде робота ориентирующегося на световые сигналы, но микроконтроллеры позволяют реализовать просто художественное передвижение, которое можно задать самому. Заодно полезно будет узнать основы перепрошивки контроллеров.

И так начнем:

Основные компоненты устройства, показанные на блок-схеме:

1. 90 ваттные солнечные панели.
2. Платформа, построенная из кусков фанеры 5×10 см, перемещаемая в двух плоскостях благодаря шестерням с деревянными колышками и старым багетам для штор в качестве валов.
3. Электронный беспроводный модуль Electric Imp, подключенный к шаговым двигателям, контроллеру с IO Expander и шести осевой микромеханической системе (МЭМС) — акселерометру и магнитометру.
4. Шаговые двигатели Nema 23.
5. Аккумуляторная батарея — можно использовать одну мотоциклетную, которая уже не в состоянии долго крутить двигатель.
6. Контроллер заряда, чтобы не перегружать используемую батарею — его можно дешево купить на Ebay или Aliexpress.
7. Смартфон или компьютер с выходом в интернет для мониторинга положения и дистанционного управления фотоэлектрических панелей. Интернет управление — несущественная часть самодельного устройства, введённая чисто для практического обучения. Следует увидеть, какие возможности дает телефон, подключенный к удаленному устройству. Важно помнить, что надо скрывать URL, так чтобы никто из сторонних людей не смог контролировать поворотную панель.

Управление отслеживателем идет по компенсации наклона от компаса — алгоритм работы был прописан в приложении телефона. Компас обладает 3 осями магнитного поля и 3 осями положения акселерометра. Магнитное поле сообщает системе о положении по азимуту, а акселерометр об угле наклона по отношению к гравитации.

Навигация GPS также предусмотрена в прошивке (сейчас у многих в смартфонах имеется эта опция без подключения к интернету). По навигации геоположения определяется угол возвышения солнца в зависимости от времени суток и географических координат. Программный алгоритм геоположения написан для модуля Electric Imp на языке Squirrel в С++, о чём подробнее написано дальше. Прошивка приводов, основанная на обратной связи по азимуту и углу наклона, написана для микроконтроллера с магнитометром, акселерометром.

Устройство можно было сделать гораздо проще, но автор был заинтригован тем, насколько больше опций можно получить благодаря платформе облачного хранилища Electric Imp. В интернете написано много страничек о реализации самонаводящихся солнечных панелей. Большинство решений на сегодня являются самодельными световыми датчиками. Они передвигают фотопанели в ответ на уменьшение интенсивности освещенности в сравнении с максимально прямым солнечным светом. Они работают хорошо, стоят недорого и реально доступны большинству. Но если вы идете по этому пути, вы упускаете возможность собрать электронику будущего с веб-прошивкой, организацией Материального интернета (Internet of Things) —реального управления физическими объектами через интернет.

 

Понадобится некоторое программное обеспечение:

 

1. ASP.NET ? программная модель для веб-приложений. Это скрытый серверный код, с которым соединяется смартфон, чтобы увидеть состояние системы или получить доступ к контроллеру для ручного управления по азимуту и наклону для ручной отладки.

2. AJAX обновляет содержимое веб-страницы без перезагрузки сервера. Позволяет динамически запрашивать данные веб-страницы непосредственно с сервера и обновлять область странички без перезагрузки всей страницы. Так обновляются данные мониторинга.

3. SQL Server работающий в свернутом режиме. Сообщения от модуля Electric Imp регистрируются в базе данных SQL Server.

4. JQUERY Mobile – замечательная библиотека с открытым доступом, которая упрощает работу на веб-странице Document Object Model. Просто проведите пальцем в рабочей области этого приложения, и данные с интернета будут мигом приняты. Это отличный способ развить смартфон до HTML5 приложений.

5. HTML5 дающий доступ к аппаратно независимым телефонным приложениям. Есть ряд приложений, которые являются веб-приложениями, и их можно преобразовать в традиционные телефонные приложения. Некоторые из них бесплатные, на данный момент доступно более 10000 таких!

6. Internet of Things, предоставляемый такими компаниями, как Electric Imp и COSM. Они сделали материальный интернет реально доступным, даже для малобюджетных хакеров.

7. Доступ к облачному хранилищу и браузер умеющий обслуживать данные в облаке. Electric Imp — это полностью облачное хранилище. Вся прошивка для отслеживания солнца находится в облаке, и загружается, когда мобильное устройство подключается к интернету.

8. Алгоритмы управления компаса с наклоном. В конечном счете, были найдены в подробной инструкции ST Application, для чего прошлось немало перелистать страниц интернета.

9. Алгоритмы прогнозирования азимута солнца. Проще всего воспользоваться общедоступной моделью на сайте Electric Imp. Предсказание местоположения солнца — очень сложная задача, мало кто может в полной мере понять алгоритм его движения.

Далее вначале будет рассказано как построить механизированную основу самонаводящихся солнечных панелей, а затем об электронике, прошивке и наконец о веб-приложения более подробно. Электроника и передвигающаяся платформа являются независимыми компонентами устройства. Электронный модуль разработан съемным, чтобы быть использованным на другом устройстве.

Этап 2: приспособления необходимые для постройки основания

Хорошо бы иметь пиломатериал 5×10 см и фанеру, возможно оставшиеся после строительства дома, так общая стоимость постройки платформы отслеживателя будет очень низкой. Лучше побольше использовать роликовых подшипников, чтобы иметь низкий уровень трения, уменьшить потери силы вращения.

Основной вал перемещения по азимуту сделан из пошедшего в переработку карниза для штор 19 мм, который предусмотрительно не был выкинут много лет назад во время большого ремонта.

Материал для сборки основы:

1. Подшипники роликовые 3/8 дюймов внутреннего диаметра и 7/8 наружного — понадобится 7 штук таких подшипников, сверхлегкой серии. Закрытые подшипники лучше защищены от влаги и пыли. Основательно подготовить подшипник к всесезонной работе можно, закрыв его пластмассовыми втулками от старого роликового или шарикового подшипника. Дешевые стальные подшипники нельзя применять под открытым небом без гидроизоляции, но если они валяются в коробке с запчастями, снятыми с фрезерного или деревообрабатывающего станка, тогда надо использовать то, что есть. Сайты VXB, Electronic Goldmine и Use-Enco.com являются хорошими поставщиками дешевых подшипников. Фирма Electronic Goldmine предлагает подшипники внутренним диаметром 3/8 по 1 доллару за штуку. У VXB есть пластиковые и керамические подшипники такого же размера.

2. Подшипники 3/4 дюйма внутреннего диаметра и 1 ? наружного — понадобится два таких для вала привода по азимуту. В качестве этого вала использован карниз от штор диаметром 3/4 дюйма в этом проекте.

3. Сосновые доски 5×10 см — две таких по 2 метра будет достаточно. Строительный пиломатериал является удобным и перерабатываемым ресурсом.

4. Фанера толщиной 19 мм. Автор самоделки использовал березу, оставшуюся после сборки домашней мебели. Достаточно иметь кусок, из которого можно будет вырезать два квадрата 254 мм для больших шестерен, два квадрата 64 мм для малых шестеренок. Листа 61×61 см будет вполне достаточно, чтобы из него ещё вырезать несколько воротниковых зажимов, удерживающих шестерни на валу. 
5. Шурупы косые длиною 2 ? дюйма для соединения брусков 5×10 см, 1 ? дюйма для более тонких досок. Применяются эти шурупы при сборке мебели, вкручиваются в карманы — глухие отверстия в дереве, просверленные под углом 25 градусов.

6. Кусок пластика ацетил, нейлон их сочетание, по крайней мере толщиной 19 мм. Отрезок 51х51×25 мм подойдет отлично. Он будет использован для изготовления гайки, которая управляет наклоном солнечных панелей.

7. Доски 2х4 см или фанера будь-что, имеющееся под рукой, предпочтительно из твердых лиственных пород, таких как тополь. Они будут применены для закрепления ходового винта — мудреное название для длинной шпильки, которая меняет наклон солнечных батарей. 
8. Любые доски, чтобы сделать опорную раму для самой солнечной панели.
9. Клей Elmer Max или другой для дерева.
10. Шпилька длиной 1 метр, резьба 10 мм.
11. Гайки и шайбы 10 мм.
12. Деревянные мебельные штифты диаметром 6,4 мм длиною 32 мм — 120 шт.

Необходимые инструменты:

1. Измерительная лента.
2. Дисковая пила. Можно всё вырезать вручную, но это займет много времени.   
3. Угловая шлифовальная машинка, она же болгарка, для разрезки длинной шпильки и карниза штор по длине. Ручная ножовка тоже хорошо, но в любом случае болгарка со сталью справляется лучше. 
4. Электрическая дрель для проделывания глухих отверстий в дереве — высокооборотистая дрель от розетки лучше подходит для этого, чем шуруповерт на аккумуляторах, который склонен вращаться на низких оборотах.
5. Аккумуляторная дрель либо шуруповерт для затягивания шурупов в деревянных карманах — с ней работать намного быстрее, чем с крестовой отверткой. 
6. Метчик 10 мм 13 номер, понадобиться для нарезки резьбы в куске пластика, чтобы сделать гайку наклона панелей.
7. Сверлильный станок, конечно, если есть — поможет проделать отверстия перпендикулярно.

8. Коронка сверлильная 51 мм или больше, до 64 мм подойдет любая. Она понадобится, чтоб сделать воротниковые зажимы, которые удерживают шестерни от перемещения по валу. 
9. Молоток с круглым бойком для аккуратной работы с деревом: выравнивание брусков, установка колышек в отверстия шестерен.
10. Ножовка по металлу или аналогичный инструмент с тонкий лезвием для разрезания воротниковых зажимов. 
11. Электролобзик ручной, настольный электролобзик, ручной фрезер — один из этих инструментов нужен, чтобы вырезать шестерни. Автор использовал фрезерный станок с ЧПУ, так намного быстрее, и шестерни получились очень точными.

 

Инструменты и компоненты для электроники будут обсуждаться на этапе 10.

Этап 3: изготовление шестерен

Передаточное отношение на валах 4:1 достигается за счет больших размеров шестерен.

Передаточное число определяется отношением диаметров шестерен к количеству зубцов на них, чему удовлетворяет следующее уравнение:

D1/ТС1 = D2/ТС2

Где D — диаметр, ТС = количество зубов.

Диаметрами считаются расстояния между центрами колышек, расположенными на противоположных сторонах каждой шестерни, как показано на рисунках.

Количество зубов определяется допустимым расстоянием между ними, то есть беговой дорожкой шестерни. Она ограничена диаметром штифтов и зазором между ними, который можно допустить, чтобы не было мертвого хода между шестернями. Окончательно было решено ставить 48 зубов на большой шестерни и 12 на малой. Минимальный зазор между колышками определяется их диаметром.

Минимальный зазор или длина хорды = 2 диаметрам колышек.

На практике необходимо брать немного больше, потому что нужно, чтобы ведущий колышек был в контакте лишь с одним ведомым. Толкающий колышек должен свободно скользить вниз между двумя принимающими.

Длина дуги зазора = (3.14 * D/ТС) > длины хорды = 2 * диаметр колышка.

Принимаем: длину дуги = 0.641 * 2 * диаметр колышка = 12.7 мм

Примечание: для большого круга можно сделать приближение, что длина дуги = длине хорды.

Диаметр круга установки колышек малой шестерни D1 = 62 мм, а у большой шестерни D2 = 249 мм. Колышками являются дюбеля диаметром 6,4 мм из твердых лиственных пород длиной 32 мм. Такие дюбеля можно найти в строительных магазинах Lowes или Home Depot.

Шестерни были смоделированы с помощью 3D CAD SolidWorks, затем их рисунки сохранены в формате DXF. Файлы DXF импортированы в программу CamBam, чтобы сгенерировать g-code — код на языке программирования, понятном для станка с ЧПУ. Файлы CamBam прикрепляются хорошо, просто надо удалить расширение pdf после названия — они не являются PDF-файлами, но распознаются станком с ЧПУ. Подробно об этом написана целая статья, но многие не будут пользоваться этим способом.

Можно распечатать чертежи, и по шаблонам вырезать шестерни электролобзиком.

Шестерни наиболее сложная часть устройства и должны быть вырезаны точно, чтобы каждый зубец был задействован при вращении. В общей сложности надо 4 шестеренки, двух разных типов. Большие шестерни имеют различные диаметры отверстий в центре: у одной из них 9.5 мм, а в другой 19 мм.

После того, как шестерни будут вырезаны любым удобным для вас способом, надо вбить колышки на свои места. Удобно использовать отрезок доски толщиной 19 мм, дабы определить, что все колышки забиты на одинаковую глубину. Другой метод сборки подразумевает высверливание отверстий одинаковой глубины до 13 мм в шестерне для упрощения выравнивания колышек по высоте.

Все файлы для скачивания, находятся в конце шага 14: Веб-приложение и интерфейс телефона.

Этап 4: вырезание гнезд для подшипников

Основание делается из строительного пиломатериала 5×10 см. Надо отрезать 3 доски 508 мм длиной и ещё 3 бруска по 127 мм. Два куска 127 мм станут монтажными блоками, которые будут удерживать моторы и приводные валы малых шестеренок.

Во-первых, в меньших брусках надо просверлить небольшое направляющее отверстие для двух маленьких подшипников 7/8 дюймов. Отступите 89 мм от верхнего края.

Используйте сверло 1.6 мм. Направляющее отверстие должно быть сделано аккуратно, так как по нему пройдет вал привода малой шестерни. Постарайтесь, проделать его настолько перпендикулярно к поверхности, насколько возможно.

Далее используйте перку или сверло Форстнера 5/8 дюймов, прорезая гнездо для одного меньшего подшипника с одной стороны. Внешний диаметр подшипника 7/8 приблизительно на ? дюйма больше, поэтому отверстие может быть неточным. Чуть больше или меньше, потом исправите. Теперь повторите действие с противоположной стороны бруска для второго такого же подшипника.

В итоге, подшипники с каждой стороны бруска должны быть совмещены. После этого можно увеличить направляющее отверстие, так чтобы вал смог пройти через него. Валом в нашем случае будет стержень 10 мм с резьбой на концах, так что отверстия 12 мм будет предостаточно.

Кроме того, использовав шаговое сверло для снятия фасок с краев отверстия, можно быть уверенным, что внутреннее кольцо подшипника не станет тереть о дерево и создавать помехи вращению.

В общей сложности надо сделать два монтажных блока, и в каждом из них должно быть по два подшипника, чтобы удерживать приводные валы малых шестеренок. Для соединения блоков с горизонтальными опорными пластинами удобно пользоваться направляющими Kreg для косых шурупов. Врезные отверстия для этих шурупов проделываются сверлом 1.6 мм.

По одному высверленному карману с каждой стороны отверстия для вала будет достаточно. Устанавливайте приставку Kreg в положение для доски толщиною 1 ? дюйма.

После проделывания отверстия, прикрутите монтажный блок двигателя к одной из горизонтальных опорных пластин длиной 508 мм, отступив от одного конца 343 мм. На этом участке должна разместиться плашмя 254 мм большая шестерня, а также вставиться собранное малое зубчатое колесо общей толщиной 38 мм, плюс ещё гайки и шайбы, которые позже будут удерживать малое колесо на приводном валу.

Затем положите большую шестерню с центральным отверстием 9.5 мм на горизонтальную пластину так, чтобы её край находился на расстоянии 6 мм от края этой основы. Наметив, таким образом, центр оси вращения большого колеса, сделайте 9.5 мм сквозное отверстие через доску. На этом этапе мы наметили место для гнезда большого подшипника 1 ? дюйма.

Надо всего сделать 3 гнезда в горизонтальных пластинах. Очень важно, чтобы проделанные отверстия выстраивались в одну линию. Подшипники должны совпадать друг с другом. Самый простой способ добиться этого — сложить доски вместе и просверлить их разом тонким сверлом насквозь, прежде чем вырезать места для подшипников.

Маловероятно, что у вас найдется сверло 1.6 мм достаточной длины для того, чтобы пройти насквозь 15 см дерева. В любом случае сверло будет уходить в сторону забиваясь стружкой. Так что лучше, сначала пройти одну пластину, а затем начать сверлить следующую. Снимите первую доску и, используя оставшуюся от сверла метку, начинайте проходить вторую, пока не врежетесь в третью. Убираете вторую доску и просверливаете насквозь третью, вот и всё.

Можно наметить несколько отверстий по линейке, но каждый замер влечет к потенциальной ошибке. Бурение единого направляющего отверстия — самый простой способ обеспечить выравнивание и устранить погрешности измерений.

Затем несите заготовки горизонтальных пластин до сверлильного станка и сделайте в одной из них внутренне отверстие для подшипника 3/8, используя фрезу Форстнера 5/8 дюймов. Вы можете использовать ручную электродрель, но будьте аккуратны и держите инструмент так близко к перпендикуляру, насколько можете. Этот самый нижний подшипник будет использоваться в качестве упора для шпильки подъёма солнечных панелей. В общем, не рекомендуется использовать роликовый подшипник при осевой нагрузке, но для этой конструкции она настолько мала, что нет необходимости использовать более дорогой комбинированный подшипник или дополнительный упорный подшипник.

В следующей горизонтальной пластине необходимо сделать большое отверстие с одной стороны для подшипника 3/4 дюйма, в который будет вставлен карниз от штор, и меньшее на противоположной стороне для подшипника 3/8 дюйма, удерживающего длинную шпильку, что пройдет через середину карниза. Больший подшипник 3/4 имеет внешний диаметр 1 ? дюйма. Если не найдется сверло Форстнера такого размера, то достаточно воспользоваться перкой, которая прекрасно работает по сосновым доскам. С противоположной стороны гнездо для меньшего подшипника можно вырезать сверлом Форстнера 5/8 дюйма или перкой.

 

Этап 5: изготовление воротниковых зажимов

Одна большая шестерня закрепляется на стержне от штор при помощи деревянного воротникового зажима, вырезанного из 19 мм фанеры. Изготовление зажима начинается с вырезания из фанеры диска коронкой по дереву размером 51 мм. Если есть большая коронка, скажем 64 мм, то нужно использовать её. Меньшего диаметра деревянный зажим имеет склонность к растрескиванию.

После того, как вы вырезали диск, зажмите его в тисках и, используя перку или сверло Форстнера, рассверлите отверстие в центре до 19 мм. Стержень для штор пройдет через это отверстие, а затем будет плотно прижат к шестерне.

Используя ножовку, вырежьте щель в зажиме. Затем просверлите отверстие через неё для зажимного винта. Мастер использовал косые шурупы Kreg, поэтому врезное отверстие проделано сверлом 1.6 мм.

После бурения сжимного отверстия, важно пройтись сверлом 6 мм по внешнему торцу вырезанного диска, прорезая канавку в плоскости, где будет находиться зажимной винт. Так нужно для придания упругости вырезанному диску.

К шестерне воротниковый зажим крепиться тремя или четырьмя столярными шурупами длиною 32 мм. Чтобы предотвратить деревянный диск от растрескивания, прежде чем притягивать эти крепёжные шурупы к шестерне, надо сначала закрутить зажимной шуруп, стянув воротниковый зажим плотно.

Большой подшипник 3/4 дюйма, конечно, тесноват для стержня 19 мм, так что используйте молоток, чтобы всадить его достаточно глубоко, только он должен оставался перпендикулярным к горизонтали.

Этап 6: крепления для шаговых двигателей Nema 23

Солнечные панели по азимуту и высоте управляются с помощью шаговых двигателей. Для монтажа этих двигателей нужны крепёжные блоки, которые изготовлены из обрезков строительных досок 5×10 см. Вам понадобится два блока с квадратным основанием 90 мм.

Первым делом надо вырезать блоки по размеру. Отмерьте 90 мм от двух краев доски и отпилите ножовкой. Имея кусок доски 5×10 см длиной 90 мм, остается только отрезать лишнюю часть от 100 мм и получиться квадратный блок 90 мм.

Наметьте центр квадратного основания, проведя две диагонали на поверхности. Для большой точности, сначала надо взять сверло Форстнера 35 мм и проделать большое отверстия в крепежном блоке им. Затем окончательно рассверлить отверстие перкой в 38 мм до размера фланца шагового двигателя.

Вы можете сразу вырезать отверстие перкой, но так неприятно наблюдать, как она рвёт древесину. Отверстие получается не очень точным и чистым после большой перки.

Теперь просверливайте перекрестно меньшие отверстия с каждой стороны крепежного блока как в швейцарском сыре. Можно использовать сверло Форстнера 5/8 дюйма для этого. Эти отверстия позволят добраться до муфты мотора во время монтажа.

Двигатель крепится к крепежному блоку с помощью длинных 2 ? дюймовых шурупов Kreg. Чтобы проделать отверстия для крепежных шурупов, поместите двигатель в требуемое положение и, используя его крепежные отверстия как направляющие, врежьтесь сверлом. Применив сверло для косых шурупов 1,6 мм, затем придется увеличивать получившиеся в крепежном бруске отверстия до 3.2 мм, дабы иметь возможность небольшой регулировки во время установки.

В качестве приводных валов длиною 105 мм использованы шпильки 3/8 дюйма равные 9.5 мм. Они отрезаны от длинного стержня двухметровой длины. Нам понадобиться две такие детали.

Муфты валов взяты от старого станка с ЧПУ. Они были рассверлены с одной стороны, чтобы соответствовать шпильке в 9.5 мм. С другой стороны муфта отлично наделась на 6 мм вал двигателя. Использованные муфты очень высокотехнологичны — гибкие, спиральные, но на самом деле они не столь важны для подобного самодельного устройства. Автор хотел применить то, что у него было. Вы вполне можете использовать гибкие шланги с хомутами в качестве альтернативы этому соединению.

Этап 7: сборка основания

После просмотра фотографий процесса сборки, стало понятно, что их сделано достаточно для такого большого проекта. Надеюсь, вам всё равно будет ясно, что к чему.

Сборка начинается с прикручивания вертикальных брусков с двигателями к нижним и верхним горизонтальным доскам 5×10 мм, используя косые шурупы Kreg длиною 2 ? дюйма.

Затем устанавливайте большие шестерни. Длинная шпилька подъёма соединяется с нижней шестерней при помощи гаек и шайб сверху и снизу, сжимающих вместе эти две детали. Шестерня, которая сжата с карнизом для штор воротниковыми зажимами не соединена с вертикальной шпилькой и свободно надевается на неё вместе со своей опорной пластиной и большим подшипником 3/4 дюйма. Но центральная шпилька фиксируется в маленьком подшипнике 3/8 самой верхней горизонтальной опоры.

Маленькие шестерни соединены с короткими шпильками с помощью гаек и шайб 10 мм, накрученных по обе стороны. Рекомендуется использовать фиксатор резьбы Loctite, чтобы быть уверенным, что гайки не раскрутятся. Сначала должна быть поставлена на своё место шестеренка, а затем в неё вставлен вал. Невозможно вдвинуть собранный передаточный механизм вместе с валом в небольшой опорный подшипник. Третья гайка выдвигает вал в позицию, в которой две шестерни имеют зацепление. Этой же гайкой вал стопорится на месте. С обратной стороны шпилька удерживается муфтой и не вылезает из подшипника. Допускается небольшое осевое смещение — не следует стопорить вал в подшипнике, он должен свободно двигаться в нём.

Далее прикручиваются двигатели на место, используя косые шурупы 2 ? дюйма. На данном этапе сборка по частям, которые мы сделали до этого, завершается.

Этап 8: верхняя стойка и вращающаяся рама панелей

Автор самоделки решил добавить стойку верху, чтобы солнечные панели находились повыше. В стойке есть один большой подшипник внутренним диаметром 3/4 дюйма, который является самой верхней опорой для карниза от штор. Вертикальные опоры высотой 127 мм этой стойки, удерживается на месте столярными косыми шурупами.

Гнездо для подшипника надо вырезать точно, если есть, используя станок с ЧПУ. Это критичное условие, чтобы убедиться, что проделанное отверстие точно совпадает с отверстием в горизонтальной пластине внизу, иначе карниз от штор будет вращаться туго. При малейшем смещении вращение будет подтормаживаться.

Вращающаяся рама собрана из горизонтальной доски длиною 914 мм и двух вертикальных брусков по 305 мм. В середине горизонтального элемента проделано отверстие 19 мм.

В двух вертикальных стойках надо сделать такие же отверстия 19 мм ближе к верхним концам. Чтобы не было излишнего трения, между верхней стойкой и вращающейся рамой подложена большая шайба с упорным подшипником.

Вертикальная опора собрана с применением косых шурупов 2 ? дюйма. Не забудьте устанавливать приснавку Kreg в положение для соединения досок толщиной 1 ? дюйма.

Этап 9: Привод наклона панелей

Длинная шпилька будет наклонять фотоэлектрическую панель в зависимости от угла возвышения солнца. Для удержания шпильки собрана конструкция из тополиных досок 2х4 см. Отдельные куски отрезаны по длине столярной ножовкой и собран вместе косыми шурупами.

Гнезда для подшипников были пробурены сверлом Форстнера 5/8 дюйма, как в верхней, так и нижней части, чтобы обеспечить плавное вращение.

Первоначально мастер не планировал сооружать опорную конструкцию в верхней части, но тяжелые солнечные панели изгибали шпильку настолько, что она терлась внутри карниза от штор. Внизу опорные подшипники ходового винта имеются лишь в самой нижней и второй снизу опорной пластине.

Обратите внимание, что отверстия для карманных винтов различны в опорной конструкции. В верхней части карманные отверстия сделаны возле гнезда подшипника, а в нижнем бруске с противоположной стороны к подшипнику. В противном случае, вы не сможете вставить косые шурупы между вертикальными стойками.

Наклон по высоте осуществим благодаря гайке, перемещающейся вверх и вниз по резьбе шпильки. Самодельная гайка была сделана из куска ацетила. Был выбран ацетил, так как этот пластик зачастую применяется для изготовления стойких к истиранию деталей. Износ на резьбе шпильки будет меньше, чем от использования стальной гайки. Ацетил легко обрабатывается механическим способом, так что можно откинуть кучу забот, если есть станок с ЧПУ.

Дисковой пилой отрезается кусок 25 мм шириной 51 мм длинной из ацетила толщиной 19 мм. Затем сверлится отверстие 9.5 мм с длинного торца и в нём нарезается резьба метчиком 13 номер, как показано на фотографии.

Возле края на большой поверхности гайки делается отверстие 6.3 мм для крепления рычага наклона панели. В деревянную монтажную раму солнечных батарей вкручивается рым-болт, к нему крепиться другой конец этого рычага.

На самодельной гайке были срезаны углы под 45 градусов возле отверстия, что не является функциональной необходимостью.

 

Этап 10: монтажная рама солнечных батарей

Рама для монтажа фотоэлектрических панелей сделана из тополиных досок толщиной 19 мм, которые могут остаться после замены дверей в квартире. Вертикальные куски имеют 38 мм в ширину, а горизонтальный поперечный кусок шириной 89 мм.

Вместе куски удерживаются косыми столярными шурупами. Ставите приставку для сверления косых отверстий в положение для досок толщиной 3/4 дюйма. Используйте шурупы с мелкой резьбой длиной 1 ? дюйма.

Полезно промазать стыки водонепроницаемым клеем для дополнительной прочности.

Горизонтальная труба удерживающая всю монтажную раму вместе с солнечными панелями является обрезком карниза от штор диаметром 19 мм. Труба должна быть длиною около 1 метра, чтобы закрепиться в подшипниках вращающейся рамы. Закрепляется отрезок трубки на монтажной рамке с помощью зажимов электрического провода 3/4 дюйма.

Фотоэлектрические панели крепятся к деревянной монтажной раме с помощью 6 мм нержавеющих болтов. Затем собранная панель устанавливается на горизонтальную трубу, которая просовывается через подшипники стоек поворотной рамки и ослабленные кабельные зажимы с тыльной стороны.

Слишком длинную вертикальную шпильку придется обрезать при помощи ручной ножовки, гравёра или болгарки. Вы можете наметить нужную длину шпильки, вставив сначала трубу в стойки поворотной рамы. Отрезать можно не вынимая шпильку, отступив вниз около 13 мм от вставленного стержня.

 

Этап 11: электроника и проводка

Контроллер системы связан с беспроводным модулем Electric Imp. Это удивительный модуль, который дает возможность очень легко соединиться с облачным хранилищем интернета. Вы можете найти всю информацию, которую  нужно знать о Imp на страничке www.electricimp.com.

Блок Imp связан с рядом согласующих плат и модулей. В частности с двумя шаговыми контроллерами, электронным компасом Pololu, съемными платами IO Expander и Electric Imp, купленными в SparkFun. Использована стандартная монтажная плата Vero из магазина Radioshack, чтобы собрать следующую схему:

• A4988 модуль управления шаговым двигателем; http://www.pololu.com/catalog/product/1182
• A4988 модуль управления шаговым двигателем с регулятором напряжения. http://www.pololu.com/catalog/product/1183
• LSM303DLM — плата гироскопа и компаса. https://www.sparkfun.com/products/10888
• Беспроводной модуль связи Electric Imp. https://www.sparkfun.com/products/11395
• Плата со слотом для модуля Electric Imp. https://www.sparkfun.com/products/11400
• SX1509 IO Expander — 16 канальный расширитель интерфейса. https://www.sparkfun.com/products/11502
• Два шаговых двигателя Nema 23. Можно использовать PK268, у них больше крутящий момент, хотя даже излишне, но они вписываются в установочные размеры.

Также понадобится немного соединительных проводков, паяльник и припой к нему. Кроме того, вы можете применить печатную плату или использовать макетную плату.

Шаговые двигатели работают от 12 В аккумулятора. Плата модуля Electric Imp имеет встроенный регулятор напряжения, поэтому она может быть подключена напрямую к 12 В, что удобно, так как один и тот же аккумулятор может питать двигатели и схему без дополнительных компонентов.

Кроме того, один контроллер шагового двигателя имеет встроенный регулятор, который получает 12 В и выдает настраиваемые 5 и 3.3 В. Подать это напряжение можно на плату модуля связи Imp, чтобы быть уверенным, что её регулятор не завышает.

Плата контроллера подключается, как показано на схеме. На ней нет ничего хитрого: подводится питание, дается управление, подключается нагрузка в виде шаговых двигателей.

 

Прикрепленные файлы: СКАЧАТЬ 

Этап 12: прошивка и принципы управления

Прошивка для модуля Imp написана в интерпретируемом языке под названием Squirrel. Язык похож на JavaScript, поэтому если вы знаете С++ или JavaScript, то синтаксис к нему подобрать легко. Это объектно-ориентированный язык, так что в нём имеется возможность реализовать инкапсуляцию.

У Squirrel интегрированная среда разработки IDE — полностью совместима с браузером. Это замечательно, потому что вам не нужно устанавливать набор прикладных программ, а также можно получить доступ к своему коду из любого браузера. Тем не менее, имеющийся редактор очень простой, старой версии с ошибками — придется всякий раз прописывать свой код подтверждения, вместо доступа по контрольной точке, например. Для тех, кто вырос с редактором DOS и примитивных компиляторах, это будет знакомо точно. Но, в целом система работает хорошо, и дает возможность получить доступ к своему коду из любого места.

Одна из трудностей, которую пришлось преодолеть, была передача последовательных импульсов для шаговых двигателей через расширитель IO Expander от модуля Imp. Запуск с близкого расстояния обеспечивает очень стабильную и гладкую работу, но если доступ к шаговым двигателям осуществляется из далека, с задержкой в несколько секунд, то блок Imp не в состоянии обработать стеки из интернета в течение короткого времени, и происходит сбой — о чём выдаётся предупреждение на веб-сайте. Так что, это не вина Electric Imp, вы должны просто знать об этом, прежде чем пытаться менять частоту импульсов шаговых двигателей.

Пришлось у Imp использовать функцию сна, которая неточна для отключения устройства, но всё же позволяет сгенерировать нужное количество импульсов, за которые двигатель провернется на нужное число оборотов — при ощутимом дрожании, которое делает двигатели на некоторое время шумными. В этом есть небольшое ограничение применения функции сна блока Imp.

Управление осуществляется путем вычисления азимута и угла возвышения солнца с учетом времени суток. Алгоритм управления был перенесен и в C++, реализация которого доступна здесь: http://www.psa.es/sdg/sunpos.htm

Алгоритм вычисления положения солнца является базовым, но будет довольно сложным для обывателей, каким является сам автор самоделки, поэтому вставьте URL-адрес и скачайте готовый код.

После того, как расчет положения солнца для данной минуты завершен, проверяется по гироскопу и компасу положение солнечных батарей, затем рассчитываются отклонения между требуемыми углами азимута, возвышения и действительным положением панелей. Величины этих смещений используются в качестве управляющих импульсов шаговым двигателям для исправления имеющегося отклонения.

Замеры азимута, возвышения осуществляется платой определения положения LSM303. Это устройство состоит из 3-осевого акселерометра и магнитометра в одном корпусе. Реализовано как компас с компенсацией наклона. Плата крепится непосредственно к монтажной раме солнечных батарей. Для снятия информации о повороте и наклоне панелей, магнитный компас должен быть настроен с компенсацией наклона. Алгоритм для этого есть в инструкции ST Application, которую вы можете скачать в Прикрепленных файлах в конце статьи.

Алгоритм из инструкции хорошо работает для углов наклона 45 и ниже, поэтому плата была прикручена к плоскости панели под углом примерно 45 градусов. Так что, когда панель находиться в экстремальных позициях 90 и 0, акселерометр замеряет приемлемом диапазоне в +/- 45 градусов.

Как известно, мощность, отдаваемая фотоэлектрическим элементом, меняется в зависимости от косинуса угла падения солнечных лучей. Мы можем допустить разумное отклонение идеального положения по азимуту и зениту от фактических углов поворота солнечных панелей. Например, при отклонении в 5° от идеального азимута, отдается неплохая мощность в 99,6% от максимума. Учитывая, что компас с компенсацией наклона имеет точность лишь до 2 градусов, то важно понять невозможность идеального наведения солнечных батарей.

Можно значительно снизить энергопотребление схемы слежения, оставив микроконтроллер и приводные двигатели в спящем режиме на длительное время. Учитывая, что солнце меняет свое положение по азимуту на 15 градусов каждый час, достаточно панели поворачивать на 5 градусов каждые 12 минут, с учётом неточности магнитного компаса в 2 градуса плюс поправка 3 градуса на движение солнца.

Прикрепленные файлы: СКАЧАТЬ 

Этап 13: настройка модуля Electric Imp для HTTP соединения

Чтобы создать подключение модуля Imp через HTTP, необходимо настроить HTTP In ссылку. С помощью кнопки Add Node в планировщике Planner, нажимаете кнопку Add, чтобы добавить HTTP In входной порт. На него будут приходить сообщения со смартфона. Ваш смартфон должен иметь соединение с веб-сервером Electric Imp, с которого передаются сообщения через HTTP Post на указанный в планировщике URL адрес. Каждая ссылка должна иметь собственный URL.

Модуль Imp, кроме того, регистрирует положения панелей в базе данных SQL Server. Ваш смартфон периодически запрашивает эту базу данных для обновления статуса. Эти запросы идут к отдельной aspx странице на веб-сервере, а вся база данных, в целях безопасности, доступна только для многостраничных сайтов. Чтобы добавить ссылку для HTTP запроса, нажмите кнопку Add рядом с HTTP Request. Вставляйте URL, по которому будете получать данные от вашей программы управления модулем Imp — так создается выходной порт.

Ваша программа управления Imp будет доступна через прописанные HTTP In и HTTP Request ссылки, так называемые входные и выходные порты, которые нужно прописать в самой программе. Для Solar Tracker, это делается так:

imp.configure (“CompassAccelSolar”, [HtmlCommands], [compassPort, headingPort, rollPort, pitchPort, sunAzimuthPort, sunZenithPort]);

HtmlCommands — это входной порт, который принимает команды по HTTP ссылке,

compassPort — это выходной порт, используемый для регистрации в базе данных SQL Server.

Остальные выходные порты для регистрации в COSM или Xitely, их не нужно подключать.

Прикрепленные файлы: СКАЧАТЬ 

Шаг 14: Веб-приложение и интерфейс телефона

Возможность контролировать и следить удаленно за состоянием солнечных панелей является целью автора. Говоря более ясно, вам не нужно делать тоже, чтобы трекер работал. Это дополнительная опция, с которой удобно следить за состоянием панелей удаленно.

Чтобы пользоваться мобильным соединением, вам понадобится веб-сервер настроенный в IIS версии 7 или более поздней. Вы можете запустить веб-сервер на своем компьютере или воспользоваться внешним хостингом, таким как http://1and1.com. Если вы создали собственный веб-сервер дома, то вам придется зарегистрироваться в службе DNS Dynamic, чтобы ваш компьютер определялся с Imp сервера.

Интерфейс управления на телефоне создан в приложении Index.html. Эта веб-страница использует платформой JQuery Mobile, http://jquerymobile.com/ для создания внешнего вида подобного iPhone приложениям. Единственным недостатком JQuery Mobile является то, что вы не сможете воспользоваться некоторым специальным оборудованием смартфона, таким как акселерометр и GPS. Есть другие платформы, у которых исправлен этот недочет, например Phonegap. http://phonegap.com/

Замечательной особенностью Phonegap является то, что в ней можно запустить приложения других платформ iOS и Android. Если вам удастся исправить сбой телефонного оборудования, который имеет место в JQuery Mobile, то можно обойтись и без Phonegap, тогда вы сможете управлять удаленно панелями с любого смартфона, планшета или персонального компьютера с подходящим для этого браузером. Браузер должен поддерживать HTML5.

Есть приложение Solar Tracker, которому не нужно телефонное оборудование, так что даже JQuery Mobile будет работать.

Прикрепленные файлы: СКАЧАТЬ 

 

---