描述

背景

我從小就對太陽能追蹤器很著迷，在詹姆斯·邦德的電影《金槍人》中看到過太陽能追蹤器。如此快進 35 年，我獲得了工程學位，我說：“為什么不建造我多年來一直夢想的東西——也許減去死亡射線？”

所以前兩座（雙）塔建在那里。就像大多數雙胞胎一樣，他們有點失誤，但一切都是最好的。我自己設計/建造了這些，因為沒有針對中小型陣列的現成跟蹤器套件。跟蹤一個或兩個面板是孩子們的游戲，但是 8 個帆面積超過 9 平方米的面板是一個不同的提議，尤其是在風速超過 80 公里/小時的情況下。

這些塔位于一個工作農場，因此陣列位于離地面 5.8 米的位置，以便拖拉機和其他設備不會與跟蹤器發生碰撞。如果你是一個精明的園丁，你會發現它們位于鱷梨樹之間，鱷梨樹在它們下面確實長得更好。大面板連接到電網逆變器，小“小馬”面板驅動計算機和電子設備。沒有來自電源的寄生電源來驅動定位電機，這主要是因為在您最不可能有電源可用時需要電源在暴風雨中移動陣列。

大約六分之一的塔被埋在地下 1.2 立方米的混凝土中，配置為“禮帽”基礎。上部有兩層鋼筋網，焊接在鋼筋上，以防止柱子超過其界面處混凝土的40Mpa 限制。地基的底部是通過恰好位于地表以下 1.2 米處的巖架鍵控的。

所以快進我們有兩個很好的機制（北塔和南塔）。我們如何將它們指向太陽？聽起來合乎邏輯且簡單的光學。一開始我很高興，但后來越來越沮喪，因為很明顯陰天（SCT20 及以上）對控制器來說是一個真正的問題。他們會瘋狂地掃過天空尋找亮點，在此過程中會耗盡電機和電池。

走進我的辦公室，靈感就在地板上。在過去的 2 年里，它用氈尖筆裝飾了類似日晷的標記，這在古代用來標記季節的流逝。你在太陽正午打開辦公室的門，讀出離春分/冬至有多遠，以及陣列應該設置的確切角度。很明顯，您可以計算出太陽的位置，然后簡單地使用太陽能電池陣列“在那里”。因此，為了糾正這對雙胞胎的錯誤，我決定著手進行“東塔項目”，該項目將比前兩個跟蹤器中的任何一個大將近 50%，并且會有一臺計算機可以計算并指向太陽。

挑選董事會

剛剛幫助我兒子完成了一個涉及 Arduino 的學校項目，我對它的易用性和大量可用的庫感到驚訝，其中應有盡有！與我早期的嵌入式工作相去甚遠，用機器代碼編寫我自己的所有庫。所以我選擇了 Uno 來完成這項工作，因為它有點挑戰，擁有很多東西是件好事，但當你用喇叭將卡車裝入一個小包裹時，它真的很“熱”。我多次用完空間，這導致我更有效地重新編碼并且沒有將我懶惰的“windows”習慣帶入項目。最后，它全部裝入了微型芯片。

傳感器

所以很明顯，主要傳感器是 3 軸加速度計，用于確定哪條路是向上的。當然，這是與帶有滯后帶的太陽位置的計算值進行比較。然后電機啟動移動陣列，使目標角度在實際測量值的公差范圍內。繼電器塊用于切換電機，我玩過使用 PWM 的玩具。但是我想到了簡單性和電噪聲。整個系統由一個 7AH 12V 電池驅動，帶有一個 DC/DC 升壓器，用于為 36VDC 電機（大約 20 伏）供電。

太陽的位置

太陽的位置？在這一點上，我承認我不是天文學家，也不僅僅是想出方程式，我是從 NOAA 網站下載算法的。我在 MS windows 中做了一個概念驗證程序，它實際上是從 GPS NEMA 流驅動的，一旦成功，我將它移植到 Arduino 平臺。在初始試驗中，GPS 被一個簡單的 RTC 取代，目的是讓這個裝置能夠“自我校準”并指向太陽，而無需在世界任何地方進行設置。

該算法根據 Alt 和 Az 返回值，但是我的跟蹤器/安裝類型需要偏角和時角。這很容易修復，因為它們是 Alt/Az 計算的自然副產品。這也意味著該程序可用于任何類型的跟蹤器，因為所使用的傳感器還包括一個 3 軸磁力計，以在必要時測量 Az。有一個模型展示了代碼并輸出到配置為 Alt/Az 安裝的兩個伺服系統，這有強制性的“死亡射線激光器”安裝在與陣列平面成 90 度的位置，以將太陽的位置投射到陣列的屋頂上房間。我的兒子建議我們增加激光功率，以便在他學校教室的屋頂上留下太陽痕跡，幸運的是媽媽在這一點上介入了。

小型計算機的 GUI

現在有了傳感器和方程式，就需要一個 GUI。帶有 i2c 背包的 2004 液晶顯示器提供了這一點。該程序最終有 25 個屏幕用于設置和診斷，從設置時間到調整跟蹤模式和角度等所有內容。對于輸入，我選擇帶有集成按鈕的旋轉編碼器，事后看來這不是最佳選擇。我認為帶觸摸輸入的 LCD 屏蔽會更簡單，更適合這項任務。陀螺儀外殼中有一個“肉球”顯示器，可讓您查看陣列偏離目標的距離以及跟蹤器是否正在移動以糾正問題。這有點奢侈，進一步證明了我對 Arduino/eBay 的依賴越來越大。

I2C 問題

I2C。在這里坦白，我知道我會在電纜長度上遇到麻煩，但無論如何我還是做了太多的“紅脖子”。在車間進行的測試看起來不錯，但在真實環境中，有許多電纜會發出所有頻率的輻射。我為 I2C 構建了一個有源終結器，但這并沒有解決鎖定問題，也沒有添加鐵氧體磁珠或弄亂太陽能充電器上的接地配置。在電機啟動并為所有執行器電機安裝緩沖器后，有一段時間不在 I2C 總線上說話很累。這個過程的有趣之處在于，我有幾個星期的太陽能跟蹤計算機，它只能在晚上運行，是的，就像一頭長著山雀的公牛一樣有用。所以最終的解決方案是德州儀器 (Texas Instruments) 的一些緩沖芯片 (P82B96)。

更多事后顯而易見的問題

塔在風中的移動被低估了，因為結果高達 3 度。原來的2度滯后很快調整為4度。在夜間實施了完全停止，因此系統不會在夜間對風等作出反應……在系統停車并進入夜間睡眠后沒有理由移動（除非刮風）。更改了程序，以便一次可以移動一個軸并支持 N/S 的 E/W 運動。

實施的低角度和高角度限制，以及不同的跟蹤方法和停車組合。兩個軸都有可選擇的停車角度。以及在“無跟蹤”模式下更改目標角度的能力。

所有這些數據都通過存儲在 CPU 內部 EEPROM 存儲器中以及將空白或老化的 CPU 初始化為安全和合理值的例程來實現非易失性。

鑒于鎖定問題，我需要一個硬件看門狗，在芯片中找到一個并以 4 秒的間隔實現它，還編程了一個備用引腳以備不時之需，還有一個外部引腳。部署必須等到我解決了硬件問題之后，否則我冒著掩蓋我遇到的 I2C 問題的風險。

該程序包含一個 Modbus 接口，允許您讀取和寫入所有主要內存位置，這樣我就可以通過藍牙編寫智能手機 GUI，并且無需使用外殼中的 GUI 即可訪問該裝置。令我驚訝的是，如果簡單地聲明為變量，內存映射會向后工作，但如果在數組中，則會向前工作。很快就解決了這個問題，因此多年來在英特爾和摩托羅拉 CPU 上的努力得到了回報。藍牙通過 Arduino 串行端口和 HC-05 藍牙模塊。

所以這一切都奏效了嗎

是的，在晴天，在補償面板輸出后，該裝置產生的能量至少與光學跟蹤器一樣多。然而，在多云的日子里，它是一個贏家，一直在軌道上，我預計千斤頂的維護工作會減少，因為它們每天移動的絕對最小量是跟隨太陽所必需的。因此，接下來將對南北塔樓進行改裝。

但在我們走之前 - 停車

所以你白天跟蹤太陽，但晚上你應該把陣列停在哪里？

這是“一根繩子有多長”的問題之一。這是一個非常復雜的問題，我觀察和記錄的問題越多，我就越相信它需要“主動/自適應解決方案”。顯然，當陣列是扁平的時，風力可以最小化，但是如果你的渦流大小與陣列的大小差不多，它可能會根據壓力中心和重心的相對位置而顫動。這在暴風雨中很糟糕。盡管風荷載增加了，但我寧愿使用古老的水手把戲“將她指向風中”，也不愿讓陣列顫振。如果您的電池在夜間耗盡，最好在早上將其指向太陽，這樣您就可以盡快行動起來。所以所有說過和做過的事情，比如電池電壓和風速以及角度的變化（塔擺動）都應該被考慮在內），

更新（2017 年 8 月）

我仍然遇到很多“隨機”重啟的問題，這會使 I2C 崩潰。更糟糕的是，它永遠不會在晴朗的晴天這樣做。它是電池并且似乎依賴于風。無論如何，6 周前我幸運地發現它真的重置了。可能會踢自己，這絕對是太陽能調節器出了問題。我假設電機逆風啟動或電池沒電時會短暫地將設備推入關機/掉電狀態，但時間不足以完全重置所有電子設備。因此，一個新的 30A 太陽能調節器單元取代了 10A，我還沒有看到它在過去 4 周內重置過一次，包括暴風雨天氣。由于電池電量耗盡，它已經離線了幾次，但當太陽回來時（外殼關閉）似乎總是能正常啟動。

您知道他們怎么說“每個問題的內部都有另一個等待解決的問題”。好吧，一旦主計算機 100% 可靠，您就會開始注意到其他事情。機械卡住繼電器 arrhhh，可怕的小壞蛋！我買的板子上肯定只有“John West Rejected”焊接的繼電器。它們看起來與真正的優質品牌一樣，但與 Ebay 上所有便宜的東西一樣“買家當心”。唯一真正的解決方案，買一個 H 開關板（我知道它會變成這樣）。所以我已經完成了 Uno 的編程，以實現普通的舊式開/關 H 開關，該程序甚至適合相同數量的字節。我只是在等待董事會的到來。

但是我怎么能把它留在那里呢？我的意思是我有一個 H 開關和天真的 PWM 的 arduino。我怎么能不對電機進行軟啟動？

好吧……太棒了，我不敢相信所有這些都安裝在 UNO 中……我們現在有了軟啟動和回收計數器。馬達現在全速滑行，甜蜜...

計算機和軟件運行良好，RTC 以令人討厭的速度損失時間。只是還不足以讓我費心去修復它:)

PWM 軟啟動很棒，確實消除了機械上的污點。上次檢查時鋼結構沒有裂紋，對此非常滿意。

杰克可能很靈活，杰克可能很快，但杰克不夠強壯！

這個問題似乎是許多事情的組合。然而，最明顯的是遠離強風中的“可飛行”角度（0 到 16 度）。前幾周多次看到夾子滑落，但我從未在行動中發現它。我想到這是一個限位開關故障，但這意味著硬限位和軟限位都失敗了。故障千斤頂中心之間的距離比硬限制距離小很多，所以我認為這只是簡單的過載。它現在已替換為與東/西軸相同的重型千斤頂。一切似乎都很好，夾子還沒有滑落。

關于 GUI 的一點文檔

通常旋轉編碼器更改菜單.. 按下并旋轉以更改設置值。當您在保存菜單（8 和 18）上時，按住直到系統顯示它已保存數據

如果您希望將新設置閃存到 eeprom（菜單 18 - 按下按鈕），所有菜單項都需要您進行保存。這樣您就可以測試...如果您喜歡，就保存...如果您不喜歡' 然后重新啟動。

時間設置是菜單 1->7 菜單 8 是時間設置/更新 - 按下以保存回 RTC 和 arduino。當您進入菜單 1 或 7 時，顯示屏將拍攝當前時間的快照以進行編輯。這樣您就可以設置時間并在菜單 8 等待按下和同步的確切時刻，如果您愿意的話。

X 和 Y 最小/最大角度即軟限位開關（4 個菜單 19->22）

X 和 Y 滯后，即您跟蹤的準確程度。( 2 菜單 16->17)

跟蹤模式 ( 1 菜單 13 )

X 和 Y 停車角度（2 個菜單 11->12）

X 和 Y 角度偏移（2 個菜單 14->15）如果需要，這些是為了消除電路板與最終安裝的未對準。

X 和 Y 設置角度（2 個菜單 9->10）如果您將跟蹤切換為關閉，您可以在此處調高角度（有助于維護）否則這將顯示來自計算的目標角度并且實際上是只讀的。

三個菜單屏幕僅供顯示。

菜單 23 - GPS 坐標/區域 - 需要在代碼中設置這些或通過 Modbus 更改，然后通過 modbus 或菜單 18 保存

菜單 24 - 角度 - 傳感器、目標和差異

菜單 0 - 時間日期、日出、日落、Dec/AH 和 Alt/AZ

顯然，您將時鐘設置為您所在時區的標準時間。或者您可以將其設置為格林威治標準時間并使用時區 0 ...無論您喜歡什么。

更新（2018 年 9 月）

故事的第 2 部分

更新（2020 年 7 月）

風荷載問題更多。如果對之前的插孔故障有任何疑問，那么這張照片說明了一切。

我會將此與南北軸線上的問題很少的南北塔進行對比。東跟蹤器的太陽能面積為 16 平方米左右，而南北塔只有 9 個。因此，隨著尺寸的增加，風力確實會迅速失控。