Come costruire un inseguitore solare con Arduino

Molte persone vogliono usare l’energia solare per i propri progetti elettronici. Infatti, usare l’energia prodotta da una piccole cella solare o pannellino fotovoltaico è estremamente facile per piccoli progetti a bassa tensione. Per massimizzare la produzione di energia, è però necessario “inseguire” il Sole nel cielo durante il giorno. Una domanda frequente di studenti e hobbyisti è quindi: “Come posso creare un inseguitore solare?”. L’obiettivo di questo articolo è aiutare le persone a creare un inseguitore solare a doppio asse economico, “intelligente”, controllato da computer, per uso scolastico e domestico.

Sembra che in questi giorni non si possa camminare per strada senza imbattersi in un pannello solare. Puoi trovarli illuminare i segni dei passaggi pedonale, nonché alimentare semplici piccole luci del percorso lungo il marciapiede. Il solare è facile da usare, prontamente disponibile e poco costoso. Su Internet si trova un’ampia scelta di pannellini fotovoltaici di tutte le dimensioni a prezzi modesti, ad es. qui. Quindi perché non stiamo usando questa tecnologia energetica per alimentare le nostre case?

Per la maggior parte, le celle solari oggigiorno utilizzate funzionano con un’efficienza del 18-20%, il che significa che convertono il 18-20% di ogni luce che ricevono in elettricità. Anche se questo è molto meglio dell’efficienza del 3-6% con cui la maggior parte delle piante verdi operano, non soddisfa del tutto le nostre esigenze energetiche. Per fornire energia sufficiente, dobbiamo migliorare l’efficienza dei nostri pannelli o trovare il modo di ottenere di più dai nostri attuali pannelli solari.

Cosa significa “inseguire” il Sole.

Ogni pannello che vedi nella tua vita quotidiana è in una posizione fissa, molto probabilmente esposto a sud con un angolo di 45 gradi. Sebbene questo approccio sia estremamente semplice e soddisfi le esigenze della maggior parte delle piccole applicazioni, non sta producendo tutta l’energia che potrebbe. Il modo più semplice per ottenere più energia da un pannello solare è quello di inseguire il sole. In effetti i pannelli solari che tracciano il sole creano circa il 30% in più di energia al giorno.

Con questo tipo di aumento di resa penseresti che tutti lo farebbero, ma ci sono alcuni buoni motivi per cui non è eccessivamente comune. Innanzitutto, il costo iniziale di installazione è maggiore poiché richiede parti in movimento. In secondo luogo, richiede anche manutenzione, poiché il sistema sarebbe esposto a alle condizioni esterne per tutto l’anno. In terzo luogo, dovresti alimentare questa apparecchiatura per mantenerla in funzione e in movimento, energia da sottrarre alla tua produzione.

Inseguimento attivo o pianificato del Sole

Esistono 3 metodi principali utilizzati per controllare un inseguitore solare. Il primo è un sistema di controllo passivo e gli altri due sono sistemi di controllo attivi. Il localizzatore solare controllato passivamente non contiene sensori o attuatori ma cambia posizione in base al calore del sole. Utilizzando il gas con un basso punto di ebollizione in un contenitore montato su cerniere al centro, simile a una sega, il pannello solare può cambiare la sua posizione in base alla direzione del calore dal sole.

I sistemi attivi sono leggermente diversi. Entrambi richiedono un sistema di elaborazione e attuatori per spostare i pannelli. Un modo per controllare attivamente i pannelli solari è quello di trasmettere la posizione del Sole ai pannelli. I pannelli si orientano quindi verso questa posizione nel cielo. Un altro metodo consiste nell’utilizzare dei sensori di luce (ad esempio fotoresistenze) per rilevare la posizione del sole nel cielo, consentendo al pannello di orientarsi in modo appropriato.

Un sistema di inseguimento attivo ad asse singolo che sfrutta due sole fotoresistenze.

Esistono un paio di diversi tipi di inseguitori attivi e modi per inseguire il sole: ad asse singolo od a doppio asse. Il nostro è un inseguitore a doppio asse, il che significa che insegue sia in X che in Y. Per dirla in termini semplici, va a sinistra, a destra, su e giù. Ciò significa che, una volta impostato il tracker, non sarà più necessario cambiare o regolare nulla, poiché ovunque il sole vada, il sistema seguirà il movimento del sole. Questo metodo offre i migliori risultati per la generazione di energia.

Se vuoi rendere le cose un po’ più semplici, puoi creare un inseguitore ad asse singolo, uno che insegue solo in X o in Y. Per dirla in termini semplici, andrà da sinistra a destra o semplicemente su e giù. In genere le persone realizzeranno un inseguitore sull’asse X (da sinistra a destra), quindi imposteranno il proprio pannello a 45 gradi per Y. Ciò fornisce comunque quantità molto elevate di generazione di energia eliminando allo stesso tempo metà delle parti in movimento.

Troverai spesso quest’ultimo approccio utilizzato negli inseguitori “stupidi” che non sono controllati dal computer. Il nostro inseguitore è di tipo attivo e controllato da un programma per computer (tramite Arduino). Ciò significa che utilizza dei sensori per trovare la fonte di luce più luminosa in ogni momento. Se dovessi prendere una torcia e dirigerla verso i sensori, il sistema la seguirà. Questo è il tipo di inseguimento più interattivo ed emozionante che puoi costruire, ottimo per piccole installazioni.

La flowchart del codice per Arduino che gestisce un progetto come il nostro.

Il sole è altamente prevedibile, se riesci a cercare facilmente l’ora di ogni alba e tramonto per i prossimi 100 anni, oltre a usare un po’ di matematica semplice per capire l’angolazione del sole rispetto alla tua posizione in qualsiasi momento dell’anno. Con questo in mente, molte persone finiscono per usare un inseguitore programmato. Questo sistema utilizza un programma per computer che modifica l’angolazione del pannello in base alla data, all’ora e alla posizione fisica.

Sebbene non sia elegante o eccitante come un inseguitore attivo, è in effetti molto più efficiente a condizione che tutto sia impostato correttamente. Infatti, puoi essere sicuro che il tuo pannello è nel punto matematicamente più efficiente possibile anche con una copertura nuvolosa intensa. Se vuoi trasformare il nostro inseguitore solare in un inseguitore solare programmato, potresti facilmente farlo usando solo uno sketch – cioè un programma – per Arduino diverso, usando lo stesso hardware.

Come progettare un inseguitore solare

Non è difficile realizzare un inseguitore solare fai-da-te su due assi. Come funziona questo sistema è mostrato qui sotto. Ci sarà una resistenza dipendente dalla luce su ciascun lato di un divisore. Questo divisore proietta un’ombra sul sensore su un lato del pannello, creando una drastica differenza tra le due letture del sensore. Ciò richiederà al sistema di spostarsi verso il lato più luminoso per equalizzare le letture del sensore, ottimizzando la posizione del pannello solare.

Il principio su cui si basa il nostro inseguitore a due assi.

Nel caso di un inseguitore solare a 2 assi, è possibile utilizzare questo stesso principio, con 3 sensori anziché due (1 a sinistra, 1 a destra, 1 in basso). È possibile calcolare la media dei sensori sinistro e destro e questa lettura può essere confrontata con il sensore inferiore per determinare di quanto il pannello deve spostarsi verso l’alto o verso il basso. In pratica, un controller Arduino legge i dati del sensore e, grazie al software (sketch) che lo gestisce determina quanto e in quale direzione devono girare i servo.

Infatti i servo (o “servomotori”), che sono motori di piccola potenza ad elevata linearità tensione/velocità e corrente/coppia, sono gli attuatori utilizzati per questo progetto. Sono facili da controllare e molto precisi, e permettono il controllo esatto della posizione angolare, rendendoli perfetti per il nostro scopo. Delle resistenze dipendenti dalla luce (LDR), cioè delle resistenze variabili che rilevano i livelli di luce, sono invece usate come sensori per determinare la posizione del sole nel cielo.

I servo(motori) usati nel nostro progetto. Li si possono trovare ad es. qui.

I servo devono essere installati in posizioni corrette, altrimenti saranno “arretrati” rispetto a quanto si aspetta il software. I servo si muovono di 180 gradi. Il servo sa dove si trova il grado “zero” e dove si trova il grado “180”. Pertanto, se i tuoi servo stanno facendo un rumore orribile, ciò è probabilmente dovuto al fatto che i tuoi servo non sono nelle posizioni corrette. In tal caso, disalimenta immediatamente Arduino per evitare di danneggiarli e procedi al loro posizionamento corretto.

I componenti occorrenti per il progetto

Poiché il programma da impiegare è piuttosto semplice, abbiamo deciso di utilizzare una comune scheda Arduino Uno. Arduino è un hardware estremamente comune per i progetti fai-da-te e anche abbastanza economico da acquistare. La piattaforma Arduino è anche molto facile da imparare per chiunque, oppure semplicemente da usare modificando il codice grazie al computer di casa.

Una tipica scheda Arduino Uno.

Utilizzeremo due servo “micro” della serie cosiddetta “9G” (poiché pesano 9 grammi). Optiamo per impiegare quelli con ingranaggi in metallo, se vogliamo che il nostro progetto duri a lungo. Le versioni con ingranaggi in metallo forniscono anche un po’ più di coppia rispetto alle versioni con ingranaggi in plastica. Se vuoi usare servo più grandi, puoi facilmente modificare il progetto.

Per i sensori utilizziamo quattro resistenze sensibili alla luce (rilevamento), noti anche come LDR o “fotoresistenze”. Ancora una volta, questi sono componenti super comuni e spesso li puoi trovare nelle luci del giardino all’aperto o nelle luci notturne interne. Funzionano cambiando il loro livello di resistenza in base a quanta luce li colpisce. Più luce arriva, meno resistenza hanno.

Struttura tipica di una fotoresistenza (LDR).

Il nostro programma funziona confrontando la resistenza dei quattro sensori e spostando i motori servo. La sensibilità dei nostri sensori dipende completamente dal nostro codice. Lo stesso vale per i servo. Naturalmente, è possibile impostare il codice di Arduino in modo che i servo possano spostarsi solo all’interno di una determinata area predefinita e ad una velocità prestabilita.

Il cuore del sistema è costituito però dalla tua cella solare, che puoi utilizzare anche per alimentare l’inseguitore. Puoi pertanto usare una cella solare da 5,5 V 320 mA, dato che Arduino impiega un’alimentazione a 5 V. Ti sarà poi utile un tester, oppure un voltmetro a led alimentato direttamente dalla cella solare (ma se l’energia della cella solare scende al di sotto di 3 V i led si spengono).

Per semplificare le cose e rimuovere un sacco di cavi conviene usare un Arduino Sensor Shield. Questo serve principalmente per collegare i due servo. Se stai realizzando questo progetto da zero, potresti anche farne a meno, ma i Sensor Shield sono economici e rendono la vita molto più semplice. Inoltre, potrebbero tornarti utili in seguito per altri progetti, per cui sono un buon investimento.

Schema elettrico del circuito da realizzare.

L’elettronica, il software e l’hardware del progetto

Per completare questo progetto sono necessari i seguenti strumenti e parti:

  • Arduino Uno + Cavo USB
  • Arduino Sensor Shield
  • 2 servi per ingranaggi in metallo da 9 g
  • 1 x morsettiera a 5 porte
  • Morsettiera 1 x 4 porte (o 3 porte funzioneranno)
  • 4 resistenze da 10 kOhm
  • 4 resistenze di rilevamento della luce (LDR)
  • 4 x cavi connettore JST
  • Cavi jumper
  • Cella solare da 5,5 V (opzionale)
  • Voltmetro a LED (opzionale)
  • Utensili
  • Spellafili / Taglierina
  • Diversi piccoli cacciaviti
  • Fascette per cavi

Schema dei collegamenti da realizzare fra le parti elettriche dell’inseguitore.

Per aiutarti a realizzare la parte elettronica del progetto e collegare i servi alla scheda Arduino, ho aggiunto uno schema dell’elettronica per un migliore riferimento visivo. Basterà quindi ripetere i collegamenti mostrati nella figura. Una volta che l’assemblaggio è completo, è tempo di occuparsi del caricamento su Arduino del software per il dispositivo. Lo “sketch” di Arduino già pronto per l’uso è scaricabile da qui. Dunque ti basterà fare un copia e incolla tramite il software di Arduino.

Prima di caricare lo sketch di Arduino, però, devi caricare su Arduino la libreria dei servo.  Se sei un principiante di Arduino e questo è il tuo primo progetto, ti preghiamo di seguire un qualsiasi tutorial online su “Come iniziare con l’IDE di Arduino” prima di scaricare e aggiungere la librerie richiesta. Per aggiungere una libreria, vai su Sketch -> Includi libreria -> Aggiungi libreria. A quel punto scegli la libreria “Servo”, indispensabile per poter controllare la posizione dei servo.

Dopo aver assemblato il circuito elettronico su una scheda preforata o su una breadboard, è tempo di creare la sua struttura fisica. Potete usare del cartone e un blocco di polistirolo per creare una base e un supporto per pannelli per l’inseguitore, nonché una parete divisoria per i sensori usando bastoncini di ghiaccioli. Sperimenta diverse lunghezze, altezze e forme delle pareti divisorie, nonché il posizionamento del sensore, per vedere come influisce sulla capacità di tracciamento del dispositivo.

Una possibile struttura per il sistema (in questo caso si è usata una Arduino Nano).

La chiave di questo progetto è avere una struttura funzionale su cui metterlo. Puoi anche stampare in 3D una struttura. Il rovescio della medaglia è che la stampa 3D richiede molto tempo e probabilmente costerà di più in plastica che in legno. Infine, prima di fornire l’alimentazione al sistema e testare il tutto, ricontrolla le seguenti cose: che i tuoi due Servi abbiano la posizione “Home” (zero) appropriata; le parti mobili si muovano abbastanza facilmente (occorre evitare attriti e suoni stridenti).