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Archive for 太陽光

太陽光発電で自立運転するrasberrypiサーバーの構築

というわけで,太陽光発電でなにかできないかということで

思いついたのが,RaspberryPiを使った完全電源独立のサーバーです.

つまり太陽光で動くサーバーをつくろうというわけです.

電源のない畑でサーバーを動かそうというある意味,壮大な計画です.

といっても,どこかの山荘では実際にこのタイプでサーバーが動いてるようです.

今回はとりあえず,プロトタイプができたので,概要です.

 

ネットで見てると同じようなことをされてる素晴らしい先人がいました.

 

というわけで,考えてみました.

 

everlightv0.8

 

こんな構成で行こうと思います.

ちなみに,陽光悠久発電電子演算器という立派な正式名称はチキュー工房の中の人がつけてくれました.

 

太陽光パネルの台はこれを作るためにあるのです.

 

というわけで,部品が揃ったので早速,製作開始です.

 

回路の説明は単純に

太陽光で発電します.

充電コントローラーでバッテリーと負荷をコントロールします.

充電コントローラーの負荷に自作の電源電圧監視機能付き5V電源をつけます.

5V電源でUSBの電圧を作ってこれでRaspberryPiを駆動させます.

RaspberryPiは日中は太陽光で動き,夜はバッテリーからの電源で動きます.

 

こんなかんじです.

ここで,今回突如として,世界が暗黒に包まれたあとでも,自動で復帰するように

5V電源に電源電圧を監視してリレーを動かす機能をつけました.

しかし,これがなかなかうまいこと行かず・・・・苦労することになりました.

 

そんなこんなで写真はないですが電源回路は出来ました.

テスト中に電源監視用のIC M51957Bを何度も壊してしまい,いまのところ最後の一個でなんとか,電源の主電源監視のみできています.

 

RaspberryPiで,ソーラーパネルの発電量や消費電力を知りたいということで

StrawberryLinuxのINA226の電力計モジュールをつけることにします.

それは下のようなものです.

 

IMG_1740

RaspberryPIとはI2Cで接続できます.

ということで,データー送信用のSDA,SCLと3V電源とGNDの4本で接続できます.

I2C接続なので,同じラインにIDがかぶらない限り何個でもつけることができます.

このキットではジャンパのところをはんだづけすることでIDがセレクトできるようになっていました.

 

ということで,これをバッテリーとRaspberryPiの負荷側に,取り付けます.

 

IMG_1741

 

試行錯誤の末できたもの,外に置くため箱のなかに入れます.

このケース,台所用品として売ってるものでおおきい字でUnixと書いてます,ちょうどいい名前です.

いれるのはLinuxですが・・・・・

I2Cの接続は後でいらえるように,上の汎用基板を両面テープでくっつけてます.

 

いろいろな問題が発生しましたが,電源の多重化するためにモバイルバッテリーを挟むつもりでしたが,充電が500mA放電が1.5Aなので

充電電流が足りず,さらに,USB電源を逆につないでしまい,焼損しました.・・・・

というわけで今のところなしです.

 

 

IMG_1753

出来上がった図

上に張り付いてるのが電源監視ボードと5V電源です.

黒い機械はソーラーパネルの充電コントローラーです.

 

 

 

IMG_1754

これがサーバーが入った本体です.

 

 

 

IMG_1755

ここでで問題発生です.

スイッチを入れなくてもこのコンピューターついてしまいます.!!

最初は謎のエネルギー源で動いてるのかと焦りましたが,

INA226のキットが回路図をちゃんと見ていなかったため,どうも,なぞの閉回路ができてしまい,

スイッチを入れなくても,どっかから電流がバックして起動してるようです.

 

これをあれこれやってるうちに,INA226は両方共,壊れてしまいました.

というわけで,現在は取り付けず稼働させています.

電力量がわからないのが残念ですが,これはそのうち対策を考えます.

 

 

IMG_1756

 

これが,あれこれ考えた末に,2つの設定した電源電圧でリレーが入ったり入らなかったりするUSB5V電源回路

電源電圧が落ちる前に,ラズベリーパイの電源を安全に落とすために作りました.

これは設定した電圧でリレーをオン・オフしRaspberryPIのGPIOかリセット端子を自動で押すためにあります.

 

現在,リセットICが焼けてしまい,主電源のみリレーのみ動いています.

ということはいまのところ9V以下になるとUSB5V電源が落ちるだけの,全く無意味な回路です.

 

現在は太陽光で稼働させることはできています.

とりあえずプロトタイプとしては成功でしょうか.

 

電源容量は足りるのかということですが,実際にどうなるかを現在テスト中です.

 

ちなみに,ラズベリーパイは稼働時で実測3.6W程度でした.参考までに

 

 

ソーラーパネルの最適な向きについて考える

ソーラーパネルを設置しようとしています.

そこでこのような台

IMG_1701

を作りました.

そこで,ソーラーパネルを南向きに取り付けるのが一番だというのはすぐわかるのですが,角度が何度がいいのだろうという問題が出てきました.

そこで,相談して考えてみた結果,

多分太陽が通る平均高度をあたりにすればいいだろうという事で,

春分と秋分の時の正午の太陽の高度に垂直な角度,つまり例えば西日本岡山では経度が134度,緯度34度ですから詳しい図解はおいておいて結論として

34度でいいだろうということで30度で台を作りました.

 

ところで作った後で少し気になったので,試しに太陽の高度と位置を計算して太陽光パネルの角度と発電量の関係を計算して見ました.

 

まず最初に計算するには太陽が天球をどのように動くかを知る必要があります.

ということで,太陽の位置を計算するところから始めます.

計算式は

中川清隆@立正大学地球環境科学部環境システム学科さんのHPから

http://www.es.ris.ac.jp/~nakagawa/met_cal/solar.html

を使いました.

 

まず太陽の軌道が正しく導けれてるか確認します.

設置場所である経度143.146度,緯度34.617度の正午の太陽高度グラフです.

sunlight1

軸が書かれてないですが,横軸が元旦からの経過日数で縦軸が正午における太陽の高度を表しています.夏至である172日あたりにピークが見られます.

計算はなんとなくあってそうです.

 

とここまではいいですが,これから,角度30度で南向きに置かれたパネルがどの程度の有効面積をもつか計算して見ます.

太陽から見た時,太陽光パネルがどの程度の面積に見えるかで計算しました.

正面からあたった時は有効受光面積は1としています.

 

 

sunlight2

この図は経度134度,緯度34度におかれた,南向きで角度30度の平面な太陽光パネルの一日の有効受光面積の変化を表しています.

縦軸が有効受光面積で,正面からあたった時1になります.

背面から受けたら有効受光面積は0になるのと,高度が0以上にならないと発電しないのでグラフが途中で切れています.

横軸は時刻を表しています.

 

青色夏至赤色冬至における有効受光面積の一日の時間変化をあらわしています.

図を見ると,夏至ではたしかに有効面積が正午に最大になることがわかりますが,

冬至でもそれほど面積で行くと変わらないように見えます.

 

さて,このような計算ができたので今度は角度によってどうなるのかをみてみたいと思います.

 

積分が結構大変ですが,数値計算ソフトmathematicaのNIntegralをつかってやると,なんとか計算ができたようで,結果として

こんな図ができました.

sunlight3

横軸が元旦からの経過日数で,縦軸は一日の有効受光面積の平均を表しています.

青色は,45度に置かれたソーラーパネル

赤色は,30度に置かれたソーラーパネル

黄色は,地面に水平に0度で置かれたソーラーパネル

それぞれを表しています.

不思議なことに,夏至の付近で有効受光面積の日平均が下がるようです.

もしかしたら計算がおかしいかもしれません.

 

ということで,これを元に角度によって一年間の有効受光面積の平均がどのように変わるか図を作成しました.

sunlight4

The electric power generation v.s. the angle of flat solar panel

 

 

横軸が南向きに置かれたソーラーパネルの地面に対する角度,

縦軸が一年間の有効受光面積の平均値です.

図を見ると,55度付近にピークがあるように見えます.

 

結果としては

経度134度

緯度34度

南向きに置かれたソーラーパネルの

最適な角度は55度付近

となりました.

 

となると,今回作った台の

30度というのは低すぎるのかもしれません.

 

また,この結果を使うと大体55度であると

正面からあたった時の最大発電量は次の関係を

最大発電量*0.26=年間の平均発電量

を満たすことがわかります.

 

この結果を使えば,

例えば正面からあたった時の最大発電量が100Wだとすると

年間の平均発電量は最大で26Wとなることがわかります.

 

ただし,ここで行った計算は55度が最適となっていますが,

メーカーのHPに行くと最適な角度は30度と書かれてあるので

一致してないように思います.

 

この計算が正しいのか,だれかソーラーパネルに詳しい方教えてください.

 

 

 

追記

と思ったのですが非常に便利なサイトがありました.

日射量データーベース

過去の日照から実測値を出してるのでしょうか.

このサイトによるとやはり最適な角度は30度付近のようです.

特に岡山を選ぶと南向きぴったり30度が最適な角度のようです.

 

また上のHPによれば季節によっても最適な角度は変わるようです.

特に冬は50度超えるような角度,夏は非常に浅い5度がいいようです.

それらを平均すれば30度という事のよう.

 

答えがわかったのでもはや計算する必要はないですし,

上の計算結果もどこか間違ってる可能性があります.

 

とにかく岡山で最適なソーラーパネルの角度は南向き30度ということで一見落着です.

ソーラーパネルの台もドンぴちゃでOKです.