Мы продолжаем наши эксперименты, связанные с альтернативной энергией. Сегодня мы хотим поделиться прототипом «умной солнечной панели», который мы собрали на базе LEGO EV3. А управлять мы будем небольшой солнечной панелью, которая имеет размеры 288×155мм и выдает на выходе 5В, что позоляет заряжать смартфоны и павербанки.
Основная задача нашего контроллера — найти такое положение панели, чтобы она получала как можно больше солнечной энергии. Для этого нам необходимо отслеживать получаемую энергию при помощи каких-либо датчиков. В нашем случае мы использум датчик цвета в режиме «освещенности». Чем больше значение датчика, тем более прямые лучи попадают на датчик и панель, тем самым больше энергии способна вырабатывать наша система. Мы можем использовать и другие датчики. Например, вольтметр, подключенный на выход панели. В таком варианте, можно измерять напряжение на выходе панели: чем выше напряжение, тем большее энергии вырабатывает наша панель. Также мы можем использовать несколько датчиков для более точного определения уровня освещенности. Для этого мы можем разместить датчики в разных местах конструкции (например, в углах панели установить 4 датчика) и определять освещенность как среднее значение показаний всех датчиков.

Нам важно, чтобы «максимальная» энергия вырабатывалась круглосуточно, независимо от времени суток и сезона. Поэтому после нахождения оптимального положения панель отслеживает текущий уровень освещенности и если он падает более чем на 10% (можно регулировать настройками), то система переходит в режим поиска нового «лучшего положения». Поиск «нового лучшего положения» можно осуществлять по таймеру, например, раз в 30 минут. Это позволит адаптироваться к разным погодным условиям и позволит потреблять максимальную энергию как на рассвете, так и на закате.
Наш прототип имеет независимое питание. Но для полной автономности мы можем запитать наш контроллер от нашей же панели. В связи с этим мы должны позаботиться, чтобы контроллер потреблял как можно меньше энергии для своих нужд и отдавал максимальную энергию внешним потребителям. С этой целью нужно уменьшить использование двигателей для вращения панели, так как именно они являются основными потребителями в нашей автономной системе. Для этого мы предлагаем использовать несколько подходов:
1) Изначально установить панель в сторону юга и написать алгоритм с учетом движения солнца
2) Написать адаптивный алгоритм, который не перебирает каждый раз все позиции, а старается найти хорошее освещение рядом с текущим положением.
3) Провести наблюдения и снять экспериментальные показания освещенности. Создать алгоритм, который по времени будет вращать панель до нужной позии на основе временных таблиц.
4) В темное время суток не нужно подстраивать панель. Поэтому контроллер можно переводить в спящий режим и проверять периодически (раз в час например), что уровень освещенности достаточный и можно запускать активный режим работы.
5) Самообучение панели. Контроллер накапливает суточные показания и адаптирует свою позицию на основе исторических данных.



Как наша панель работает.
Мы провели несколько экспериментов в разных условиях, чтобы проверить адаптивность нашей системы.
Один эксперимент мы провели на «природных» условиях, поставив панель на подоконник. При старте программы панель повернулась в сторону окна, обнаружив максимальный источник освещения. Далее мы отворачивали панель от окна и она всегда после поиска нового «наилучшего положения» возвращается к окну.
В другом эксперименте мы решили проверить, как реагирует наша система на искусственный источник света, в качестве которого выступала светодиодная USB лампа, подключенная в повер банк. В этом эксперименте конструкция оставалась на месте, а мы меняли положение «солнца» (лампы) и каждый раз панель после поиска оказывалась направленной к источнику света. Сам ролик нам пришлось снимать при выключенном свете, так как панель иногда определяла «потолочные светильники» как лучший источник света.



Описание алгоритма.
Изначально мы выставляем ее в нулевое положение относительно оси конструкции. Конструкция имеет 2 степени свободы: по горизонтали 160 граудусов (+-80 относительно центра) и по вертикали около 90 градусов. После запуска контроллер начинает перебирать горизонтальные позиции панели, чтобы найти максимальную боковую освещенность. Перебрав все горизонтальные позиции, контроллер возвращается в «лучшую точку» и пытается подстроить вертикальное положение, делая измерения в нескольких положениях. После измерений, контроллер перемещает панель в «лучшую вертикальную точку».
После этого контроллер переходит в пассивный режим и начинает мониторить показания датчика освещенности. Как только текущие показания становятся меньше «лучших» на 10% и более, то контроллер начинает искать новую «лучшую точку освещенности». И так до бесконечности. В реальной системе необходимо добавить поведение для темного времени суток. Если наша «лучшая точка освещености» имеет показания ниже некоторого порога (определяется экспериментальным путем), то мы можем вернуть панель в ичсхолное состояние и преейти в режим «ожидания утра». После обнаружения достаточной освещенности, работа системы возобнавляется.
Скачать программу для EV3