Tracker solaire, Etude d'un instrument de suivi solaire

Bonjour,

Nous sommes un petit cercle d'amis qui a besoin de "solariser" des liquides ou des matières, c'est à dire de les exposer au dard concentré du soleil pendant plusieurs heures, voir plusieurs jours de suite.
Tenir une loupe à la main, ou la fixer et rectifier les position des objets ciblés est donc exclu.
Donc il nous faut un système qui suive le soleil et nous propose une face toujours perpendiculaire au soleil. Nous fixerons dessus notre besoin, avec une loupe à la bonne distance focale et une matière bien positionnée (voir les "plateaux d'expériences" ci-après).

La première pensée va vers les systèmes existant en astronomie, et l'étude montre des solutions.
mais celles-ci nécessitent une connaissance rigoureuse de la saison, des déclinaisons solaires, et un alignement précis avec le Sud.

Je travaille sur un système qui serait facile à dupliquer pour d'autres bricoleurs, de coût raisonnable, et qui gère de façon autonome son ensoleillement.
Accessoires prévus, petits moteurs NEMA17 et Arduino UNO. L'utilisation fréquente pour les CNC ayant baissé les coûts !

Voici une réalisation en carton de l'architecture visée.




Sur la partie éclairée , pourront venir se fixer différents "plateaux" préparés selon nos expériences...
   ...

Pour la détection de la position solaire, 
un des accessoires utilisé ici sera un collimateur, sorte de croix réduite assez haute, avec 4 cellules entre les branches, et dont l'ombre portée renseignera immédiatement sur le mouvement rectificatif à appliquer pour être bien aligné. Ce collimateur sera fixé sur la partie faisant face au soleil.


Avec ce principe, quelque soit la façon d'agencer nos plans et nos moteurs, les infos remontant par les cellules donneront des infos aux moteurs et petit à petit nous regarderons le soleil en face... et le suivrons.

Partie horizontale : 
Sur une base fixe, sera posée un disque qui tournera par un moteur + petite poulie crantée + courroie crantée.
La poulie étant très petite, et étant appliquée à la périphérie du disque, elle aura une force suffisante pour actionner un système même lourd.  (Contrairement à l'idée sur la photo, d'une pneu et de frottement sur le disque, j'opte pour coller la courroie sur le disque _crans vers l'extérieur_ et faire frotter une poulie crantée). Le disque tournera très librement (voir système à billes plus loin).

Partie verticale :
Sur le disque vient se fixer une partie triangulaire (minimum pour les appuis). Au bout, un moteur (incliné dans la direction de son axe) qui fera vérin pour incliner correctement la partie recevant notre plateau de travail.

Découpes :
Contreplaqué de 10mm, un triangle, et 2 carrés. L'une des 2 sera transformé en disque. 
Auparavant, on lui fixera son centre.



Fabrication du disque :

Donc, après avoir fixé un roulement au centre (trou plus grand, pose du roulement, pistolet à colle, séchage, découpe propre de la colle)
le contreplaqué a été découpé au plus juste, puis fixé. Une ponceuse tenue contre le bord, et j'ai fait tourner le disque pour ajuster le rayon partout. 
Retournement du disque et ajustement. Ca tourne bien. 
1cm d'épaisseur, comme ma courroie crantée. 

Le montage supérieur ressemblera à ça...

Le moteur est fixé à une petite charnière, pour suivre la longue vis.
Au dessus, un boulon a été noyé (par mon pistolet à colle, mon ami !) sur une charnière fixée à la tablette.


Mais c'est là que j'ai vu les limites de ma première réflexion : avec le poids du moteur et le coupleur, nous avons un léger angle qui se forme au niveau du coupleur. Et lorsque le moteur tourne, le mouvement irrégulier transmet des légers haut-bas à mon plateau oblique. Avec la précision des capteurs, ça va pas aller.

Une première solution, insuffisante serait de mettre un coupleur rigide. Mais on reporte une pression sur l'axe du moteur.
Une autre solution qui m'est venue à l'esprit serait de doubler la vis par 2 autre vis (mais fixes) pour rigidifier l'ensemble...

Qu'en pensez-vous ?

J'avoue être un bleu dans ces montages robotiques... 
Y aurait-il un autre moyen simple pour le levage de ma plaque ?

Ray ,tu peut trouver plus de solutions simples(sur le net) dans les montures équatoriales d'amateur en astronomie , de la moins elaborée en contreplaqué  jusqu'a plus sofistiquée en acier ... c'est aussi la monture base de toutes antennes parabolique qui suivent les satellites sur l'equateur "celeste".... et de certains capteurs d'energie solaire
Toi, ton projet est de suivre le déplacement soleil sur l'eliptique   

Merci Alexis
C'est ce que n'arrête pas de me dire un ami. Tout en oubliant chaque fois mes prérogatives : ne pas avoir à faire d'installation (orientation, déclinaison). J'ai passé sous silence que ce système suivra aussi la pleine lune avec des cellules différentes. Donc écliptique à oublier.
Merci néanmoins de ton rappel
Mon intuition me certifie qu'il existe une solution simple dans la voie que j'ai choisie. 

La nuit m'a soufflée un montage simplifié pour ma rigidité d'axe :


Mais je suis preneur de toute autre idée pour cette élévation par un système simple (moteur et vis ou autre ?).
Un ami se lance dans la solution d'un petit vérin... mais à mon avis la course sera trop courte.. ou le vérin trop encombrant.

Bonjour,

Il y a une idée pour rigidifier l'axe vertical, tu utilises une glissière a billes de tiroir ( de recup) que tu déplaces avec ta vis du moteur p a p.

La glissière aura toute la tenue mécanique.

Dufoindufoin, merci pour ton idée.
Peux-tu me faire un petit schéma pour expliquer ?

@Ray:
un tracker à 4 quadrants marche bien quand le Soleil est "accroché" pour la journée, mais comment va être géré le problème de retour à l'Est chaque matin, quand le Soleil passe derrière la Terre chaque soir?
Si seulement quelques jours de tracking sont visés, un recalage de l'azimut doit suffire car la déclinaison bouge peu et le quadrant va compenser.
Problème aussi de masquage par des nuages, mais là un jour ensoleillé se prévoit (météo)
Je pense qu'un arduino va être nécessaire avec un petit logiciel:
- recherche du soleil à la mise en service: balayage en azimut et déclinaison et accrochage du soleil
- mouvement diurne en azimut une fois calée la déclinaison
- retour à l'Est le matin (peut être automatique avec une minuterie logicielle)
- interpolation du mouvement si masquage du quadrant

Idem pour la lune.
Intéressant programme !!!

Croco,
oui ... c'est un peu ça ! merci de ton enthousiasme !
J'ai débourré un peu la partie Arduino (que je ne connaissait pas), mais sans montage complet. Juste pour tester mes moteurs d'un côté, et différentes cellules d'un autre (pour voir la sensibilité solaire et lunaire, la mesure avec les UV...), et apprendre le C.
C'est avec un montage complet que ça deviendra intéressant. 
On passera aussi aux sécurités (avec des petits contacteurs prévus pour détecter le maximum des déplacements)... faut tout prévoir.
Puis on s'attaquera au mode "manuel" pour positionner plus rapidement l'ensemble au démarrage, ou pour réinitialiser à l'Est au matin.
Je garde ton idée de timer (module horloge ?), et retour à l'Est... je n'avais pas pensé aussi loin 

L'interpolation du mouvement en cas de nuage ne serait pas nécessaire ici : car seule les concentrations des astres découverts m'intéressent. En cas de nuage, il suffit que l'ensemble ne bouge plus, et se remette en place dès la réapparition de l'astre. Certaines études incluent une 5e cellule pour détecter la luminosité ambiante. Mais ici en se basant sur les 4 valeurs des cellules, on devrait prévoir ce cas. (Alors que pour des panneaux solaires, il y a du rendement même avec nuage, et il faut rester focalisé). 

Pour la lune, en dehors d'une luminosité très faible (même à la pleine lune), il faut aussi évacuer toutes les lumières parasites (luminaires...), et le collimateur sera dans un tube, pour un angle de recherche plus réduit. D'où l'importance du mode manuel pour positionner notre montage au début.
Dans ce cas, ton idée de suivi pendant les nuages est à considérer, effectivement 

Sur le papier, on devrait pouvoir tout connecter à un Arduino UNO. Mais si besoin, on passera sur Mega.

J'aurai certainement besoin d'aide ... et je sais que ce forum regorge de membres hors du commun 

Si le moteur en azimut (surtout lui) s'arrête pendant un  nuage, il faut qu'il soit ensuite assez rapide pour rattraper le soleil (pas sûr que le moteur pas à pas le soit, surtout sa fréquence de commande par l'arduino).
Le mieux est de prévoir un avancement permanent en azimut est-ouest.
Le logiciel peut en plus calculer la vitesse pendant la présence du soleil grâce au quadrant, ce qui évite de connaître le jour de l'année.

Si votre manip de solarisation tolère d'utiliser un miroir réflecteur, une solution toute faite (plus cher ...) le Tourneseul:
Tourneseul


Pour le calage manuel, un gnomon sur la planche sera utile pour vérifier que le soleil est bien pointé (il suffit de dessiner un cadran solaire sur la planche), voir le site suivant sur les cadrans solaires (très intéressant et un logiciel gratuit de tracé de cadran solaire):
Cadrans solaires

J'avais pensé à ça, mais ... à quel moment mettrais-tu l'application de ce code ? Il doit faire ce calcul absolument pendant une phase sans arrêt.
Un autre point est peut-être la limitation de l'Arduino dans la complexité du code (théoriquement, on peut penser à beaucoup de choses... mais peut-être après qu'on a une lenteur du fait de toutes les boucles à parcourir...). Et de la place dispo pour ce code...
Est-ce un point qui a déjà limité tes montages ?

Merci pour tes liens, très instructifs !

Avec le µP ATmega328P il y a 32Koctets de flash pour le programme et les tables, ce qui permet de faire beaucoup de choses en C.
De plus le calcul flottant (8 décimales sur 32bits) est géré: utile pour la trigo.
Il doit suffire de mettre à jour les calculs toutes les 30 secondes, ce qui permet de faire des calculs complexes.

Le calcul de la vitesse de déplacement se fait en permanence en gardant le nombre de pas appliqué aux moteurs à chaque seconde (la vitesse instantanée) pour garder le quadrant pointé correctement quand le soleil est présent.
Il faudra un critère flou pour éviter que cela bagotte.

Cette tâche (le déplacement continu) peut se faire sous interruption à chaque seconde, en utilisant des variables globales mises à jour toutes les 30 secondes par exemple par la boucle loop() de base du programme.

En pratique il faut faire un asservissement de la vitesse sur les 2 axes à partir de l'information de décalage du quadrant.
Sans aller chercher des filtres de Kalman ( coûteux en calcul) , on peut faire des choses simples en C.

Sympas votre projet !

Imaginons que nous ayons une boule de 5cm de diametre, creuse. imaginons qu'elle est peinte entierement de noir ou en peinture chromée. imaginons que nous tapissions le fond de cette boule de capteurs pkus ou moins espacés, et qu'un seul trou soit fait sur la boule, d'un diametre disons de 0.5cm.

Avec ce systeme, plus besoin d'astrobal. en effet le point de lumiere viendrait illuminer les capteurs, ce qui permettrait de repositionner le systeme en vertical ou horizontal. il pourrait meme etre dissocié du systeme principal pour faire des recherches de type tilt&span scan et une fois le soleil ou la lune trouvée, deplacer le systeme en entier.

M'enfin je divague. l'idée était juste la boule noire avec un trou et des capteurs dedans.

++

BlueDragon,
Tu ne divagues pas !
on passe par ces mêmes phases lorsqu'on planche sur le sujet   ... petit trou, boule ou cube... 
et comment trouver une surface multi-capteurs ... pas chère ?

Puis on revient à la croix qui est quand même ultra-précise lorsqu'on creuse en trigo.
Avec des cellules LDR de 10x12mm, le passage ombre/ lumière est un peu flou.
Mais avec des cellules à UV (GUVA S12SD) de 3x3mm les valeurs ombre/lumière passent de 100 à 750 ce qui permet une estimation très précise avec 4 cellules seulement !
(-> avec 4 valeurs en-dessous de 200, on est certain d'un passage nuageux !)

Seule la hauteur de la croix permet d'affiner le règlage, son épaisseur n'ayant aucune importance.

Lors de suivi solaire manuel, on réajuste notre loupe environ toutes les 7 minutes. 
Ici, la différence de 100 à 750 sera atteinte en 1'30 au soleil (avec une croix haute de seulement 10cm),
on peut donc affiner encore plus le déplacement.

On pourrait déporter ce collimateur, mais s'il se trouve sur la surface à exposer (dans un petit coin), pas de souci, la lecture sera vraiment réelle. 
Dans ces moments-là, une imprimante 3D serait bienvenue pour les différentes pièces spécifiques...  
 

D'autres schémas simples de solartrackers:
Il est nécessaire d'en prévoir un par axe azimut et élévation:

Ici un simple moteur à courant continu: on pourrait le modifier un peu pour pouvoir commander le moteur depuis un arduino pour revenir à l'Est.
Montage analogique pur

Celui ci-dessous utilise un servo de modélisme commandé (en PWM) par un arduino.
Pas de moteur pas-à-pas ni électronique de commande à prévoir, tout est dans le servo.
Il existe des servos puissants de plusieurs Kg/cm, la plupart du temps alimentés en 5-6V. 1
La puissance importante est nécessaire car le servo donne un mouvement angulaire avec un faible bras de levier, et il faut le monter dans la charnière du plateau à pointer vers le soleil, ce qui peut représenter une masse importante à bouger.
On n'a pas ce problème avec un moteur pas-à-pas et une vis sans fin.

Servo et arduino

J'aime bien le montage mécanique de celui-là où l'inclinaison est faite par un simple servo renvoyé sur l'axe par une poulie crantée sur l'axe de rotation du plateau.
La masse du plateau ne joue pas sur le servo car c'est équilibré (si l'objet à solariser est aussi centré sur l'axe.
 C'est une solution hybride où l'azimut est aussi contrôlé par un gros servo en prise directe, mais remplaçable par un pas-à-pas.

Servo sur axe inclinaison

et là la structure d'un suntracker pour panneau solaire fait avec une bicyclette :

Tracker à bicyclette

Croco, merci pour ces pistes. Ca me servira certainement de support.

Mes pièces attendues sont arrivées, et un peu de temps libre.
J'ai terminé le système pour l'élévation. Il y a un léger jeu dans les charnières, mais tout sera en appui, donc sans incidence.
La rigidité est bonne, donc résultat ok. 
Pour la liaison moteur/vis, j'ai préféré un coupleur souple, qui minimisera les éventuelles tensions sur l'axe.



Les dimensions ont été choisies pour optimiser les angles possibles.
Vue générale après montage :



Le moteur d'élévation a été monté à un niveau en-dessous du plateau triangulaire. Ainsi, on peut descendre le plateau récepteur de quelques centimètres supplémentaires.


Au final, on peut prendre le soleil à son lever (0° sur l'horizon=plateau vertical à droite),
à son maximum au zénith 64°) 
mais la lune ne sera pas oubliée (78° au zénith), puisqu'on peut descendre le plateau très bas (sin=4/32 -> 7° seulement ! donc un angle de 83°)

Pour la partie rotative, une courroie T2.5 a été collée sur le pourtour du disque (colle blanche, élastique autour, et 2 petite clous aux extrémités).



Il reste à finaliser la fixation de l'axe à bonne hauteur et trouver la position optimale pour une friction suffisante du moteur.



Ensuite on attaque le collimateur ... et la partie programmation 

Dernière cogitation : positionnement avantageux du 2e moteur (vert), sans gêner la position la plus basse.
Entre le disque et le plateau horizontal, des supports à bille aideront à réduire les frottements. 


Et pour positionner plus vite la hauteur lors des manipulations ... un mode manuel sans équivoque 

Résultat. Et ça fonctionne à la main. 
(le prochain modèle sera plus strict sur les charnières, mais ça ne devrait pas gêner cette fois-ci)

Le petit jeu sur chaque charnière a été réglé simplement en insérant du caoutchouc large dans les charnières.
Ca a transformé l'ensemble avec une impression de rigidité, et de souplesse.
(Il faudra peut-être les changer tous les 10 ans...

Conception de la partie "collimateur" : 
Elle est chargée d'évaluer la direction des rayons de l'astre recherché, suivant 4 quartiers, grâce à des cellules UV. 
Les 4 valeurs sont comparées, et l'Arduino en déduit la position solaire. 
Les ordres seront alors donnés au moteurs pour réduire ces différences de valeurs. 
Lorsque les 4 valeurs sont équivalentes, on est axé sur le soleil.


Nous sommes partis sur un bras en plexi de 5mm, qui sera fixé sous le plateau (fixé aux points verts) et dépassera de côté.

Dans cette configuration, le dessous du collimateur sera accessible. Donc les pins des cellules ont été ressoudées dessous, et la partie branchements sera aussi dessous le plexi, réduisant les ombres possibles sur les cellules.



Pour ce type de pièce, une imprimante 3D sera un luxe appréciable. 
Pour l'instant, on travaille déjà une pièce définitive.

C'est beau l'intelligence raisonnée et constructive. Mes respects, je te lis avec assiduité, chapeau !

Tout le mérite revient à la Lyonnaise des Eaux : les intuitions me viennent le matin sous la douche... 

S'il y en a au moins un... alors je continue ! 

Pour le test des cellules UV sans soleil ... une petite lampe pour polymériser la résine !

Retour au tracker, pour mettre en place des sécurités liées au déplacement des moteurs.
J'utilise des petits switches de ce type :


Sur le plan vertical, en cas de dépassement des mesures (liées à un bug ou à une mauvaise manipulation manuelle), il faut arrêter le moteur afin de ne pas endommager le cadre.

Un switch disposé pour un plan de travail à 90°, et un switch disposé pour la plus basse position (câblage ultérieur):



Pour la partie déplacement horizontal, il faut empêcher de faire un tour complet : cela empêtrerait les fils, mais surtout j'ai un point qui ne passe pas dans la roue crantée, c'est la jointure des 2 bouts de la courroie collée. Ce point sera toujours globalement pointé vers le sud. 
Au lieu de mettre en place les 2 switches de chaque côté de ce point, nous avons inversé les processus : l'arrêtoir (unique) est disposé sur ce point ... et les 2 switches sont près du moteur. ce qui a grandement simplifié le montage, et va réduire les câblages !
(la photo centrale est sens dessus-dessous pour mieux voir)

Fabrication d'un 2e collimateur de recherche, à base de cellules BH1750.
Le précédent mesurait les UV, mais ils sont trop faibles en ce moment, et il sera inutilisable pour la lune,
Celui-ci mesure la luminosité, en lux.

Même principe de disposition en croix. Tracé minutieux pour découpage des angles au Dremel,
duplication de l'ancien support en Plexiglas de 5mm, et positionnement des cellules entre 4 rebords (Plexi 2mm).



La fixation de la croix haute (noire) n'est pas encore défini.

Ce 2e collimateur étant monté sur un support identique, les 2 (ou plus ) seront facilement interchangeables.

Les cellules BH1750 communiquent en I2C, mais sont limitées à 2 adresses.
Nous utilisons donc un multiplexer (TCA9548A, 8 voies maxi) recevant les infos des 4 cellules.
Il retransmettra les infos sur une seule voie, ce qui simplifiera aussi le câblage. 

N'ayant pas de compétences en circuit intégré, l'étude a mené à un montage assez simple (une première !)
(j'espère qu'il ne manque pas de résistance ou de condensateur sur ce type de circuit...)

Il sera fixé sous le collimateur, les 16 fils répartis vers les 4 cellules (dont les pins ont été re-soudées vers le bas),
et la nappe de 4 fils partira vers l'Arduino.

Finition d'un premier collimateur (sur le plan physique).



Du côté code Arduino, je n'arrive as encore à lire les 4 cellules, malgré un adressage simple sur l'expandeur (peut-être initialisation, ou manque de pullups supplémentaires ?), je ne lis que la première...
Je vais essayer de l'aide sur des forums.