Tự làm theo dõi năng lượng mặt trời: 27 bước (có hình ảnh)

2025 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2025-01-23 15:14

Giới thiệu

Chúng tôi mong muốn giới thiệu sinh viên trẻ về kỹ thuật và dạy họ về năng lượng mặt trời; bằng cách yêu cầu họ xây dựng một Helios như một phần của chương trình giảng dạy của họ. Có một nỗ lực trong lĩnh vực kỹ thuật nhằm thúc đẩy việc tạo ra năng lượng từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch và hướng tới các giải pháp thay thế xanh hơn. Một lựa chọn cho năng lượng xanh hơn là sử dụng một thiết bị gọi là heliostat, sử dụng một tấm gương để hướng ánh sáng mặt trời vào mục tiêu suốt cả ngày. Một thiết bị như vậy có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng, từ tập trung năng lượng mặt trời vào bình chứa nhiệt của nhà máy điện đến chiếu sáng các khu vực bị chắn nắng.

Ngoài số lượng ứng dụng của công nghệ này, còn có một loạt cấu trúc đa dạng đã được thiết kế để cho phép theo dõi năng lượng mặt trời. Cấu trúc vật lý trong thiết kế của Helios, cũng như các thiết kế heliostat khác, có chức năng gắn gương lên hai trục có thể điều khiển được. Cơ chế này sẽ theo dõi mặt trời bằng cách sử dụng một chương trình để tính toán vị trí của ngôi sao trên bầu trời được cho là vào ngày, dựa trên vị trí toàn cầu của Helios. Một bộ điều khiển vi mô Arduino sẽ được sử dụng để chạy chương trình và điều khiển hai động cơ servo.

Cân nhắc thiết kế

Để đảm bảo rằng dự án này được phân tán rộng rãi, người ta đã nỗ lực đáng kể để thiết kế Helios được chế tạo bằng các công cụ phổ biến và vật liệu rẻ tiền. Lựa chọn thiết kế đầu tiên là xây dựng phần thân gần như hoàn toàn bằng lõi xốp, cứng, giá cả phải chăng, dễ mua và dễ cắt. Ngoài ra, để có độ bền và độ cứng tối đa, người ta đã cẩn thận thiết kế phần thân để tất cả các bộ phận bọt ở trạng thái căng hoặc nén. Điều này được thực hiện để tận dụng sức mạnh của lõi xốp khi căng và nén, và bởi vì chất kết dính được sử dụng có hiệu quả hơn trong việc hỗ trợ tải trong lực căng hơn là khi uốn. Ngoài ra, trục gắn với gương được cấp nguồn thông qua đai định thời, điều này cho phép sai số căn chỉnh nhỏ giữa động cơ và gương, động cơ servo chính xác trong vòng 1 độ và nền tảng chạy trên nguồn mở Arduino nền tảng. Những lựa chọn thiết kế này, cùng với một số cân nhắc khác, làm cho thiết kế được trình bày trở thành một công cụ giáo dục bền và giá cả phải chăng.

Lời hứa về nguồn mở của chúng tôi

Mục tiêu của Helios là thúc đẩy giáo dục kỹ thuật. Bởi vì đây là trọng tâm chính của chúng tôi, công việc của chúng tôi được cấp phép theo giấy phép GNU FDL. Người dùng có toàn quyền sao chép và cải tiến những gì chúng tôi đã làm, miễn là họ tiếp tục làm như vậy theo cùng một giấy phép. Chúng tôi hy vọng rằng người dùng sẽ cải thiện thiết kế và tiếp tục phát triển Helios thành một công cụ học tập hiệu quả hơn.

Epilog Challenge VIAn Epilog Zing 16 Laser sẽ cho phép tôi hoàn thành các dự án chất lượng cao hơn và tăng mức độ ảnh hưởng mà tôi có với chúng. Xây dựng những thứ thú vị trên quy mô lớn và nói chung là mày mò hiệu quả hơn. Một Epliog Laser cũng sẽ cho phép tôi xây dựng nhiều thứ thú vị hơn và viết những Sách hướng dẫn thú vị hơn, chẳng hạn như cuốn sách này về chiếc thuyền Kayak mà tôi đã tân trang lại. Mục tiêu tiếp theo của tôi là chế tạo một chiếc thuyền kayak từ ván ép cắt la-de được gia cố bằng sợi carbon hoặc sợi thủy tinh, cũng như một tấm ván lướt sóng bằng bìa cứng được bọc bằng sợi cấu trúc.

Tôi cũng đã tham gia hướng dẫn này trong các cuộc thi Công nghệ và Dạy nó. Nếu bạn thích bài viết này, hãy bình chọn!

Bước 1: Mục lục

Mục lục:

• Giới thiệu: Tự làm theo dõi năng lượng mặt trời
• Mục lục
• Công cụ và hóa đơn nguyên vật liệu
• Bước 1-16 Lắp ráp phần cứng
• Bước 17-22 Lắp ráp điện tử
• Liên kết mua hàng
• Công trình được trích dẫn
• Cảm ơn sự hỗ trợ của bạn!!!

Bước 2: Công cụ và hóa đơn nguyên vật liệu

Tất cả các công cụ này có thể được mua tại các cửa hàng địa phương hoặc tại các liên kết trong phần tham khảo. Tổng chi phí của những tài liệu này là khoảng $ 80, nếu tất cả chúng đều được mua trực tuyến tại các liên kết nhất định.

BOM

• Máy khoan điện
• Mũi khoan (Đường kính.1258”,.18”, và.5”)
• Bộ tuốc nơ vít
• Cạnh thẳng
• Máy cắt hộp
• Bao tay cầm lớn
• 2 tấm lõi bọt (20”X 30”, dày ~.2in)
• Thanh dài 9,5”x 1/2” đường kính
• Đai ốc hình vuông (Kích thước ren 7/16”-14, Dày 3/8”)
• Vigor VS-2A Servo (39,2g / 5kg / 0,17 giây)
• Băng
• Ròng rọc thời gian-đai (2), 1”OD
• Vòng đệm
• Keo Krazy
• Thời gian-Vành đai 10"
• Mẫu (Tệp đính kèm)
• Tấm acrylic tráng gương (6”X 6”)
• Gel keo Krazy
• 8 vít máy (dài 4-40, 25mm)
• 8 quả hạch (4-40)
• Móng dài 1,5"
• Bộ khởi động cho Arduino Uno
• Mô-đun đồng hồ thời gian thực
• Nguồn điện bộ điều hợp tường (5VDC 1A)
• Pin 9V
• Điện trở 3,3 KOhm (2)

Bước 3:

In các mẫu trong tệp đính kèm.

Lưu ý: Chúng phải được in toàn bộ. So sánh các bản in với các tệp PDF, để đảm bảo rằng máy in của bạn không thay đổi tỷ lệ.

Bước 4:

Cố định các mẫu vào bảng áp phích như thể hiện trong Hình 1 và sử dụng các đường chính giữa làm hướng dẫn, khoan các lỗ.18 inch và.5 inch.

Lưu ý: Trước tiên hãy khoan các lỗ.5 inch bằng mũi khoan.18 inch để tăng độ chính xác.

Bước 5:

Với một máy cắt hộp sắc bén, hãy cắt các thành phần riêng lẻ.

Lưu ý: Cắt lõi xốp bằng nhiều lần dao cắt hộp, điều này sẽ giúp vết cắt sạch hơn nhiều. Đừng cố gắng lướt qua toàn bộ tờ giấy trong một lượt.

Bước 6:

Dùng keo siêu dính để dán các vết cắt phù hợp lại với nhau như thể hiện trong Hình 2. Bạn sẽ có thể nhìn qua các vết cắt và thấy rằng tất cả các lỗ đều được căn chỉnh, phần đế của phần 1 và 2 phải bằng phẳng và một khuôn mẫu trên phần 3 phải hướng ra ngoài.

Lưu ý: Sau khi bôi keo lên một bề mặt, hãy ghép các bộ phận lại và ép chúng lại với nhau trong 30 giây. Sau đó, để keo đông cứng trong năm phút.

Bước 7:

Sử dụng gel siêu keo, dán các bộ phận 1, 2 và 3 lại với nhau như trong Hình 3. Đảm bảo rằng các bộ phận được sắp xếp sao cho các lỗ có đường kính 0,5”gần nhất với phần của đế được dán nhãn ngắn, cũng phải chắc chắn rằng mẫu trên đế hướng xuống / hướng ra ngoài. Để keo đông cứng trong năm phút. Sau khi keo đã đông kết, bạn hãy cắm 3 chiếc đinh xuyên qua đế và vào từng cột thẳng đứng để hỗ trợ thêm.

Bước 8:

Cắt qua lớp trên cùng của cả hai dầm ngang và chèn chúng vào Helios như thể hiện trong Hình 4. Bôi gel siêu dính vào các mối nối giữa dầm ngang và thành của Helios, và bề mặt được chia sẻ giữa hai dầm ngang, như được chỉ ra trong màu xanh dương. Để keo đông cứng trong năm phút.

Bước 9:

Đặt một miếng băng dính dọc theo các vết cắt, như trong Hình 5.

Bước 10:

Dán miếng đệm vào đế bằng cách xếp miếng đệm với mẫu như thể hiện trong Hình 6 và để keo đông kết trong năm phút.

Bước 11:

Căn giữa sừng servo lớn nhất vào đế dưới cùng và cố định nó bằng keo siêu dính, như thể hiện trong Hình 7. Để keo đông kết trong năm phút.

Bước 12:

Dùng mũi khoan 0,5 inch khoan một trong các puli đai định thời vào lỗ có đường kính 0,5 inch và kiểm tra xem nó có vừa với trục đường kính 0,5 inch hay không. Nó sẽ đè lên hoặc có một khoảng trống đủ nhỏ để lấp đầy bằng keo siêu dính. Nếu lỗ khoan quá nhỏ, hãy chà nhám đường kính ngoài của trục bằng tay.

Bước 13:

Cẩn thận khoan hai đai ốc hình vuông đến các lỗ có đường kính 0,5”và kiểm tra xem chúng có vừa khít với trục không.

Lưu ý: Kẹp đai ốc vào bề mặt hy sinh, bằng một cặp kẹp ngược và tăng dần đường kính của lỗ với nhiều bit cho đến khi còn lại lỗ có đường kính 0,5”. Nhớ cắm từ từ mũi khoan vào đai ốc.

Bước 14:

Gắn một sừng servo vào ròng rọc đai định thời như được minh họa ở đây, cẩn thận để giữa trục của sừng servo với ròng rọc, như thể hiện trong Hình 8.

Bước 15:

Ráp trục và servo, không dùng keo và căn chỉnh hai puli đai thời gian như thể hiện trong Hình 9. Một số thanh phải được tiếp xúc với tường đối diện với puli.

Lưu ý: Vặn servo vào các thanh thẳng đứng, cẩn thận không vặn các vít xuyên qua lõi xốp và vặn còi servo vào servo. Bạn có thể sử dụng superglue thay vì vít, tuy nhiên bạn sẽ không thể dễ dàng tháo rời thiết bị.

Bước 16:

Sau khi ròng rọc của trục được căn chỉnh với ròng rọc của servo, hãy trượt bộ vòng đệm bên trong vào mỗi bức tường và dán chúng vào trục bằng gel siêu keo. Chúng sẽ giữ cho trục không bị trượt ra khỏi sự thẳng hàng. Ngoài ra, dùng keo siêu dính để dán ròng rọc vào trục. Để keo đông cứng trong năm phút.

Bước 17:

Rút ngắn đai thời gian đến chiều dài chính xác, khoảng 7,2 inch và sử dụng gel siêu keo để tạo một vòng kết nối puli của trục với puli của servo, như trong Hình 10. Đầu tiên, quấn đai xung quanh cả hai puli và lấy ra chùng xuống. Bây giờ, bạn hãy cắt đai chỉ sau răng ở hai đầu, hai đầu đai vừa khít với nhau. Bây giờ hãy cắt khoảng 0,5”dây đai khỏi mảnh bạn vừa tháo ra. Cuối cùng, gắn cả hai đầu lại với nhau và dán chúng với chiều dài thêm của dây đai, hình 2. Khi keo khô, đặt dây đai xung quanh các ròng rọc. Nó phải vừa khít đến mức bạn sẽ phải tháo ròng rọc ra khỏi servo để lắp đai vào. Nếu nó vừa vặn, hãy đặt nó sang một bên để sử dụng sau.

Bước 18:

Dán mẫu gương lên mặt sau của gương hoặc vẽ đường tâm bằng tay. Sau đó, sử dụng đường làm hướng dẫn, dán các hạt vuông lên gương bằng gel siêu keo. Đảm bảo rằng gương có thể xoay 180 độ từ hướng thẳng lên đến hướng thẳng xuống mà không bị ảnh hưởng bởi bất cứ thứ gì, sau đó dùng gel siêu keo dán các đai ốc vuông vào trục.

Lưu ý: Cạnh dưới của vòng đệm hình vuông phải thẳng hàng với đường chấm trên mẫu.

Bước 19:

Lắp đặt servo cuối cùng, cố định đế dưới cùng với servo cuối cùng bằng vít thông qua còi servo và đặt đai thời gian vào các puli để hoàn thành Helios.

Lưu ý: Khi bạn hiểu cách thức hoạt động của thiết bị điện tử và phần mềm, bằng cách đọc phần bên dưới, bạn có thể điều chỉnh Helios của mình để tăng độ chính xác của nó.

Bước 20:

Kết nối các Servos như hình minh họa, ngắt nguồn điện khỏi giắc cắm DC. (Hình 12)

Lưu ý: Kết nối trực tiếp pin 9 volt với Arduino thông qua giắc cắm trên bo mạch và kết nối Arduino với máy tính của bạn thông qua cổng USB của nó. KHÔNG kết nối pin 9 volt với bảng tạo mẫu, vì điều này có thể làm hỏng đồng hồ thời gian thực của bạn.

Bước 21:

Tải xuống và cài đặt phiên bản Arduino 1.0.2 từ đây.

Lưu ý: Bản tải xuống này bao gồm mã điều khiển Helios và tất cả các thư viện mà bạn sẽ cần để chạy nó. Để cài đặt, hãy tải xuống thư mục và giải nén nó. Chương trình Arduino chạy trực tiếp ra khỏi thư mục của nó, không cần cài đặt chính thức. Để biết hướng dẫn cài đặt chung và hướng dẫn cách cài đặt trình điều khiển cho Arduino của bạn, hãy truy cập vào đây.

Bước 22:

Chạy Blink Arduino Sketch dựa trên các hướng dẫn ở đây. Khi bản phác thảo ngắn này hoạt động, bạn có thể chắc chắn rằng bạn đã kết nối đúng cách Arduino với máy tính của mình.

Bước 23:

Mở chương trình điều khiển (ArduinoCode> Helios_2013) để đặt thời gian và vị trí của Heliostat và tải chương trình lên Arduino.

1) Chọn xem bạn muốn Helios hoạt động như một tấm pin mặt trời và theo dõi mặt trời (đặt heliostat = 0) hay heliostat (đặt heliostat biến = 1)

Một. Lưu ý: Chúng tôi khuyên bạn nên thử nó như một tấm pin mặt trời trước để đảm bảo rằng nó di chuyển theo cách bạn mong đợi. Nếu một trong các trục dường như bị lệch, thì bạn có thể đã đặt ngược một trong các servo.

2) Nhẹ nhàng xoay Helios theo chiều kim đồng hồ. Sau đó hướng đông toàn bộ máy.

3) Nhập tọa độ vị trí của bạn.

Một. Tìm tọa độ của một vị trí bằng cách tìm kiếm địa chỉ của Google. Tiếp theo, nhấp chuột phải vào vị trí và chọn “Đây là gì?”. Tọa độ sẽ xuất hiện trong hộp tìm kiếm, với vĩ độ và kinh độ.

NS. Thay đổi các giá trị vĩ độ và kinh độ mặc định trong chương trình thành các giá trị kinh độ và vĩ độ của Helios.

4) Nếu bạn chọn sử dụng Helios làm bảng điều khiển năng lượng mặt trời, hãy bỏ qua bước này. Nếu bạn chọn sử dụng Helios làm máy bay trực thăng, hãy nhập độ cao và góc phương vị của mục tiêu của Helios. Hệ tọa độ được xác định trong Hình 15.

5) Để đặt Đồng hồ thời gian thực, hãy xác định thời gian hiện tại theo UTC và thay thế các biến tương ứng bằng các giá trị này theo giờ quân sự. Sau đó, xóa “//” ở nơi được chỉ định, tải lên bản phác thảo và thay thế bằng “//” (Ví dụ: 6:30 chiều EST là 10:30 tối UTC. Trong chương trình, điều này sẽ giống như giờ = 22, phút = 30 và giây = 0)

Một. Sau khi đồng hồ được đặt, hãy rút phích cắm của Servos và chạy mã ở chế độ "bảng điều khiển năng lượng mặt trời" (heliostat = 0). Xác minh các góc được tính toán của trình theo dõi mặt trời bằng một cái gì đó giống như máy tính vị trí mặt trời từ sunearthtools.com (https://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php). “DAzimuth” là góc phương vị của mặt trời theo dự đoán của Helios và “dElevation” là góc nâng / độ cao của mặt trời. Cả dự đoán của Helios và trang web phải đồng ý trong khoảng năm độ. Bất kỳ sự khác biệt nào trong phạm vi này đều tính từ thời gian tải lên bị tắt đi vài phút và sẽ gây ra sự thay đổi không thể nhận thấy trong hành vi của Helios.

NS. Sau khi dự đoán của Helios về vị trí của mặt trời là chính xác, hãy thay thế “//” để nhận xét mã đặt đồng hồ. Đồng hồ thời gian thực chỉ cần được đặt một lần, vì vậy nó sẽ không phải cập nhật khi bạn tải lên bản phác thảo mới hoặc thay đổi mục tiêu.

6) Tháo USB và nguồn khỏi Arduino và kết nối lại động cơ servo.

Bước 24:

Nếu Helios được lắp ráp chính xác, thì nó sẽ hướng tới mục tiêu mà bạn chỉ huy và giữ cho phản xạ của mặt trời đứng yên ở đó khi nguồn điện được cấp cho Arduino một lần nữa. Helios sẽ điều chỉnh sự phản chiếu của mặt trời ở mọi mức độ. Điều này có nghĩa là độ phản xạ của mặt trời sẽ dịch chuyển cho đến khi mặt trời di chuyển một độ, lúc này Helios sẽ di chuyển để điều chỉnh phản xạ. Khi bạn hiểu cách chương trình hoạt động, bạn có thể muốn chơi với các biến “offset_Elv” (Độ cao) và “offset_Az” (Phương vị) để bù cho bất kỳ lỗi lắp ráp nào. Các biến này kiểm soát hướng của hệ tọa độ Helios.

Bước 25: Liên kết mua hàng

Điểm bọt: https://www.amazon.com/Elmers-Acid-Free-Boards-16-Inch-902015/dp/B003NS4HQY/ref=sr_1_4?s=office-products&ie=UTF8&qid=1340998492&sr=1-4&keywords=20x30+ bọt + lõi

Thanh: https://www.mcmaster.com/#cast-acrylic/=i6zw7m (Một phần số: 8528K32)

Máy cắt hộp:

Servo:

Băng: https://www.amazon.com/Henkel-00-20843-4-Inch---500-Inch-Invisible/dp/B000NHZ3IY/ref=sr_1_1?s=hi&ie=UTF8&qid=1340619520&sr=1-1&keywords= băng + vô hình

Mẫu: In các trang ở cuối tài liệu này. Có thể mua giấy trực tuyến tại:

Hạt vuông: https://www.mcmaster.com/#machine-screw-square-nuts/=hflvij (Số một phần: 98694A125)

Keo siêu dính:

Gel siêu keo: https://www.amazon.com/Krazy-Glue-KG86648R-Instant-0-07-Ounce/dp/B000H5SFNW/ref=sr_1_4?ie=UTF8&qid=1340863003&sr=8-4&keywords=all+purpose+ keo + krazy + tức thì

Cạnh thẳng:

Máy khoan điện:

Vít: https://www.mcmaster.com/#machine-screw-fasteners/=mumsm1 (Part Number: 90272A115)

Các loại hạt: https://www.mcmaster.com/#hex-nuts/=mums50 (Số một phần: 90480A005)

Gương: https://www.mcmaster.com/#catalog/118/3571/=i705h8 (Số một phần: 1518T18)

Bộ tuốc nơ vít: https://www.amazon.com/Stanley-66-052-6-Piece-Pre precision-Screwdriver/dp/B00009OYGV/ref=sr_1_5?s=hi&ie=UTF8&qid=1340863503&sr=1-5&keywords=screwdriver+set

2 Ròng rọc thời gian-đai: https://sdp-si.com/eStore/Direct.asp?GroupID=218 (Part Number: A 6M16-040DF25)

Timing-Belt: https://www.mcmaster.com/#timing-belts/=i723l2 (Part Number: 7887K82)

Drill Bits:

Vòng đệm: https://www.mcmaster.com/#catalog/118/3226/=hzc366 (Part Number: 95630A246)

Vòng đeo tay lớn:

Móng tay: https://www.mcmaster.com/#standard-nails/=i708x6 (Part Number: 97850A228)

Bộ Arduino:

Mô-đun đồng hồ thời gian thực:

Nguồn cung cấp:

Pin:

Điện trở:

Bước 26: Tác phẩm được trích dẫn

4 ảnh. (2112, 07 07). Điều hướng la bàn 3d. Được truy cập ngày 6 tháng 6 năm 2013, từ 4photos:

Commons, C. (2010, ngày 1 tháng 1). Mô-đun đồng hồ thời gian thực. Được truy cập ngày 28 tháng 5 năm 2013, từ Sparkfun:

Commons, C. (2011, ngày 1 tháng 1). DC Barrel Jack Adapter - Tương thích Breadboard. Truy cập ngày 28 tháng 5 năm 2013, từ Sparkfun:

Commons, C. (2013, ngày 16 tháng 5). Thư viện Ethernet. Được truy cập ngày 28 tháng 5 năm 2013, từ Arduino:

ElmarM. (2013, ngày 24 tháng 3). Búp bê ma ám. Được truy cập ngày 28 tháng 5 năm 2013, từ các tài liệu hướng dẫn: https://www.instructables.com/id/Now-the-fun-part-create-a-creepy-story-to-go-wit/step17/Arduino-and-Breadboard -cài đặt/

Nhìn đi, M. (n.d.). CÁC BƯỚC. Được truy cập ngày 28 tháng 5 năm 2013, từ kennyviper:

sonlineshop. (2012, ngày 1 tháng 1). Điện trở 2,2K Ohm. Được truy cập ngày 28 tháng 5 năm 2013, từ

Bước 27: Cảm ơn sự hỗ trợ của bạn !!

Chúng tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Alexander Mitsos, cố vấn hỗ trợ của chúng tôi và tất cả những người đã hỗ trợ chúng tôi trong suốt dự án này:

• Whitney Meriwether
• Benjamin Bangsberg
• Walter Bryan
• Radha Krishna Gorle
• Matthew Miller
• Katharina Wilkins
• Garratt Gallagher
• Rachel Nottelling
• Randall Heath
• Paul Shoemaker
• Bruce Bock
• Robert Davy
• Nick Bolitho
• Nick Bergeron
• Paul English
• Alexander Mitsos
• Matt C
• William Bryce
• Nilton Lessa
• Emerson Yearwood
• Jost Jahn
• Carl Men
• Nina
• Michael và Liz
• Walter Lickteig
• Andrew Heine
• Rich Ramsland
• Bryan Miller
• Netia McCray
• Roberto Melendez

Á quân trong Cuộc thi Công nghệ

Về nhì trong Thử thách Epilog VI