Solar Ladestation

Autoren: Louis Holtapel & Oliver Scholze
Betreuer: Prof. Göbel & Prof. Schneider

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Einleitung

Das Projekt von Louis Holtapel und Oliver Scholze, im Fachpraktikum Elektrotechnik, soll als eine optimierte Mini-Solaranlage dienen. Zu bestimmten Zeiten soll die Lichtintensität gemessen werden und das Solarpanel entsprechend der Sonneneinstrahlung ausgerichtet werden. Somit soll eine möglichst optimale Ausnutzung der Sonneneinstrahlung gewährleistet werden. Ein Arduino soll die Daten zur Sonneneinstrahlung auswerten und über einen Stellmotor das Solarpanel entsprechend verstellen. Ein USB Anschluss dient zum Laden aller USB-fähigen Geräte (Handy, Kopfhörer, elektrische Zahnbürste...). Die Ladedaten sowie der produzierte Solarstrom stehen über ein Display zur Verfügung, die Abfrage erfolgt über einen Taster sodass nicht kontinuierlich der Display angesteuert werden muss.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungsliste

ID	Inhalt	Geprüft durch	Geprüft am
1	Das Solarmodul soll um zwei Achsen bewegbar sein.	Louis Holtapel/ Oliver Scholze	08.01.2023
2	Der Licht-Sensor registriert die Lichteinstrahlung.	Louis Holtapel/ Oliver Scholze	08.01.2023
3	Keine externe Stromquelle, soll Autark funktionieren.	Louis Holtapel/ Oliver Scholze	08.01.2023
4	Ein Akku soll als Puffer-Speicher dienen.	Louis Holtapel/ Oliver Scholze	08.01.2023
5	Über USB-Schnittstelle sollen die Geräte geladen werden.	Louis Holtapel/ Oliver Scholze	08.01.2023
6	Optionale Erweiterung: Ladedaten werden über einen Display dargestellt.	/	/
7	Die Ausrichtung des Solarpanels darf nicht mehr Strom verbrauchen als dadurch gewonnen wird	/	/

Die Anforderungsliste beschreibt das System der Solar Ladestation und deren Hauptfunktionen. Am 3.Okt 2022 wurde dies von Louis Holapel und Oliver Scholze erstellt.

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Abb. 01: Funktionaler Systementwurf

Der Systementwurf stellt da, welche Einheiten (PV, Controller ...) verwendet werden und wie diese untereinander Verbunden sind.

Komponentenspezifikation

Die Komponentenspezifikation befasst sich zuerst mit der Auswahl der elektrischen Komponenten.

Stückliste (BOM)

Die Bill of Materials befindet sich in der Dokumentation, diese ist in der Zusammenfassung hinterlegt.

ID	Anzahl	Kosten pro Stück €	Summe	Bezeichnung / Komponente	technische Bezeichnung	Beschreibung	Datenblatt	Abbildung
1	1x	9,99 €	9,99 €	Entwicklerboard - Solar Ladegerät für 6 bis 24 V Panels	DEBO PWR Solar2	Mit dem Entwicklerboard lassen sich Solarpanels einfach in die Schaltung implementieren. Der Eingang des Solarpanels kann 6V bis 24V betragen, eine Lithium Ionen Akku kann in die davor vorgesehene Halterung als Puffer-Speicher eingesetzt werden. Das Modul Regel dabei auch den Ladezustand und enthält einen Tiefenentladungsschutz. Der Ausgang für das Endgerät wird auf 5V und 1A geregelt, dies lässt sich über den USB A Stecker entnehmen.	Datenblatt DEBO PWR Solar2	Abb. 02: Entwicklungsboard
2	1x	17,33€	17,33€	Solarpanel	Offgridtec 5W Mono 12V Solarpanel	Mit dem Solarpanel wird die elektrische Energie geerntet.	Datenblatt Solarpanel	Abb. 03: Solarpanel
3	1x	7,29€	7,29€	Strom- und Spannungssensor	ACS712 30A Stromsensor und DC0-25V Spannungssensor	Mit den Sensoren lässt sich die Spannung und den Strom messen. Beide Module benötigen eine Spannungsversorgung und eine Ground Anbindung, über einen analogen Ausgang der Module lässt sich die Spannung und Strom zurückrechnen.	Datenblatt Stromsensor	Abb. 04: Strom- und Spannungssensor
4	4x	0,29€	2,89€	Fotowiderstand	LDR GL5516	Mit den Sensoren lässt sich die Sonneneinstrahlung messen. Durch die zu verwendeten vier Fotowiderstand wird die Sonneneinstrahlung gemessen, damit kann der Solarpanel in die passende Position navigiert werden.	Kein Datenblatt	Abb. 05: Fotowiderstand
5	1x	16,95€	16,95€	Servomotor	Servomotor	Der Servomotor besteht aus Motor und Getriebe und kann präzise gesteuert werden.	kein Datenblatt	Abb. 06: Servomotor
6	1x	6,49€	6,49€	Schrittmotor und Schrittmotortreiber	28BYJ-48	Mit dem Schrittmotor, der 5V Spannungsversorgung benötigt, kann über eine Schrittmotortreiber angesteuert werden. Eine wichtige Besonderheit ist die variable Motordrehrichtung und die für rotatorische Bewegung genutzt wird. Der Motortreiber wird zum Ansteuern des Schrittmotors verwendet	Datenblatt Schrittmotor + Treiber	Abb. 07: Schrittmotor
7	1x	24,00€	24,00€	Mikrocontroller-Board	Arduino UNO R3	Der Mirkocontroller basiert auf einem ATmega328P. Das Board verfügt über 14 digitale I/O - Schnitstellen, davon können 6 als PWM Ausgang genutzt werden. Ein weiteres wichtiges Merkmal sind die 6 analogen Eingänge die für die Sensoren genutzt werden können.	Datenblatt Arduino Uno	Abb. 08: Arduino Uno
8	1x	0,32€	0,32€	Schiebeschalter	T 215	Der Schalter kann genutzt werden um Stromkreise zu unterbrechen.	Datenblatt Schiebeschalter	Abb. 09: Schiebeschalter
9	1x	6,99€	6,99€	3,7V Akku	LiPo Akku Lithium-Ion Polymer Batterie 3,7V 1200mAh	Akku zum Speichern der elektrischen Energie.	Datenblatt 3,7V Akku	Abb. 10: Akku
10	4x	0,03€	0,12€	Schrauben	Zylinderschrauben mit Innensechskant M5x40mm	Zur Befestigung der Bauteile	kein Datenblatt	Abb. 11: Zylinderschrauben
11	2x	6,49€	6,49€	Endschalter	Mikroschalter	Bei einer bestimmten Stellung eines sich bewegenden Objektes wird der Enschalter betätigt und signalisiert dies der Steuereinheit.	kein Datenblatt	Abb. 12: Endschalter

Verkabelungsplan

Abb. 13: Verkabelungsplan

Hinweis: Alle Anschlusspins die am Arduino Uno belegt werden, werden im folgenden Text genau beschrieben.

Der wichtigste Aufgabe ist das Laden von externen Geräten sowie die Sensoren zur Messung von der Lichtintensität und wird deshalb zu beginn umgesetzt, siehe Abbildung 13. Der Verkabelungsplan ist durch Screenshots und Inkscape erstellt, da Fritzing nicht kostenlos zur Verfügung stand.

Das Solarpanel, wird an das Solarlademodul angeschlossen. Ein Stromsensor und ein Spannungssensor messen dabei die eingehende Leistung. Das Solarlademodul regelt das Laden des 3,7 V Lithium Ionen Akkus und schaltet einen Ausgang von 5V und 1A der als Spannungsversorgung des Arduino Uno (Pins des Arduino Uno sind Vin und GND). Die Spannungsversorgung des Arduino Uno lässt sich zudem über einen Schalter unterbrechen.
Das zu ladende Gerät wird über den Pufferspeicher geladen um den produzierten Solarstrom flexibel nutzen zu können. Über die Messung der Akkuspannung kann der Ladestand bestimmt werden. Bei zu niedriger Spannung wird das Laden des Gerätes unterbrochen bevor eine Tiefenentladung droht [1].
Die Leistung die der Arduino Uno durch die Steuerung und Messung benötigt wird ebenfalls durch einen Strom-/ und Spannungssensor gemessen, die drei Sensoren besitzen jeweils einen analogen Ausgang. Die analogen Ausgänge werden an den analogen Eingängen A0 (Stromsensor Solarlademodul Ausgang), A1 , und A3 angeschlossen.
Zuletzt werden die LDRs implementiert, diese benötigen eine Spannungsversorgung und werden über einen Spannungsteiler verbunden und an den analogen Eingängen (Pin A4 und A5) des Uno angeschlossen. Um das Solarpanel zur optimalsten Lichteinstrahlung zu bewegen werden zwei Motoren dafür benötigt und welche in Abbildung 13 dargestellt sind.

Der Schrittmotor wird über die digitalen Pins 9, 6, 5 und 3 des Uno gesteuert, diese werden mit dem Motortreiber verbunden, der am Schrittmotor angeschlossen ist.
Für das Kippen des Solarpanels wird ein Servomotor verwendet, dieser hat drei Pins GND VCC und eine Steuerleitung die an den digitalen Pin 11 angeschlossen wird.

Umsetzung (HW/SW)

Abb.14: Halterung des Solarpanels

Die mechanische Konstruktion ist im Arbeitspaket zwei enthalten, die Entwicklung der Software erfolgt im Arbeitspaket drei. Alle Werkzeuge die bei der Entwicklung verwendet wurden, werden ebenfalls kurz aufgeführt.

Mechanische Konstruktion

Hier wird die Halterung des Solarpanels als auch die Grundplatte für sämtliche Komponenten der Solar Ladesstation entwickelt. Die Entwicklung erfolgte über Solidworks,
alle entworfenen Bauteile sind daraufhin mit einem privaten 3D-Durcker (Anycubic i3 Mega) gefertigt worden. Alle STL und SolidWorks Dateien befinden sich hier.
Zu Beginn wurde die Grundplatte erstellt, dazu wurde ein Holzplatte so umfunktioniert das ein Rillenkugellager für die rotatorische Bewegung des Solarpanels montiert werden kann.
Nach der Erstellung der Grundplatte ist die Halterung des Solarpanels entwickelt worden, diese ist in Abbildung 14 zu sehen. Unten in der Mitte der Halterung
befindet sich die Aufnahme für die Befestigung mit dem Rillenkugellager und der Grundplatte, worin der Schrittmotor (Siehe Verkabelungsplan) befestigt wird. Nachdem muss nun das Solarpanel
passend zur Sonneneinstrahlung bewegt werden können. Dazu wird das Solarpanel längst in der Halterung montiert. Eine Achse die am Solarpanel montiert ist wird auf der einen linken Seite
im einem weiteren Kugellager befestigt und auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Servomotor für die Bewegung des Solarpanels mit der Halterung montiert.

Software

Die Software ist mit Matlap Simulink erstellt und wird durch die vier Programmablaufpläne dargestellt.

Abb. 15: Hauptprogramm	Abb. 16: Grundstellungsfahrt

Abb. 17: Kalibrierfahrt	Abb. 18: Betriebszustand

Komponententest

Abb. 19: Testfall 01 (HW-SW)

Die Komponententest sind in zwei Kategorien unterteilt (HW-SW Komponententest und Mechanik Komponententests) die im folgenden erläutert werden.

HW-SW Komponententest

Vorgehensweise
In der HW-SW Komponententest werden einzelne Module, bestehend aus Hardware Komponenten und Software, auf deren Funktionalität geprüft. Der Testfall 01 überprüft die Funktionalität der Spannungssensoren, dabei wird ein Labornetzteil verwendet, welches auf eine bestimmte Spannung (in diesem Fall 9,35V) eingestellt wird. Nachdem alle Hardwarekomponenten miteinander verbunden sind, wird geprüft ob dieser Wert in der Ausgabe (Scope) der zuvor implementierten Software übereinstimmt, siehe Abbildung 19. Ist dies der Fall, ist der Testfall 01 bestanden und ein Fehler ausgeschlossen. So werden sämtliche Testfälle überprüft.
Alle weiteren Testfälle werden in einer Excel Tabelle (in der Dokumentation zu finden) übersichtlich dargestellt. Beim Test des Servomotors mit angeschraubten Solarpanel stellt sich heraus, dass der Standard Arduino-Servo zu Schwach für die geforderte Last ist. Als Ersatz dient ein Modellbau-Servomotor aus einem Ferngesteuerten Auto. Dieser ist deutlich größer und Robuster und reicht daher für die geforderte Last aus.

Mechanik Komponententests

Bei den Komponententest der Mechanik wurden zunächst alle Bauteile auf Passigkeit überprüft. Im Zusammengebauten Zustand wurde dann die Leichtgängigkeit der Mechanischen Bauteile überprüft. Bauteile die zu schwergängig waren wurden abgeändert oder nachjustiert.

Ergebnis

Die Solar Ladestation ist erfolgreich mit den formulierten Anforderungen fertiggestellt worden. Das heißt, je nach Sonnenstand wird das Solarpanel über zwei Achsen passend zur Sonne ausgerichtet. Dadurch wird genügend elektrische Energie erzeugt um den Puffer Speicher zu laden. Sobald das Solarmodul nicht genügend elektrische Energie erzeugt, wird der Puffer Speicher als Spannungsquelle für die Steuerung und das Laden von externen Geräten genutzt. Die optionale Anforderung einen Displayausgabe (Anforderung ID 06) zu erzeugen, wurde nicht umgesetzt, damit den zuvor genannten Funktionen ausreichend elektrische Energie zur Verfügung steht.
Die Anforderung ID 07 ist für die Projektmesse außerdem nur die Hardware umgesetzt, da die erzeugte Leistung in Gebäuden nicht ausreicht ist und sich dadurch negativ auf die Projektpräsentation auswirken würde.

Zusammenfassung

Insgesamt wurden die Meilensteine des Projektzeitplans zeitlich passend umgesetzt. Durch unerwartete fehl Kalkulationen, wie der Auslegung von zu schwachen Motoren für die Steuerung des Solarpanels, wurde mehr Arbeitszeit in das Projekt investiert als geplant. Sämtliche Dateien die zur bei der Durchführung erstellt wurden, befinden sich hier.

Eine Zip-Datei mit sämtlichen Projektunterlagen befindet sich hier.

Lessons Learned

Durch die eigenständige Umsetzung, von der Planung bis hin zur Programmierung, haben wir die meisten zuvor erlernten Inhalte des Studiengangs Mechatronik angewendet.
Zusammengefasst haben wir folgendes gelernt:

• Projektplanung
• Konstruktion und Entwicklung von Bauteilen und Schaltungen
• Durchführung eines Projektes
• Versionsverwaltung und Dokumentation

Projektunterlagen

Projektplan

Abb.20: Projektplan als Gantt-Diagramm

Projektdurchführung

Tabelle 2: Projektdurchführung

Task	Bearbeitet durch
Auswahl der Bauelemente	Oliver Scholze
Schaltplan erstellen	Oliver Scholze
Gehäuse erstellen	Louis Holtapel
Halterung für Solarpanel	Louis Holtapel
Verbindungsstücke entwerfen	Louis Holtapel
3D Druck	Oliver Scholze
Programmablaufplan erstellen	Louis Holtapel / Oliver Scholze
Zusammenbau der Komponenten	Louis Holtapel / Oliver Scholze
Softwareentwicklung	Louis Holtapel
Test- und Abgabephase	Louis Holtapel / Oliver Scholze

Die Projektdurchführung erfolgte wie in der Tabelle 2 zu sehen.

YouTube Video

Hier finden Sie das YouTube-Video des Projektes.

Weblinks

Werkzeuge
- Anycubic i3 Mega
- Lötkolben
- Inkscape
- Labornetzteil

Zusatzmaterial
- Lötzinn
- Kabel
- Jumper Kabel

Literatur

[1] The Reality about Energy Harvesting

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