Proiectul consta in realizarea unui incarcator de acumulatori 4xAA folosind ca sursa de energie un panou solar ce se orienteaza dupa cea mai puternica sursa de lumina.

Am ales acest proiect pentru ca am vrut sa fac ceva util. Pentru ca folosesc foarte des acumulatori nu mi-ar fi stricat un incarcator in plus .

Dispozitivul ce va rezulta din acest proiect are rolul de a incarca un set de 4 acumulatori AA. Pentru a realiza cat mai eficient acest lucru dispozitul va dispune de un panou solar orientabil dupa cea mai puternica sursa de lumina. Orientarea panoului este realizata cu ajutorul a 2 servomotoare :

• 1 pentru a invarti panoul in plan orizontal 180*
• 1 pentru a invarti panoul in plan vertical 180*

Pentru a detecta cea mai puternica sursa de lumina se folosesc 3 senzori (fotorezistori) amplasati pe aceasi platforma cu panoul solar. Initial s-a dorit o amplasare fixa a unui numar mai mare de senzori pentru a nu fie nevoie de folosirea servomotoarelor pentru detectarea soarelui dar aceasta varianta a fost abandonata datorita numarului mare de senzori si timpului scurt de implementare.

Este posibil ca simpla folosire a servomotoarelor sa consume mai mult curent decat ofera noua pozitionare a panoului, caz in care proiectul isi pierde utilitatea practica dar ramane relevant din punct de vedere educativ.

Componente hardware esentiale :

• Microchip PIC 18F458 40pin
• Quartz 20Mhz ⇒ frecventa reala de 5Mhz
• 2 servomotoare FUTABA S3003 cursa de 180*
• 1 panou solar, suprafata 14×3 cm
• 3 fotorezistori
• Suport 4 acumulatori AA
• LED-uri de semnalare charging / stand-by / not_charging
• Rezistente si condensatoare la nevoie

Initial am lucrat pe un circuit fizic restrans realizat pe un bread-board pentru a obtine o functionare minimala si pentru a detecta eventuale probleme. Aici am testat o serie de fotodiode si am comandat motoarele servo.

In stanga se pot vedea 2 fotodiode: una infasurata in bada alba si alta libera dar cu partea superioara taiata (fotodiodele au exact ca diodele o parte superioara rotunjita cu rol de lentila in varf). In dreapta se observa modulul de programare si alimentare pe USB.

O problema destul de mare mi-au creat fotodiodele care aveau un interval de sensibilitate foarte redus. Ori erau setate pentru surse de lumina slaba ori le acopeream si deveneau utile pentru lucru cu surse luminoase puternice, gen soarele. Solutia a venit cand am testat niste fotorezistente care merg in aproape tot intervalul, de la intuneric la expunere directa la soare.

Dupa cum se observa din imagine un servo are 3 pini: faza, masa, si comanda. Pentru a controla un servo trebuie sa-i transmiti pe comanda impulsuri de ordinul a cateva sute us (in cazul meu: aproximativ 400us pentru 0* si 2200us pentru 180*) dupa care o pauza de 20ms.

In schema de mai jos apare un circuit de test ce contine doar o parte din componentele ce vor forma proiectul la final. A se observa folosirea de fotodiode si nu fotorezistori! Circuitul este creat si simulat folosind Proteus ISIS 7.4 :

Descriere elemente particulare ale circuitului:

• STB1 & STB2 - capacitoare ce au rolul de a stabiliza curentul de la lumina de bec incandescent unde frecventa de 50Hz a curentului genera sinusoide la iesirea fotodiodei.
• dioda D3 - are rolul de a opri scurgerea curentului dinspre Acumulatori catre panoul Solar in momentele in care nu exista lumina
• dioda DZ2 (dioda zener) are rolul de protejare a Microprocesorului in situatiile in care in lipsa Acumulatorilor panoul Solar ar debita mai mult de 5.1V.
• ansamblul Shunt, conexiune la RA5 - are rol de a masura curentul ce trece dinspre panoul Solar spre Acumulatori si reprezinta o modalitate secundara de masurare a intensitatii luminii ce ajunge la panou. Masurarea se realizeaza prin citirea tensiunii si cunoasterea valorii rezistentei de Shunt
• ansamblul DZ1 (dioda zener), C2 si R4 - are rolul de a crea o referinta mai joasa pentru a putea citi mai bine tensiunea de pe shunt. Dioda tine tensiunea la 2.4V.
• capacitorul C1 are rolul de a oferi Microprocesorului curent in momentul in care se actioneaza un Servo care determina, pentru o perioada scurta de timp, o scurgere importanta de curent.

In faza a 2-a am trecut de la breadboard la o placa lipita. In mare parte elementele din schema de sus au ramas la fel, aparand pe langa ele si cateva leduri, butoate, un potentiometru, relevante mai mult pentru reutilizarea placii de baza decat pentru acest proiect.

In aceasta privire de ansamblu se pot vedea cei 3 fotorezistori (cei care au capison rosu), panoul fotovoltaic, placa de baza si cei 4 acumulatori. In imaginea de mai jos se poate observa montajul de 2 servomotoare, cel de orizontala este cu axul in jos, cel de verticala cu axul spre camera.

Cele 2 servomotoare sunt suficiente pentru a acoperi jumatatea de sfera (partea superioara a unei sfere ce este taiata de un plan orizontal la mijloc) din care pot veni surse de lumina, 360* orizontal cu 90* vertical. Acest lucru se realizeaza facand 2 rotiri de 180* pe orizontala cu orientarea verticala cand pe o parte cand pe alta.

In imaginea de sus se poate vedea un close-up al fotorezistorilor. Unghiul dintre fiecare 2 senzori este de aproximativ 60* (in alte cuvinte au fost plasate pe laturile unei prisme imaginare cu unghiul dintre laturi de 60* si varful pe placa, intre ele). Acesta amplasare este necesara in momentul in care dorim sa facem “lock” pe o sursa de lumina si sa o urmarim indiferent de directia ei de miscare. Capisonul rosu are rolul de a mari precizia masuratorii prin a acoperi senzorul partial cand lumina bate pe el dintr-un unghi indirect. Spre deosebire de fotodiode, fotorezistentele se monteaza cu un picior la Vcc si celalalt direct la pinul de ADC.

Panoul solar folosit este extrem de mic pentru a putea incarca 4 acumulatori in timp real. El geneareaza aproximativ 10V cand este expus la lumina solara puternica si poate incarca acumulatorii debitand aprox 10mA la 5V. Aceasta valoare este infima daca e sa o comparam cu puterea de incarcare a unui fast-charger care este de aprox. 350mA. Din studiul pietei un panou ce poate oferi asemenea iesire are o suprafata de cel putin 20x30cm si din pacate ofera o tensiune mare (ce trebuie convertita folosind un convertor, nu un reductor ⇒ nu vrem sa pierdem curent).

Folosirea de servomotoare a ridicat si ea probleme pentru ca un servomotor are nevoie la pornire de un spike de curent de ordinul a sute de mA. Datorita faptului ca circuitul se alimenteaza direct de la ansamblul panou solar-acumulatori motoarele servo pot trage varful de curent din acumulatori rezolvand astfel problema. Curentul tras din acumulatori este mare dar pe o perioada extrem de mica, astfel o utilizare cumpatata a servomotoarelor nu ar trebui sa afecteze incarcarea acumulatorilor.

Software-ul a fost scris in limbajul C folosind MikroC si incarcat pe microprocesor folosind TinyBLd.

Pentru a detecta cea mai puternica sursa de lumina se urmaresc pasii:

• panoul este dus la pozitia de start: servo orizontal la 0*, servo vertical la 45*
• se scaneaza pe orizontala de la 0* la 180* si se updateaza maximul
• se intoarce panoul cu 90* prin ducerea servo vertical la 135*
• se scaneaza pe orizontala de la 180* la 0* (panoul este acum pe partea cealalta) si se updateaza maximul
• se duce panoul pe orizontala la pozitia cea mai luminoasa si se comanda servo vertical la 0* sau 90* in functie de pe ce parte a scanarii s-a detectat maximul
• se face o scanare intre 0*-90* sau 90*-180* si se retine maximul
• se duce panoul pe verticala la pozitia de maxim.

Valoarea de maxim este calculata avand in vedere 2 restrictii:

• media dintre cei 3 senzori sa fie cat mai mare
• valorile senzorilor sunt apropiate (cu o anumita marja de eroare)

Aceste 2 conditii ne garanteaza ca normala dintre senzori (si implicit panoul) este directionata catre cea mai puternica sursa de lumina.

Rezultatele au fost multumitoare, panoul reuseste in aproape toate cazurile sa se orienteze cu o eroare mai mica de 20* catre cea mai puternica sursa de lumina. Mai trebuiesc investigate pozitia senzorilor si in special codul pentru a obtine o precizie mai buna.

In ceea ce priveste incarcarea acumularilor singurul element ce trebuie schimbat este panoul solar. Un panou solar adecvat nu ar trebui sa aiba probleme in a incarca 4 acumulatori in cateva ore intr-o zi cu soare.

Am ajuns la concluzia ca folosind acest sistem se poate crea un mecanism de orientare catre cea mai puternica sursa de lumina. Sunt increzator ca prin aplicare unor mici modificari sistemul poate fi facut sa aiba o precizie mult mai buna.

Acest sistem poate fi folosit chiar si pentru reglarea panourilor de dimensiuni industriale, util pentru un viitor in care vom folosi din ce in ce mai des surse de energie verde.

O sa incerc sa implementez in viitor:

• urmarirea in timp real a sursei de lumina
• intrarea in sleep a circuitului pentru conservarea energiei

Pentru orice fel de intrebari legate de proiect ma puteti contacta la em_chiculita@yahoo.com

• Microchip PIC 18Fxx8 datasheet http://www.nerdgirls.org/technical/seniorprojects/mppt/datasheets/pic_full_manual.pdf
• MikroC http://www.mikroe.com/en/compilers/mikroc/pic/
• TinyBLd http://www.etc.ugal.ro/cchiculita/software/picbootloader.htm