Autonome Solarstation: Unterschied zwischen den Versionen

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Fehler die aufgetreten sind:
Fehler die aufgetreten sind:
* Eine genaue Planung des Projektes ist zwingend erforderlich
* 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
* Die Fotowiderstände müssen ordentlich verbaut sein, bzw. sämtliche Sensoren sollten vorab in einer Prototypkonstruktion getestet werden
* Beim Programmieren ist der kleiner Servo-Motor (MG


Kompetenzen die erlernt wurden:
Kompetenzen die erlernt wurden:
* Zeitmanagement
* Zeitmanagement
* Planung eines gesamten Projektes  
* Planung eines gesamten Projektes
* Kompetenzenverteilung innerhalb des Teams
* Kompetenzenverteilung und Kommunikation innerhalb des Teams
* Konstruktion in CAD-Programm
* Konstruktion in CAD-Programm, Rendern eines Vorschaubildes, Komprimieren von Bildern
* Sehr gute Möglichkeit, praktische Erfahrung mit elektronischen Schaltkreisen zu sammeln


==Projektunterlagen==
==Projektunterlagen==

Version vom 10. Januar 2022, 19:55 Uhr

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


→ zurück zur Übersicht: WS 21/22: Angewandte Elektrotechnik (BSE)

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 [1]

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 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 kontinuirlich 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 einen Controllerboard vergessen, wobei dieser 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, 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, 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 getestet werden
  • Beim Programmieren ist der kleiner Servo-Motor (MG

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

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/

Literatur

  1. Eigenes Dokument