Solar-Tracker
Autoren: Jonas Hokamp & Michel Grünebaum
Betreuer: Marc Ebmeyer
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Einleitung
Der "Solar-Tracker" ist dazu in der Lage sich zu einer Lichtquelle auszurichten, um über seine eingebaute Solarzelle stets die maximal mögliche Energie erzeugen zu können. Dafür ist eine Halterung zu konstruieren, die um zwei Achsen rotieren kann. Außerdem wird ein System benötigt, welches erkennen kann, in welcher Richtung sich eine Lichtquelle befindet, sowie eine Schaltung die zwei Motoren ansteuert.
Anforderungen
| ID | Inhalt | Ersteller | Datum | Geprüft von | Datum |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Es muss die die Helligkeit des Lichtes gemessen werden. | Jonas Hokamp | 30.09.21 | Jonas & Michel | 07.01.22 |
| 2 | Es muss um zwei Achsen rotiert werden können. | Jonas Hokamp | 30.09.21 | Jonas & Michel | 07.01.22 |
| 3 | Das Gewicht der Maschine muss gering sein. | Jonas Hokamp | 30.09.21 | Jonas & Michel | 07.01.22 |
| 4 | Es muss ein Detektionsalgorithmus entwickelt werden. | Jonas Hokamp | 30.09.21 | Jonas & Michel | 07.01.22 |
| 5 | Die Implementierung erfolgt mit MATLAB/Arduino IDE. | Jonas Hokamp | 30.09.21 | Jonas & Michel | 07.01.22 |
| 6 | Die erzeugte Leistung muss gemessen werden können. | Jonas Hokamp | 30.09.21 | Jonas & Michel | 10.01.22 |
Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf
Systementwurf
Der Solar-Tracker kann durch die Verwendung von zwei Servomotoren sowohl um die x- als auch um die y-Achse rotieren. Dadurch ist er in der Lage die Solarzelle nach Belieben zu einer Lichtquelle auszurichten. Einer der Servos, der für die Rotation um die x-Achse zuständig ist, benötigt dabei weniger Leistung, da er lediglich die Solarzelle und deren Halterung rotieren muss. Für den anderen Servo ist eine Versorgung durch ein externes Netzteil und ein Shield vorgesehen. Außerdem soll ein Strom-und Spannungssensor es ermöglichen die erzeugte Leistung zu bestimmen.
Konstruktion
Der technische Systementwurf erfolgte mit Hilfe der Software SolidWorks. Damit haben wir sämtliche Bestandteile, bis auf die Lichtsensoren und Servomotoren, konstruiert und zusammengebaut um sicherzustellen, dass am Ende eine Montage ohne große Probleme möglich ist. Außerdem hat es geholfen das fertige Produkt zu visualisieren und zu überprüfen, ob genug Platz vorhanden ist. Für den kleineren Servo wurde eine Ausparung an der Halterung vorgesehen, sowie eine Bohrung für eine Schraube, sodass die Halterung der Solarzelle, angetrieben durch den Servo, auf dem Gewinde einer Schraube laufen kann. Der untere Servo wird ebenfalls in eine Aussparung befestigt und mit einem einfachen Verbindungsstück mit dem Rest des Solar-Trackers verbunden. Alle konstruierten Teile können relativ simpel gefertigt, oder mit einem 3D-Drucker erstellt werden.
Komponentenspezifikation
| Komponente | Abbildung | Komponente | Abbildung |
|---|---|---|---|
| Arduino UNO R3 |  |
Servo-Motor SG90 |  |
| Servo-Motor GRABIT |  |
Lichtsensoren |  |
| Shield zur Spannungsversorgung |  |
externes Netzteil |  |
| Spannungs-/Stromsensor |  |
Solarzelle |  |
Umsetzung (HW/SW)
Hardware
Die Ausrichtung der Solarzelle erfolgt über zwei Servomotoren, wobei einer für die Rotation um die x-Achse und der andere für die Rotation um die y-Achse zuständig ist. Der kleinere Servo(SG90), ist für die Rotation um die x-Achse zuständig und muss nur ein geringes Gewicht bewegen. Für die Rotation um die y-Achse wurde ein stärkerer Servo(GRABIT) gewählt, um sicherzustellen, dass er das gesamte Gewicht aller anderen Komponenten bewegen kann.
Der gesamte Solar-Tracker mit samt der Motoren und der Solarzelle wurde außerdem in Solid Edge konstruiert und dort zusammengebaut. Somit konnten die dort konstruierten Teile mit einem 3D-Drucker gefertigt werden. Lediglich das Verbindungsstück zwischen dem unteren Servo und der Solarzellen-Hallterung wurde aus Holz gefertigt.
Für die vier Lichtsensoren wurde nicht selber ein Spannungsteiler aus Lichtwiderstand und Widerstand aufgebaut, sondern direkt vorgefertigte Platinen bestellt die in ihrer Größe deutlich kleiner sind und in ihrer Funktion das selbe Resultat bewirken. Dadurch konnte der Aufwand an Verdrahtung reduziert werden.
Die Messung von Strom und Spannung erfolgt durch ein einzelnes Bauteil, dem INA219-Sensor, welcher die gemessenen Werte über I2C zu dem Arduino schreibt.
Software
Die Software besteht aus mehreren Bestandteilen. Im ersten Schritt befindet sich die Solarzelle in der GHrundstellung. Wiederkehrend werden dann von jedem der vier Lichtsensoren die Spannungswerte über die analogen Ports des Arduino ausgelesen. Diese Spannungswerte entsprechen dabei einem Wert von 0-1023 und repräsentieren die Intensität des Lichtes das auf die Sensoren eintrifft.
Aus diesen einzelnen Werten werden Gruppen gebildet. So wird aus den beiden Sensorwerten oben ein Mittelwert gebildet und aus den beiden Sensoren unten auch. Gleiches gilt für die Sensoren auf der linken und rechten Seite. Nachdem diese Gruppierung durchgeführt wurde kann also die Intensität oben mit der Intensität unten und die Intensität links mit der Intensität rechts verglichen werden.
Gibt es eine Differenz, die über einen bestimmten Schwellwert hinausgeht, so lässt sich sagen, dass das Licht aus einer bestimmten Richtung kommt. Um diese Differenz auszugleichen werden die Servos so verstellt, dass die Helligkeitswerte wieder in etwa gleich sind. Damit richtet sich die Solarzelle immer optimal zur Lichtquelle aus.
Softwareseitig erfolgt die Berechnung der erzeugten Leistung dann als Produkt der gemessenen Spannung und des Stromes. Die Messwerte werden über die serielle Schnittstell zu putty geschrieben und können anschließend über MATLAB dargestellt werden. Damit kann die Funktionalität des Solar-Trackers überprüft werden.
Komponententest
| ID | Bemerkung | Funktion | Datum | Geprüft von
|
|---|---|---|---|---|
| 1 | Hier wurden alle vier Senoren auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft. Dafür wurden sie gemäß Abbildung verdrahtet und die ausgegebenen Werte überprüft. Dabei befanden sich, sowohl im beleuchteten als auch im abgedunkelten Zustand alle Sensorwerte in einem gleichen Bereich.  |
i.O. | 20.11.21 | Jonas & Michel |
| 2 | Die Ansteuerung der Servo-Motoren wurde vor Einbau mit der Servo-Bibliothek in der Arduino Entwicklungsumgebung geprüft. Wichtige Werte aus dem Datenblatt waren dabei die nötigen PWM-Breiten. Auch hier konnten fast die kompletten 180 Grad der Servos abgedeckt und angesteuert werden. | i.O. | 06.01.22 | Jonas & Michel |
| 3 | Durch Umstieg des Materials von Holz auf Kunststoff konnte das Gewicht so gering wie möglich gehalten werden. Hier wurde im eingebauten und verdrahteten Zustand überprüft ob der geforderte Bewegungsumfang noch vorhanden ist. | i.O. | 07.01.22 | Jonas & Michel |
| 4 | Der verwendete Detektionsalgorithmus ist funktionsfähig(siehe Video). Im Detail werden hier Sensorpaare gebildet, sodass man die beiden Sensoren oben mit den beiden Sensoren unten und die beiden Sensoren links mit den beiden Sensoren rechts vergleichen kann. Je nach Abweichung wird dann die Solarzelle bewegt. | i.O. | 07.01.22 | Jonas & Michel |
| 5 | Die Implementierung erfolgt mit MATLAB/Arduino IDE. | i.O. | 07.01.22 | Jonas & Michel |
| 6 | Die Anforderung der Darstellung der Leistung konnte leider nicht verwirklicht werden. Das bestellte Bauteil zur Strom- und Spannungsmessung, INA219, kam sehr verspätet an und war leider nicht funktionsfähig. Eine Fehlersuche führte nicht zum Erfolg. Deshalb wurde spontan nur die erzeugte Spannung aufgezeichnet. (Darstellung beispielsweise in MATLAB. |
n.i.O. | 10.01.22 | Jonas & Michel |
Ergebnis
Die gestellten Anforderungen wurden bis auf Anforderung 6 erfüllt. Somit haben wir eine Solarzelle entwickelt, welche sich mit Hilfe der Lichtsensoren zur Richtung der Lichtquelle ausrichtet. Geplant war aber eine Messung der erzeugten Spannung und des Stromes, was uns auf Grund eines nicht funktionierenden Bauteils aber nicht möglich war. Lediglich die erzeugte Spannung wird nun im zeitlichen Verlauf gemessen und kann, beispielsweise mit MATLAB, dargestellt werden. Alle Projektunterlagen sind in SVN [https://svn.hshl.de/svn/Elektrotechnik_Fachpraktikum/trunk/Projekte/126-150/127_Solar-Tracker ] im Gruppenverzeichnis abgelegt. Dort sind sämtliche Programmcodes, Zeichnungen, Schaltpläne und Weiteres zu finden.
Zusammenfassung
Insgesamt hat das Planen & Durchführen des Projektes eine Vielzahl an Erkenntnissen gebracht. Zum einen sollte beim Bestellen von Bauteilen immer und gerade im Moment eine erhöhte Lieferzeit eingeplant werden. Zum anderen sollte man die Zeitslots die für Fertigung und Zusammenbau eingeplant sind eher ansetzen als wir es gemacht haben, leider war es uns aus zeitlichen Gründen aber nicht möglich. Nichtsdestotrotz hat die Umsetzung des Solar-Trackers viele Studieninhalte wiederholt oder vertieft und eine zusätzliche praktische Anwendung der Inhalte gegeben.
Lessons Learned
- Erstellen eines Schaltplans mit Multisim
- Verwenden von Bibliotheken in der Arduino IDE
- Konstruieren von Bauteilen mit SolidWorks
- Planung von Projekten
- Zeiteinplanung bei Bestellungen
Projektunterlagen
Projektplan
Projektdurchführung
Nach dem sich für eine Idee entschieden wurde, begann das Projekt direkt mit der Planung. Dabei ging es hauptsächlich darum zu erarbeiten, wie genau die gefundene Idee umgesetzt werden soll. Dafür war es hilfreich sich bereits die nötigen Komponenten herauszusuchen, damit man für die Konstruktion alle nötigen Maße hat. Wichtig war es außerdem, sehr früh die nötigen Materialien zu bestellen, da im Moment von erhöhten Lieferzeiten auszugehen ist. Nachdem alle Materialien feststanden konnte auch die Konstruktion vorerst abgeschlossen werden. Für das Testen konnten bereits Teile der Programmierung, also das Auslesen der Lichtsensoren und das Ansteuern der Servo-Motoren, erstellt werden. Diese Teile deren Funktion bestätigt werden konnte, konnten dann im Hauptprogramm wiederverwendet werden. Die Fertigung erfolgte relativ schnell in der Projektwerkstatt, wobei der Großteil der Teile mit Hilfe der 3D-Drucker hergestellt und lediglich etwas nachbearbeitet werden mussten. Auch der anschließende Zusammenbau erfolgte in kurzer Zeit.
YouTube Video
Link zum YouTube-Video: https://www.youtube.com/watch?v=2EfbYrLo69c
Weblinks
Literatur
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