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
2	Lichteinstrahlung muss gemessen werden	Kevin Hinze
3	Einstellen der zwei Achsen	Kevin Hinze
4	Automatisierung der Achsen für den Lichtzyklus	Kevin Hinze
5	Speicherung der Energie, mit Schalt-Relais und Sensor	Tim Schonlau
6	Freigabe aus Energiespeicher für Endgeräte, Ansteuerung 5V USB Port	Tim Schonlau
7	Anzeige von Licht-und Energiedaten	Kevin Hinze

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 am Rand der Solarmodule 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	Bei dem in diesem Projekt verwendeten Microcontroller handelt es sich um den Arduino Uno Rev3. Dieser besitzt neben 14 digitalen I/O Pins, von denen 6 als PWM Outputs genutzt werden können, auch 6 analoge Eingänge. Für dieses Projekt werden 4 digitale I/Os sowie 2 Analogeingänge benötigt.	|126px|mini|zentriert|Arduino Uno Board]]
Relais	Die Pumpe und die LED-Streifen werden durch eine externe Spannungsquelle versorgt. Zum ein- und ausschalten dieser Aktoren wird ein 2-Relais Modul verwendet.	2-Relais Modul
Feuchtigkeitssensor	Die Messung der Bodenfeuchte erfolgt mithilfe eines kapazitiven Bodenfeuchtigkeitssensors. Dieser misst die Änderung der Kapazität in Folge der Änderung des dielektrischen Kontrasts zwischen Wasser und Blumenerde. Das hat den Vorteil, dass die Metallelektroden keinen direkten Kontakt mit der Blumenerde haben und so vor Korrosion geschützt sind.	Feuchtigkeitssensor
Ultraschallsensor	Zum erfassen des Wasserstandes im Tank wird der HC-SR04 Ultraschallsensor verwendet. Dieser misst nach Anregung mit einer fallenden Flanke am Trigger-Pin selbstständig die Entfernung und wandelt diese in ein PWM Signal, welches am Echo-Pin zur Verfügung steht. Mit dem Sensor können 50 Messungen pro Sekunde durchgeführt werden, für dieses Projekt reichen allerdings auch deutlich weniger Messungen aus.	Ultraschallsensor
Fotowiderstand (LDR)	Zur Ermittlung der ambienten Lichtstärke wird ein einfacher Fotowiderstand verwendet. Dieser basiert auf dem fotoelektrischen Effekt: dabei geben Photonen vom einfallenden Licht ihre Energie vollständig an die Elektronen der Atomhüllen ab und regen diese energetisch an. Im Energiebändermodell entspricht dies einem Wechsel vom Valenz- ins Leitungsband, wodurch die elektrische Leitfähigkeit steigt und die abfallende Spannung am LDR sinkt.	Fotowiderstand
5V USB Mini Tauchpumpe	Um das Wasser aus dem Tank in den Blumentopf zu befördern, wird eine Tauchpumpe verwendet. Diese kann über USB betrieben werden. Zur Ansteuerung über das Relais wird das USB-Kabel durchtrennt und nur die Versorgungs- und Ground-Leitung verwendet.	Tauchpumpe
LED-Streifen	Die Photosynthese von Pflanzen ist besonders aktiv, wenn das Licht eine Wellenlänge um die 450nm (blau) oder um die 650nm (rot) besitzt. Daher kommt ein LED-Streifen zum Einsatz, der violettes Licht, also eine Mischung aus blau und rot, emittiert.	LED-Streifen
LC-Display	Der aktuelle Füllstand des Wassertanks wird auf einem LC-Display als Balken dargestellt. Genauer handelt es sich um ein QAPASS 1602A, welches über ein I²C-Modul (PCF8574 Port-Expander Chip) per I²C-Bus angesteuert werden kann.	LC-Display mit I²C-Modul
USB Ladegerät	Zur Spannungsversorgung der LED-Streifen, der Tauchpumpe und des Arduino kommt ein 30W USB-Ladegerät zum Einsatz.	Netzteil

Umsetzung (HW/SW)

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

Weblinks

https://www.funduinoshop.com/