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 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	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	Fotowiderstand
Solarmodul	Verwendet wurde eine Solarzelle mit dem Maße: 145x145mm, einer Leistung von 3W und einer Stromstärke von 0-0.25A	Solarmodul
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

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 die Solarplatte mit den Fotowiderständen hält. Diese Vorrichtung wurde zuvor in SolidWorks konstruiert und bildet die wichtigste Verbindungsstelle in der Konstruktion. Die Grundplatte und der Halter der Solarplatte sind aus Holz gefertigt.

Die Lichtsensoren sind in vier Kammern an der Konstruktion unterteilt, um so eine gleichmäßige Ausrichtung zu gewährleisten.

Komponententest

Die Fotowiderstände wurden vor dem endgültigem Verbau in der Konstruktion provisorisch verbaut, angesteuert und getestet.

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, sowie eine Digitalanzeige. Die Motorhalterung wurde in eine CAD-Programm erstellt und bei einem Zulieferer bestellt. Bei der restlichen Konstruktion (Bodenplatte, Halterung Solarmodul) konnte auf vorhandene Materialien zurückgegriffen und diese selbstständig verbaut werden. Erweiterungen wie zb. eine Ausgabe der Daten über eine Handyapp oder das Laden verschiedener Endgeräte wäre denkbar.

Zusammenfassung

Lessons Learned

Fehler die aufgetreten sind:

• Eine genaue Planung des Projektes ist zwingend erforderlich
• Die Fotowiderstände müssen ordentlich verbaut sein

Kompetenzen die erlernt wurden:

• Zeitmanagement
• Planung eines gesamten Projektes
• Kompetenzenverteilung innerhalb des Teams
• Konstruktion in CAD-Programm

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 der Solarplatte wurden händisch aus Holz gefertigt. Es folgte ein erster Test der einzelnen Komponenten, bevor diese verheiratet werden konnten. Im letzten Schritt erfolgte die Montage der elektronischen Bauteile.

YouTube Video

https://youtu.be/M0-tpoL7e9E

Weblinks

https://www.funduinoshop.com/