90 Bulletin of Applied Science Vol.2 No.2 August 2013.

การพฒนาระบบตดตามการเคลอนทของดวงอาทตยตนทนตำาเพอการประยกตใชในงานพลงงานทดแทน

The development of a low-cost solar tracking system for renewable energy applications

กรธรรม สถรกล1*, อภญญา บญประกอบ1

Korntham Sathirakul1*, Apinya Boonprakob1

บทคดยอ ระบบตดตามการเคลอนทของดวงอาทตยทกรมวทยาศาสตรบรการไดพฒนาขน เปนสวนประกอบหนงของระบบผลตกระแสไฟฟาจากพลงงานแสงอาทตยขนาดเลก ซงเปนโครงการวจยทกรมวทยาศาสตรบรการไดรบงบประมาณ ใหดำาเนนการ ปงบประมาณ 2554 ถง 2556 เพอนำาไปใชในระดบครวเรอน หรอชมชนเลก ซงระบบผลตกระแสไฟฟานใชหลกการของการรวมแสงอาทตยดวยจานรปทรงพาราโบลา ซงจำาเปนตองมระบบตดตามการเคลอนทของดวงอาทตยเพอใหจานรวมแสงรบรงสตรงของดวงอาทตยและรวมแสงทจดโฟกสไดอยางแมนยำา ระบบการตดตามการเคลอนทของดวงอาทตยทพฒนาขนใชหลกการของคำานวณตำาแหนงของดวงอาทตยดวยสมการ เพอควบคมการเคลอนทโดยเบองตน และใชเซนเซอรวดความเขมแสงเพอปรบแตงตำาแหนงละเอยดเพอใหสามารถชตำาแหนงของดวงอาทตยไดอยางแมนยำา ผดพลาดไมเกน 1 องศา เปาหมายสำาคญประการหนงในการพฒนาระบบนคอความประหยด ใชตนทนในการสรางทตำา โดยในโครงการวจยนไดใชบอรดไมโครคอนโทรลเลอรทราคาประหยด อปกรณอเลกทรอนกสทสามารถหาไดในประเทศ ความเรยบงายในการออกแบบสราง ทำาใหระบบโดยรวมไมยงยากซบซอน สามารถทำางานไดจรง อยางมประสทธภาพ แตตนทนตำากวาเมอเทยบกบระบบแบบเดยวกนทนำาเขามาจำาหนายในราคาทแพงกวากนมาก

Abstract The solar tracking system developed by the Department of Science Service was a part of its small solar energy-to-electric production system being researched and developed under a research funding in 2011 to 2013 fiscal year. The power production system was designed for household use or for small community service. The system was a solar thermal power production system employed a parabolic dish as its solar collector which required a solar tracking system to make it to work. The developed solar tracking system utilized the calculation of solar position equations to primarily control the movement and the position pointing towards the Sun. An array of light concentration sensors were also used for signal feedback control function for fine motion error correction. This resulted in a precise solar tracking system with a precision within 1 degree. Furthermore, beside precision, being low cost was also a main objective for developing such system. A low cost microcontroller board, local electronic components, and simplified design and construction contributed to the solar tracking system that was simple and efficient, but inexpensive compared with relatively highly priced imported systems.

คำ�สำ�คญ : ระบบตดตามดวงอาทตยตนทนตำา, สมการคำานวณตำาแหนงงดวงอาทตย, พลงงานแสงอาทตยKeywords : Low-cost solar tracking system, Equation for calculating sun’s positions, Solar energy

1กรมวทยาศาสตรบรการ*Corresponding author E-mail address : korntham@dss.go.th

91Bulletin of Applied Science Vol.2 No.2 August 2013.

1.บทนำา(Introduction) จากภาวะตนทนพลงงานจากปโตรเลยมทสงขน

เร อยๆ และการทประเทศไทยตองพงพาการนำาเขา

วตถดบปโตรเลยมเพอนำามากลนเปนนำามนเชอเพลง ถง

แมวาประเทศไทยจะมแหลงกาซธรรมชาต แตพลงงาน

จากแหลงเหลานกลดนอยลงและมโอกาสทจะหมดไป

หรออาจจะมตนทนทสงจนไมคมกบการนำามาใชใน

อนาคต พลงงานทดแทนอนๆในรปของเชอเพลงชวภาพ

นนกเปนพลงงานทดแทนทางเลอกหนง แตในปจจบน

ยงมกำาลงการผลตทไมเพยงพอตอความตองการ และม

ตนทนทสง พลงงานทไดจากพลงธรรมชาต เชน พลง

งานนำา พลงงานลม และพลงงานแสงอาทตย เปน

พลงงานทางเลอกทมศกยภาพในการนำาไปใชสง โดย

เฉพาะพลงงานแสงอาทตยทมอยอยางมาก เหมาะกบ

ประเทศไทย

มการนำาพลงงานแสงอาทตยมาใชประโยชน

มากมายในปจจบน ไมวาจะเปนการนำาพลงงานแสง

อาทตยในรปของความรอนมาอบแหงผลตผลทางการ

เกษตร หรอนำาความรอนมาใชในการตมนำาหรอทำานำา

รอนเพอใชในกจการตางๆ ทงในครวเรอนและใน

อตสาหกรรม ตลอดจนการนำาพลงงานแสงอาทตยมาใช

ผลตกระแสไฟฟา ซงในการผลตไฟฟาจากพลงงานแสง

อาทตยนนมดวยกนอย 2 แนวทาง คอ การนำาพลงงาน

ความรอนจากการรวมความเขมแสงอาทตยมาแปลง

เปนพลงงานกลโดยใชเครองยนตสนดาปภายนอก ไมวา

จะเปนเครองยนตกลจกรไอนำา หรอ เครองยนตสเตอรลง[1]

แลวแปลงพลงงานกลเปนพลงงานไฟฟาโดยใชเครอง

กำาเนดไฟฟา และอกแนวทางหนงคอการใชโซลาเซล

แปลงพลงงานแสงใหเปนพลงงานไฟฟา

เนองจากทดวงอาทตยมการเคลอนทเปลยนแปลง

ตำาแหนงเมอเทยบกบพนโลกอยตลอดเวลา และเสนทาง

ในการเคลอนทกเปลยนแปลงไปทกวน ระบบผลตไฟฟา

จากพลงงานแสงอาทตยจงจำาเปนตองปรบตวให

สามารถรบแสงอาทตยทเปลยนแปลงอยตลอดน ในระบบ

ผลตกระแสไฟฟาดวยความรอนจากการรวมแสงรงสตรง

(direct light) ของดวงอาทตยจำาเปนอยางมากทจะตอง

ปรบตวรบแสงใหหนเขาหาทศทางของดวงอาทตยอย

ตลอดเวลาเพอใหระบบสามารถทำางานได สวนในระบบ

ผลตกระแสไฟฟาทใชแผงโซลาเซลอาจจะไมจำาเปน

ตองปรบตวใหหนเขาหาทศทางของแสงอาทตยตรง

เพราะโซลาเซลสามารถทำางานไดดวยแสงทกระเจง

(diffused light) แตทงน หากแผงโซลาเซลหนเขาหา

ดวงอาทตยไดตรง ความเขมแสงทไดรบจะมากขนทำาให

สามารถผลตไฟฟาไ ดมากข นน นหมายความว า

ประสทธภาพของการทำางานของระบบทเพมขน ในปจจบน

ระบบตดตามการเคลอนทของดวงอาทตย (solartracking

system) ไดรบการพฒนาเปนผลตภณฑออกจำาหนาย

ในตลาด แตมกจะมราคาทแพงมากตงแตระดบราคา

หลายหมนบาทขนไปจนถงระดบราคาหลายแสนบาท

ขนอยกบความซบซอนของระบบ และความนาเชอถอ

ของบรษทผผลต ซงโดยมากระบบตดตามการเคลอนท

ของดวงอาทตยทมราคาแพงเชนนจะบรษทผผลตมกจะ

จำาหนายและตดตงใหกบลกคาทเปนผประกอบการผลต

ไฟฟาทมกำาลงเงนในการลงทนทสง แตหากเปนการ

ใชงานในระดบครวเรอน หรอชมชนทมขนาดเลก ไมใชใช

ในเชงพาณชย การลงทนในระบบตดตามการเคลอนท

ของดวงอาทตยทมราคาแพงมากดงกลาวขางตนจะไม

ค มคา ระบบตดตามดวงอาทตยท มความแมนยำาทด

ใชพลงงานนอย และตนทนตำา เหมาะกบการใชงานใน

ชมชนและครวเรอนจงไดพฒนาขน

1.1การตดตามการเคลอนทของดวงอาทตย

การตดตามการเคลอนทของดวงอาทตยมแนวทาง

ในการทำาอย 2 แนวทางหลก คอ

1.1.1 การใชเซนเซอรตรวจวดความเขมแสง

เพอคนหาทศทางทมาของแสงอาทตย

ในการตดตามการเคลอนทของดวง

อาทตยดวยวธนเซนเซอรตรวจวดความเขมแสงจะวด

คาความเขมแสงทตกกระทบตงฉากกบระนาบของ

เซนเซอร ซงจะแปลงคาความเขมแสงเปนสญญาณทาง

ไฟฟาเขาวงจรประมวลผลและควบคมเพอสงการให

มอเตอรขบเคลอนระนาบ 2 แกนหมนไปในทศทางทม

คาความเขมแสงสงสด นนกคอ หนเขาหาดวงอาทตย

92 Bulletin of Applied Science Vol.2 No.2 August 2013.

นนเอง ซงวงจรประมวลผลและควบคมนจะโปรแกรม

ใหมอเตอรขบเคลอนเปนรปซกแซก หรอ รปขดกนหอย

เพอเปนการคนหาทศทางของแสง วธการตดตามการ

เคลอนทของดวงอาทตยดวยวธนจะมขอเสยตรงทหา

แสงอาทตยมความเขมนอย คอ เมอมเมฆบดบงดวง

อาทตยไว ระบบตดตามการเคลอนทดวงอาทตยนจะ

ทำาการคนหาแสงอยตลอดเวลาทำาใหใชพลงงานไฟฟา

อยางสนเปลอง

1.1.2การใชสมการคำานวณตำาแหนงดวงอาทตย

การใชสมการคำานวณตำาแหน งดวง

อาทตยเปนอกวธหนงในการตดตามการเคลอนทของ

ดวงอาทตยทไดผลด และวธการไมซบซอน สมการ

ในการคำานวณตำาแหนงของดวงอาทตยนนไดมนก

ดาราศาสตรหลายทานไดคดคนไว ซงใชหลกการทาง

เรขาคณตและการสงเกตการณทางดาราศาสตรในการ

คดคนสมการ หากระบพกดตำาแหนงดวยจดตดบนเสนรง

และ เสนแวง และวนเดอนป และเวลาทแนนอน สมการ

จะสามารถคำานวณมมกวาด (Azimuth angle) และ

มมเงย (Altitude angle หรอ Elevation) ของตำาแหนง

ดวงอาทตย ณ พกดตำาแหนงนน ในเวลานนๆไดอยาง

แมนยำา ดงน การควบคมมอเตอร 2 แกนใหเคลอนท

ไปยงตำาแหนงพกด (มมกวาด,มมเงย) สามารถทำาได

อยางไมซบซอนเพราะไมจำาเปนตองมการปอนสญญาณ

ควบคมกลบ (Feedback signal) แตความแมนยำาของ

การตดตามการเคลอนทของดวงอาทตยดวยวธนขนอย

กบความแมนยำาในการระบพกดตำาแหนงปจจบน ความ

แมนยำาในการระบเวลา และความแมนยำาในการตดตงระบบ

ใหไดระนาบและตรงทศทางทถกตอง (ทศเหนอเปน

ศนยองศา) ในโครงการวจยน ไดพฒนาระบบตดตามการ

เคลอนทของดวงอาทตยโดยใชหลกการผสมผสานระหวาง

ทง 2 วธทไดกลาวขางตน โดยใชการตดตามดวงอาทตย

ดวยสมการเพอระบตำาแหนงโดยเบองตนแลวใชเซนเซอร

ตรวจวดความเขมแสง เปนตวบอกถงความคลาดเคลอนท

ยงมอยแลวสงขอมลใหวงจรประมวลผลและความคมสง

การใหมอเตอรขบเคลอนปรบตำาแหนงทศทางใหชตรง

ดวงอาทตยอยางแมนยำา รายละเอยดของระบบตดตาม

การเคลอนทของดวงอาทตยทไดพฒนาขนนจะไดกลาวใน

รายละเอยดในหวขอท 2

1.2 สมการคำานวณตำาแหนงดวงอาทตย

ในการสรางระบบตดตามการเคลอนทของ

ดวงอาทตยนนเพอตองการสะสมพลงงานความรอนทได

จากดวงอาทตยใหมากทสด จงจำาเปนตองรตำาแหนง

การเคลอนทของดวงอาทตยตลอดเวลาโดยอาศยหลก

การคำานวณตำาแหนงของดวงอาทตยจาก National Oceanic

and Atmospheric Administration (NOAA) [2] เรมตน

จาก Hour Angle ( ) คอ มมระหวางเสนเมอรเดยนทเราสงเกตกบเสนเมอรเดยนทตำาแหนงดวงอาทตยไป

ทางตะวนออกหรอตะวนตก มคาเปนลบในชวงเวลากอน

เทยงสรยะ (Solar Noon) และเปนบวกหลงเทยงสรยะ

โดยมคา 15 องศาตอชวโมง หาไดจากสมการท (1)

(1) คอ มมชวโมง หนวยเปนองศา คอ เวลาสรยะ หนวยเปนชวโมง

Solar Time คอ เวลาทบอกตาแหนงของดวงอาทตยซงสมพนธกบตาแหนงบนพนโลก หาไดจากสมการท (2)

(2) คอ Solar Time หนวยเปนชวโมง

คอ Local Clock Time เวลาทองถนคานวณตาม Time zone หนวยเปนชวโมง คอ Longitude correction คานวณไดตามสมการท (3)

(3)

คอ คาคงทถาในทองถนทมผลจาก Daylight saving time ใหมคาเปน 1 แตถาไมมผลใหมคาเปน คอ Equation Of Time สมการเวลา คานวณไดตามสมการท (4)

(4)

คอ จานวนวนใน 4 ป (ปอธกสรทน) มคาตงแต 1-1461 ฟงกชน cosine และ sine ใชหนวยเปนองศา ตารางท 1 แสดงคา , ซงเปนคาสมประสทธทใชในสมการท (4)

Declination Angle ( ) คอ มมระหวางแนวลาแสงอาทตยเมอเทยงสรยะกบระนาบศนยสตร กาหนดใหมคาเปนบวกเมอวดไปทางทศเหนอ และมคาเปนลบเมอวดไปทางทศใต คานวณไดจากสมการท (5) (5)

C

M

Y

CM

MY

CY

CMY

K

Page 93.pdf 1 28/08/2013 21:02

94 Bulletin of Applied Science Vol.2 No.2 August 2013.

Declination Angle ( ) คอ มมระหวางแนวล าแสงอาทตยเมอเทยงสรยะกบระนาบศนยสตร ก าหนดใหมคาเปนบวกเมอวดไปทางทศเหนอ และมคาเปนลบเมอวดไปทางทศใต ค านวณไดจากสมการท (5) (5)

ตารางท 2 แสดงคา ซงใชแปลงคาวนทเปนจ านวนวน (Date-to-Day Number Conversion)

ฟงกชน cosine และ sine ใชหนวยเปนองศา

Latitude angle ( ) คอ คาของมมทวดเปนองศาไปทางเหนอและทางใตของเสนศนยสตร ขางละ 90 องศา

Altitude angle ( ) คอ มมระหวางพนราบกบแนวล าแสงอาทตย สามารถค านวณไดจากสมการท (6)

(6)

คอ Altitude angle (องศา) คอ Declination Angle (องศา)

คอ Latitude angle (องศา) คอ Hour Angle (องศา)

Azimuth angle ( ) คอ มมระหวางระนาบแนวดงของดวงอาทตยและระนาบของเมอรเดยนทองถน โดยก าหนดใหวดจากทศใตของระนาบแนวดงดวงอาทตยไปทางตะวนตกมคาเปนบวก วดไปทางตะวนออกมคาเปนลบ และมคาเปนศนยททศใต Azimuth angle มคาอยในชวง -180 องศา ถง 180 องศา สามารถค านวณไดจากสมการท (7)

(7)

โดยมเงอนไขวาถา ,

หมายเหต

1) d คอ วนทในเดอนทก ำลงพจำรณำ เชน วนท 13 เมษำยน N = 13+90 = 103 เปนตน

2) leap year คอ ปอธกสรทน กลำวคอเปนปทเดอนกมภำพนธม 29 วน เชน ป ค.ศ.2000, 2004, 2008 เปนตน มทกๆ 4 ป

,

สดทายเราสามารถบอกตำาแหนงของดวงอาทตยไดจากคา Altitude angle และ Azimuth angle

2.วธการวจย(Experimental) การวจยเพอพฒนาสรางระบบตดตามการ

เคลอนทของดวงอาทตยในโครงการพฒนาระบบผลต

กระแสไฟฟาจากพลงงานแสงอาทตยขนาดเลกทกรม

วทยาศาสตรไดดำาเนนการนนมขนตอนวธการในการ

วจยดงน

2.1 การออกแบบหลกการทำางานของระบบ

และการทดลองเพอยนยนหลกการ

จากทไดกลาวมาแลวโดยเบองตนวาระบบ

ตดตามการเคลอนทของดวงอาทตยทพฒนาขนนน

ใชหลกการผสมผสานกนระหวางวธการใชสมการ

คำานวณตำาแหนงของดวงอาทตย กบการใชขอมลจาก

เซนเซอรตรวจวดความเขมแสงเพอเปนสญญาณปอน

กลบเพอควบคมการเคลอนทชตำาแหนงดวงอาทตย

ปจจยหลกทตองพจารณาในการออกแบบหลกการ

ทำางานนนน คอ ประการแรก ความแมนยำาในการช

ตำาแหนงของดวงอาทตยในขณะเวลาตางๆทเหมาะสม

กบการใชงาน ซงสำาหรบการรวมแสงอาทตยดวยจาน

รปทรงพาราโบลาเพอใหไดความรอนนำาไปใชในการ

กำาเนดไฟฟานนความแมนยำาในระดบไมเกน 2 องศา

กเปนการเพยงพอ และ ประการท 2 การประหยดพลงงาน

ในการทำางานของระบบ[3] ซงแนนอนวาหากระบบตดตาม

การเคลอนทใชพลงงานมากเกนไปพลงงานทระบบ

ผลตกระแสไฟฟาจากพลงงานแสงอาทตยทพฒนาขน

จะมประสทธภาพในการทำางานโดยรวมตำา ซงพลงงาน

ตารางท 1 แสดงคา

Declination Angle () คอ มมระหวางแนวลาแสงอาทตยเมอเทยงสรยะกบระนาบศนยสตร กาหนดใหมคาเปนบวกเมอวดไปทางทศเหนอ และมคาเปนลบเมอวดไปทางทศใต = (0.39795

ตารางท 2 แสดงคา ซงใชแปลงคาวนทเปนจานวนวน

ฟงกชน cosine และ sine

Latitude angle (∅) คอ คาของมมทวดเปนองศาไปทางเหนอและทางใตของเสนศนยสตร ขางละ

Altitude angle () คอ มมระหวางพ นราบกบแนวลาแสงอาทตย

=

คอ Altitude angle คอ Declination Angle

∅ คอ Latitude angle คอ Hour Angle

แสดงคา , ซงเปนคาสมประสทธทใชในสมการท (4)

มมระหวางแนวลาแสงอาทตยเมอเทยงสรยะกบระนาบศนยสตร กาหนดใหมคาเปนบวกเมอวดไปทางทศเหนอ และมคาเปนลบเมอวดไปทางทศใต คานวณไดจากสมการท (5)

397950.98563( − 173)) (5)

ซงใชแปลงคาวนทเปนจานวนวน (DatetoDay Number Conversion

sine ใชหนวยเปนองศา

คาของมมทวดเปนองศาไปทางเหนอและทางใตของเสนศนยสตร ขางละ

มมระหวางพ นราบกบแนวลาแสงอาทตย สามารถคานวณไดจากสมการท

(∅ + ∅)

Altitude angle ( องศา ) Declination Angle (องศา ) Latitude angle (องศา ) Hour Angle (องศา )

หมายเหต

1) d คอ วนทในเดอนทกาลงพจารณา13 เมษายน = 13+90 = 103 เปนตน

2) leap year คอ ปอธกสรทน กลาวคอเปนปเดอนกมภาพนธม 29 วน เชน ป ค2004, 2008 เปนตน มทกๆ 4 ป

5

มมระหวางแนวลาแสงอาทตยเมอเทยงสรยะกบระนาบศนยสตร กาหนดใหมคาเปนบวกเมอ

Day Number Conversion)

คาของมมทวดเปนองศาไปทางเหนอและทางใตของเสนศนยสตร ขางละ 90 องศา

สามารถคานวณไดจากสมการท (6)

(6)

เดอนทกาลงพจารณา เชน วนท เปนตน

อธกสรทน กลาวคอเปนปทวน เชน ป ค.ศ.2000,

95Bulletin of Applied Science Vol.2 No.2 August 2013.

รปท 1 แสดงเครองมอในก�รวดมมกว�ดและมมเงยต�แหนงดวงอ�ทตย เพอใชในก�รตรวจสอบคว�มแมนย�ของสมก�รค�นวณต�แหนงของดวงอ�ทตยทใชในง�นวจย (ก) คอ อปกรณชดวงอ�ทตย และ (ข) คอ แทนวดมมกว�ดและมมเงย

2.2 การสรางเครองตนแบบทสามารถทำางานไดจรง

จากหลกการทำางานของระบบทไดออกแบบไว

ดงทไดกลาวไวในหวขอ 2.1 นกวจยไดสรางเครองตน

แบบระบบตดตามการเคลอนทของดวงอาทตยโดยม

รายการอปกรณทใช และรายละเอยดในการสรางดงน

2.2.1 อปกรณประกอบการสรางเครองตนแบบ

อปกรณทใชในการสรางเครองตนแบบ

ในงานวจยนประกอบดวยอปกรณดงน

1. DC Servo motor 12V 2 ตว

2. H-Bridge motor drive 80 A 2 ตว

ทระบบตดตามการเคลอนทของดวงอาทตยใชโดยมาก

จะใชในการขบเคลอนมอเตอร 2 แกน การออกแบบ

ใหโครงสรางของระบบมขนาดไมใหญจนเกนไป

และการใชมอเตอรท มเฟองทดแบบเฟองตวหนอน

(Worm Gear) เพอใหไมตองใหกระแสไฟฟากบมอเตอร

ในขณะทระบบรบภาระและหยดนง โดยเฟองขบแบบ

ตวหนอนจะขดการหมนของเฟองตรงไมใหหมนกลบ

เมอรบภาระ

การคำานวณตำาแหนงของดวงอาทตยโดยใช

สมการของ NOAA [2] ดงทไดกลาวไวในหวขอ 1.2

โดยนกวจยไดใชโปรแกรม Excel คำานวณหามมกวาด

และมมเงยของตำาแหนงดวงอาทตย ในเวลาตางๆของวน

และตำาแหนงบนพนโลกทระบ และนกวจยไดออกแบบ

สรางเครองมอสำาหรบวดมมกวาด และมมเงยของดวง

อาทตย ดงแสดงในรปท 1 โดยใชหลกการของนาฬกา

แดด กลาวคอใชอปกรณทเปนแทงตรงยาวยดตดตงฉาก(ก) (ข)

กบระนาบ หากแทงตรงชตรงกบดวงอาทตยพอดกจะ

ไมเกดเงาดำาตกทอดบนระนาบนน (เชนเดยวกบนาฬกา

แดดขณะเวลาเทยงวน) นกวจยไดสงเกตตำาแหนงของ

ดวงอาทตยและใชเครองมอวดทสรางขนเลงตำาแหนงไป

ทดวงอาทตยเพอวดมมกวาด และมมเงย เปรยบเทยบ

กบคามมทคำานวณได ผลการตรวจสอบความถกตอง

แมนยำาของการคำานวณปรากฏวาความผดพลาดไมเกน

2 องศา ซงยอมรบไดสำาหรบการประยกตใชงานใน

ดานการรวมแสงเพอนำาพลงงานแสงอาทตยมาใช ซง

ตองการเพยงใหจานพาราโบลาสามารถรวมแสงอาทตย

ใหเขาเปาจดโฟกสทมขนาดใหญพอสมควร ความคลาด

เคลอนทยงคงอยจะปรบแกโดยการใชระบบเซนเซอร

ตรวจวดความเขมแสงของแสงอาทตยวดสญญาณปอน

กลบใหไมโครคอนโทรลเลอรสงการใหมอเตอรเคลอนท

ชตำาแหนงดวงอาทตยใหถกตองได

3. Rotary encoder 2 ตว

4. Proximity switch 2 ตว

5. Microcontroller ARM7 LPC2148 1 ตว

6. อลมเนยมโปรไฟลทำาโครงสรางของเครอง

7. จานรวมแสงทรงพาราโบลา 1 อน

8. Thermocouple 1 อน

9. เซนเซอรแสง LDR Matrix 6x6 1 อน

10. กลองบนทกขอมลลง Flash drive 1 กลอง

11. จานรปทรงพาราโบลา ขนาด 17 นว 1 จาน

96 Bulletin of Applied Science Vol.2 No.2 August 2013.

2.2.2รายละเอยดในการสรางเครองตนแบบ

หลกการทำางาน คอ ระบบจะทำาการคำานวณ

หาตำาแหนงของดวงอาทตย ณ เวลาจรงโดยใชสมการ

ทกลาวมาขางตน ทำาใหไดคา Altitude angle และ

Azimuth angle จากนนนำาคามมทไดสงไปควบคม

การหมนมอเตอรในแตละแกนเพอใหจานรวมแสงอยใน

ตำาแหนงทตรงกบดวงอาทตยพอดซงจะทำาใหสามารถ

สะสมพลงงานความรอนจากดวงอาทตยไดดทสด โดยม

ภาพรวมการทำางานของระบบดงรปท 2

รปท 2 แสดงภ�พรวมของก�รท�ง�นของระบบตดต�มก�รเคลอนทของดวงอ�ทตยทพฒน�ขน

การทำ างานของระบบโดยรวมใ ช ไมโคร

คอนโทรลเลอร ARM7 รน LPC2148 [4] เปนหนวย

ประมวลผล ไมโครคอนโทรลเลอร ARM7 รน LPC2148

ถกโปรแกรมใหทำาการคำานวณคาตำาแหนงของดวง

อาทตยใหมทกๆ 1 วนาท และนำาคาทไดสงไปสงให

มอเตอรทงสองตวหมนไปยงตำาแหนงนนๆ โดยสามารถ

ควบคมตำาแหนงการหมนของมอเตอรไดจาก encoder

โดยความละเอยดทใชในการควบคมมอเตอรในมม

กวาด (Azimuth angle) อยท 1367 ตอ 1 องศา สวนมมเงย

(Altitude angle) อยท 4 ตอ 1 องศา และมอเตอร

สามารถรถงตำาแหนงเรมตนไดดวย Proximity switch

เนองจากโครงสรางของระบบซงใชตดตงจานรวมแสงม

คาความผดพลาดทำาใหตำาแหนงของดวงอาทตย ณ เวลา

ตางๆคลาดคลนไปจงไดนำาเซนเซอรแสง LDR Matrix

มาตดตงเพอใหชดเชยคาตำาแหนงของดวงอาทตยทผดพลาด รปท 3 แสดงเครองตนแบบทไดพฒน�ขน (ก) และ (ข) คอ กลองบนทกขอมลเพอก�รวเคร�ะหผลก�รท�ง�นของเครอง

(ก)

(ข)

โดยบนกลองเซนเซอรจะมการเจาะรขนาด 3 มลลเมตร ท

ตำาแหนงกงกลาง LDR Matrix เซนเซอรเมอแสงสองผาน

รรบแสงแลวคาเซนเซอรทอานไดไมตรงกบคาเซนเซอร

4 ตวทอยบรเวณรรบแสงจะทำาใหทราบวาตำาแหนงของ

ดวงอาทตยในขณะนนไมตรงกบตำาแหนงดวงอาทตย

จรงพรอมทงทศทางจากนนหนวยประมวลผลจะสงให

มอเตอรเคลอนทไปตรงขามกบทศทางทอานไดจาก LDR

Matrix เซนเซอรจนกวาแสงทรอดผานรรบแสงจะตรง

กบตำาแหนงกงกลาง LDR Matrix เซนเซอร เพอเพม

ความแมนยำาในการตดตามตำาแหนงของดวงอาทตยให

มประสทธภาพสงสด จากนน Thermocouple ซงตด

ตงอยทบรเวณจดโฟกสของจานรวมแสงจะทำาการอาน

คาอณหภมทไดสงผานกลองบนทกขอมลมาเกบไวยง

Flash drive ซงทำาใหสะดวกในการนำาขอมลทไดมา

วเคราะหตอไป รปท 3 แสดงเครองตนแบบทไดสรางขน

 

97Bulletin of Applied Science Vol.2 No.2 August 2013.

3.ผลและการวจารณ(ResultsandDiscussion) 3.1การประเมนผลการทำางานของเครองตนแบบ

นกวจยไดทดสอบการทำางานจรงของเครองตน

แบบโดยมวตถประสงคเพอประเมนความแมนยำาของ

การทำางานในสภาพการใชงานจรง และผลการรวมแสง

อาทตยวาสามารถใหพลงงานความรอนทระดบอณหภม

สงเพยงใด นกวจยไดตดตงเครองตนแบบระบบตดตาม

การเคลอนทของดวงอาทตยทมจานรวมแสงเสนผาน

ศนยกลางขนาด 17 นว และเทอรโมคปเปลพรอม

กลองบนทกขอมลไวกลางแจง ตงโปรแกรมใหทำางาน

ระหวางเวลา 9.00 น. ถงเวลา 16.00 น. สภาพอากาศ

ในชวงวนททดสอบเปนชวงตนปซงเปนฤดหนาว ทองฟาโปรง

มเมฆบาง กระจายอยบางสวน อณหภมอากาศเฉลยอย

ระหวาง 28 - 30 ำC และมลมพดเปนบางเวลา เกบ

ขอมลเปนเวลาเกนกวา 1 สปดาห จากการสงเกตการ

รวมแสงของจานรวมแสงทตดตงอยบนระบบตดตาม

การเคลอนทของดวงอาทตย ซ งจดโฟกสรวมแสงสอง

ไปทปลายเทอรโมคปเปลเพอวดระดบอณหภม ณ ท

จดนจะสามารถสงเกตเหนแสงสวางจาอยตลอดเวลา

ททำาการทดสอบ แสดงใหเหนถงความแมนยำาทเหมาะสม

ของระบบ และจากการวดระดบอณหภมท จดโฟกส

รวมแสงอานคาไดจากเทอรโมคปเปลนน ไดระดบ

อณหภมสงสดอยท ประมาณ 300 ำC หรอระดบอณหภม

เฉลยอยทราว 200 ำC ระดบอณหภมเชนน หากจะนำาไป

ใชในการตมนำาเพอขบเคลอนกลจกรไอนำา หรอใชกบ

กงหนไอนำากสามารถใชงานไดเปนอยางด แตหากจะ

นำามาใชกบเครองยนตสเตอรลงแลวระดบของอณหภม

ควรจะตองสงกวานคอควรสงกวา 400 ำC เพอใหไดการ

ทำางานของเครองยนตทมประสทธภาพ [1] รปท 4 และ 5

แสดงกราฟขอมลตวอยางทบนทกระหวางการทดสอบการ

ทำางานของเครองตนแบบและจากการทดสอบเครองตน

แบบน นกวจยมขอสงเกตทควรบนทกไวดงน

1. การใชระบบตดตามการเคลอนทของดวง

อาทตยโดยใชสมการคำานวณตำาแหนงของดวงอาทตย

[2] แตเพยงอยางเดยว เพอประยกตใชในงานรวมแสง

อาทตยเพอเอาพลงงานความรอนไปใชนนกเพยงพอ

เหมาะสมแลว จากผลการทดลองดงรปกราฟท 4 (ก)

แสดงใหเหนถงคามมทคำานวณไดจากสมการเปรยบเทยบ

กบคามมทไดจากการวดดวยเครองมอวดมมตำาแหนง

ดวงอาทตย พบวาคาความผดพลาดสงสดอยท 1.83 องศา

ซงความผดพลาดขนาดนอาจไมจำาเปนตองใชเซนเซอร

วดความเขมแสงและระบบความคมแบบสญญาณ

ปอนกลบเลยกได แตทงนตองมนใจวา การสรางเครอง

ตดตามการเคลอนทของดวงอาทตย โดยเฉพาะอยาง

ยงในสวนของแกนมอเตอรทงสองทขบเคลอนจานรวม

แสงตองตงฉากกนด การตดตงเครองบนพนทใชงานทตง

แนวทศทางของแกนอางองใหตรงกบทศเหนอจรง การ

ปรบตงเครองใหไดระนาบจรง และการกำาหนดคาพกด

ตำาแหนงสถานทต ง รวมถงคาวนเดอนปและเวลาท

ถกตองแมนยำา หากเกดความคลาดเคลอนในเงอนไข

ทกลาวมาแลวน จะสงผลถงความแมนยำาของระบบท

ลดนอยลง

2. ระดบอณหภมทบนทกไดมความแปรปรวน

มาก โดยทงน เกดขนจากสภาพอากาศโดยรอบของ

ปลายเทอรโมคปเปลซงเปดสอากาศ หากมลมพดมาแรง

จะเกดการถายเทความรอนแบบการพาความรอน

ทำาใหระดบอณหภมลดลงอยางมาก นอกจากนท จะ

รบพลงงานความรอนทจดโฟกสรวมแสงในขณะการ

ทดสอบนไมไดมวสดหรออปกรณในการกกเกบความ

รอนไว ดงนหากมการถายเทความรอนออกไป ระดบ

อณหภมจงลดลงไดอยางรวดเรว จากขอสงเกตนนกวจย

จะใชเปนขอมลในการออกแบบปรบปรงระบบใหม

ใหมสวนทรบและเกบกกความรอน รวมถงเกาะบงลมเพอ

ไมใหเกดการถายเทความรอนจนทำาใหระดบอณหภม

ลดลงจนไมสามารถนำาความรอนไปใชประโยชนได

3. การโปรแกรมสงการใหไมโครคอนโทรลเลอร

ทกๆ 1 วนาทอาจจะเปนการคำานวณทถมากเกนไป เพราะ

เมอนกวจยสงเกตการขยบตวของจานทหนตดตาม

ดวงอาทตย การขยบตวเลกนอยทสงเกตไดจะใชเวลา

เกนกวา 1 วนาทมาก นนหมายความวาเราสามารถลด

98 Bulletin of Applied Science Vol.2 No.2 August 2013.

ความถของการคำานวณลงไดมาก ซงจะทำาใหเราประหยด

เวลาในการทำางานของไมโครคอนโทรลเลอรลงได นนก

หมายความถงการประหยดพลงงานจากแบตเตอรลงได

ความถในการคำานวณตำาแหนงดวงอาทตยควรเหมาะสม

กบความละเอยดของเอนโคดเดอรของมอเตอรดวย

รปท 4 กร�ฟ (ก) เปรยบเทยบคว�มสมพนธระหว�งมมกว�ดและมมเงยทค�นวณไดจ�กสมก�รกบมมกว�ดกบมมเงยทวดไดจ�กเครองมอวดกร�ฟ (ข) คว�มสมพนธระหว�งอณหภมกบเวล�ของวนท 4/1/2013 และ 14/1/2013

(ก)

(ข)

3.2 ตนทนการสรางระบบตดตามการเคลอนทของ

ดวงอาทตย

หากเราพจารณาตนทนในการสรางเครองตน

แบบระบบตดตามการเคลอนทของดวงอาทตย [3] ท

กรมวทยาศาสตรบรการไดพฒนาขนน โดยคดจากคา

อปกรณทประกอบขนเปนระบบ โดยไมรวมคาจานรวมแสง

เทอรโมคปเปล และกลองบนทกขอมล ตามทแจกแจง

ในตารางท 3 จะสามารถคำานวณตนทนไดเปน 7,550 บาท

ซงถอวาเปนราคาทถกมากเมอเปรยบเทยบกบราคา

ของระบบตดตามการเคลอนทของดวงอาทตยทนำาเขา

มาขายในประเทศทมระดบราคาหลายหมนจนถงแสน

บาทซงอาจจะมความแมนยำาทดกวา (ความผดพลาดนอย

กวา 0.5 องศา) แตเกนความจำาเปนในการใชงาน และ

หากจะลดตนทนใหตำาลงกวาน เราอาจจะใชโพเทนช

โอมเตอร (Potentiometer) เปนตววดตำาแหนงหมน

ของมอเตอรแทนเอนโคดเดอรได และหากออกแบบ

วงจรและลายแผน PCB ของบอรดไมโครคอนโทรลเลอร

ใหมทลดเอาสวนวงจรอเลคทรอนกสทไมไดใชงานออก

(ในการวจยนกวจยใชบอรดไมโครคอนโทรลเลอรแบบ

อเนกประสงค) กจะทำาใหแผงวงจรมขนาดกะทดรดขน

และราคาถกลงไปไดอก

ต�ร�งท 3 ร�ค�ระบบตดต�มดวงอ�ทตยร�ค�ประหยด

รายการ จ านวน ราคา/ชน (บาท)

ราคารวม (บาท)

DC motor 12V 30W 2 450 900 Rotary Encoder 2 1800 3600 H-Bridge Motor drive 1 650 650 Proximity switch 2 350 700 Microcontroller 1 1200 1200 LDR Matrix sensor 1 500 500 7550

99Bulletin of Applied Science Vol.2 No.2 August 2013.

4.สรป(Conclusion) ระบบตดตามการเคลอนทของดวงอาทตยท

กรมวทยาศาสตรบรการไดวจยพฒนาขนมความแมนยำา

อยในระดบทด คอไมเกน 2 องศา ซงเหมาะกบการ

ใชงานในดานการนำาพลงงานแสงอาทตยมาใชเปน

ประโยชน ไมวาจะดวยวธการรวมแสงอาทตยเพอใหได

เปนพลงงานความรอนไปใชงาน หรอกระทงการเพม

ประสทธภาพการผลตกระแสไฟฟาดวยแผงโซลาเซล

และดวยตนทนทตำากวาระบบทนำาเขาจากตางประเทศ

และความเรยบงายของระบบ จงเหมาะสมกบการใช

งานในครวเรอน หรอชมชนเลกทไมจำาเปนตองลงทนใน

ระบบทมความซบซอนและราคาแพง

5.เอกสารอางอง [1] Andy Ross “Making Stirling Engines”,

Model Engineer, January 10th, 2011

[2] William B. Stine and Michael Geyer

”Power From The Sun” , http://www.power-

fromthesun.net

[3] Artin Der Minassians and Seth R. Sanders

“Stirling Engines for Distributed Low-Cost Solar-

Thermal-Electric Power Generation” Journal of

Solar Energy Engineering, February 2011, Vol.133

[4] Philips Semiconductors “LPC213x User

Manual” , http://www.semiconductors.philips.com