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.
2	Der Licht-Sensor registriert die Lichteinstrahlung.
3	Keine externe Stromquelle, soll Autark funktionieren.
4	Ein Akku soll als Puffer-Speicher dienen.
5	Über USB-Schnittstelle sollen die Geräte geladen werden.
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	Abb. 02: Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Die Komponentenspezifikation wird im Arbeitspaket 01. Schaltung erstellen bearbeitet.

Bill of Materials

Abb.03: Bill of Materials

Die Abbildung 03 Bill of Materials zeigt die Komponenten die in diesem Projekt benötigt und verwendet werden, die originale Datei ist hier zu finden. Komponenten an den kein Preis aufgeführt ist,
müssen nicht extra bestellt werden und sind nur der Vollständigkeit halber aufgeführt.

Stückliste

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. 04: Entwicklungsboard
2	1x	17,33€	17,33€	Solarpanel	Offgridtec 5W Mono 12V Solarpanel	Mit dem Solarpanel wird die elektrische Energie geerntet.	Datenblatt Solarpanel	Abb. 05: 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. 06: 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. 07: Fotowiderstand
5	1x	2,95€	2,95€	Micro Servomotor	SG90	Der Servomotor besteht aus Motor und Getriebe und kann präzise gesteuert werden.	Datenblatt Servomotor	Abb. 08: 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. 09: Schrittmotor
7	1x	42,00€	42,00€	Mikrocontroller-Board	Arduino Due	Der Mirkocontroller basiert auf einem SAM3X8E ARM Cortex-M3 von Atmel mit einem 32Bit-Mikrocontroller. Das Board verfügt über 54 digitale I/O - Schnitstellen, davon können 12 als PWM Ausgang genutzt werden. Ein weiteres wichtiges Merkmal sind die 12 analogen Eingänge die für die Sensoren genutzt werden können.	Datenblatt Arduino Due	Abb. 10: Arduino Due
8	1x	0,32€	0,32€	Schiebeschalter	T 215	Der Schalter kann genutzt werden um Stromkreise zu unterbrechen.	Datenblatt Schiebeschalter	Abb. 11: Schiebeschalter
9	1x	4,99€	4,99€	3,7V Akku	SON 14500 VR2 Industriezelle	Akku zum Speichern der elektrischen Energie.	Datenblatt 3,7V Akku	Abb. 12: Akku

Verkabelungsplan

Abb. 13: Verkabelungsplan

Hinweis: Alle Anschlusspins die am Arduino Due 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 Due (Pins des Arduino Due sind Vin und GND) . Die Spannungsversorgung des Arduino Due 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 Due durch die Steuerung und Messung benötigt wird ebenfalls durch einen Strom-/ und Spannungssensor gemessen, die vier Sensoren besitzen jeweils einen analogen Ausgang. Die analogen Ausgänge werden an analogen Eingängen A8 bis A11 des Due angeschlossen.
Zuletzt werden die LDRs implementiert, diese benötigen eine Spannungsversorgung und können dann direkt an den analogen Eingängen (Pin A4 bis A8) des Due angeschlossen werden. Um das Solarpanel zur optimalsten Lichteinstrahlung zu bewegen werden zwei Motoren dafür benötigt und wird in Abbildung 13 dargestellt.

Der Schrittmotor wird über die digitalen Pins 22, 24, 26 und 30 des Due 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 32 angeschlossen wird.

Umsetzung (HW/SW)

Abb.05: 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.
Zu Beginn wurde die Grundplatte erstellt, dazu wurde ein holz Platte so umfunktioniert das ein Rillenkugellager für die rotatorische Bewegung des Solarpanels montiert werden kann.
Nachdem die Hauptfunktionen der Grundplatte erreicht sind ist die Halterung des Solarpanels entwickelt worden, diese ist in Abbildung 04 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

Abb.06: Programmablauf Main	Abb.07: Programmablauf Unterfunktion Kalibrierfahrt

Projektunterlagen

Projektplan

Abb.0X: 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	/
Softwareentwicklung	/
Test- und Abgabephase	/

Die Projektdurchführung erfolgte wie in der Tabelle 2 zu sehen.

Weblinks

Werkzeuge
- Anycubic i3 Mega
- Lötkolben
- Inkscape

Zusatzmaterial
- Lötzinn
- Kabel

Literatur

[1] The Reality about Energy Harvesting

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