Dual Axis Solar Cell Tracker with Arduino

Introductions

Indonesia merupakan negara tropis yang mendapatkan pencahayaan sinar matahari optimum di permukaan bumi. Sementara kebutuhan energi listrik meningkat dikarenakan pertumbuhan penduduk dan perkembangan teknologi. Hal ini menyebabkan adanya kebutuhan suatu energi alternatif. Salah satu inovasi untuk mendapatkan energi listrik adalah dengan cara memanfaatkan cahaya matahari menggunakan panel surya. Panel surya adalah alat yang mampu mengubah energi panas dari cahaya matahari menjadi energi listrik. Panel surya akan menerima daya sebesar intensitas cahaya matahari yang diterimanya dari pancaran cahaya matahari. Namun banyak dipasang secara tetap, sehingga daya yang terserap oleh panel surya menjadi tidak maksimum akibat penyerapannya yang tidak optimal.

Pada projek ini dibuat suatu alat yang mampu menyerap pancaran cahaya matahari secara optimal dengan menggunakan sistem Solar Cell Tracker berbasis Arduino. Sistem Solar Cell Tracker tersebut mampu menyerap energi listrik rata-rata sesaat 9.933 Watt, sedangkan energi rata-rata sesaat yang dihasilkan sistem panel surya statis adalah 0.8 Watt.

Inspirations
Salah satu upaya untuk mencari energi alternatif adalah dengan menggunakan energi matahari. Energi matahari adalah energi yang dapat diperbaharui dan dapat diubah menjadi energi listrik menggunakan panel surya. Panel surya merupakan kumpulan sel surya yang berfungsi merubah energi surya menjadi energi listrik. Pemanfaatan energi surya sebagai sumber energi listrik dapat dihasilkan menggunakan panel fotovoltaik atau pemusatan sinar surya.

Oleh karena itu, untuk mendapatkan efisiensi maksimum dari cahaya matahari, maka panel surya harus selalu dalam posisi menghadap arah cahaya matahari. Berdasarkan rotasi bumi, maka posisi matahari tidak selalu sama setiap saat. Pada waktu tertentu, matahari berada di belahan bumi utara, terkadang pula berada di belahan bumi selatan ataupun di garis khatulistiwa. Akibatnya, panel surya tidak mampu menyerap energi matahari secara maksimal karena perubahan posisi matahari di setiap waktunya. Untuk mendapatkan efisiensi maksimum, maka panel surya harus mengikuti pergerakan matahari. Posisi panel surya terhadap matahari harus dikendalikan secara otomatis dengan suatu sistem penggerak panel surya menggunakan teknologi sistem instrumentasi mikrokontroler.

Gambaran umum sistem kerja dari Solar Cell Tracker ini dapat dilihat pada gambar berikut:

Posisi solar cell tracker terhadap pancaran cahaya matahari (image: instructable.com)

Hardware
Berikut ini adalah beberapa kebutuhan hardware dan software untuk mendukung agar sistem yang dibuat berjalan sesuai keinginan:

Arduino Uno R3,
Solar Cell 18 volt/20 w,
Solar Charger Control,
2x Motor Servo,
4x Sensor LDR (Light dipendent Resistor),
4x Resistor 10K ohm

Software

IDE Arduino (Integrated Developtment Enviroenment),
EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor),
FRITZING

Block Diagram

Untuk menjelaskan perancangan Solar Cell Tracker, terlebih dahulu digambarkan oleh blok diagram sistem kerja yang ditunjukkan. Adapun rancangan blok diagram prototype solar cell tracker berbasis arduino yang akan dibuat terdiri dari skematis dan diagram blok untuk menggambarkan secara umum bagaimana cara kerja rangkaian secara keseluruhan, blok diagram dapat dilihat pada gambar dibawah ini:

Diagram Block Solar Cell Tracker

Penjelasan dari blok diagram diatas adalah alat ini menggunakan mikrokontrol arduino sebagai kontrol utama, fungsinya adalah mengolah data input dari sensor cahaya (LDR). Supply power didapat dari matahari sebagai input voltage untuk mengisi daya battery. Solar cell charger control berfungsi sebagai pemutus supply tegangan jika battery telah penuh. Dibagian output terdapat dua buah actuator yaitu dua motor servo untuk mengubah arah panel solar cell.

Mechanical Design
Proses perancangan mekanik untuk pembuatan alat ini akan ditunjukkan pada gambar dibawah ini:

Mechanical Design Solar Cell Tracker

Sebagian besar dari pembuatan alat ini menggunakan alumunium dan besi sebagai penyangga. Alumunium yang digunakan berukuran 1 inch, dan besi sebagai penopang panel surya berukuran 2 mm. alumunium dipotong menjadi beberapa bagian dan disambungkan dengan menggunakan ripet (paku alumunium) untuk membuat kaki tiang penyangga. Besi juga dibuat dan dibengkokkan seperti huruf ‘u’ terbalik. Sementara itu, kedudukan motor servo dibuat dari akrilik yang didesain sedemikan rupa agar pas dengan motor servo yang digunakan. Akrilik dipotong sesuai dengan ukuran baut pada motor servo. Actuator motor servo diberi mur sebagai pengunci agar tidak lepas.

Motor Servo yang digunakan adalah jenis motor servo 180º MG995. Fisik mekanis diatas dapat berubah disesuaikan dengan kebutuhan system pada saat pembuatan alat. Disesuaikan dengan implementasi dan kekreatifan si pembuat.

Schematich
Berikut Ini adalah schematich dari perancangan alat:

Schematich Solar Cell Tracker

Download: Solar_Cell_Tracker.fzz

Flowchart
Agar lebih mudah memahami alur pemrograman, lihatlah diagram alir atau flowchart dari perancangan perangkat lunak dibawah ini:

Flowchart pemrograman solar cell tracker

Source Code
Berikut ini adalah program aduino IDE:

Download: solar-cell-tracker.ino


//program solar cell tracker
//by: www.hestech.id
//ref: 2020
//Done.....
#include <Servo.h> // include Servo library 

// 180 horizontal MAX
Servo horizontal; // horizontal servo
int servoh = 90;   // 90;     // stand horizontal servo
int servohLimitHigh = 180;
int servohLimitLow = 65;

byte ldr= A4;
int relay= 8;
// 65 degrees MAX
Servo vertical;   // vertical servo 
int servov = 90;    //   90;     // stand vertical servo

int servovLimitHigh = 120;
int servovLimitLow = 15;
int nilai;

// LDR pin connections
//  name  = analogpin;
int ldrlt = 2; //LDR top left - BOTTOM LEFT    <--- BDG
int ldrrt = 1; //LDR top rigt - BOTTOM RIGHT 
int ldrld = 0; //LDR down left - TOP LEFT
int ldrrd = 3; //ldr down rigt - TOP RIGHT


void setup()
{
  Serial.begin(9600);
 pinMode(relay, OUTPUT);
 digitalWrite(relay, LOW);

// servo connections
// name.attacht(pin);
  horizontal.attach(9); 
  vertical.attach(10);
  horizontal.write(180);
  vertical.write(45);
  delay(3000);
}

void loop() 
{
 nilai= analogRead(ldr);
 if(nilai < 500){

      digitalWrite(relay, HIGH);
  }
  else{

    digitalWrite(relay, LOW);  
  }
  
  int lt = analogRead(ldrlt); // top left
  int rt = analogRead(ldrrt); // top right
  int ld = analogRead(ldrld); // down left
  int rd = analogRead(ldrrd); // down rigt
  
  // int dtime = analogRead(4)/20; // read potentiometers  
  // int tol = analogRead(5)/4;
  int dtime = 10;
  int tol = 50;
  
  int avt = (lt + rt) / 2; // average value top
  int avd = (ld + rd) / 2; // average value down
  int avl = (lt + ld) / 2; // average value left
  int avr = (rt + rd) / 2; // average value right

  int dvert = avt - avd; // check the diffirence of up and down
  int dhoriz = avl - avr;// check the diffirence og left and rigt
  
  
  Serial.print(avt);
  Serial.print(" ");
  Serial.print(avd);
  Serial.print(" ");
  Serial.print(avl);
  Serial.print(" ");
  Serial.print(avr);
  Serial.print("   ");
  Serial.print(dtime);
  Serial.print("   ");
  Serial.print(tol);
  Serial.println(" ");
  
    
  if (-1*tol > dvert || dvert > tol) // check if the diffirence is in the tolerance else change vertical angle
  {
  if (avt > avd)
  {
    servov = ++servov;
     if (servov > servovLimitHigh) 
     { 
      servov = servovLimitHigh;
     }
  }
  else if (avt < avd)
  {
    servov= --servov;
    if (servov < servovLimitLow)
  {
    servov = servovLimitLow;
  }
  }
  vertical.write(servov);
  }
  
  if (-1*tol > dhoriz || dhoriz > tol) // check if the diffirence is in the tolerance else change horizontal angle
  {
  if (avl > avr)
  {
    servoh = --servoh;
    if (servoh < servohLimitLow)
    {
    servoh = servohLimitLow;
    }
  }
  else if (avl < avr)
  {
    servoh = ++servoh;
     if (servoh > servohLimitHigh)
     {
     servoh = servohLimitHigh;
     }
  }
  else if (avl = avr)
  {
    // nothing
  }
  horizontal.write(servoh);
  }
   delay(dtime);

}

Setelah di upload, lakukan uji coba dengan memberikan pencahayaan ke masing masing sensor LDR.

Result
Hasil compile program dapat dilihat pada gambar berikut ini:

Done Compling program sollar cell tracker

Hasil pembuatan alat yang sudah berhasil dijalankan adalah sebagai berikut:

SELESAI
Selamat Mencoba...!`