Monitoring slunečního svitu

 Maximální využitelný výkon běžného polykrystalického solárního panely s účinnosti 15% činí cca 150W/m². Uvedená hodnota platí za ideálních klimatických a časových podmínek, tj. - letní slunovrat, poledne bez mráčku a solární panel orientován kolmo na sluneční paprsky. Za zimního slunovratu klesne výkon na cca 30% letního.

Pro zařízení podporované solární energií je prospěšné ověřit potenciál slunečního svitu v místě instalace. K danému účelu bylo navrženo zapojení se záznamem na SD kartu. Bylo použito "Arduino bez Arduina", tj. pouze procesor ATmega328P, viz kapitola "Uspání a přerušení". Byl použit fotovoltaický solární panel 18V/2,5W pevně orientovaný na jih s úhlem k horizontu 35°.

Na fotografii je plošný spoj osazený procesorem ATmega328P, čtečkou SD karet základní velikosti (nikoliv mikro SD), modulem napájení 220V/5V a baterii LiPo 3,7V 1500mAh. Stabilizátor a odporové trimry na desce byly navrženy k regulaci napětí solárního panelu na úroveň 12,8V, jako využitelné napětí pro dobíjení baterie. Od tohoto konceptu bylo upuštěno a byla zvolena varianta se zatížením solárního panelu umožňující vyhodnotit energii panelu.

Oživení modulu SD je uvedeno v kapitole "SD modul". SD modul vyžaduje knihovny "SPI.h" a "SD.h". Jsou součásti IDE, není třeba je shánět. Dvě zkusmo vybrané diody zapojené mezi zdroj a baterii snižují napětí spínaného zdroje 5V na napětí baterie 3,9V. Napájení 3,9V je připojeno na pin čtečky +5V (čtečka SD karet základní velikosti byla funkční). Fotovoltaický panel byl zatížen odporovým děličem cca 150 Ω/2w + 10Ω. Dělič byl nastaven na max. napětí 18V, při kterém bylo na odporu 10Ω referenční napětí procesoru 1,1V. Záznam byl zvolen na dobu jednoho měsíce. Použitá verze Excelu umožňovala grafické zpracování max. 32000 hodnot. Z tohoto důvodu byl zvolen interval zápisu 2 minuty. Procesor ATmega328P s předem vypáleným "bootloaderem" (viz kapitola "Butování/nahrávání") byl vložen do patice desky UNO a byl do něj nahrán kód "Osvit.ino".

Kód "Osvit.ino" :

#include <SPI.h>                                            //knihovny SD zapisovače
#include <SD.h>
                                                                         //deklarace
File S;                                                              //iniciace souboru SD karty
float AA=0;                                                      //proměnná
float AB=0;                                                      //proměnná
int Z=0;                                                            //proměnná

void setup()
{SD.begin(2);                                                   //aktivace SD karty
Serial.begin(9600);                                        //nastavení rychlosti sériové komunikace
analogReference(INTERNAL);}                    //nastavení interního referenčního napětí 1,1V

void loop()                                                       //smyčka se opakuje a vždy zapíše na SD kartu měřenou hodnotu
{AA=analogRead(19);                                   //načtení analogové hodnoty pinu A5, "v Arduinu 19" - napětí solárního panelu
AB=((AA*18)/1023);                                      //úprava rozsahu měření napětí 18 V
Z=AB*100;                                                      //násobek 100, v Excelu se vydělí celý sloupec stem (Excel používá desetinnou čárku, Arduino desetinnou tečku)
S = SD.open("Osvit.csv", FILE_WRITE);     //otevře soubor "csv" na SD kartě
S.print(Z);                                                        //zapíše hodnotu Z na kartu
S.println(";");                                                    //zapíše středník
S.close();                                                         //uzavře zápis
delay(120000);}                                              //prodleva 2 minuty
 

Experimentálně ověřený čas běhu smyčky kódu, včetně jednoho záznamu SD karty (ve smyčce bez "dellay") činil 19,5 milisekund (bylo v programu zanedbáno). Zařízení bylo zpuštěno dne 3.3.2023 a monitoring byl ukončen dne 31.1.2023 (záznam obsahuje čas 28 dnů, chybí dny 1. a 2. leden a dopoledne dne 3.1.2023). Byl pořízen záznam "Osvit_leden_2023.csv", následně graficky zpracován v Excelu.

Ze záznamu je patrné, že v lednu vysvitlo slunce v místě měření ve využitelné intenzitě v 11ti dnech z měřených 28. Slunce svítilo v daném čase celkem 56 hodin. Více než jeden volt vykázalo celkem 1690 řádků záznamu z celkového počtu 20199, tj 8,4 %. Kumulovaná energie na zatěžovacím odporu 160 Ω činila 19379J (žárovka 5,4W by svítila 1 hodinu). K praktickému významu lze uvést, že energie 19379J by s rezervou stačila udržovat samovybíjení baterie LiPo 12V 2800mA použité v kapitole "ALARM baterie". LiPo baterie mají relativně nízké samovybíjení, cca 3% měsíčně. V daném případě by samovybíjecí energie činila cca 3600J měsíčně.

Obdobně byl monitorován sluneční svit v létě 2023 od 1. 6. do 30. 9. 2023. Cílem bylo ověřit solární energii potřebnou k napájení např. alarmu s trvalým odběrem řádově několika watů, viz. kapitola "Alarm 220". Výsledkem bylo zjištění, že časově vážený přepočet monitorované energie na trvalý konstantní odběr činil 5% instalovaného solárního výkonu "pik". Profesionální zabezpečovací systémy (Paradox, Jablotron .... ) pro rodinné domy mají zpravidla trvalý odběr okolo 10-15W. V takovém případě bychom potřebovali v létě solární systém s úložištěm a solárním panelem o velikosti cca 2m² a v zimě ještě větším.