بررسی اجمالی:
دستگاه ردیاب خورشیدی به گونه ای طراحی شده است که اطمینان حاصل شود که یک صفحه تخت با سلول خورشیدی به طور مداوم با حرکت خورشید در سراسر آسمان هماهنگ است. از دو مقاومت وابسته به نور (LDR) که در طرف مقابل یک باله قرار گرفته اند برای اندازه گیری سطوح نور استفاده می کند. با مقایسه خوانش های LDR ها، آردوینو می تواند سمتی که نور بیشتری دریافت می کند را تعیین کند و موقعیت سروو متصل به پنل را بر این اساس تنظیم کند. سروو پانل را می چرخاند تا زمانی که دو آشکارساز سطح نور برابری داشته باشند. این پروژه آردوینو ترکیبی عالی از حسگرها و سرووها است که منطقی را در خود جای داده است که میتوان آن را بهخوبی تنظیم کرد، و هدفی عملی در زمینه انرژی پاک دارد.
زمینه:
پانل های خورشیدی زمانی که نور مستقیم خورشید را عمود بر سطح خود دریافت می کنند، در تولید الکتریسیته موثر هستند. ردیاب خورشیدی دستگاهی است که موقعیت پانل را طوری تنظیم می کند که به طور مداوم رو به خورشید باشد و تولید انرژی را به حداکثر برساند. ردیاب با چرخش پانل در امتداد یک یا دو محور (ارتفاع و آزیموت)، اطمینان حاصل می کند که پانل همیشه با موقعیت خورشید در آسمان هماهنگ است. این امر به ویژه برای جمعآوریهای متمرکز یا متمرکزی که برای عملکرد بهینه نیاز به تراز دقیق با خورشید دارند، مهم است.
ردیاب خورشیدی که در اینجا توضیح داده شده است یک پایه تک محوری است که برای ردیابی حرکت خورشید از شرق به غرب طراحی شده است. این دارای یک محور چرخشی به سمت ستاره شمالی است که به عنوان کوه استوایی شناخته می شود. این پیکربندی به ردیاب اجازه می دهد تا با یک چرخش مسیر خورشید را دنبال کند.
در زمینه علوم زمین مشاهده می شود که خورشید بر اثر چرخش زمین با سرعت 15 درجه در ساعت در آسمان حرکت می کند. در زمستان روزها کوتاهتر است و خورشید از جنوب شرق طلوع می کند، از جنوب غرب غروب می کند و زاویه ظهر کم است. در مقابل، روزهای تابستان طولانی تر است و خورشید از شمال شرق طلوع می کند، از شمال غرب غروب می کند و زاویه ظهر بالاتری دارد. زاویه اوج ظهر برای خورشید در اعتدال 90 درجه منهای عرض جغرافیایی است. در انقلاب تابستانی 23.38 درجه بالاتر از زاویه اعتدال است و در انقلاب زمستانی 23.38 درجه کمتر است.
ارتباط پژوهشی :
دانشمندان و مهندسان در تلاش هستند تا بازده سلول های خورشیدی را افزایش داده و هزینه را کاهش دهند. زمانی که سلول های خورشیدی بسیار گران بودند، ردیاب ها کاربردی در نظر گرفته می شدند. اکنون قیمت ها به قدری کاهش یافته است که تاکید بر سطوح وسیع پانل های ثابت و پوشاندن تمام سطوح ساختمانی موجود با پانل است. کلکتورهای حرارتی خورشیدی متمرکز از صدها آینه استفاده می کنند که با چرخش نور را به برج برق مرکزی منعکس می کنند. ردیابهای حرارتی خورشیدی همچنان مرتبط هستند زیرا پتانسیل ذخیره انرژی با نمکهای مذاب را برای چندین ساعت پس از غروب خورشید دارند. این به ارائه انرژی خورشیدی در عصر که تقاضا به اوج می رسد کمک می کند.
استانداردهای NGSS:
MS-PS3-3 | از اصول علمی برای طراحی، ساخت و آزمایش دستگاهی استفاده کنید که انتقال انرژی حرارتی را به حداقل یا حداکثر می رساند.* |
MS-ESS1-1 | ایجاد و استفاده از مدلی از سیستم زمین-خورشید-ماه برای توصیف الگوهای چرخه ای فازهای ماه، گرفتگی خورشید و ماه، و فصول. |
4-PS3-4 | برای طراحی، آزمایش و اصلاح دستگاهی که انرژی را از شکلی به شکل دیگر تبدیل می کند، از ایده های علمی استفاده کنید.* |
HS-PS3-3. | دستگاهی را طراحی، ساخت و اصلاح کنید که با محدودیتهای معین کار میکند تا یک شکل از انرژی را به شکل دیگری از انرژی تبدیل کند.* |
مواد:
- برد آردوینو، منبع تغذیه، کابل USB،
- 2 مقاومت وابسته به نور (LDR) با محدوده مقاومت یکسان
- دو مقاومت 10K
- سروو
- مقوا، بالسا، پین های مستقیم، سیم، پیچ های نصب
معرفی
برای آشنایی دانش آموزان با حرکت خورشید در سراسر آسمان و تغییرات فصلی آن، مفهوم حرکت ظاهری خورشید در طول روز و در طول سال را مرور کنید. به آنها کمک کنید بفهمند که از آنجایی که زمین یک چرخش کامل 360 درجه را در 24 ساعت انجام می دهد، به نظر می رسد خورشید با سرعت 15 درجه در ساعت در سراسر آسمان حرکت می کند. دانش آموزان را در یک تمرین ریاضی برای نشان دادن این رابطه درگیر کنید.
در مرحله بعد، دانش آموزان را تشویق کنید تا الزامات طراحی را برای دستگاه ردیاب خورشیدی خود ایجاد کنند. این ممکن است شامل مشخصاتی مانند چرخش دستگاه 15 درجه در ساعت برای نگه داشتن صفحه خورشیدی در یک راستا، تنظیم هر دو زاویه ارتفاع و آزیموت و تنظیم مجدد موقعیت آن از شب قبل برای آماده شدن برای صبح روز بعد باشد. با ایجاد این الزامات طراحی، دانش آموزان می توانند پایه و اساس ایجاد دستگاه های ردیاب خورشیدی کاربردی خود را ایجاد کنند.
مونتاژ
هر مقاومت وابسته به نور (LDR) را به یک منبع تغذیه 3 یا 5 ولت و به پین A0 برای یک LDR وصل کنید و آن را به یک مقاومت 10K که به زمین متصل است وصل کنید. LDR دیگر را به پین A1 و همچنین به یک مقاومت 10K متصل به زمین وصل کنید. این تنظیم یک تقسیم کننده ولتاژ را تشکیل می دهد که ولتاژهای متغیری را برای ورودی های آنالوگ بر اساس میزان نور شناسایی شده توسط هر سنسور فراهم می کند.
برای اتصال سروو، سیم قهوه ای را به زمین، سیم قرمز را به 5 ولت و سیم نارنجی را به پین دیجیتال 9 وصل کنید.
اگر این کار را به عنوان یک فعالیت کلاسی انجام میدهید، زمان خوبی برای توضیح شبه کد عملکرد برنامه است. منطق اصلی شامل بررسی این است که آیا مقدار LDR سمت چپ بزرگتر از مقدار LDR سمت راست است، در این صورت سروو باید به یک جهت بچرخد و اگر برعکس باشد، سروو باید به سمت دیگر بچرخد. معرفی یک فاکتور تحمل برای در نظر گرفتن تفاوت های کوچک و جلوگیری از لرزش ناشی از نوسان اندازه گیری سنسور مهم است.
شبه کد را به کد واقعی تبدیل کنید، با مثالی از کتابخانه Arduino IDE مانند "Servo" شروع کنید. برنامه را روی برد آردوینو بارگذاری کنید و آن را آزمایش کنید تا مطمئن شوید که سروو به تغییرات نور شناسایی شده توسط LDR ها به درستی پاسخ می دهد. در صورت نیاز به عیبیابی، میتوانید از تابع «نوشتن دیجیتال» برای بررسی مقادیر حسگر و عبارت if-then استفاده کنید.
پس از تأیید عملکرد بر روی تخته نان، می توانید به ساخت دستگاه کامل ادامه دهید. یک تکه بالسا را با استفاده از پین هایی که از طریق سوراخی به دانه انتهایی تخته وارد شده اند، به بازوی نصب سروو وصل کنید. دو LDR را در دو طرف باله سایه بان نصب کنید، که می تواند از مقوا یا بالسا ساخته شود. سرهای LDR ها را از سوراخ های مناسب برای دسترسی از پشت عبور دهید.