2-achsiger Solartracker, gesteuert mit astronom. Formeln

Fussballroboter, Autofabrik...
Modellideas &- presentation - Soccerrobot, Carfactory...
Forumsregeln
Bitte beachte die Forumsregeln!

2-achsiger Solartracker, gesteuert mit astronom. Formeln

Beitragvon mischu » 16 Feb 2018, 14:22

Hallo,

ich möchte euch hier einen mit fischertechnik gebauten 2-Achs-Solartracker vorstellen,
der von einem Arduino-Uno-Mikrocontroller gesteuert wird.
Zur Positionierung werden hier - im Gegensatz zu vielen anderen Umsetzungen - keine lichtempfindlichen Widerstände eingesetzt,
sondern astronomische Sonnenstandsformeln, die nur den Breiten- und Längengrad, den Tag im Jahr und die "wahre Sonnenzeit" (oder UTC-Zeit) als Input benötigen.

Eingesetzt werden für die Verstellung des Höhenwinkels (Elevation) ein Longruner-180-Grad-Modellbauservo,
und für den Horizontalwinkel (Azimut) ein Pololu-Schrittmotor, der über ein fischertechnik-Schneckengetriebe
ein waagerecht lagerndes Stirnrad mit aufmontiertem Solarpanel antreibt.

Ein 10-Gang-Drehpotentiometer (20 kOhm) liefert die aktuelle Azimutposition (Istwert) des Solarpanels
an einen Analogeingang des Arduinos. Diese Position wird ständig mit der berechneten astronomischen Azimutposition
(Sollwert) verglichen.
Ist der Istwert kleiner als der Sollwert, dreht der Schrittmotor vorwärts.
Ist der Istwert größer als der Sollwert, dreht der Schrittmotor rückwärts.

Die Anzahl der Schritte (steps) beträgt jeweils 3 , sie kann aber bei Bedarf angepasst werden.
Auf diese Weise steht das Solarpanel (mit etwa +- 1-2 Grad Abweichung) immer exakt zur horizontalen Sonnenrichtung (Azimut).

Der Schrittmotor läuft bei der Positionseinstellung im MICROSTEP-Modus; nur beim schnellen Rücklauf von NW nach NO (s. unten) läuft er im DOUBLE-Modus.
(Grundsätzlich könnte statt eines Steppermotors auch ein normaler DC-Motor eingesetzt werden, aber die Positionsbestimmung
verläuft damit wesentlich unruhiger und nicht so exakt).

Der Höhenwinkel (Elevation) wird vom Servomotor unter Umsetzung des berechneten astronomischen Wertes direkt angesteuert,
so dass sich das Solarpanel immer optimal zur Sonneneinstrahlung neigt.

Abends beim Erreichen der NW-Position erfolgt nach Sonnenuntergang (Elevation = 0) ein schneller Rücklauf des Solarpanels nach NO.
Dort bleibt das Solarpanel "in Nullstellung" stehen bis zum Sonnenaufgang des nächsten Tages, womit ein neuer Tageszyklus beginnt
und die Positionen wieder wie beschrieben angefahren werden.

NW statt West und NO statt Ost wird deswegen genommen, weil am 22. Juni die Sonne im NO aufgeht und im NW untergeht.
Es ist aber auch sinnvoll, statt der Azimutwerte den Elevationwert als Kriterium zu nehmen.
Der Elevationwert ist = 0 (Zeitpunkt ist jahreszeitenabhängig!), wenn die Sonne abends gerade untergegangen ist bzw. morgens gerade noch nicht aufgegangen ist.
Allerdings wird bei dieser Methode die diffuse Helligkeit direkt vor Sonnenaufgang bzw. direkt nach Sonnenuntergang für die Solarstromerzeugung nicht effizient genutzt).

Die Aktualisierung der beiden Positionen Elevation und Azimut erfolgt ca. alle 3 sec (variierbar), Datum und Uhrzeit liefert ein RTC-Echtzeituhr-Modul.

Auf einem 20 x 4-LCD-Display werden die wichtigsten Parameter (Datum und Uhrzeit, Tag im Jahr, Azimut (Sollwert), Azimut (Istwert), Elevation, Spannung des Solarpanels,
Himmelsrichtung, Tageslänge, Tag im Jahr und die Drehrichtung des Schrittmotors) angezeigt.

Das Steuerprogramm liegt als Arduino-Sketch (ähnlich C / C++ Code) vor.
Es kann von meiner Website kopiert und direkt in die Arduino-Entwicklungsumgebung eingefügt werden.

Aktuelle Änderungen:
Nun wird durch 2 LED angezeigt, ob sich das Solarpanel vorwärts (grün) oder rückwärts (rot) dreht.
Dazu werden 2 Digitalausgänge des Arduino verwendet.
Statt des Potentiometerwertes (Pot) wird an dieser Stelle nun der aktuelle Spannungswert am Solarpanel angezeigt.
Das Solarpanel liefert max. 3 Volt und passt daher zum Spannnungsbereich eines Arduino-Analogeingangs (0 - 5 Volt).

Hardware-Liste:

. Arduino-Uno-Mikrocontroller (REV)
· AZDelivery-DataLogger-Shield mit SD-Card-Slot und DS3231-RTC-Echtzeituhr
· Adafruit-Motor-Shield v2.3 (Anschlüsse für 4 DC-Motoren oder 2 Steppermotoren und 2 Servos)
· POLOLU-1207-Stepper-Motor 7.4 VDC (wird bei höherer Spannung sehr heiss!)
· Longruner-17kg-Digital High-Torque Robot-Servo-Motor 7.5 VDC (versagt bei kleineren Spannungen den Dienst)
· SainSmart IIC/I2C/TWI Serial 2004 Character 20x4 LCD Display Modul 5 VDC (funktioniert nicht zusammen ??? mit der Datenaufzeichnung auf SD-Card)
· 10-Gang-Drehpotentiometer R = 20 kOhm
· diverse Fischertechnik-Bauteile (ohne fischertechnik-Motoren, ohne TXT-Steuereinheit)
· 1 rote und 1 grüne Leuchtdiode, 1 x 100-Ohm-Widerstand.

Mehr Informationen, Bilder und den Arduino-Programmcode gibt es unter

http://www.mi-schu.de/solartracker.htm.

Mehr dazu bzw. Änderungen und Verbesserungen demnächst hier in diesem Forum.
Für Rückmeldungen, Kritik, Anregungen und Verbesserungsvorschläge bin ich immer sehr dankbar.

mischu
Zuletzt geändert von mischu am 18 Feb 2018, 13:56, insgesamt 28-mal geändert.
Benutzeravatar
mischu
 
Beiträge: 3
Registriert: 16 Feb 2018, 13:49

Re: 2-achsiger Solartracker, gesteuert mit astronom. Formeln

Beitragvon chehr » 16 Feb 2018, 20:22

Hallo Mischung,
tolle Idee und auch die Umsetzung. Bei Gelegenheit schaue ich mir das mal näher an.
Danke für all die Infos.
Gruß Christian
chehr
 
Beiträge: 152
Registriert: 07 Apr 2015, 21:07
Wohnort: Friedrichshafen

Re: 2-achsiger Solartracker, gesteuert mit astronom. Formeln

Beitragvon ThanksForTheFish » 16 Feb 2018, 22:39

Hallo mischu,
erstmal herzlich willkommmen in unserem Forum.

Ich bin mal wieder platt. Ein tolles Projekt, wow.

Wie kann ich dich denn am 28. April nach Hannover locken, damit du ein so tolles Projekt hier mal einer breiten Öffentlichkeit vorstellen kannst?

Viele Grüße, Ralf
Die Nordconvention '18 war prima.Nachlese: viewtopic.php?f=4&t=4794
Benutzeravatar
ThanksForTheFish
Moderator
 
Beiträge: 372
Registriert: 03 Nov 2010, 22:00
Wohnort: 30900 Wedemark
Alter: 55

Re: 2-achsiger Solartracker, gesteuert mit astronom. Formeln

Beitragvon Rudi » 17 Feb 2018, 13:25

Hallo Mischu,
ein großartiges Projekt hast du da verwirklicht, gratuliere!
Interessant fände ich die Weiterentwicklung zu einer Spiegelsteuerung (Heliostat), wie sie bei Solarturmkraftwerken oder in einzelnen Fällen zur Beleuchtung dunkler Täler benutzt wird. Die Steuerung müsste auf die Winkelhalbierende zwischen Zielpunkt und der Sonne ausgerichtet werden.
Noch eine Frage: Warum hast du dich für die azimutale Montierung entschieden und nicht für die parallaktische?
Gruß
Rudi
Benutzeravatar
Rudi
 
Beiträge: 76
Registriert: 18 Sep 2016, 08:25
Wohnort: Siegen

Re: 2-achsiger Solartracker, gesteuert mit astronom. Formeln

Beitragvon mischu » 17 Feb 2018, 17:19

Rudi hat geschrieben:Hallo Mischu,
ein großartiges Projekt hast du da verwirklicht, gratuliere!
Interessant fände ich die Weiterentwicklung zu einer Spiegelsteuerung (Heliostat), wie sie bei Solarturmkraftwerken oder in einzelnen Fällen zur Beleuchtung dunkler Täler benutzt wird. Die Steuerung müsste auf die Winkelhalbierende zwischen Zielpunkt und der Sonne ausgerichtet werden.
Noch eine Frage: Warum hast du dich für die azimutale Montierung entschieden und nicht für die parallaktische?
Gruß
Rudi



Hallo,
was ist parallaktisch?
Benutzeravatar
mischu
 
Beiträge: 3
Registriert: 16 Feb 2018, 13:49

Re: 2-achsiger Solartracker, gesteuert mit astronom. Formeln

Beitragvon Rudi » 17 Feb 2018, 19:29

Hallo Mischu,
deine Montierung besteht aus der senkrechten Azimut-Achse und der waagerechten Elevationsachse. Wenn du dieses Sysem so kippst, dass die Azimut-Achse parallel zur Erdachse verläuft (nachts würde die Verlängerung der Achse durch den Polarstern gehen), dann muss sich diese Achse in 24 Stunden einmal drehen, um der Sonne zu folgen. Die zweite, dazu senkrechte Achse trägt die Solarzelle, sie muss nur alle Tage nachgeführt werden zur Anpassung an die Sonnenhöhe entsprechend den Jahreszeiten. Vom Frühlungspunkt aus muss sich die Elevationsachse innerhalb eines Jahres um ± 23,4° drehen wegen der Erdachsneigung von etwa 23,4°. Die parallaktische Montierung hat bei den Amateurastromomen den großen Vorteil, dass die Nachführung nur um eine Achse mit einem einfachen Antrieb erfolgt, während die andere Achse jeden Tag bzw. jede Nacht von Hand eingestellt wird.

Gruß
Rudi
Benutzeravatar
Rudi
 
Beiträge: 76
Registriert: 18 Sep 2016, 08:25
Wohnort: Siegen

Re: 2-achsiger Solartracker, gesteuert mit astronom. Formeln

Beitragvon mischu » 18 Feb 2018, 14:18

Rudi hat geschrieben:Hallo Mischu,
deine Montierung besteht aus der senkrechten Azimut-Achse und der waagerechten Elevationsachse. Wenn du dieses Sysem so kippst, dass die Azimut-Achse parallel zur Erdachse verläuft (nachts würde die Verlängerung der Achse durch den Polarstern gehen), dann muss sich diese Achse in 24 Stunden einmal drehen, um der Sonne zu folgen. Die zweite, dazu senkrechte Achse trägt die Solarzelle, sie muss nur alle Tage nachgeführt werden zur Anpassung an die Sonnenhöhe entsprechend den Jahreszeiten. Vom Frühlungspunkt aus muss sich die Elevationsachse innerhalb eines Jahres um ± 23,4° drehen wegen der Erdachsneigung von etwa 23,4°. Die parallaktische Montierung hat bei den Amateurastromomen den großen Vorteil, dass die Nachführung nur um eine Achse mit einem einfachen Antrieb erfolgt, während die andere Achse jeden Tag bzw. jede Nacht von Hand eingestellt wird.

Gruß
Rudi


Hallo,
Ja OK, hätte ich so machen können. Die Anregung für mein Modell habe ich von einem Bericht aus den USA, in dem ein ganzes Holzhaus auf
so einem horizontalen Drehteller steht und immer optimal zur Sonne ausgerichtet wird. Hat neben dem Energiegewinn den Vorteil, dass zu jeder Tageszeit die Sonne ins Schlafzimmerfenster scheint ... Allerdings hat das Dach in diesem Bericht nur eine starre mittlere Neigung zur Sonne und kann nicht bewegt werden.

Für Amateurastronomen wird Dein Ansatz sicherlich von Vorteil sein, obwohl eine Achse ab und zu manuell nachjustiert werden muss. Bei meinem Modellansatz ging es mir von Beginn an darum, dass das Solarpanel ganzjährig automatisch und möglichst exakt zur Sonne ausgerichtet wird.
Langzeitversuche haben diese Exaktheit bestätigt, die Abweichungen zu den astronomischen Werten betragen bei jeder Achse nur +- 1-2 Grad, was beim Azimut der geringen Auflösung des 10-Gang-Potentiometers geschuldet ist, denn der kleinste Potiwert bewegt die Horizontalachse gleich um 2-3 Grad.
Besser wäre ein 20-kOhm-2-Gang-Potentiometer, aber ein solches habe ich bisher noch nicht gefunden.

Meine ursprüngliche Idee waren 2 Servos, für jede Achse eins. Aber die klassischen Modellbauservos bewegen sich nur von 0-180°, während ich aufgrund des natürlichen Azimut-Bereichs 45° (Nordost) bis 315° (NW) benötigte. Kontinuierlich drehende 360°- Servos habe ich auch ausprobiert, aber die Positionierung erwies sich als zu unpräzise.

Aber für Deine Anregung herzlichen Dank,
MfG mischu
Benutzeravatar
mischu
 
Beiträge: 3
Registriert: 16 Feb 2018, 13:49


Zurück zu Modellideen & -vorstellung

Wer ist online?

Mitglieder in diesem Forum: 0 Mitglieder und 1 Gast