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
| 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
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 |  |
| 2 | 1x | 17,33€ | 17,33€ | Solarpanel | Offgridtec 5W Mono 12V Solarpanel | Mit dem Solarpanel wird die elektrische Energie geerntet. | Datenblatt 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 |  |
| 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 | .png) |
| 5 | 1x | 16,95€ | 16,95€ | Servomotor | Servomotor | Der Servomotor besteht aus Motor und Getriebe und kann präzise gesteuert werden. | kein Datenblatt |
 |
| 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 |  |
| 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 |  |
| 8 | 1x | 0,32€ | 0,32€ | Schiebeschalter | T 215 | Der Schalter kann genutzt werden um Stromkreise zu unterbrechen. | Datenblatt 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 |  |
| 10 | 4x | 0,03€ | 0,12€ | Schrauben | Zylinderschrauben mit Innensechskant M5x40mm | Zur Befestigung der Bauteile | kein Datenblatt |  |
| 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 | .png) |
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)
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.
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Komponententest
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
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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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