Sonnenstandsnachführung

Studiengang

ET - auslaufend

Projektbeschreibung

Die meisten PV-Anlangen werden stationär im Boden verankert. Dadurch scheint die Sonne nur für einen kurzen Teil des Tages senkrecht auf die Module. Allerdings wird eine hohe Leistung nur dann erreicht, wenn die Sonne senkrecht auf die Solarmodule scheint. Deshalb soll das Solarpanel anhand des Sonnenstands ausgerichtet werden.

Ziel dieses Projekts war die Entwicklung eines Geräts zur Sonnenstandsnachführung. Dabei soll ein Solarmodul so ausgerichtet werden, dass es immer im optimalen Winkel zur Sonne steht und so eine möglichst hohe Leistung erzielen kann.

Um den Erfolg der Nachführung beurteilen zu können wird die abgegebene Leistung des Moduls gemessen. Zum Vergleich gibt es auch einen Modus für stationären Betrieb, bei dem die Leistung im Stillstand gemessen wird.

Beteiligte Personen

Studierendengruppe: Ilyas Uzun, Florian Scharr, Mahdi Trabelsi

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Christine Schwaegerl

Veranstaltung

Systems Engineering 1 (IK)

Laufzeit

WS 2024/25

Erforderliche Anforderungen:

• Erfassung des Sonnenstands: Der Sonnenstand soll mit Lichtsensoren erfasst werden.
• Ausrichtung senkrecht zum erfassten Sonnenstand: Die Ausrichtung erfolgt mittels zweier Schrittmotoren, die anhand der gemessenen Spannung an den Lichtsensoren gesteuert werden.
• Leistungsmessung des Solarmoduls: Die Leistung wird aus den Werten eines Spannungs- und eines Stromsensors berechnet, welche mit dem Solarmodul verbunden sind.
• Speichern der Messdaten: Die Messdaten werden auf einer SD-Karte gespeichert und können dann am PC ausgewertet werden.

Nicht zwingend erforderliche Anforderungen:

• Wetterfestigkeit: Da es sich um einen Prototypen handelt, kann keine Wetterfestigkeit garantiert werden. Allerdings wird versucht, die Technik so gut wie möglich gegen Umwelteinflüsse zu schützen.
• Display für Messwerte: Wenn das Budget und die Zeit es zulässt, so kann zusätzlich ein Display für die Anzeige der aktuellen Messwerte verbaut werden.

Das Solarpanel ist an einem Gestell befestigt, das um zwei Achsen drehbar ist. Die Drehung wird durch zwei Schrittmotoren realisiert. Für die Einstellung des Höhenwinkels wird die Drehung des Motors über ein Zahnradsystem übertragen, um Kraft zu sparen und eine feinere Einstellung zu ermöglichen.

Die Lichtsensoren sind in 3D-gedruckten Haltern befestigt. Sie haben eine Blende, wodurch ein Sensor verschattet wird, wenn das Modul nicht senkrecht zur Lichtquelle ausgerichtet ist.

Gesteuert wird das System durch einen Raspberry Pi Pico. Dieser liest die Sensordaten ein, steuert die Motoren und auch die restliche Elektronik, wie z.B. das Display an.

Das Solarmodul ist mit einem Laderegler verbunden. Dieser lädt den Bleiakku und gibt den Strom an die Motoren ab. zur Ansteuerung der Motoren dienen zwei Microstep-Driver Für die Leistungsmessung sind ein Spannungs- und Stromsensor verbaut, welche ebenfalls vom Microcontroller ausgelesen werden.

Die Lichtsensoren sind über I2C verbunden und werden ebenfalls vom Microcontroller ausgelesen.

Das Projekt dient zu Demonstrationszwecken. Es kann bei Schul- oder Studienveranstaltungen eingesetzt werden. Mit einer Lampe kann die Bewegung der Sonne nachgestellt werden. Man kann damit die Funktionsweise der Sonnenstandsnachführung nachvollziehen.

Über das Display können immer zeitaktuell wichtige Daten, wie die Leistungsaufnahme eingesehen werden. Über den rechten Schalter kann die Batterie ein und ausgeschaltet werden. 
Über den linken Schalter kann zwischen stationärem Betrieb und Nachführung umgeschaltet werden.

Im stationären Modus wird ein vorgegebener Winkel eingestellt und das Modul danach nicht mehr bewegt. Im Nachführungsmodus wird das Panel wie oben beschrieben der Sonne nachgeführt. Das Gerät kann autark betrieben werden und benötigt keinen Anschluss an das Stromnetz.

Das Gehäuse kann leicht geöffnet werden. Durch die Griffe kann das Gerät leicht transportiert werden.