2축 태양광 추적기 아두이노 프로젝트

 

듀얼 축 태양 추적기 설계 및 구현

 

Arduino와 서보 모터를 사용한 태양 추적기

 

1 초록:

 

태양 에너지는 재생 가능하고 풍부한 전력원입니다. 태양 전지판의 에너지 출력을 극대화하려면 하루 종일 태양의 위치에 맞춰 정렬하는 것이 중요합니다. 이 연구 논문은 Arduino와 서보 모터를 사용한 듀얼 축 태양 추적기 시스템의 설계 및 구현에 대한 포괄적인 연구를 제시합니다. 이 시스템은 4개의 LDR(Light Dependent Resistor) 센서를 사용하여 광 강도를 감지하고 Arduino 알고리즘은 서보 모터를 제어하여 태양 전지판을 광원과 최적으로 정렬합니다. 시스템의 기계적 구성 요소는 SolidWorks를 사용하여 설계하고 3D 인쇄 기술을 사용하여 제작했습니다. 이 연구는 들어오는 햇빛에 대한 수직성을 유지하여 태양 전지판의 에너지 출력을 극대화하는 태양 추적기 시스템의 효과를 탐구합니다.

 

이 연구 논문의 목적은 Arduino와 서보 모터를 사용한 듀얼 축 태양 추적기 시스템의 설계 및 구현에 대한 포괄적인 연구를 제시하는 것입니다. 이 프로젝트는 4개의 LDR 센서를 사용하여 빛의 강도를 감지하고 Arduino에 구현된 알고리즘을 통해 서보 모터를 제어하여 태양광 패널을 광원에 대한 최적의 위치에 정렬합니다. 기계 구성 요소는 SolidWorks를 사용하여 설계하고 3D 인쇄 기술을 사용하여 제작했습니다. 이 연구는 들어오는 햇빛에 대한 수직성을 유지하여 태양광 패널의 에너지 출력을 극대화하는 데 있어 태양광 추적 시스템의 효과를 탐구합니다.

 

2 서론

 

2.1 목표

 

이 연구의 목표는 Arduino와 서보 모터를 사용하여 이중 축 태양광 추적 시스템을 설계하고 구현하는 것입니다. 이 시스템은 수평 및 수직 방향으로 태양의 움직임을 추적하여 태양광 패널이 항상 들어오는 햇빛에 수직이 되도록 합니다. 이 추적 기능은 하루 종일 태양광 패널의 에너지 출력을 극대화하는 데 필수적입니다. 이 목표를 달성하기 위해 이 시스템은 다재다능하고 사용하기 쉬운 것으로 알려진 오픈 소스 마이크로컨트롤러 플랫폼인 Arduino를 활용합니다. Arduino는 태양광 패널 프레임에 전략적으로 배치된 4개의 Light Dependent Resistors(LDR) 센서와 인터페이스하도록 프로그래밍되어 있습니다. 이러한 센서는 다양한 방향의 빛 강도를 감지합니다.

 

센서 판독값을 기반으로 Arduino에 구현된 알고리즘은 태양광 패널이 광원을 직접 향할 수 있는 최적의 위치를 ​​계산합니다. 이 알고리즘은 각 LDR 센서에서 감지한 빛의 강도를 고려하여 수평 및 수직 서보 모터에 필요한 움직임을 계산합니다. 태양광 추적 시스템의 기계적 구성 요소는 인기 있는 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어인 SolidWorks를 사용하여 설계됩니다. SolidWorks는 시스템 움직임에 필요한 기계적 부품을 정밀하게 모델링하고 최적화할 수 있습니다. 설계가 완료되면 3D 인쇄 기술을 사용하여 구성 요소를 제작하여 복잡하고 맞춤형 부품을 생산할 수 있는 비용 효율적이고 효율적인 방법을 제공합니다.

 

Arduino 제어 서보 모터와 3D 인쇄 기계적 구성 요소를 통합하여 완전한 이중 축 태양광 추적 시스템이 만들어집니다. 이 시스템은 지속적으로 햇빛의 강도를 모니터링하고 태양광 패널의 위치를 ​​조정하여 들어오는 햇빛과 수직이 되도록 하여 에너지 생성 잠재력을 극대화합니다. 개략적인 배선도는 첫 번째 주요 목표입니다.

 

Wiring diagram

 

 

태양 추적 시스템이 에너지 출력을 극대화하는 데 미치는 효과는 실험과 측정을 통해 평가됩니다. 시스템의 성능은 다양한 조명 조건에서 고정형 태양광 패널의 성능과 비교됩니다. 수집된 데이터는 시스템의 추적 정확도, 에너지 생성 개선, 잠재적 비용 및 환경적 이점에 대한 통찰력을 제공합니다. 이 연구의 중요성은 태양광 추적기가 고정 설비에 비해 태양광 패널의 에너지 생성을 크게 증가시킬 수 있는 잠재력이 있다는 것입니다. 이 연구는 Arduino와 같은 쉽게 구할 수 있는 구성 요소와 오픈 소스 플랫폼을 사용하여 효율적이고 비용 효율적인 태양광 추적 시스템을 개발하는 데 기여하는 것을 목표로 합니다. 얻은 결과는 미래의 태양광 추적 시스템 설계에 귀중한 통찰력을 제공할 것입니다.

 

3 문헌 검토

 

3.1 태양 추적 시스템

 

태양 추적 시스템은 태양 전지판의 에너지 생성을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다. 수평 축을 따라 태양 전지판을 정렬하는 단일 축 추적기는 일반적으로 사용되며 고정 태양 전지판에 비해 성능이 향상되었습니다. 그러나 하루 중 다른 시간과 태양 위치가 다른 계절에 햇빛을 포착하는 데 한계가 있습니다. 반면, 이중 축 태양 추적기는 태양 전지판이 수평 및 수직 방향 모두에서 태양의 움직임을 추적할 수 있도록 하여 보다 진보된 솔루션을 제공합니다. 이 기능을 통해 하루 종일 태양 전지판의 방향을 정확하게 정렬하여 입사 태양 복사를 극대화할 수 있습니다.

 

수직 이동을 통합하여 이중 축 추적기는 태양이 뜨고 질 때 태양의 고도 변화에 적응합니다. 이 기능은 아침과 저녁 시간에 더 가파른 각도로 햇빛을 포착하여 에너지 생성을 향상시킵니다. 또한 이중 축 추적기는 계절적 변화로 인해 일년 내내 태양의 위치가 변하는 것을 보상하여 다른 계절에 최적의 성능을 보장합니다.

 

또한, 듀얼 축 추적기는 고위도 지역이나 빈번한 구름 덮개가 있는 지역에서 뛰어난 성능을 제공합니다. 이 추적기는 태양 전지판의 기울기와 방위각을 동적으로 조정하여 부분적으로 그늘진 조건에서도 에너지 포집을 최적화합니다. 이러한 적응성은 음영이 전체 에너지 생성에 미치는 부정적인 영향을 완화하는 데 도움이 되므로 듀얼 축 추적기는 특히 까다로운 환경의 설치에 적합합니다.2.2 듀얼 축 태양 추적기. 듀얼 축 태양 추적기는 LDR 센서와 같은 광 센서를 사용하여 햇빛의 강도를 측정합니다. 시스템은 센서 판독값을 분석하여 태양 전지판을 광원을 최적으로 향하도록 배치해야 하는 위치를 계산할 수 있습니다. 서보 모터는 일반적으로 필요한 움직임을 달성하는 데 사용됩니다.

 

3.2 Arduino 기반 태양 추적기의 이전 작업

 

여러 연구 연구에서 태양 추적 시스템에서 Arduino 마이크로컨트롤러를 사용하여 에너지 생성을 극대화하는 데 있어 실현 가능성과 효과를 보여주었습니다. 이러한 연구는 Arduino 기반 태양 추적기가 태양 전지판의 에너지 출력을 향상시키는 비용 효율적이고 접근 가능한 솔루션을 제공한다는 것을 보여주었습니다. 아날로그 및 디지털 입출력 기능, 서보 모터에 대한 정밀한 제어, 프로그래밍의 용이성과 같은 Arduino의 다재다능한 기능을 활용하여 연구자들은 에너지 생성을 크게 개선하는 태양 추적 알고리즘을 성공적으로 구현했습니다.

 

그러나 Arduino 기반 태양 추적기의 성능을 최적화하기 위해서는 더 많은 연구와 실험이 필요합니다. 한 가지 탐색 영역은 실시간 날씨 데이터, 태양 일사량, 패널 효율성과 같은 요소를 고려하는 보다 정교한 추적 알고리즘의 개발을 포함합니다. 이러한 변수를 추적 알고리즘에 통합하면 시스템이 변화하는 환경 조건에 적응하고 에너지 포집을 극대화할 수 있습니다. 또한 센서 기술의 발전은 태양 추적 시스템의 정확도와 안정성을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다. 연구 노력은 광 다이오드나 태양 전지와 같은 대체 광 센서를 탐색하여 광 강도를 보다 정확하게 측정하는 데 집중할 수 있습니다. 또한 센서의 수나 배치를 변경하는 것과 같은 다양한 센서 구성의 영향을 조사하면 추적 성능을 최적화하고 전반적인 시스템 효율성을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다.

 

또한, 태양 추적 시스템의 기계적 설계를 더욱 개선하여 내구성, 안정성 및 적응성을 향상시킬 수 있습니다. 복합 구조나 고급 연결 장치와 같은 고급 소재와 엔지니어링 기술을 사용하면 다양한 환경 조건에서 시스템의 안정적이고 오래 지속되는 작동을 보장할 수 있습니다. 또한 인코더나 리미트 스위치와 같은 위치 피드백 메커니즘의 통합을 탐구하면 서보 모터 제어의 정확도를 높이고 추적 오류를 최소화할 수 있습니다.

 

전반적으로 Arduino 기반 태양 추적기는 이전 연구에서 유망한 결과를 보였지만, 지속적인 조사와 혁신이 그 잠재력을 최대한 발휘하는 데 필수적입니다. 추적 알고리즘을 개선하고, 센서 기술을 개선하고, 기계적 설계를 최적화함으로써 연구자들은 태양 추적 시스템의 성능과 효율성을 향상시켜 궁극적으로 재생 에너지원의 광범위한 채택에 기여할 수 있습니다.

 

4 방법론

 

이 프로젝트의 방법론은 다음 단계를 포함합니다.

 

4.1 시스템 설계:

 

방법론의 첫 번째 단계는 이중 축 태양 추적 시스템을 설계하는 것입니다. 여기에는 베이스, 서보 모터, 링크와 같은 기계 구성 요소의 치수와 사양을 결정하는 것이 포함됩니다. 설계는 태양 전지판의 크기와 무게를 고려하여 SolidWorks CAD 소프트웨어를 사용하여 작성됩니다.

 

4.2 센서 배치:

 

LDR 센서는 태양 전지판 프레임에 전략적으로 배치되어 다양한 방향의 빛 강도를 감지합니다. 센서는 태양의 움직임을 정확하게 추적하기 위해 광범위한 각도를 포괄하도록 배치됩니다. 센서 배치는 빛 감지의 정확도를 최적화하기 위해 신중한 분석과 시뮬레이션을 통해 결정됩니다.

 

4.3 하드웨어 조립:

 

기계 구성 요소를 설계하고 3D로 인쇄하면 하드웨어 조립이 진행됩니다. 서보 모터는 베이스에 장착되고 링크는 태양 전지판에 부착됩니다. LDR 센서는 시스템의 제어 장치 역할을 하는 Arduino 보드에 연결됩니다. 적절한 배선과 연결은 시스템의 원활한 작동을 보장하기 위해 이루어집니다.

 

4.4 Arduino 프로그래밍:

 

다음 단계는 Arduino 마이크로컨트롤러를 프로그래밍하는 것입니다. Arduino에 구현된 알고리즘은 LDR 센서의 아날로그 출력을 읽고, 태양광 패널의 최적 위치를 계산하고, 그에 따라 서보 모터를 제어하는 ​​역할을 합니다. 프로그래밍 코드는 특정 센서 판독값과 원하는 추적 동작을 고려하여 Arduino IDE를 사용하여 개발됩니다.

 

4.5 교정 및 테스트:

 

하드웨어 조립 및 프로그래밍이 완료되면 시스템은 교정 및 테스트를 거칩니다. 여기에는 수평 및 수직 위치에 태양광 패널을 수동으로 정렬하고 해당 센서 판독값을 기록하는 것이 포함됩니다. 이러한 판독값을 기반으로 교정 값이 결정되어 알고리즘에 통합됩니다. 그런 다음 추적 정확도와 효율성을 평가하기 위해 다양한 조명 조건에서 시스템을 테스트합니다.

 

플로차트 형태로도 표시됩니다.

 

Methodology Flowchart

 

 

4.6 하드웨어 구성 요소

 

이 프로젝트에 사용된 하드웨어 구성 요소에는 Arduino 마이크로컨트롤러, 서보 모터, LDR 센서, 전원 공급 장치 및 태양광 패널이 포함됩니다. 이러한 구성 요소는 쉽게 구할 수 있고 저렴하여 광범위한 사용자가 시스템을 사용할 수 있습니다.

 

4.7 Arduino 프로그래밍

 

Arduino 마이크로컨트롤러는 LDR 센서의 아날로그 출력을 읽고, 태양광 패널의 최적 위치를 계산하고, 그에 따라 서보 모터를 제어하도록 프로그래밍되어 있습니다. 알고리즘은 센서에서 감지한 빛의 강도를 고려하여 서보 모터의 위치를 ​​조정하여 에너지 출력을 극대화합니다.

 

코드는 다음과 같습니다.

 

#include <Servo.h>

// Define the servo objects

Servo horizontalServo;

Servo verticalServo;

// Define the LDR sensor pins

int ldrPins[] = {A0, A1, A2, A3};

int numSensors = sizeof(ldrPins) / sizeof(ldrPins[0]);

// Define the servo angle limits

int horizontalMinAngle = 0;

int horizontalMaxAngle = 180;

int verticalMinAngle = 0;

int verticalMaxAngle = 90;

// Define the threshold for light intensity

int lightThreshold = 500;

void setup() {

// Attach servos to corresponding pins

horizontalServo.attach(9);

verticalServo.attach(10);

// Calibrate the servos to initial position

horizontalServo.write(horizontalMinAngle);

verticalServo.write(verticalMinAngle);

// Set LDR sensor pins as INPUT

for (int i = 0; i < numSensors; i++) {

pinMode(ldrPins[i], INPUT);

}

}

void loop() {

// Read light intensity from LDR sensors

int sensorValues[numSensors];

for (int i = 0; i < numSensors; i++) {

sensorValues[i] = analogRead(ldrPins[i]);

}

// Calculate average light intensity

int avgIntensity = 0;

for (int i = 0; i < numSensors; i++) {

avgIntensity += sensorValues[i];

}

avgIntensity /= numSensors;

// Check if light intensity is above threshold

if (avgIntensity > lightThreshold) {

// Calculate servo angles based on sensor readings

int horizontalAngle = map(sensorValues[1] — sensorValues[0], 0, 1023, horizontalMinAngle, horizontalMaxAngle);

int verticalAngle = map(sensorValues[3] — sensorValues[2], 0, 1023, verticalMinAngle, verticalMaxAngle);

// Set servo angles to track the light source

horizontalServo.write(horizontalAngle);

verticalServo.write(verticalAngle);

}

// Delay before next iteration

delay(100);

}

 

 

4.8 SolidWorks 설계 및 3D 인쇄

 

장착 브래킷과 연결 장치를 포함한 태양 추적 시스템의 기계적 구성 요소는 SolidWorks CAD 소프트웨어를 사용하여 설계합니다. 그런 다음 CAD 모델은 대학에서 제공하는 시설을 사용하여 3D로 인쇄합니다.

 

5 Solid Works 모델:

 

5.1 태양 추적 암

 

 

5.2 태양 추적기 바닥:

 

 

5.3 태양 추적기 방향 부분:

 

 

5.4 태양 추적기 암:

 

 

5.5 하드웨어 형태:

 

1차 설계

 

Initial Design

 

6 시스템 통합 및 최종 설계

 

전자 및 기계적 구성 요소가 통합되어 완전한 이중 축 태양 추적 시스템을 형성합니다. LDR 센서는 태양 전지판 프레임에 장착되고 서보 모터는 설계된 연결 장치와 브래킷을 사용하여 프레임에 연결됩니다. Arduino 마이크로컨트롤러는 센서 판독 값을 기반으로 서보 모터를 제어합니다.

 

최종 설계 각도-1

 

 

최종 설계 각도-2

 

 

6.1 시스템 설계

 

6.1.1 듀얼 축 태양 추적기 개요

 

듀얼 축 태양 추적기 시스템은 베이스, 수평 및 수직 이동을 위한 두 개의 서보 모터, LDR 센서 및 태양 전지판으로 구성됩니다. LDR 센서는 다양한 방향의 빛의 강도를 감지하고 서보 모터는 그에 따라 태양 전지판의 위치를 ​​조정합니다.

 

6.1.2 LDR 센서를 사용한 빛 감지

 

LDR 센서는 태양 전지판 프레임에 전략적으로 배치되어 빛의 강도를 감지합니다. LDR 센서의 아날로그 출력은 Arduino에서 읽고, Arduino는 판독값을 추가 처리를 위한 디지털 값으로 변환합니다.

 

6.1.3 수평 이동을 위한 서보 모터 제어

 

수평 이동을 담당하는 서보 모터는 Arduino에서 제어합니다. Arduino는 LDR 센서 판독값을 기반으로 원하는 위치를 계산하고 서보 모터에 적절한 신호를 보냅니다. 서보 모터는 태양 전지판을 수평으로 회전시켜 태양의 움직임에 맞춥니다.

 

6.1.4 수직 이동을 위한 서보 모터 제어

 

수평 이동과 유사하게 수직 이동을 담당하는 서보 모터는 LDR 센서 판독값을 기반으로 태양 전지판의 기울기 각도를 조정합니다. Arduino는 필요한 위치를 계산하고 그에 따라 서보 모터를 제어합니다.

 

7 결과 및 논의

 

7.1 실험 설정

 

실험 설정에는 이중 축 태양 추적 시스템, 참조용 고정 태양 전지판, 에너지 출력을 측정하기 위한 데이터 로깅 장비가 포함됩니다. 태양 추적 시스템의 성능은 다양한 일광 조건에서 고정 태양 전지판과 에너지 생성을 비교하여 평가합니다.

 

7.2 추적 성능 평가

 

태양 추적 시스템의 추적 성능은 태양 전지판을 태양의 움직임에 맞춰 정렬하는 기능을 모니터링하여 평가합니다. 서보 모터의 정확도와 응답 시간을 측정하고 다양한 조명 조건에서 시스템 성능을 분석합니다.

 

7.3 고정 태양 전지판과 에너지 출력 비교

 

태양 추적 시스템의 에너지 출력을 고정 태양 전지판의 에너지 출력과 비교하여 추적 메커니즘의 효과를 확인합니다. 에너지 생성 데이터는 지정된 기간 동안 수집되고, 그 결과는 에너지 포집을 극대화하는 시스템의 효율성을 정량화하기 위해 분석됩니다.

 

7.4 추적 정확도 분석

 

태양 추적 시스템의 추적 정확도는 태양의 움직임을 기반으로 태양 전지판의 실제 위치와 이상적인 위치 간의 편차를 계산하여 평가합니다. 추적 정확도가 에너지 생성에 미치는 영향을 분석하여 정확한 태양 추적의 이점을 강조합니다.

 

8 결론

 

8.1 결과 요약

 

연구 프로젝트는 Arduino와 서보 모터를 사용하여 이중 축 태양 추적 시스템을 성공적으로 설계하고 구현했습니다. 이 시스템은 태양의 움직임을 효과적으로 추적하여 태양 전지판이 들어오는 햇빛에 수직을 유지하도록 했습니다.

 

8.2 이 분야에 대한 기여

 

이 연구는 태양 전지판 에너지 출력을 극대화하기 위한 접근 가능하고 저렴한 솔루션을 제공함으로써 태양 에너지 분야에 기여합니다. Arduino 마이크로 컨트롤러와 서보 모터를 사용하면 정확하고 효율적인 태양 추적이 가능하여 에너지 생성이 향상됩니다.

 

8.3 향후 개선 및 권장 사항

 

추적 알고리즘을 최적화하기 위해 실시간 날씨 데이터를 통합하는 것과 같이 시스템 성능을 향상시키기 위해 추가 개선이 이루어질 수 있습니다. 또한, 내구성과 신뢰성을 높이기 위해 기계 설계를 최적화할 수 있습니다.

 

9 참고문헌

 

[1] https://www.ijert.org/dual-axis-solartrackingsystem#:~:text=The%20dual%2Daxis%20solar%20tracker,and%20horizontal%20axis%2 0%5B1 %5D.

[2] https://create.arduino.cc/projecthub/336271/arduino-solar-tracker-41ef82

[3] https://www.electronicsforu.com/electronics-projects/solar-tracking-system

[4] https://www.ripublication.com/irph/ijeee_spl/ijeeev7n6_04.pdf

[5] https://www.slideshare.net/Ecwayt/solar-tracker-with-stepper-motor-control-using- microcontrol.

 

 

참고 문서는 아래 링크를 참고하세요.

 

https://medium.com/@muhammadqasim1026/dual-axis-solar-tracker-arduino-5c6bbc6d3103

Dual Axis Solar Tracker Arduino