Zaloguj się
Wszystkie
20 maja 2026
0
Któż z nas nie chciałby mieć któregoś z tych urządzeń u siebie, aby w efekcie płacić mniej za ogrzewanie czy energię elektryczną? Niżej opisany projekt dotyczy jednego z problemów odzyskiwania energii z promieniowania słonecznego, a mianowicie aktywnego sterowania ruchem paneli słonecznych.
Podążanie za Słońcem
Słońce to niewyczerpane źródło darmowej energii. Od miliardów lat wysyła w kierunku Ziemi światło i ciepło. Do zewnętrznych warstw atmosfery dociera promieniowanie o średniej mocy 1,36 kW/m². Jest to spora porcja energii, która zagospodarowana we właściwy sposób pozwoliłaby w znacznym pokryć stopniu nasze obecne potrzeby energetyczne.
Baterie słoneczne pochłaniają najwięcej energii, gdy ich płaszczyzna ustawiona jest prostopadle do kierunku padania promieni słonecznych. Tor pozornego przemieszczania się Słońca po nieboskłonie jest zmienny, zależny od położenia geograficznego, pory roku oraz pory dnia, i dlatego, aby osiągnąć maksimum pochłaniania energii niezbędne jest aktywne śledzenie „ruchu” Słońca, uwzględniające te wszystkie parametry.
Najprostszą metodą śledzenia ruchu Słońca jest wykrywanie najjaśniejszego obiektu na niebie i podążanie za nim. Urządzenia takie są w miarę proste i składają się z dwóch par czujników (jedna para odpowiedzialna jest za ruch w poziomie a druga w pionie) mierzących natężenie oświetlenia oraz układu sterującego silnikami poruszającymi panel baterii słonecznych. W trakcie przemieszczania się Słońca czujniki wykrywają różnicę oświetlenia i poprzez układ sterowania korygują położenie panelu tak, aby oświetlenie par czujników było zawsze równomierne. Problemy z tego typu sterowaniem mogą pojawiać się w momencie zakłóceń oświetlenia czujników np. przez chwilowe lub długotrwałe zachmurzenie. W takich przypadkach sterowanie może być nieprecyzyjne lub działać wadliwie, gubiąc synchronizację z aktualnym położeniem Słońca.
Dużo pewniejszą i dokładniejszą metodą jest system sterowania oparty na obliczeniach astronomicznych, na podstawie których można określić pozycję Słońca z dosyć dużą dokładnością. Ogromną zaletą takiego sterowania jest fakt, że bez względu na stan zachmurzenia nieba panel podąża za Słońcem i jeśli tylko wyjdzie ono zza chmur, nawet na chwilę, to zawsze jest ustawiony optymalnie.
Trochę o podstawach astronomii
Nasłonecznienie powierzchni Ziemi zmienia się nieustannie w ciągu całego roku. W cyklu rocznym odchylenia punktów wschodów (oraz zachodów) Słońca dochodzą do 76°, a zmiany maksymalnej wysokości do 54°.
Kąt wzniesienia Słońca, czyli jego wysokość ponad linią horyzontu, jest największy w godzinach południowych latem i wynosi (w centralnej Polsce) ok. 65°, natomiast zimą zaledwie ok. 11°. Azymut, czyli kąt odchylenia Słońca w płaszczyźnie poziomej od przyjętego kierunku odniesienia (zwykle jest to kierunek północny) zmienia się w zależności od pory roku. Zimą azymut dla wschodu Słońca wynosi ok. 128° a latem ok. 52°.
Na rysunku 1 widać różnice między ścieżkami, po których porusza się Słońce, gdy znajduje się powyżej horyzontu, w zależności od pory dnia oraz pory roku.
Od ruchu obiegowego Ziemi dookoła Słońca (ruchu rocznego) zależą zjawiska zachodzące na powierzchni Ziemi, o czym możemy się przekonać obserwując zmiany wysokości górowania Słońca, zmiany punktów wschodu i zachodu Słońca na linii horyzontu oraz zmiany długości trwania dnia i nocy. Tak więc od pory roku bardzo zależy ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi.
Opis urządzenia
Celem prezentowanego urządzenia, pozycjonowania panelu słonecznego, jest zademonstrowanie w praktyce możliwości sterowania położeniem panelu na podstawie obliczeń astronomicznych.
Najpierw powstał więc program komputerowy, który miał na celu sprawdzenie dokładności zastosowanych wzorów pozwalających na obliczanie wysokości i azymutu Słońca. Po weryfikacji działania tego programu, algorytmy obliczeń zostały dostosowane do mikrokontrolera i powtórnie sprawdzone. Jedyną możliwością potwierdzającą prawidłowość teoretycznych obliczeń było wykonanie modelu urządzenia, które zweryfikowałoby je w praktyce. Jego wygląd pokazano na fotografii 2.
Główną częścią urządzenia jest ruchomy statyw obracający się w płaszczyźnie poziomej oraz pionowej, napędzany za pośrednictwem dwóch silników krokowych umożliwiających precyzyjne ustawianie panelu w określonej pozycji (fotografia 3). Położenie jest obliczane na podstawie algorytmu zapisanego w pamięci i wykonywanego przez mikrokontroler ATmega16.
Na naszych szerokościach geograficznych występują w ciągu roku duże zmiany wysokości Słońca nad horyzontem. Zimą jest ono bardzo nisko, latem zaś operuje wysoko. A zatem urządzenie, aby pracować poprawnie, powinno uwzględniać te wahania.
Obrotowy statyw umożliwia efektywne śledzenie Słońca w zakresie 270° w poziomie, obejmując wszystkie punkty wschodów i zachodów Słońca przez cały rok oraz do 70° w pionie.
Ilość pochłanianej energii słonecznej zależy od kąta padania promieni słonecznych w stosunku do powierzchni odbiornika czyli w naszym przypadku panelu – kolektora słonecznego. Aby uzyskać maksymalną ilość energii jest konieczne pozycjonowanie go w kierunku prostopadłym do aktualnie padających promieni słonecznych, równocześnie w płaszczyźnie poziomej i pionowej.
W praktyce okazało się, że nie jest to zadanie aż tak skomplikowane, ponieważ radzi sobie z tym nawet stosunkowo prosty mikrokontroler.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
