Система автоорієнтування сонячних панелей на базі Arduino, Raspberry Pi та Processing

Abstract

Актуальність у сучасних умовах стрімкого розвитку альтернативних джерел енергії особливу увагу приділяють використанню сонячної енергії як одного з найперспективніших та екологічно чистих ресурсів. Водночас ефективність її перетворення значною мірою залежить від точності орієнтації сонячних панелей щодо положення Сонця на небосхилі. Використання стаціонарних панелей не дозволяє повною мірою реалізувати потенціал сонячної енергії, оскільки кут падіння променів змінюється впродовж дня та року. Об’єкт дослідження: система збору сонячної енергії з використанням фотоелектричних панелей, оснащена механізмами орієнтації. Предмет дослідження: апаратно-програмне забезпечення для автоматичного орієнтування сонячних панелей на джерело світла з використанням сучасних мікроконтролерів, сенсорів освітленості та алгоритмів керування. Метою роботи є розробити автоматизовану систему автоорієнтування сонячних панелей, яка забезпечує їх точне та ефективне наведення на Сонце впродовж доби з використанням відкритих апаратних платформ Arduino та Raspberry Pi, а також програмного забезпечення Processing для візуалізації та обробки даних. Запропонована система дозволяє зменшити втрати енергії, пов’язані з фіксованим положенням панелей, і може бути адаптована для широкого спектра застосувань – від невеликих автономних систем електроживлення до освітніх та дослідницьких лабораторій. Робота поєднує сучасні підходи до енергозбереження з технологіями сенсорного управління та інтерактивної візуалізації. Зокрема, запропоновано інтегроване рішення, що включає в себе апаратну частину для управління положенням панелей та програмну частину для візуального моніторингу і налаштування параметрів у режимі реального часу. У першому розділі проведено огляд існуючих технічних рішень, проаналізовано їхні переваги та недоліки, а також обґрунтовано вибір апаратних платформ. У другому розділі описано архітектуру системи, схему з’єднання компонентів, принцип роботи сенсорів, сервоприводів і алгоритмів управління. Третій розділ присвячено розробці програмного забезпечення для візуалізації даних у середовищі Processing, налаштування параметрів роботи системи та аналізу ефективності автоорієнтування за результатами тестування. The relevance in modern conditions of the rapid development of alternative energy sources, special attention is paid to the use of solar energy as one of the most promising and environmentally friendly resources. At the same time, the efficiency of its conversion largely depends on the accuracy of the orientation of solar panels relative to the position of the Sun in the sky. The use of stationary panels does not allow the full realization of the potential of solar energy, since the angle of incidence of the rays changes throughout the day and year. This makes it urgent to create automatic guidance systems that allow dynamically adapting the position of the panels to changes in solar illumination, significantly increasing the efficiency of the system. Object of research: solar energy collection system using photovoltaic panels, equipped with orientation mechanisms. Hardware and software complex for automatic orientation of solar panels to a light source using modern microcontrollers, light sensors and control algorithms. The aim of the work is to develop an automated system for auto-orientation of solar panels, which ensures their accurate and efficient alignment with the Sun throughout the day using open hardware platforms Arduino and Raspberry Pi, as well as Processing software for visualization and data processing. The proposed system allows to reduce energy losses associated with a fixed position of the panels and can be adapted for a wide range of applications - from small autonomous power supply systems to educational and research laboratories. Its design is based on inexpensive, accessible open source components, which greatly simplifies implementation and maintenance. The work combines modern approaches to energy saving with Internet of Things technologies, sensor control and interactive visualization. In particular, an integrated solution is proposed, which includes a hardware part for controlling the position of the panels and a software part for visual monitoring and setting parameters in real time. The first chapter reviews existing technical solutions, analyzes their advantages and disadvantages, and justifies the choice of hardware platforms. The second section describes the system architecture, component connection diagram, operating principle of sensors, servos and control algorithms. The third section is devoted to the development of software for data visualization in the Processing environment, setting system parameters and analyzing the efficiency of auto-orientation based on the results of testing.