Ismail Aso Abbas Mehdi Frigui Mohammed Mosa1468402/FULLTEXT01.pdf · Mehdi Frigui, Mohammed Mosa, Ismail Aso Abbas Då dagens energi till större andel kommer från fossila energikällor

MAT-VET-F 20029

Examensarbete 15 hpSeptember 2020

Konstruktion av en solföljare

Ismail Aso AbbasMehdi FriguiMohammed Mosa

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Konstruktion av en solföljare

Mehdi Frigui, Mohammed Mosa, Ismail Aso Abbas

Då dagens energi till större andel kommer från fossilaenergikällor som har väldigt stora klimatavtryck så har under desenaste åren förnyelsebara energikällor fått alltmer uppmärksamheti takt med att dessa energikällors produktionskostnader minskatsamt att de blivit mer energi. Till förnyelsebara energikällor hörbland annat solceller ett sätt som dessa har gjorts merenergieffektiva på är genom att få dessa följa solen under dagenoch därigenom fått namnet solföljare.

I denna rapport beskrivs solceller och solföljare, Dessutomdesignas och konstrueras en solföljare utrustad med 4 LDRsensorer, för att jämföra den med en statisk solcell. Med hjälp aven microcontroller (arduino) som får insignal från LDR-sensorerna.Utifrån denna skickas viss utsignal till två elmotorer, sommöjliggör rörelse i vertikal och horisontal led. Konstruktionensom dessa elektriska komponenter satt på bestod av 3D-trycktadelar som var så tunna som möjligt men ändå hållbara. Anledningenär att sänka produktionskostnaderna samtidigt som den ger en högreeffekt. Olika servomotorer testades men SG90 passade bäst eftersomden hade liten förbrukning jämfört med andra och ett lägre pris.

Sedan jämfördes den utvecklade effekten för tre olika fall, vilkaär då den har en, två och inga frihetsgrader. Detta resulterade iatt för varje ökad frihetsgrad ökade den utvecklade effekten medca. 20%. Det bästa resultatet erhölls då solföljaren hade tvåfrihetsgrader, vilket gav en en procentuell ökning på 44,4%relativt en statisk solcell (inga frihetsgrader).

Tryckt av: Uppsala Universitet, UppsalaISSN: 1401-5757, MAT-VET-F 20029Examinator: Martin SjödinÄmnesgranskare: Martin SjödinHandledare: Uwe Zimmermann

Populärvetenskaplig sammanfattning Solpaneler omvandlar solljuset till elektricitet, och har många fördelar av vilka är att energikällan är förnybar. Solpaneler kan användas på fast konstruktion eller på en roterande som detta projekt undersöker. Eftersom mängden energi som träffar jorden av solstrålningen är enorm, är det viktigt att kunna utnyttja den på bästa möjliga sätt. Elproduktionen i Sverige hamnade på 164 TWh under 2019, av vilken sol elproduktionen svarade mot 0.24 %. I det här arbetet har solpaneler, vilka applikationer de har, hur de fungerar och hur energiproduktionen skiljer sig mellan statiska solpaneler, solpaneler som följer solen i den horisontella axeln och solpaneler som följer solen i två axlar, undersökts. Den årliga solinstrålning i W/m^2 skiljer sig över hela Europa. Solinstrålning vinkeln i Sverige är 58% söderut, vilket betyder att solcellerna genererar mer energi när de är orienterade 58% söderut för att få den maximala strålningen.

Solpaneler med sensorer som vänder sig mot solen (solföljare) kommer automatiskt att öka den genererade solel. Priset på en solföljare är säkert högre än solpaneler som är stadiga men det kommer förmodligen att följa trenden av prisminskning som stadiga solsystem har. Priset för solcellssystem har förändrats med tiden. Under de senaste 20 åren har priset sjunkit till 10% av ursprungspriset i början av 70-talet. Solceller har också olika typer monokristallina, polykristallina och tunnfilmer. De har olika egenskaper och effektivitet.

Resultatet är en prototyp av en solföljare som konstruerat av mekaniska delar med hjälp av olika elektriska komponenter, en mikrokontroll (Arduino nano) som programmerats med hjälp av Arduino mjukvara, och två servomotorer. Denna prototyp kan utvecklas vidare till en mer avancerad produkt. Tre tester utfördes på solföljaren: solföljaren utan rotation(fast monterad solpanel), solföljaren som rotera endast horisontellt och solföljaren som roterar fritt i två axlar. Effekten av de tre tester mättes och jämfördes. En solföljare med en horisontell rotation gav en ökning på 24.6 % och samma solföljare med rotation kring två axlar gav en ökning på 44.8 %, relativt effekten som fås från den monterade solpanelen.

Tack! Vi tackar Uwe Zimmermann för hjälpen och stöden vi fick under projektets gång samt materialen som samlades ihop av Uwe och användes för konstruktionen. Vi tackar även för de 3D printade delarna som Uwe skrev ut från sin privata 3D-printer. Vi tackar även våra examinatorer Martin Sjödin och Ken Welch för överseende på de förseningar och ändringar av projektet som har skett pga av covid-19 spridnings problem.

1

Innehållsförteckning Innehållsförteckning 5

1 Introduktion 6 1.1 Bakgrund 6 1.2 Syfte 7

2 Teori 7 2.1 Solcell 7

2.1.1 Historia 7 2.1.2 Elproduktionen 8 2.1.3 Instrålning och självförsörjning 8 2.1.4 Solindex 10 2.1.5 Prisutveckling 11 2.1.6 Typer av solceller 11 2.1.7 Hur fungerar solceller? 12

2.2 Solföljare 14

3 Metodbeskrivning 16 3.1 Komponenterna 16

3.1.1 Arduino hårdvara och Arduino mjukvara 16 3.1.2 Servomotor 17 3.1.3 Ljussensor 18

3.2 Praktisk konstruktion 19

3.3 Elektrisk konstruktion 20 3.4 Jämförelse av de olika typerna 20

4 Resultat 21

5 Diskussion 22 5.1 Möjliga förbättringar 23

6 Slutsatser 24

Appendix 25 Arduino kod för den statiska 25 Arduino kod för den enaxliga (vertikal rotationsaxel) 25 Arduino kod för den dubbelaxlade 27

8 Referenser 30

2

1 Introduktion

1.1 Bakgrund Solceller är en av de mest fascinerande uppfinningar ty dessa förvandlar energi från ljus (fotoner) till elektricitet (rörelse av elektroner). Fördelarna av denna teknologi är att den är förnybar och källan/resursen är kostnadsfri, förvandlingsprocessen är tyst, utsläppet är minimalt förutom det som uppstår vid tillverkningen och dessutom kräver anläggningar minimalt underhållsarbete och är hållbara i längden (ca 25 år). Dock går det att argumentera att solceller förändrar landskapsbilden och tar relativt stora ytor i anspråk. Solpaneler kan användas på fast konstruktion eller på en roterande konstruktion som följer solljuset, solföljare. Solföljaren kan svänga både 360 grader i sidled och 180 grader i höjdled. På så sätt fås högre ström eftersom strömmen är proportionell mot ljusintensiteten. Bland de viktiga komponenter som behövs för att bygga en sådan solföljare är data eller en mikrokontroller och två motorer för att låta solpanelerna röra sig mot solen. Mikrokontrollern ska styra rörelsen av solpanelerna. I detta projekt användes hårdvaran Arduino nano och mjukvaran Arduino software för att programmera mikrokontrollern. Arduino software är en en öppen källkods-elektronikplattform för Windows, macOS and Linux. Den är skriven i några funktioner från C eller C ++. Det används för att programmera Arduino mikrokontroll så att mikrokontrollern kan utföra vissa uppgifter. Arduino hårdvara och mjukvara är lättanvänd. Arduino-kort kan läsa ingångar från exempelvis en sensor eller ett Twitter-meddelande och förvandla det till en utgång för att exempelvis aktivera en motor, slå på en lysdiod eller publicera något online. Arduino har många applikationer: den används för att bygga billiga vetenskapliga instrument, för att bevisa kemi- och fysik principer eller för att komma igång med programmering och robotik. Arkitekter bygger interaktiva prototyper, musiker och artister använder den för installationer och för att experimentera med nya musikinstrument [10].

3

1.2 Syfte Detta projekt handlar om att undersöka solpaneler och konstruera ett roterande system av dessa, så att den producerade energin blir optimerad. Målet med detta projekt var att undersöka hur solceller fungerar, vilka applikationer som man kan göra med dem, och på vilket sätt vi kan optimera solpaneler så att vi får högsta möjliga elektriska effekt. Närmare bestämt gick undersökningen ut på att låta solpanelerna följa solen i 180 grader i höjdled, samt i 360 graders rörelse i sidled genom att konstruera en solföljares prototyp. För att kunna avgöra på vilket sätt man kan optimera energiproduktionen av solpaneler, undersöktes följande frågor:

● Hur fungerar solceller och vilka applikationer har solceller? ● Hur kan vi optimera energiproduktionen av solpaneler? ● Hur skiljer sig energiproduktionen för statiska solpaneler, solföljare med vertikal

rotationsaxel och dubbel axliga solföljare?

2 Teori

2.1 Solcell

2.1.1 Historia

Årligen träffas jorden av solens solstrålning som motsvarar 4.4 miljoner EJ . Denna mängd energi är ca 10 000 gånger större än jordens energibehov. Strålningen reflekteras i atmosfären och värmer upp jorden genom växthuseffekten, växter får solljuset som behövs för fotosyntesen och människor genererar elektricitet av den. 20% av energin absorberas av vattnet som förvandlas till moln och orsakar regn som i sin tur skapar åar. Åar är essentiella för vattenverk. Solstrålarna skapar skillnader i temperatur på olika geografiska områden detta bidrar till tryckskillnader i atmosfären och som resultat utav det skapas vind som kommer till användning i vindkraftverken.

Oljekrisen satte fart på energieffektiviseringen och efterfrågan på förnybar energi. Studier inom solenergi, vattenkraft, och vindkraft sattes i gång för att ersätta oljekonsumtionen med miljövänliga resurser. Solcell är ingen ny teknik, faktumet är att den kan spåras tillbaka till 1839 när Edmond Becquerel uppfann första solcellen i ett laboratorium. Genom åren har denna produkt utvecklats och effektiviserats. Resultatet har blivit att priserna har sjunkit, utrymmet har minskat och effektiviteten har ökat och Idag är solceller tillgängliga för alla ifall man skulle vilja installera en på taket av sitt hus [1].

4

2.1.2 Elproduktionen

Elproduktionen i Sverige under 2019 hamnade på 164 TWh. Vattenkraft och kärnkraft svarade för 39 % varsin av den totala elproduktionen. Vindkraften svarade mot 12 %, kraftvärmen svarade mot 9 % och sol elproduktionen svarade mot 0.24 %. Enligt Energimyndighetens statistik 2017 hade Sverige en installerad effekt på 230 MW solel. Under 2018 ökade den installerade effekten till 410 MW vilket motsvarar en ökning med 78 %. Denna ökning kommer troligen att fortsätta öka i de kommande åren. Anledningen till den stora ökningen av installerad solel effekt är de fallande priser för solceller och det ökade intresset för solenergi [2].

2.1.3 Instrålning och självförsörjning

Solinstrålning är mängden energi som träffar en viss yta i form av ljus. Detta mäts i enheten W/m^2. Resultatet över ett område redovisas i form av en karta med olika färger. Där varje färg motsvarar ett visst intervall av instrålnings styrka. Atmosfären är en stor faktor som påverkar instrålningen. Innan ljusstrålarna tränger sig genom atmosfären mot jorden så ligger instrålningen på ca 1400 W/m^2. Vid jordytan är detta värde lite mindre ty moln, dimma, föroreningar i luften och energi absorptionen i atmosfären reducerar värdet. Instrålningsvinkeln skiljer sig beroende på geografisk placering. I Sverige är denna vinkel 58% söderut (S). Detta innebär att instrålningen är maximal vid denna vinkel. Alltså genererar solcellerna mer energi när de är orienterade 58% S [3]. Den årliga instrålningen skiljer sig över hela Europa (figur 1), vilket påverkar återbetalningstiden. Energi återbetalningstiden är tiden det tar för en solcell att generera lika mycket energi som det gick åt för dess tillverkning.

5

Figur 1: figuren visar hur den årliga instrålningen ser ut över hela Europa. En solcellsanläggning vid norra Italien kommer alltid att generera mer elektricitet än samma solcell placerad i norra Sverige. Detta medför att energi återbetalningstiden i anläggningen i Italien kommer att vara kortare.[16]

Figur 2: figuren visar en schematisk bild över hur förbrukningen av el och genererad solel ser ut över ett dygns intervall.

6

I figur 2 kan man se hur genererad solel ser ut över ett dygns intervall. Den rosa linjen som består av Q2, Q3 och Q4 är byggnadens elförbrukning som är vanligtvis konstant. Den genererade solel är Q1 och Q3. Varav Q3 hamnar direkt i byggnaden. Det som är över (Q1) kan lagras om möjligt.

En solcell med sensor som vänder den mot solen kommer automatiskt att öka den genererade solel. Analytiskt kommer arean av kurvan Q1 och Q3 att öka vilket medför att förbrukningen av inköpt el minskar samtidigt som mängden lagrad el också ökar.

2.1.4 Solindex

I samband med instrålning brukar det talas om solindex., vilket är ett mått på mängden energi som kan genereras ifall alla hus i ett visst område/land hade utnyttjat solenergin. Enligt Vattenfall skulle Sverige kunna utnyttja 11,7 TWh solenergi under 2018, vilket hade täckt samtliga villors årliga elkonsumtion inom Stockholm, Halland och Östergötland. I tabell 1 kan man se solindex inom olika län i Sverige, och i Uppsala län är den lika med 38.6 W/m^2.

Dalarnas län 41,6 (958) Södermanlands län 32,5 (998)

Hallands län 47,1 (1006) Uppsala län 38,6 (1032)

Jönköpings län 46,0 (1005) Värmlands län 39,3 (984)

kalmar län 38,5 (1056) Västra Götalands län 194,5 (1052)

Stockholms län 140,4 (956) Östergötlands län 52,9 (1062) Tabell 1: tabellen visar solindex inom olika län. Talet inuti parentesen är solinstrålningen i området. Det andra talet multipliceras med 10^7 kWh och svaret blir mängden energi som hade kunnat genereras ifall hela länen använde sig av solceller [4].

7

2.1.5 Prisutveckling

Figur 3: Figuren visar hur priset för solcellssystem har förändrats med tiden. Under de senaste 20 åren har priset sjunkit till 10%. [17]

I figur 3 syns en så kallad ”learning curve” vars uppgift är att uppskatta priset för solceller vid en given tidpunkt i framtiden med hjälp av olika parametrar som input parameter till exempel Silikon priset, investeringar, arbetskraft osv. Anledningarna till förändring i figur 3 är det globala ökade intresset av solenergi samt att tillverknings tekniken utvecklades och företag ökade sin produktion betydligt mycket. Utvecklingen av tunnfilmstekniken i början av 2005 tillförde ett massivt flöde av investeringar inom solcellstekniken vilket medförde lägre priser. Den anpassade ”learning curve” som syns i figuren är utförd av den Europeiska kommissionen och har en noggrannhet på 80 % [5].

2.1.6 Typer av solceller

Solcellernas huvudsakliga uppgift är att förvandla energin i solstrålarna som den fångar upp till elektricitet som går att använda på en gång. Utvecklingen av solcellstekniken har gett uppkomst till olika typer av solenergisystem. I denna rapport kommer det endast att diskuteras om traditionella solceller vilket kommer i tre olika former/ typer. Dessa typer är monokristallina, polykristallina och tunnfilmssolceller. De olika typerna skiljer sig åt med deras egenskaper som diskuteras nedan [6]:

Monokristallina solceller är den första typen som utvecklades utav de tre ovannämnda typerna. Solcellen består till det mesta av kisel. Tillverkningsmetoden är det som skiljer

8

monokristallina- från polykristallina solceller. Solcellen består av en kontinuerlig kisel kristallstruktur. Detta medför att effektiviteten hamnar på intervallet 19–20%.

Polykristallina solceller är en nyanserad version av den första typen dock med lägre effektivitet på 16–17%. Detta beror på att under tillverkningen delas kiselkristaller till mindre delar som smälts för att format skivorna som ingår i solceller. Fördelen är att tillverkningspriset sjunker. Dock kan man argumentera att 100W polykristallina solceller tar mer plats än Monokristallina solceller. Men det som kännetecknar både typerna är uthålligheten och livslängden som ligger på ca 25 år. Siffran kan skilja sig beroende på tillverkare. För tillfället används mono-och polykristallina solceller mest utav alla tre typerna.

Tunnfilmer är en typ som fortfarande är under utveckling. Av alla tre typerna har denna lägst effektivitet på intervallet 10–16% och lägsta förväntade livslängd på 10 år. Eftersom denna typ fortfarande är under utvecklingsfasen så förväntas siffrorna att ändras inom kommande åren. Tunnfilmer kommer i två typer, nämligen CIGS och CdTe där skillnaden är materialen som cellen är uppbyggd utav. Fördelen med tunnfilmssolceller är flexibiliteten dessutom är det enkelt att montera dem på taket och väggar.

2.1.7 Hur fungerar solceller?

Solceller är p-n övergångar som är konstruerade för fotovoltaisk (PV) elproduktion. De fungerar som en framspänd p-n övergång. Strålning från solen kommer in i halvledarens p-n övergång och alstrar elektron hål par, som kan strömma genom en extern krets och tillhandahålla elektrisk kraft. Kisel är det viktigaste PV-materialet, men alla halvledare fungerar på liknande sätt [8].

För att sätta elektronerna i rörelse mot rätt håll och orsaka en ström används en PN-övergång. PN övergång innebär att en halvledare, i detta fall kisel som är positivt-dopad kommer i direkt kontakt med en kisel som är Negativt-dopad. Positivt dopad innebär att en halvledare har många hål som har en positiv laddning och få mobila elektroner, medan negativt dopad betyder att en halvledare innehåller många mobila elektroner som har negativ laddning och få hål. Framspänd innebär att P-området i p-n övergången är ansluten till ett batteris pluspol och N-området till batteris minuspol i kretsen, vilket resulterar i en netto ström leder från P-området till N-området. Området vid kontaktytan kallas för gränsområdet (utarmningsområdet) och här bildas det en potentialskillnad som kan rikta elektronerna i p-delen genom ett motstånd, lampa eller komponent till n-delen och på så sätt orsakas ett strömflöde.

Ljus som kommer in i p-n övergången och når utarmningsområdet av solcellen genererar elektronhålpar. De genererade minoritetsbärarna (elektronerna i P delen eller hål i N delen av p-n övergång) kommer att komma över utarmningsområdet och in i n- och p- regionerna som

9

majoritets bärare. Elektronerna kommer över utarmningsområdet in i n-delen och bli majoritetsbärare i just den del, och hål kommer över utarmningsområdet in i p-delen och bli majoritetsbärare i denna del. Bärarflödet kan förklaras med ett band diagram [8]. Banddiagrammet av en solcell kan man se i figur 4, där visas de genererade elektron hål paren som driver över utarmningsområdet.

Figur 4: Figuren visar hur banddiagrammet av en solcell fungerar, där riktningarna för bärare flödet visas.[18]

Det är avgörande att minimera laddningsrekombination, dvs att minimera antalet elektroner som rekombineras till hål, så att bärarna kan leverera den tillgängliga energin till den externa kretsen. Rekombination resulterar i värmeproduktion. Egentligen måste minoritetsbärare i p-delen som är elektroner komma över utarmningsområdet och bli majoritetsbärare i n-delen, och vice versa gäller för hål i n-delen .Detta innebär att elektroner och hål blir majoritetsbärare på motsatt sida av utarmningsområdet. Om de genereras och rekombineras på samma sida av utarmningsområdet kommer de inte att bidra till strömflödet [8].

Det finns två mekanismer som skapar laddningsbärarrörelser, dvs rörelser av elektroner eller hål, i en halvledare [10]:

● Drift: rörelsen orsakad av ett elektriskt fält. ● Diffusion: rörelsen orsakad av bärarnas koncentrationsskillnad. Nettobärarrörelsen är

strömmen.

Solljuset, det vill säga fotoner är masslösa energipartiklar som kan omvandlas till värme eller elektricitet med hjälp av solceller. När fotoner med rätt energi träffar en elektron så kan elektronen exciteras. Detta beror på att fotonen absorberas varvid dess energi konsumeras. En

10

del av energin används för att övervinna bandgapsenergin, och den andra delen för att sätta elektronen i rörelse.

För att effektivt kunna generera elektronhålpar i en solcell måste ljus nå övergången och absorberas effektivt. Total energi bevaras under absorptionen. Fotoner har energi enligt ekvation 1:

(1)

Där h är Plancks konstant, f är frekvensen och är fotonens våglängd. Fotonens energi måste vara minst lika stor som halvledarens bandgap.

2.2 Solföljare Solpaneler producerar mest energi då panelen bildar en rät vinkel mot solstrålarna. Med tanke på att solen rör sig från öst till väst under en dag så går en stor del av energin från solen om miste då en solpanel inte rör sig under dagen för att matcha solens rörelse under dagen. Denna energiförlust skulle kunna åtgärdas om man skulle kunna få solpanelen att vända sig mot solen så att den hela tiden försöker bilda en rät vinkel mot solstrålarna. En sådan konstruktion finns idag och kallas för solföljare, vilket den fått från sin egenskap att följa solen under dagen [13]. Trots att solföljare genererar ca 40 % mer energi än en statisk solpanel så påstås det att solföljare inte är bättre än statiska solpaneler ur ett ekonomiskt perspektiv, pga. att den kostar dubbelt så mycket. Alltså för samma pris kommer man ha genererat 60 % mer elektrisk energi på en bekostnad av att man tar upp dubbelt så stor yta som solföljaren gör [14]. Solföljare kategoriseras med hjälp av två parametrar, hur de drivs och deras rotationsaxel. När det gäller kategorisering med hänsyn till hur de drivs finns det tre typer, dessa tas upp nedan: Manuella följare: Denna typ ställer in sig efter solens position genom att personal successivt justerar solföljaren så att den anpassar sig till solens position. Denna typ är inte bra om arbetskraft kostar mycket, vilket den gör i industriländer. Denna typ är endast användbar i utvecklingsländer där arbetares löner är låga Passiva följare: Denna typ använder en vätska med låg kokpunkt. Då denna vätska exponeras för solljus kommer den att förångas. Därigenom kommer en obalans att råda, vilket kommer att leda till att solföljaren lutar sig mot solljuset. Denna typ har som fördel att de behöver få rörliga delar samt ingen elektrisk energi för att röra sig jämfört med aktiva solföljare.

11

Aktiv följare: Denna typ kännetecknas av att de behöver något som driver deras rörelse i form av elektriska motorer eller hydrauliska cylindrar [14]. Vid kategorisering med hjälp av rotationsaxel brukar de delas in i två större grupper enaxliga och dubbelaxliga. Till de enaxliga hör horisontella, vertikala och tiltade. Dessa tas upp nedan: Horisontella: det framgår av namnet att dessa har en horisontell rotationsaxel relativt marken. Alltså den följer solen då den stiger och faller under dagen och dess rotationsaxel är riktad mot norr/söder. Dessa är mest lämpade för områden med låg latitud. Den enkla geometrin hos dessa ger upphov till att man kan ha flera solpaneler uppradade på en och samma rotationsaxel. För att optimera energiproduktionen i förhållande till kostnaden ska man ta hänsyn till mellanrummet mellan varje rad av dessa så att vissa paneler inte hamnar i skugga av andra under dagen. Det bör även tas hänsyn till terrängen för att optimera detta. Vertikala: Till skillnad från den horisontella så har denna en vertikal rotationsaxel. Detta för att solpanelen ska kunna rotera från öst till väst och på så sätt följa solens rörelse under dagen. I motsats till den horisontella så är denna typ mer lämpad till områden med hög latitud. Dessa är inte lika mycket använda då rörelsen medför komplikationer vid en storskalig implementation av dessa i ett fält. Dessa komplikationer medför att man måste ta hänsyn till att panelerna inte är för nära varandra för att undvika krockar mellan paneler samt att paneler inte hamnar i skugga. Tiltade: dessa kan ses som ett mellanting mellan de två tidigare typerna. Lutningen på dessas rotationsaxel är begränsad, för minska vindens påverkan så att de inte går sönder samt minska deras högsta höjd då man inte vill att paneler ska hamna i skugga. Dubbelaxliga: Dessa har till skillnad från de tidigare nämnda typerna två frihetsgrader. Denna typ kan ses som en kombination av horisontella och vertikala då den har båda rotations axlarna. Detta leder till att panelen kan följa solen med högre precision. Alltså dessa kan se till att hela tiden ha panelen vinkelrät mot solstrålarna hela tiden. Nackdelen med denna typ är om man ska implementera dessa storskaligt så tar de upp en stor yta jämfört med de tidigare typerna då man behöver ta hänsyn till att inga solpaneler ska hamna i skugga eller krocka med en annan [15].

12

3 Metodbeskrivning För att svara på projektets frågor följde vi vissa steg:

● Att samla in data om bland annat solpaneler, mikrokontroller, och olika typer av solföljare.

● Sedan undersökte vi hur solföljaren skulle kunna fungera när det gäller den mekaniska konstruktionen och den elektriska konstruktionen. Efteråt fick vi de mekaniska komponenterna skrivna med en 3D skrivare med hjälp av handledaren, Uwe Zimmermann.

● Att bygga konstruktionen och att undersöka om den elektriska konstruktionen, den mekaniska och servo motorerna skulle kunna utföra förväntade uppgifter.

● Vi skrev en fungerande kod för Arduino-mikrokontrollern. Vi testade systemet som helhet, diskuterade några fel som löstes sedan. Till slut utförde vi tre tester av solföljaren: fastmonterad, horisontell rotation och rotation kring två axlar, och mätte den utvecklade effekten.

3.1 Komponenterna

3.1.1 Arduino hårdvara och Arduino mjukvara Arduino hårdvara och Arduino mjukvara användes för att låta solpanelerna följa solljuset. Arduino hårdvara var Arduino nano som har processor AImega328, vilket man kan se i figur 5. Den har olika kopplingspunkter för input och output av signaler.

Figur 5: figuren visar arduino nano som användes för att styra solpanelerna och låta dem följa solljuset.

Att programmera Arduino är inte så svårt. Det liknar Java och C programmeringsspråk när det gäller att deklarera variabler eller att ha en loop i koden. Arduino program har däremot två delar:

13

● void setup(){...}: med vilken man kan göra setup för Arduino; allt som görs en enda gång, exempelvis vilka kopplingspunkter som är output och vilka som är input.

● void loop(){...}: med vilken man kan skriva kod i en loop. Med hjälp av några instruktioner kan man skicka signaler till input och output av Arduino och kontrollera externa elektriska scheman. Vilka kopplingspunkter som är input respektive output kan deklareras i början av programmet som global variabler. Inne i void setup eller i void loop kan man ha lokala variabler. After kod skrivning kompilerar och sedan laddar man upp koden till Arduino hårdvaran [11].

3.1.2 Servomotor

Servomotor är ett motorsystem med en slags återkoppling, där en del av utsignalen kopplas tillbaka till insignalen för att få det exakta läget/hastigheten som önskas. Det vill säga att det som skiljer en vanlig DC motor från en servomotor är egenskapen att kunna styra den för att rotera i en exakt frekvens eller vridas en viss vinkel.

Servomotorer styrs av s.k. styrsystem, ett exempel är fjärrkontroller för radiostyrda bilar och flygplan, men det kan lika gärna vara ett programmerat system som talar om för den när/hur/var den ska rotera.

I detta projekt skulle solcellen kunna rotera 360 grader kring sin axel i y-leden för att följa efter solen från soluppgång till nedgång. Dessutom ska den kunna rotera 90 grader runt x-axeln. Två servomotorer krävdes för vridning runt axlarna. Typen som används är SG90 som man kan se i figur 6.

Figur 6: figuren visar visar SG90 microservo som användes för att låta solpanelerna rotera i 90 grader upp och ner, och även i 180 grader i sidled, för att hela systemet skulle kunna följa solljuset.

14

3.1.3 Ljussensor

Ljussensorn som används i detta projekt är fotoresistorer och som även kända som LDR, vilket står för Light Decreasing Resistance. Sensorn är en elektrisk komponent som tillhör familjen resistorer ty dess funktion är att ändra sin resistans beroende på den inkommande ljusintensitet som träffar ytan. Ju högre ljusintensiteten är desto lägre blir resistansen och vice versa. Tack vare denna egenskap så används fotoresistorer som ljussensorer. I grund och botten exciteras elektroner då de träffas av fotoner med rätt energi vilket ökar konduktiviteten hos fotoresistorn.

För mörka miljöer kan resistansen för en LDR öka ända upp till flera mega ohms och i ljusa miljöer kan denna sjunka ner till ett par hundra Ohms. Det stora intervallet ger stort utbud på data som används för att få noggranna och tillförlitliga värden. Fotoresistorer används exempelvis i gatubelysning som tänds så fort det är mörkt och släcks när det har blivit tillräckligt ljust på dagen.

PDV-P8001 är namnet på fotoresistorns som användes i detta projekt. En fotoresistor behövdes för varje riktning, vilket summerar det upp till totalt 4 st. Dessa placerades i hörnen av den delen som solpanelen satt för att kunna känna av ljusintensiteten i varje riktning. De kommunicerade med Arduino genom att skicka signal till Arduino om vilket håll systemet skulle vrida sig.

15

3.2 Praktisk konstruktion Med implementering av teorin för solceller, studerande av olika designs på solföljare och med hjälp av programvaran CAD designades de olika delarna som bidrar till solcellens mekanism. Dessa delar redovisas och beskrivs nedan. Huvudsaken är att en motor är placerad på den nedre delen för att möjliggöra rotationen i horisontella planet och den andra motorn är placerad längre upp i konstruktionen för att tillåta panelen att tilta upp och ner. Konstruktionen skall kunna rotera i två frihetsgrader.

Figur 7 visar basen för konstruktionen. Formen i mitten är anpassad efter servomotorer huvud som skall rotera. De ytterligare fyra hål är 3D printade för att fästet ska kunna skruvas fast inom trä för mer stabilitet vid test. I figur 8 ser man den del som rymmer en av servomotorernas kropp. Delen som sticker ut är formad efter den andra servomotorer huvud som styr solpanelens vinkel. Arean av solpanelen är mindre än den platta delen i figur 9 för denna ska även rymma 3D printade delen för solsensorerna.

Figur 7: figuren visar basen för konstruktionen. Alltså motorfästet för den första motorn.

Figur 8: figuren visar andra delen av konstruktionen som kommer rymma den första motorns kropp.

Figur 9: Den andra servomotorn ska hållas fast av de tre ihåliga pelarna och på nedre sidan av denna del, alltså den platta sidan som riktar nedåt ska solpanelen limmas fast.

16

3.3 Elektrisk konstruktion

Ovan syns kretsen, den schematiska bild av solföljaren. Konstruktionen är simpel i sig och kan delas in till tre delar med varsin funktion, nämligen fotoresistorer, Arduino nano och servo motorerna. LDR-resistorerna monteras ovanför solpanelen och servo motorerna enligt den mekaniska konstruktionen ovan. Varje LDR-resistor ansvarar för någon av följande väderstreck, nord, syd, öst eller väst.

För rotation kommer resistansen att jämföras från två motsatta LDR-resistorer, ju mer belysning desto mindre resistans. Informationen kommer förs in Arduino nano via ingångarna A0-A3 som senare tolkas till elektriska signaler som skickas vidare via utgångarna D8 och D9. Slutligen roterar servomotorn i ljusets riktning, alltså mot LDR-resistorn med minst resistans. På så sätt navigerar sig solföljaren alltid mot solens/ljusets position.

3.4 Jämförelse av de olika typerna

För att kunna jämföra energiproduktionen hos en statisk solpanel, en solföljare med vertikal rotationsaxel och en dubbelaxlig solföljare så användes den slutgiltiga konstruktionen presenterad i resultat delen. Koderna som användes för varje del finns i appendix. För den statiska så sattes en önskad vinkel för servo motorerna som inte ändrades. Hos den enaxliga så var det enbart den vertikala axel som rörde sig och den dubbelaxliga så var det både den vertikala och den horisontella axeln som rörde sig. Vid jämförelsen så var det den genererade effekten som mättes vilket gjordes genom att först mäta spänningen över solcellen sedan den genererade strömmen. slutligen multipliceras dessa storheter med varandra för att få fram den genererade effekten för solcellen vid det tillfället då mätningarna gjordes. Alltså effekten Erhölls från ekvationen nedan

(3)P = U · I

17

För varje typ så mättes denna effekt 3 gånger med samma tidsintervall. Tidsintervallet mellan varje mätning var 10 minuter.

4 Resultat Den färdigmonterade solföljaren blev enligt figurerna nedan där man kan se självaste solföljaren och hur den är uppkopplad.

Figur 10: i figuren ovan syns den färdigmonterade solföljarens utseende.

Figur 11: I figuren ovan syns den färdiga solföljarens kretsuppsättning

Nu när konstruktionen var klar så återstod det enbart att jämföra olika typerna med varandra enligt avsnitt 3.4 i denna rapport. Nedan redovisas resultaten för de tre olika tester som utfördes sammanförda i tabeller 2, 3 och 4. Samtliga test har utförts tre gånger för bättre noggrannhet.

1. Första testet handlade om låta solcellen stå fast monterad och mäta den utvecklade effekten. I tabell 2 kan man se hur mycket effekt vi fick när vi hade en statisk solpanel. Effekten man får är index 100, dvs resultaten från andra test skall jämföras med denna och uttrycks i procent ökning/minskning.

2. I andra testet får solföljaren en vertikal rotationsaxel dvs endast botten servomotorn får arbeta. Effekten mättes och antecknades i tabell 3 för samma solföljare med horisontell rotation. Den procentuella ökningen, relativt första testet, var 24,6%.

3. På tredje testet skulle solföljaren rotera fritt med hjälp av både servo motorerna, dvs en dubbelaxlig solföljare testades. Tabell 4 visar resultatet vi fick när vi hade samma solföljare fast med rotation runt två axlar. Den procentuella ökningen, relativt första testet, var 44,8%.

18

Test 1: Statisk solpanel

Försök 1 Försök 2 Försök 3

Effekt [mW] 0,032 0,029 0,030

Tabell 2: Tabellen visar den utvecklade effekten av tre försök. Medelvärdet blir 0.0313 mW vilket är vår referens till de två kommande mätningar.

Test 2: Solföljare med vertikal rotationsaxel

Försök 1 Försök 2 Försök 3

Effekt [mW] 0,041 0,037 0,039

Tabell 3:Tabellen visar den utvecklade effekten av tre försök. Medelvärdet blir 0.039 mW vilket motsvara en ökning med 24,6%.

Test 1: dubbelaxlig solföljare

Försök 1 Försök 2 Försök 3

Effekt [mW] 0,046 0,043 0,047

Tabell 4:Tabellen visar den utvecklade effekten av tre försök. Medelvärdet blir 0.0453 mW vilket motsvara en ökning med 44,8%.

5 Diskussion När vi programmerade färdigt Arduino kopplade vi Arduino (tillsammans med de andra elektriska komponenterna) till ett batteri på 5 V, vilket var ett misstag, därför fungerade solföljaren inte som den skulle. Sedan kopplade vi bort batteriet från kretsen och anslöt Arduinon enbart till datorn, och då fungerade solföljaren bättre. Det var viktigt att signalen på 5 V kommer från Arduinon själv för att den ska få kontroll över de signaler som skickas eller tas emot. En annan svårighet var att säkerställa att koden matchar den elektriska kretsen. Det hände att solföljaren följde inte alls ljuset, på grund av att Arduinon och kretsen inte kunde kommunicera på rätt sätt.

En solcellskoncentrator ökar mängden ljus som samlas in av solcellen. Den används bäst i applikationer där solceller används som ljussensorer för olika kretsar snarare än elgeneratorer. Koncentratorer kan öka energiproduktionen från en solcell som är upplyst av solljus, men de är inte alltid praktiska för detta ändamål eftersom de kan leda till att cellen

19

överhettas. Parabolisk reflektor, Fresnel-lins eller andra typer av koncentratorer kan användas [8]. Solcells koncentratorer kunde ha använts för att få högre ljusintensitet på ytan av solpanelerna, vilket är en möjlig lösning under vintern då ljusintensiteten av solljuset är begränsad. Och på så sätt slipper vi att utsätta solpanelerna för överhettning som kan ske mer sannolikt under sommaren.

Resultaten som erhölls stärker det faktum att dubbelaxliga solföljare är den mest optimala typen av solföljare ur ett energiutvinningsperspektiv. Men även enaxliga solföljare presterar bättre än statiska solpaneler. Förbättringen för den dubbelaxliga solföljaren lyckas komma till liknande siffror som det teoretiska. Trots att den lyckas prestera bättre än en statisk solpanel måste hänsyn tas till andra parametrar som kostnader och yta som den tar upp.

5.1 Möjliga förbättringar

Nackdelen med solceller med en solföljare i jämförelse med traditionella solceller är priset för den tillsatta utrustningen, vilket gör det svårare att investera i solföljare ty dessa kräver större startkapital dessutom är återbetalningstiden lite längre än dem vanliga. Dock genereras mer ström under den uppskattade livslängden. Det faktum att solföljare är dyra i dagsläget gör att investeringarna i solenergi riktas åt förbättring av effektiviteten mer än utvecklingen av den nya tekniken. Däremot har intresset för solföljare ökat vilket kommer möjligtvis resultera i att prisutvecklingen kommer se likadan ut som den gör för solcellerna i , vilket framgår i Figur 3. Dock är inget bekräftat eller skrivet i sten.

En möjlig förbättring som kan utföras för att minska kostnaden för solföljare samtidigt som vi bibehåller fördelarna är att ansluta ett flertal solceller med installerade vridmotorer med en enda solsensor. Det vill säga att en solsensor skall styra en anläggning av solceller som är placerade på samma geografiska område. Eftersom solcellerna kommer vara installerade på samma yta så kommer deras rörelse vara identiskt även med separata ljussensorer.

Ytterligare en förbättring som kan införas är att istället för att använda solsensorer för kartläggning av ljuset så kan man studera solens rörelse och ljusets reflektion i området där solcellsanläggningen finns. Detta ska utföras många gånger för större sannolikhet. Informationen som samlas in används för programmering av solcellernas rörelse så att de riktas ditt solen skiner starkast. Metoden kommer vara effektiv eftersom solens rörelse i himlen på ett geografiskt ställe är likadant under perioder. Programmeringen kan därför behöva uppdateras ett par gånger under året. På så sätt minskas priset för solföljare samtidigt som prestationen bibehålls.

20

6 Slutsatser Mot bakgrund av det som tagits upp i teorin gällande solföljare och resultaten som erhölls under detta projekt kan vi med säkerhet dra slutsatsen att en installation av solföljare istället för statiska solpaneler kan vara lönsamt vid speciella omständigheter. Dessa omständigheter kan exempelvis vara att en enskild individ installerar ett fåtal solföljare och på så sätt blir det inte så stora problem med att vissa solpaneler hamnar i skugga och därför påverkar den gemensamma prestandan. Detta medför att en större yta än vad som behövs inte kommer att behövas. Men då man ska utföra en storskalig installation av dessa så behöver man ta hänsyn till hur man kan undvika att solföljarna hamnar i varandras skugga eller att de krockar med varandra vid rörelse.

21

Appendix

Arduino kod för den statiska #include <Servo.h> int waitTime = 10;

Servo horizontal; // horizontal servo int hServo = 180; // initial value

Servo vertical; // vertical servo int vServo = 100; // initial value

void setup() { vertical.attach(9); // attaching d9 pin to the vertical servo delay(waitTime); vertical.write(vServo); // setting the initial value for the vertical servo

horizontal.attach(10); // attaching d10 pin to the horizontal servo

delay(waitTime); horizontal.write(hServo); // setting the initial value for the horizontal servo

delay(1000); // delay of 1 s }

void loop() {

}

Arduino kod för den enaxliga (vertikal rotationsaxel) #include <Servo.h> int waitTime = 10;

Servo horizontal; // horizontal servo int hServo = 180; // initial value

22

Servo vertical; // vertical servo int vServo = 200; // initial value int vServoMax = 300; // highest degree value int vServoMin = 1; //lowest degree value

void setup() { vertical.attach(9); // attaching d9 pin to the vertical servo delay(waitTime); vertical.write(vServo); // setting the initial value for the vertical servo

horizontal.attach(10); // attaching d10 pin to the horizontal servo

delay(waitTime); horizontal.write(hServo); // setting the initial value for the horizontal servo

delay(1000); // delay of 1 s }

void loop() { int topL = analogRead(A0); // reading value from top left photoresistor

int topR = analogRead(A1); // reading value from top right photoresistor

int bottomL = analogRead(A2); // reading value from bottom left photoresistor

int bottomR = analogRead(A3); // reading value from bottom right photoresistor

int left = topL+bottomL; int right = topR+bottomR; if (left > right) { vServo = vServo + 1; delay(waitTime); }else if(left < right) { vServo = vServo - 1; delay(waitTime); }

if (vServo > vServoMax) { vServo = vServoMax;

}

if (vServo < vServoMin) {

23

vServo = vServoMin;

}

delay(waitTime); vertical.write(vServo);

}

Arduino kod för den dubbelaxlade #include <Servo.h> int waitTime = 10;

Servo horizontal; // horizontal servo int hServo = 160; // initial value int hServoMax = 180 ; // highest degree value int hServoMin = 130; // lowest degree value

Servo vertical; // vertical servo int vServo = 200; // initial value int vServoMax = 300; // highest degree value int vServoMin = 1; //lowest degree value

void setup() { vertical.attach(9); // attaching d9 pin to the vertical servo delay(waitTime); vertical.write(vServo); // setting the initial value for the vertical servo

horizontal.attach(10); // attaching d10 pin to the horizontal servo

delay(waitTime); horizontal.write(hServo); // setting the initial value for the horizontal servo

delay(1000); // delay of 1 s }

void loop() { int topL = analogRead(A0); // reading value from top left photoresistor

int topR = analogRead(A1); // reading value from top right

24

photoresistor

int bottomL = analogRead(A2); // reading value from bottom left photoresistor

int bottomR = analogRead(A3); // reading value from bottom right photoresistor

if (topL > topR) { vServo = vServo + 1; delay(waitTime); }else if(topL < topR) { vServo = vServo - 1; delay(waitTime); }

if (bottomL > bottomR) { vServo = vServo + 1; delay(waitTime); }else if (bottomL < bottomR) { vServo = vServo - 1; delay(waitTime); }

if (vServo > vServoMax) { vServo = vServoMax;

}

if (vServo < vServoMin) { vServo = vServoMin;

}

if (topL > bottomL) { hServo = hServo - 1; delay(waitTime); }else if (topL < bottomL) { hServo = hServo + 1; delay(waitTime); }

if (topR > bottomR) { hServo = hServo - 1; delay(waitTime);

25

}else if (topR < bottomR) { hServo = hServo + 1; delay(waitTime); }

if (hServo > hServoMax) { hServo = hServoMax;

}

if (hServo < hServoMin) { hServo = hServoMin;

}

delay(waitTime); vertical.write(vServo); delay(waitTime); horizontal.write(hServo);

}

26

8 Referenser [1] Solbutiken, 2020. [Online].

Tillgänglig: http://solbutiken.se/solcellens-historia/. [Använd 20 April, 2020]

[2] Energimyndigheten 2018. [Online]. Tillgänglig: http://www.energimyndigheten.se/fornybart/solelportalen/lar-dig-mer-om-solceller/systemperspektiv-i-sverige/ [Använd 25 April, 2020]

[3] Wikipedia, 2020. [Online]. Tillgänglig: https://sv.wikipedia.org/wiki/Solinstr%C3%A5lning. [Använd 17 April, 2020]

[4] Vattenfall, 2018. [Online]. Tillgänglig: https://www.vattenfall.se/fokus/hus-hem/solindex-2018/. [Använd 23 April, 2020]

[5] JRC SCIENCE FOR POLICY REPORT EUROPEAN COMISSION, 2017. [Online]. Tillgänglig: https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/JRC113626/pv_status_report_2018_online.pdf. [Använd 21 April, 2020]

[6] Energysage, 2019. [Online]. Tillgänglig: https://www.energysage.com/solar/101/types-solar-panels/. [Använd 19 April, 2020]

[7] Wikipedia, 2009. [Online]. Tillgänglig: https://sv.wikipedia.org/wiki/PN-%C3%B6verg%C3%A5ng [Använd 23 April, 2020]

[8] Kitai A. Principles of solar cells, LEDs and diodes. India. John Wiley Ltd. 2011. [9] Forrest M. Solar cell projects. USA. RadioShack. 1999.

27

[10] Hu. Chenming. Modern semiconductor devices for integrated circuits. New Jersey. Prentice Hall. 2010. [11] arduino.cc, 2020 [online.]

Tillgänglig: https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction [Använd 23 Maj, 2020]

[12] Youtube, 2014 [online.] Tillgänglig: https://www.youtube.com/watch?v=O4JACbIQX_w&list=PLGs0VKk2DiYx6CMdOQR_hmJ2NbB4mZQn-&index=3 [Använd 23 Maj, 2020]

[13] Solar power world Tillgänglig: https://www.solarpowerworldonline.com/2013/04/how-does-a-solar-tracker-work/ [Använd 13 Maj, 2020]

[14] Youtube, Tillgänglig: https://www.youtube.com/watch?v=T1L_EjuFav4&t=204s [Använd 13 Maj, 2020]

[15] Wikipedia Tillgänglig: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_tracker [Använd 13 Maj, 2020]

[16] Publications office of the european union Tillgänglig:https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/b8addb45-f84a-11e8-9982-01aa75ed71a1/language-en [Använd 20 April,2020]

[17] Joint Research Center Tillgänglig: https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/handle/JRC113626 [Använd 20 April, 2020]

[18] Miljoportalen Tillgänglig: http://www.miljoportalen.se/energi/sol-och-vind/ljus-blir-el [Använd 16 september, 2020]

28

29