Autonome Solarstation

Autoren: Tim Schonlau & Kevin Hinze
Betreuer: Prof. Göbel & Prof. Schneider

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Abb. 1: Titelbild, gerendert mit SOLIDWORKS Visualize 2021

Einleitung

In diesem Projekt soll eine Autonome Solarstation entwickelt werden. Diese richtet sich über zwei angetriebene Achsen nach dem Sonnenstand aus und ermöglicht so einen komplett autonomen Tagesablauf der Solarstation. Zudem verfügt diese über einen Akku um das System unabhängig nutzen zu können, sowie als Lademöglichkeit für Endgeräte. Die gesamten Informationen über den Sonnenstatus, Intensität und Ladestatus werden über ein digitales Display an der Station wiedergegeben.

Anforderungen

Abb. 2: Autonome Solarstation, Solarpanele mit Pan/Tilt beweglich, Fuß bietet Platz für Akku und Arduino

ID	Inhalt	Ersteller	Datum	Geprüft am	Datum
1	Geringes Gewicht der Konstruktion	Kevin Hinze	02.10.21	Tim Schonlau/Kevin Hinze	07.01.22
2	Lichteinstrahlung muss gemessen werden	Kevin Hinze	02.10.21	Tim Schonlau/Kevin Hinze	07.01.22
3	Einstellen der zwei Achsen	Kevin Hinze	02.10.21	Tim Schonlau/Kevin Hinze	07.01.22
4	Automatisierung der Achsen für den Lichtzyklus	Kevin Hinze	02.10.21	Tim Schonlau/Kevin Hinze	07.01.22
5	Speicherung der Energie, mit Schalt-Relais und Sensor	Tim Schonlau	02.10.21	Tim Schonlau/Kevin Hinze	07.01.22
6	Freigabe aus Energiespeicher für Endgeräte, Ansteuerung 5V USB Port	Tim Schonlau	02.10.21	Tim Schonlau/Kevin Hinze	07.01.22
7	Anzeige von Licht-und Energiedaten	Kevin Hinze	02.10.21	Tim Schonlau/Kevin Hinze	07.01.22

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Systementwurf

Autonome Solarstation Systementwurf

Um die Effizienz der Solarmodule zu erhöhen und damit den gesamten Sonnenzyklus abdecken zu können, wird die X-Achse (Tilt) und die Y-Achse (Pan) von einem Servomotor angetrieben. Diese werden in der Säule der Solarstation integriert. Der Fuß bietet zudem Platz für den Akkumulator, Arduino Uno, USB Port und einer digitaler Anzeige. So soll eine möglichst kompakte Bauweise realisiert werden.
Die Lichtsensoren werden über dem Solar Panel installiert. Die Strom-&Spannungssensoren werden nahe des Arduinos angebracht, um lange Kabelwege zu vermeiden. Diese werden mit einem Relais in einen Schaltkreis integriert, um den Aufladevorgang der Akkumulatoren unabhängig vom Arduino schalten zu können.

Komponentenspezifikation

Komponente	Beschreibung	Abbildung
Arduino UNO R3	Für dieses Projekt wurde ein Arduino Uno R3 als Microcontroller verwendet. Dieser ist in Besitz von 14 digitalen I/O Pins(davon 6 PWM Ausgänge) und 6 analogen Input Pins.	Arduino
Servomotoren	Es wurde ein Servomotor mit einem 360° Drehradius verbaut. Dieser besitzt eine Drehgeschwindigkeit / 60° : 0.19 Sekunden bei 5V, 0.23 Sekunden bei 6V und ein Drehmoment von 3.2kg bei 5V, 4.1kg bei 6V. Zudem noch ein kleiner Servomotor mit einer Drehgeschwindigkeit (pro 60°. bei 4.8V)): 0,12s und einem Drehmoment bei 4.8V: 1.8kg/cm	Servomotor Servomotor
Fotowiderstand	Verbaut wurden vier Fotowiderstände mit einer maximalen Leistung von 90mW und einer maximalen Spannung von 150V DC (In Verbindung mit 1000 Ohm Widerständen)	Fotowiderstand
Solar Panel	Verwendet wurde eine Solarzelle mit dem Maße: 145x145mm, einer Leistung von 3W und einer Stromstärke von 0-0.25A	Solar Panel
Digitalanzeige	Verwendet wurde ein Miniatur OLED Display mit einer 128*64 Pixel Auflösung.	I2C Display

Umsetzung (HW/SW)

Abb. 3: Rückseite mit Blick auf Motoren und mechanischen Aufbau, gerendert mit SOLIDWORKS Visualize 2021

Abb. 4: Regelkreis der Autonomen Solarstation

Der Aufbau der Solarstation ist in zwei wesentliche Komponenten aufgeteilt. Zum einen die Grundplatte mit dem stärkerem Servomotor, welcher das Gewicht des gesamten weiteren Aufbaus trägt, und den elektronischen Bauteilen. Zum anderen die Drehvorrichtung mit dem kleinen Servomotor, welcher das Solar Panel mit den Fotowiderständen hält. Diese Vorrichtung wurde zuvor in SolidWorks konstruiert und bildet die wichtigste Verbindungsstelle in der Konstruktion. Die Grundplatte und der Halter des Solarpanels sind aus Holz gefertigt.

Die Lichtsensoren sind in vier Kammern an der Konstruktion unterteilt, um so eine gleichmäßige Ausrichtung zu gewährleisten. Diese Sensoren sind an ein handelsübliches CAT5e-Ethernetkabel gelötet, da dieses praktischerweise 8 Leitungen über ein Kabel ermöglicht. Wichtig ist hier auch die Zugentlastung der Kabel, damit die Kraft nicht an den Lötstellen angreifen kann. Auf der anderen Seite sind die Verbindungen zum Arduino über eine Lüsterklemme realisiert.

Um die nötigen Spannungsversorgungen herzustellen, sitzt ein Breadboard unter der Grundplatte. Zudem sitzen hier die Spannungsteiler die sich aus den Lichtsensoren, bzw. Photo-Widerständen und den 1000 Ohm Widerständen zusammensetzen.

Die Software ist mit dieser Kammerkonstruktion denkbar einfach: Vier Sensoren, vier Richtungen. Von den jeweils gegenüberliegenden Sensoren werden Mittelwerte berechnet, wenn diese größer sind als ein bestimmter Toleranzwert, werden die Servo-Motoren bewegt. Zuerst haben werden links und rechts miteinander verglichen, der große kontinuierlich drehende Servo-Motor bewegt sich so lange in die Richtung in der der Wert niedriger ist, bis diese ermittelten Mittelwerte wieder im Toleranzbereich liegen. Mit dem kleinen Servo-Motor ist der Vorgang ähnlich, nur das hier bequem die Gradzahl an den Servo-Motor übergeben werden kann. Es wird also eine Variable solange erhöht, bis sich die Mittelwerte von Oben und Unten wieder im Toleranzbereich befinden. Dieser Bewegungsvorgang wird in einer Schleife ausgeführt, damit die Anzeige der Solar Panel Spannung nur jede Sekunde aktualisiert wird, da diese sonst schwieriger zu lesen ist.

Komponententest

Die Fotowiderstände wurden vor dem endgültigem Verbau in der Konstruktion provisorisch verbaut, angesteuert und getestet. Obwohl diese nicht exakt gleich auf der Kammerkonstruktion platziert sind, liefern diese ausreichend ähnliche Ergebnisse für die Ausrichtung auf die hellste Lichtquelle. Beim Test fiel auch auf, dass der MG995 Servo-Motor sich kontinuierlich und nicht im Winkel dreht. Daher ist hier eine andere Softwareansteuerung erforderlich. Das Solarpanel liefert über einen einfachen Spannungsteiler am Analog Input eine ausreichende Spannung, leider haben wir in der Komponentenbeschaffung ein Controllerboard vergessen, wobei dieses leicht zu ergänzen wäre. Das Display funktioniert nach Einbindung der LiquidCrystal_I2C Bibliothek ohne viel Aufwand, nur der Kontrast musste über ein kleines Potentiometer auf der Rückseite des I2C Moduls eingestellt werden.

Ergebnis

Abb. 4: Fotos der Autonomen Solarstation, zur Anschauung der Verkabelung und Montage

Das Projekt wurde wie nach Entwurf geplant, umgesetzt und fertiggestellt. Die gewünschten Anforderungen wurden bis auf die Punkte fünf und sechs alle erfüllt und sind funktionstüchtig. Alle benötigten Bauteile waren entweder vorhanden oder konnten problemlos über Online-Händler bestellt werden. Zusätzliche Bauteile waren ein Servomotor, Fotowiderstände, ein Solarmodul und die Digitalanzeige, sowie einige kleineren Bauteile wie Lüsterklemme, Kabelhalter und (Ethernet-)Kabel. Die Motorhalterung wurde in eine CAD-Programm erstellt und bei einem Zulieferer bestellt. Bei der restlichen Konstruktion (Bodenplatte, Halterung Solar Panel) konnte auf vorhandene Materialien zurückgegriffen und selbstständig gefertigt werden. Erweiterungen wie z.B. eine Ausgabe der Daten über eine Drahtlosverbindung oder Aufladen verschiedener Endgeräte wäre denkbar.

Zusammenfassung

Lessons Learned

Fehler die aufgetreten sind:

• Eine genaue Planung des Projektes ist zwingend erforderlich, hier fehlt z.B. ein entscheidendes Bauteil für die Zusatzfunktionen wie USB-Laden, die Eigenversorgung des Arduinos, Aufladen von Akkus
• Die Fotowiderstände müssen ordentlich verbaut sein, bzw. sämtliche Sensoren sollten vorab in einer Prototypkonstruktion, die dem finalen Aufbau entspricht, getestet werden
• Zeit und Aufwand/Qualität der elektronischen Verbindungen. Die Kabel die zum Arduino-Set gehören sind nur bedingt praktikabel und erfordern die Installation des Breadboards.
• Beim Programmieren und Testen ist beim kleinen Servo-Motor (SG90) ein Zahn des Zahnrads abgebrochen. Nur durch ein Auseinanderschrauben und Drehen des kaputten Zahnrads konnte der Servo-Motor noch seine Aufgabe erfüllen.
• Vorkenntnisse mit Arduino-Projekten wären sehr hilfreich gewesen, speziell die eine Übersicht über alle Erweiterungsboards die für Arduino erhältich sind

Kompetenzen die erlernt wurden:

• Zeitmanagement
• Planung eines gesamten Projektes
• Kompetenzenverteilung und Kommunikation innerhalb des Teams
• Konstruktion in CAD-Programm, Rendern eines Vorschaubildes, Komprimieren von Bildern
• Sehr gute Möglichkeit, praktische Erfahrung mit elektronischen Schaltkreisen zu sammeln
• Verantwortung von selbst erstelltem Code

Projektunterlagen

Projektplan

Projektplan

Projektdurchführung

Nach der Erstellung des Projektplanes und einer Planung der genauen Konstruktion erfolgte die Bestellung der einzelnen elektronischen Komponenten, sowie der Motorhalterung welche zuvor in SolidWorks konstruiert wurde. Die Basis der Konstruktion und die Halterung des Solar Panels wurden manuell aus Holz gefertigt. Ein nicht zu unterschätzender Teil ist die Herstellung der elektronischen Verbindungen, also das recht aufwendige Löten oder einfache Lüsterklemmen, die allerdings auch viel Platz wegnehmen. Im letzten Schritt erfolgte die Montage der elektronischen Bauteile.

Projektdateien

Die Projektdateien, also der Arduino Code und SolidWorks 3D-Dateien zum Nachbauen sind in diesem .zip-File: Datei:Autonome Solarstation Dateien.zip

YouTube Video

https://youtu.be/M0-tpoL7e9E

Weblinks

https://www.funduinoshop.com/