Projekt 18: Entwicklung eines automatischen Sonnen-Nachführ-Geräts

Sonnennachführung

Autoren: Dörksen Andreas, Wemmer Tobias

Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

Entwickeln und Bauen Sie Sonnenlicht-Nachführ-Gerät für eine Solarzelle.

Erwartungen an die Projektlösung

• Recherche bisheriger Lösungen
• Entwurf der Schaltung und Beschaffung der Bauteile
• Realisierung der Schaltung durch Fertigung eines prototypischen Arduino-Uno-Shields
• Programmierung und Visualisierung mit Simulink
• Machen Sie ein tolles Videos, welches die Funktion visualisiert.
• Test und wiss. Dokumentation
• Live Vorführung während der Abschlusspräsentation

Schwierigkeitsgrad

Einfach (**)[vgl. https://campusapp01.hshl.de/pluginfile.php/378832/mod_resource/content/0/Auftaktveranstaltung.pdf S.56]

Einleitung

Dieses Projekt wurde von Andreas Dörksen und Tobias Wemmer im Rahmen des Masterstudiengangs Business and Systems Engineering im Angewandte Elektrotechnik Fachpraktikum im Wintersemester 2017/2018 durchgeführt (Weitere Projekte unter: [Projekte AET BSE WS2017]). Die betreuenden Professoren waren Prof. Göbel und Prof. Schneider.

Verwendete Bauteile

Grundschaltung:

• 2 Servos ()

• 4 Fotowiderstände ()

• 4 10k Ohm Widerstände

• 1 Arduino Uno R3

• 1 Netzteil für Arduino

• 4 Schrumpfschläuche

• 2 Leiterkarten

• Lötzinn

• Diverse Kabel/Litzen

Konstruktion:

• Holz

• Leim

• Nägel/Schrauben

Zusatz der Schaltung

• 1 Taster

• 1 LED

• 15 Stecker für den Arduino

Projekt

Projektplan

I. Propjektplanung: 
I.I. Recherche alternativer Lösungswege 
I.II. Auswahl und Anpassung für Lösungsweg 
I.III. Auswahl und Bestellung der Bauteile 
II. Konzepterstellung:
II.I. Erstellung Konzept für Aufbau/Konstruktion
II.II. Test Funktionsweise Fotowiderstände via Arduino 
II.III. Test Funktionsweise Servos via Arduino 
II.IV. Entwurf erster Schaltung auf einem Steckbrett
II.V. Test der Schaltung mittels Arduinoprogrammierung
III. Erstellung Schaltung 
III.I. Bau einer Prototyp Platine
III.II. Test der Platine
III.III. Programmierung in Simulink
III.IV. Test des Simulinkprogramms
III.V. Optimierung der Schaltung
III.VI. Erstellung und Test der finalen Platine
IV. Konstruktion
IV.I. Anpassung des Konstruktionskonzepts 
VI.II. Beschaffung Konstruktionsmaterialien 
VI.III. Fertigung der Konstruktion
V. Test fertige Konstruktion 
V.I. Test via Taschenlampe 
V.II. Falls nötig Anpassung Code oder Konstruktion

Projektziel

Das Ziel des Projektes war es, eine Sonnenlichtführung zu erstellen, welche mittels eines Arduinos gesteuert wird. Diese soll z.B. eine Solarzelle immer zur hellst möglichen Stelle hin ausrichten. Die Verwendung bestimmter Bauteile wurde nicht vorgegebn, sodass die Realisierung auf unterschiedliche Herangehensweisen erfolgen konnte. Die einzige Einschränkung bei diesem Projekt, stellte das begrenzte Budget in Höhe von 20€ dar.

Projektdurchführung

Im ersten Schritt wurde recherchiert, welche Lösungswege für eine Sonnen Nachführung oder ähnlich Anwendungen existieren. Diese Recherche zeigte eine Vielzahl von Lösungsansäten und Lösungswegen auf. Im Kern gibt es für Steuerung bzw. die Bewegung des Nachführ-Gertäts zwei Möglichkeiten:

1. Einachsig mit schräg Positionierter Solarzelle bzw. Halterung: Ermöglicht eine 180° horizontale Drehung.

2. Zweiachsig mit Beweglicher Solarzelle bzw. Halterung: Ermöglicht eine 180° Drehung in horizontaler und vertikaler Ebene und ist daher genauer.

Für die Messung der Lichtintensität gibt es ebenfalls zwei Ansätze:

1. Ein System aus mehreren Fotowiderständen: Bei diesen Ändert sich der Widerstand je nach einfallender Lichtintensität. Diese Variante ist günstig, erfordert aber einen Spannungsteiler zum Abgreifen der Spannung, daher etwas aufwendiger.

2. Ein System aus mehreren Photodetektoren: Diese Messen genauer als die Fotowiderstände und lassen sich zu Teil direkt an den Arduino anschließen. Sind aber auch deutlich teurer.

In diesem Projekt fiel die Wahl auf die zweiachsige Lösung um eine genau Nachführung zu realisieren und aus Kostengründen auf die Fotowiderstände. Je nach Positionierung und Programmierung ist es bei diesen möglich, mittels eines Vergleichs eine ausreichende Güte für die geforderte Funktion zu erhalten (Dazu später mehr). Im zweiten Schritt wurde die Idee des zweiachsigen Systems in ein konkretes Konzept umgesetzt. Auf Grund der Rotation gilt zu beachten, dass diese die Kabel nicht verdreht oder gar herausreißt. Aus diesem Grund wurden folgende Lösungskonzepte erarbeitet.

1. Konzept der Konstruktion

2. Konzept der Konstruktion

Das erste Konzept (Abbildung links) ermöglicht, das die Kabel vom Arduino zun den beiden Servos verlegt werden können, ohne dass diese sich im Betrieb bewegen können. Problematisch ist dabei zum einen, dass die Kabel von den Fotowiderständen zum Arduino sich weiterhin verdrehen können. Zum Anderen besteht die Möglichkeit, dass das Gewicht der Konstruktion zu schwer für den unteren Servo ist. Je nach Leistung des Servos und Gewicht der Konstruktion, ist diese Konstruktion nicht verwendbar.

Das zweite Konzept (Abbildung recht)ist simper aufgebaut, als das erste Konzept. Der Großteil des Gewichts wird hier in den Sockel der Konstruktion verlagert, sodass der untere Servo "nur" das Gewicht des zweiten Servos, die Solarzelle, die Fotowiderstände und Halterungen tragen muss. Dies ermöglicht auch leistungsschwächere Servos zu verwenden. Problematisch ist hier, dass sich die Kabel ggf. verdrehen oder abreißen können.

Allgemein ist es möglich die Problematik der sich verdehenden Kabel mittels eines Rohres zu lösen, durch welches die Kabel geführt werden. Dadurch drehen sich die Achsen der Konstuktion, nicht aber die Kabel.

Projektfortführung

1. Konzept der Konstruktion

Das Projekt wurde erfolgreich abgeschlossen und hat darüber hinaus weitere Zusatzfunktionen. Diese können weiter ausgebaut werden. Mögliche Verbesserungen:

1. Integration einer Solarzelle. Dabei kann versucht werden, zunächst die Steuerung der Servos über die Solarzelle zu betreiben. Weiterhin könnte das gesamte Geräte samt Arduino über die Solarzelle mit Strom versorgt werden. Ein zusätzliche Akku würde dabei die Einstellung des Ausgangszustandes ermöglichen.

2. Eine Verbesserung der Konstuktion: Die aktuelle Konstruktion ist funktionsorientiert und kann durch eine anwendungsorientierte Konstruktion zu ersetzen. Dazu bietet es sich an, die horizontale Achse des Sevos so zu platzieren, dass diese einen Schnittpunkt mit der vertikalen Achse hat. In Folge dessen wird die Solarzelle bzw. deren Halterun mittig platziert, was sowohl einen ästhetischen als auch einen funktionalen Mehrwert mit sich bringt. Des Weiteren kann in diesem Zug die Kabelführung durch Rohre Anwendung finden.

3. Das aktuelle Sonnen_Nachführ-Gerät ist ein Model und nicht wettertauglich. Es bietet sich an diese Model dahingehend umzubauen, dass es für den Einsatz im Freien geignet ist.

4. Implementierung weiterer Diagnose Funktionen. Ein Beispiel dafür, wäre ein Display, auf welchem ein konkreter Fehler angezeigt wird.

5. Eine manuelle Ausrichtung der Solarzelle. Dabei könnten die Servos direkt über eine Steuerungsmodul oder via Schnittstelle über Simulink angesprochen werden.

Ergebnis

Das Ziel des Projektes wurde Erreicht. Das Sonnen-Nachführ-Gerät vergleicht die Helligkeiten jeweils auf der horizontalen und der vertikalen Achse miteinander und richtet sich stets zu hellsten Stelle aus. Weiterhin wunden Zusatzfunktionen implementiert welche ein Zurücksetzen des Gerätes auf den Ausgangszustand ermöglichen, um bei unerwarteten Fehlern eine schnelle Lösung zu bieten. Des Weiteren wurde eine Status LED implementiert, welche zur Kontrolle der Servos dient und einen möglichen Ausfall ebendieser signalisieren können, was eine Diagnose bei auftretenden Fehlern erleichtert.

Literatur

• Arduino Sunflower
• Sonnennachführung

YouTube Video

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