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
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.

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Abb.01: Systementwurf der Solar Ladestation

Komponentenspezifikation

Die Komponentenspezifikation wird im Arbeitspaket 01. Schaltung erstellen bearbeitet.

Bill of Materials

Abb.02: Bill of Materials

Die Abbildung 02 Bill of Materials zeigt die Komponenten die in diesem Projekt benötigt und verwendet werden. Komponenten an den kein Preis aufgeführt ist,
müssen nicht extra bestellt werden und sind nur der Vollständigkeit halber aufgeführt.

Verkabelungsplan

Abb.03: Sensorik und Solareinheit	Abb.04: Aktuatorik

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 3. 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) und für das Laden von externen Geräten genutzt wird (USB vom Solarlademodul). Die Spannungsversorgung des Arduino Due lässt sich zudem über einen Schalter unterbrechen.
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 4 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.04: 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

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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
Zusammenbau der Komponenten	/
Softwareentwicklung	/
Test- und Abgabephase	/

Die Projektdurchführung erfolgte wie in der Tabelle 2 zu sehen.

Weblinks

Werkzeuge
- Anycubic i3 Mega
Datenblätter
- DEBO PWR SOLAR2
- Offgirdtec Solarpanel 12V 5W

Literatur

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