2-achsiger Solartracker, gesteuert mit astronom. Formeln

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mischu
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2-achsiger Solartracker, gesteuert mit astronom. Formeln

Beitrag von mischu » 16 Feb 2018, 13:22

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, 12:56, insgesamt 28-mal geändert.

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

Beitrag von chehr » 16 Feb 2018, 19:22

Hallo Mischung,
tolle Idee und auch die Umsetzung. Bei Gelegenheit schaue ich mir das mal näher an.
Danke für all die Infos.
Gruß Christian

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

Beitrag von ThanksForTheFish » 16 Feb 2018, 21:39

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
Samstag, 07.03.2020 Nordconvention in der Wedemark

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

Beitrag von Rudi » 17 Feb 2018, 12:25

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

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

Beitrag von mischu » 17 Feb 2018, 16:19

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?

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

Beitrag von Rudi » 17 Feb 2018, 18:29

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

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

Beitrag von mischu » 18 Feb 2018, 13:18

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

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mischu
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Update solartracker (hardware + software)

Beitrag von mischu » 16 Jul 2019, 18:44

Hallo,
wie versprochen, hier das (software + hardware) update zu meinem Solartracker
( http://www.mi-schu.de/solartracker.htm ) Version 10.2 vom 12. Juli 2019:

Bild Bild Bild Bild Bild Bild

Ein 2-achsiger Solartracker ist ein Gerät, das eine Ebene (z.B. Solarpanel, Kamera etc.) exakt im Jahres- und Tagesverlauf zur Sonneneinstrahlung ausrichtet. Dabei werden Elevation (Höhenwinkel, Neigung) und Azimut (Horizontalwinkel, Himmelsrichtung) durch Motoren mittels eines Steuerprogramms so verändert, dass z.B. ein Photovoltaik-Modul stets eine optimale Strahlungs-Energieausbeute liefern kann. Das Steuerprogramm ( http://www.mi-schu.de/solartracker2.htm ) arbeitet mit Logarithmen, die auch Astronomen zur Berechnung der Sonnenposition im Tages- und Jahresverlauf verwenden (Literaturtip: Volker Quaschning: "Regenerative Energiesysteme"). Entscheidend wichtig dafür ist eine hochpräzise Uhr, weil genaue Sonnenpositionen hochgradig zeitabhängig sind.
Weitere entscheidende Einflussgrössen auf die Sonnenposition sind die Tag-Nr. des lfd. Jahres (1 - 365), die Geographische Breite (Latitude) und die Geographische Länge (Longitude) des Standortes. Von allenfalls geringem Einfluss ist die atmosphärische Refraktion (Brechung eines Lichtstrahls in der untersten Erdatmosphäre), die insbesondere bei Sonnenauf- und untergängen den Einstrahlwinkel um maximal 1-2 Grad verändern kann.
Eine sehr hilfreiche Website zur Sonnenstandsberechnung mit vielen astronomischen Formeln findet sich unter: https://lexikon.astronomie.info/zeitgleichung/neu.html .

Das hier vorgestellte Solartracker-Modell versucht, alle genannten Einflussgrössen zu gewichten und ein kleines Solarpanel jederzeit so zum Sonnenstand auszurichten, dass die Energieausbeute maximiert ist. Zum hier zuerst beschriebenen Modell vom 16.02.2018 gibt es mittlerweile einige updates, die nachfolgend beschrieben werden.
  • Änderung: Das Drehpotentiometer zur Messung der Azimutposition wurde ersetzt durch einen Hall-Drehwinkelsensor (s. Bild oben rechts):
    -> pro loop (=32 steps des Schrittmotors) bewegt sich der Drehteller nun um 1 Grad vor oder zurück.
    Änderung: Variable Grenzwert für Rücklauf eingefügt
    Änderung: Neuberechnung der Servopositionen
    Änderung: Steppermotor vor und zurück von 25 auf 32 steps pro loop
    Änderung: Azimutpositionen neu kalibriert
    Änderung: Adafruit-Motorshield Version 2.3 ausgetauscht gegen Version 1
    Änderung: SaintSmart-20x4-LCD ausgetauscht gegen Sunfounder-LCD-Display
    Änderung: Datalogger-Shield mit DS1307RTC fällt weg, DS3231-RTC-Uhr hinzugefügt:
    -> Zeitbasis jetzt hochpräzise mit wenigen Sekunden Abweichung pro Jahr
    Änderung: Neue Variablen: AziH, AziB
    Änderung: I2C Adresse des Displays per Lötbrücke (A0) von 0x27 auf 0x26 geändert:
    -> nun besteht die Möglichkeit, ein 2. Display (0x27) mit noch mehr Infos am I2C-Bus anzuschliessen.
Zur Zeit arbeite ich daran, den Solartracker auf GPS umzustellen.
Damit werden die aktuelle Uhrzeit (UTC) sowie die Ortskoordinaten
(Geogr. Breite, Länge) von einem GPS-Modul (GY-NEO-6M v2) bereitgestellt ( http://www.mi-schu.de/solartracker4.htm ).
Dieses GPS-Modul ist so empfindlich, dass auch in geschlossenen Räumen ausreichend viele Satelliten empfangen werden können.
Der Solartracker kommt so ohne RTC-Uhr aus und kann ortsunabhängig betrieben werden.
Ich werde hier beizeiten darüber berichten.

Michael Schulte, 14.07.2019
Zuletzt geändert von mischu am 16 Jul 2019, 21:25, insgesamt 12-mal geändert.

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

Beitrag von steffalk » 16 Jul 2019, 20:01

Tach auch!

WOW, das ist GRANDIOS. Damit man die Mathematik dahinter versteht - hast Du nicht Lust, über Dein Modell einen ft:pedia-Artikel zu schreiben?

Begeisterte Grüße,
Stefan

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

Beitrag von mischu » 16 Jul 2019, 20:54

steffalk hat geschrieben:Tach auch!

WOW, das ist GRANDIOS. Damit man die Mathematik dahinter versteht - hast Du nicht Lust, über Dein Modell einen ft:pedia-Artikel zu schreiben?

Begeisterte Grüße,
Stefan
Hallo Stefan,
ja, Lust dazu hätte ich schon - zur Zeit ist es mir aus Termingründen leider nicht möglich.
Aber vielleicht ab Herbst, das wäre schon realistischer.
Wie fange ich an, was muss ich als erstes tun?
(Meine journalistischen Fähigkeiten sind eher dürftig, die technischen schon besser ausgeprägt ...).
Für Detailfotos müsste ich das Modell sicherlich auseinanderbauen, oder?
Aber mit dem Thema sollten wir am Ball bleiben ... Vielleicht brauche ich logistische Unterstützung.
MfG mischu

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

Beitrag von The Rob » 16 Jul 2019, 22:36

Um es mal mit den Worten des aktuellen C'T-Chefredakteurs zu sagen (der für die Arbeit da Werbung machte): "Einem Ingenieur das Schreiben beizubringen, ist nach unserer Erfahrung deutlich einfacher, als einem Journalisten die Technik."

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

Beitrag von steffalk » 17 Jul 2019, 11:16

Tach auch!

Mach Dir keine Sorgen - wir pflegen und umhegen Dich, bis der Artikel "draußen" ist. Wende Dich einfach an ftpedia (at) ftcommunity.de und wir sind in Kontakt. Wir brauchen den Text und gute Fotos. Das Dateiformat ist fast egal (wir "fressen" alles von unformatiertem Text bis OpenOffice, Microsoft Word, PDF). Da wir eh immer alles komplett neu setzen, brauchst Du Dir auch keine Gedanken über die Formatierung zu machen. Wir redigieren, korrigieren Schreibfehler, helfen auch gerne bei Reinzeichnungen o.ä., und schließlich bekommst Du die "Druckfahne" des fertigen Beitrags zum Korrekturlesen und zur Freigabe. Und dann geht's raus in die Welt! Also ganz entspannt, wir haben viele "Erstschreiber" im Autorenkreis.

Gruß,
Stefan

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

Beitrag von mischu » 20 Jul 2019, 11:21

The Rob hat geschrieben:Um es mal mit den Worten des aktuellen C'T-Chefredakteurs zu sagen (der für die Arbeit da Werbung machte): "Einem Ingenieur das Schreiben beizubringen, ist nach unserer Erfahrung deutlich einfacher, als einem Journalisten die Technik."
Na, dann bin ich ja beruhigt ...
mischu

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