Akkuladegerät mit Solarnachführung Akkus mit Solarzellen aufladen

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Akkuladegerät mit Solarnachführung
Fächer: Physik, Technik
Für die Nutzung von solarer Energie spielt der Wirkungsgrad eine entscheidende Rolle. Wer sich mit der Materie beschäftigt, legt
bei der Positionierung besonders großen Wert auf die bestmögliche Ausrichtung zur Sonne. Noch besser ist es natürlich, wenn
sich die Solarfläche selbständig zur Sonne ausrichtet und damit die Energieausbeute erheblich erhöht.
Akkus mit Solarzellen aufladen
Das Aufladen von Akkus ist im Prinzip eine einfache Sache, wenn man auf
weiteren Komfort verzichtet. Die Spannungsquelle (hier eine Solarzelle) wird
direkt mit dem Akku verbunden. Eine Diode hilft dabei, dass ein geladener Akku
nicht wieder über die Solarzelle entladen wird. Statt einer herkömmlichen Diode
hat eine Schottkydiode den Vorteil, dass sie eine kleinere Durchlassspannung
(0,3 bis 0,4V) aufweist. Auf weiteren Komfort beim Laden von Akkus soll hier
bewusst verzichtet werden - der Schwerpunkt soll in einer gut funktionierenden Solarnachführung liegen.
Dimensionierung der Solarnachführung
Für die Nachführung von Solarzellen ist es nötig, sie beweglich mit einem Antrieb zu versehen. Die Mechanik sollte dabei
möglichst leichtgängig sein, damit hierfür nicht viel Energie wird (eine schöne Mechanik-Aufgabe zum Tüfteln).
Sparsamer Antrieb
Die Energie, die für den Antrieb benötigt wird, kann bei richtiger Dimensionierung direkt von den
Solarzellen abgenommen werden. Dafür ist zum einen ein stromsparender Solarmotor und zum anderen ein Solarzelle nötig, die
die nötige Leistung aufbringt, den Motor zu bewegen. Ideal ist es, wenn sogar die eingelegten Akkus bei Bedarf ein wenig
"aushelfen". In unserem Beispiel wurde ein Solarmotor mit Getriebe gewählt (Conrad-Electronic, Art-Nr. 130441), der schon mit
einer verhältnismäßig kleinen Spannung anläuft (ab 0,4V) und auch nur eine kleine Stromaufnahme (20mA) hat.
Leistungsfähige Solarzellen
Die Solarzellen sollen nicht nur Akkus laden können, sondern gegebenfalls auch die Elektronik und den Antrieb für die
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Solarnachführung versorgen können. Für dieses Projekt wurden zwei Solarzellen parallel geschaltet, bei der jede einzelne
geeignet ist, sechs Akkus aufzuladen:
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Nennspannung: 8,4V
Nennstrom: 85mA
Durch das Parallelschalten entspricht die maximal verfügbare Spannung etwa der Spannung von sechs Akkus. Der Nennstrom
verdoppelt sich.
Die Elektronik
Dass als Herzstück einer solchen Schaltung ein Operationsverstärker (OP) dienen kann, ist keine Frage. Da die
Versorgungsspannung über Solarzellen abgedeckt wird und somit unter Umständen stark zusammenbrechen kann, wird beim OP
eine "AN"-Type verwendet - sie arbeitet im Gegensatz zu den üblichen "N"-Typen bereits am 1,5V. Wir wählen hier genauer den
LM358AN (Conrad, Art-Nr. 151758).
Fotowiderstände (LDR)
Zwei LDR werden als Spannungsteiler in die Eingänge des OPs geschaltet.
Wenn beide aufgrund der Lichtverhältnisse den gleichen Widerstand aufweisen, heißt das, dass die Solarzelle richtig zur Sonne
ausgerichtet ist - der OP-Ausgang steht dann auf 0V, der Motor dreht sich nicht.
Das geeignete Schaltungsprinzip für die Solarnachführung
Müsste man sich über die (knappe und stark schwankende)
Versorgungsspannung keine Gedanken machen, könnte man die Grundschaltung so wählen, dass mit einer symmetrischen
Versorgung gearbeitet werden könnte. Also mit einer positiven und negativen Versorgungsspannung. In unserem Fall werden die
Solarzellen aber nur selten zuverlässig so viel Spannung liefern können, dass es für die benötigte positive und negative
Versorgungsspannung ausreicht.
Deshalb arbeiten wir mit zwei OPs, die im gewählten LM358 ohnehin zur Verfügung stehen. Jeder OP ist jeweils für eine
Drehrichtung zuständig. Die Versorgungsspannung liefert eine Masse (0V) und eine schwankende Versorgungsspannung - bei der
gewählten "AN"-Type ist die Schaltung zwischen 1,5V bis 15V funktionstüchtig.
Links-Rechts-Antrieb
Die Ausgänge der beiden OPs sind so zu schalten, dass sie mit Hilfe eines
Polumwenders den Motor in zwei Richtungen drehen können. Ein solcher
Polumwender könnte leicht mit einer Relaistechnik realisiert werden.
Für unseren Fall ist der Einsatz von Relais aber nicht geeignet:
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Erstens stünde keine feste Versorgungsspannung kaum zur Verfügung, die von Relais benötigt würde.
Zweitens bräche die Spannung der Solarzellen sofort zusammen, wenn ein Relais anziehen sollte.
Die Polumwendung wird daher mit Transistoren realisiert:
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Die Transistoren Q1 und Q2 sorgen für die nötige Verstärkung am jeweiligen Ausgang.
Die Transistorpaare Q3/Q6 und Q4/Q5 verbinden den Motor mit der Spannungsquelle in jeweils gegensätzlicher Polarität (je
nachdem, welcher Ausgang eines der beiden Paare ansteuert).
Ansichten
Das mit den Schülern hergestellte Modell bewegt
die Solarfläche an einer Achse.
Wenn es die Mechanik erlaubt, kann die Solarfläche auch mit über zwei unabhängige Achsen ausgerichtet werden.
Von der hier vorgestellten Schaltung könnte dann ein zweites Exemplar die weitere Achse steuern.
Weitere thematische Inspirationen ...
... gibt es immer mehr:
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Mehr Strom duch Nachführung: "Solarus" (externer Link)
Solare Wasserkocher mit automatischer Sonnenausrichtung: externer Link
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Downloads
Schaltplan
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Layout
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(Größe: 10 kB; Downloads bisher: 2594; Letzter Download am: 12.01.2017)
Bestückungszeichnung
Autor: Tamer Berber -- 23.02.2013; 10:57:20 Uhr
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Kommentar zu Akkuladegerät mit Solarnachführung
Kommentar von _Peter Picciani am 29.07.2010; 00:20:50 Uhr
Eine sehr gut durchdachte Arbeit.Gratuliere! Ich habe ebenfalls eine Nachführung entwickelt, auch mit LDR`s, aber auf einem
anderen Prinzip: Ich arbeite mit Dämmerungsschalter von Conrad, die ich so modifiziert habe, daß sie sehr hochohmig geschaltet
sind und auf kleinste Helligkeitsunterschiede reagieren. So komme ich mit einem LDR pro Achse aus, daß in einem U-Profil vertieft
liegt und somit im "Schatten". Der Stellmotor läuft solange, bis Licht in den Schacht fällt und den Motor abschaltet. Eure
Schaltung ist besser! Aber ich bin ja auch Feinmechaniker und nicht Electroniker. Meine Mechanik läuft sehr sauber über
Faulhaber-Getriebemotoren. Ich würde mich gerne mit Euch austauschen über dieses Thema. Wenn Ihr Interesse habt, schreibt
bitte an folgende email-Adresse: Peter.Picciani(at)web.de Viele Grüße, Peter Picciani
Kann es sein, dass der Bestückungsplan nicht stimmt?
Kommentar von _steftn am 08.06.2011; 23:37:03 Uhr
Hallo, erst mal vielen Dank für die veröffentlichung einer Sonnennachführungsschaltung. Da ich diese Nachführung nachbauen
wollte, bin ich aber jetzt auf ein Problem gestoßen: Irgendwo muss da ein Fehler im Bestückungsplan sein. Weil wenn man die
Transistoren laut Bestückungsplan einbaut, dann ist jeweils der Collector und Emmitter vertauscht (z.b.: Laut Bestückungsplan
wäre z.b. der Collector von Q1 mit der Basis von Q6 verbunden, aber laut Schaltplan ist der Emitter von Q1 mit der Basis von Q6
verbunden (Die Transistordatenblätter findet man bei Conrad Electronic).) Oder täusche ich mich da? Also der Bestückungsplan
stimmt nicht, hab ich recht? Würd mich auf ein Feedback freuen. Danke und Gruß
Re: Kann es sein, dass der Bestückungsplan nicht stimmt
Kommentar von Tamer Berber am 09.06.2011; 08:19:49 Uhr
Bei den hier verwendeten Transistoren ist es so, dass der Emitter rechts ist (wenn man von oben zur abgeflachten Seite schaut).
Dieser Anschluss von Q1 ist mit der Basis von Q6 verbunden. Demnach ist der Bestückungsplan korrekt. Im Übrigen habe ich
diese Schaltung natürlich schon mehrfach gebaut. Viel Erfolg bei deiner Arbeit.
Wieviel Strom hält die Schaltung aus?
Kommentar von _steftn am 17.06.2011; 14:47:35 Uhr
Hallo, wieviel Strom darf der Antriebsmotor maximal ziehen? Ich hätte einen Motor, der ca. 1,0 A zieht, was müsste ich an der
Schaltung ändern? Gruß
Die max. Stromstärke ist durch die Transistoren Q3,4,5 und 6 bestimmt. Ich habe jetzt nicht die genauen Grenzwerte dieser
Transistoren im Kopf, aber für 1A reicht es sicher nicht. Letztlich kannst du in Datenblättern schauen. Bei einem Ampere solltest
du Leistungstransistoren (evtl. gekühlt) verwenden. Die passen aber nicht in das hier abgebildete Layout. Vielleicht kannst du
aber einfach auch einen sparsameren Motor verwenden.
Was für Abmessungen muss die Platine haben?
Kommentar von _Jonas am 29.02.2012; 08:07:43 Uhr
Was für Abmessungen muss die Platine haben?
Das ergibt sich doch aus dem Download mit dem Layout. Einfach die PDF ausdrucken - die Zeichnung ist 1:1.
Kommentar von _FIP am 20.03.2012; 16:55:29 Uhr
Wir bauen diese Solarmodulnachführung als FIP (Fachinterne Prüfung). Kannst du uns sagen, welche Aufgabe jedes Bauteil hat?
Wie müssen leider schon am Freitag unsere Dokumentation abgeben und wir haben das Gefühl, das wir uns überfordert haben...
Eine schnelle Antwort wäre gut.. Vielen Dank!!
Meine Lieben, lest doch einfach den Text durch, der über dem Schaltplan erklärt ist. Sollte dieser Part zu schwierig zu verstehen
sein, muss ich euch leider zustimmen: Das Thema stellt für euch eine ÜBerforderung dar :-(
Kommentar von _Karin Fischer am 18.05.2012; 21:13:17 Uhr
Was wurden da fuer Fotowiderstaende (LDR) verwendet oder ist das vom Widerstandswert her nicht so wichtig.
Als Fotowiderstände wurden Bauteile verwendet, wie sie im Schaltplan angegeben (4,7k) sind. Grundsätzlich kann man natürlich
auch andere verwenden. Bei abweichenden Widerstandswerten muss halt die Dimensionierung mit den Widerständen R2, 4 und 5
passen. Letztlich tun es für den Einsatzzweck einfache LDR wie man sie bei Reichelt, Conrad, Mükra und Co. bekommt. Am besten,
du nimmst die Werte, die hier angegeben sind - es sind solche, die du überall bekommen solltest.
Kommentar von _Peter Kolacki am 07.07.2012; 20:21:36 Uhr
Hallo aus der Kolpingstadt Kerpen, eine simple aber gut durchdachte Schaltung, mein Respekt an die Macher. Ich habe mich vor
Jahren mal mit der Solartechnik und deren Nachführung beschäftigt, leider konnte ich aus beruflichen Gründen nicht weiter
machen. Nun aber nach meiner Pensionierung möchte ich das Thema wieder angehen. Meine Frage: kann man gegen Erstattung
der Unkosten bei Ihnen eine Platine beziehen? Mit freundlichen Grüßen Peter Kolacki
Lieber Herr Kollacki, danke für das Lob. Platinen werden wir frühestens wieder dann haben, wenn die Thematik unterrrichtlich
ansteht. Wenden Sie sich doch einfach persönlich über das Kontaktformular an die Technikfachschaft der Schule.
Kommentar von _Raphael Dollinger am 09.01.2013; 16:56:31 Uhr
Hallo :) Ist bei den LDR das Gehäuse wirklich im 60° Winkel?? Weil das das sieht leicht mehr aus ;)
Gutes Augenmaß ;-) Du hast natürlich recht. Das müssen 2x 60° sein - ergibt sich automatisch, wenn du ein gleichseitiges Dreieck
(je 60°-Winkel) verwendest. Ist bereits korrigiert. Danke.
Kommentar von _Peter Zickhardt am 04.02.2013; 15:55:56 Uhr
Ein Hallo aus Thüringen, natürlich scheint auch bei uns die Sonne nicht immer von der selben stelle so dass ich mir schon länger
Gedanken über eine kostengünstige Modulnachführung gemacht habe. Die hier gezeigte Schaltung hat auf Anhieb funktioniert,
hat jedoch den Nachteil, mann kann keine größeren Lasten schalten (Linearmotoren ca. 1-1,5 Ampere Stromaufnahme unter Last
und die Transistoren der Motorsteuerung verabschieden sich sofort!). Hier habe ich mich anstelle der BC 338 für BD 135
entschieden. Auf kleine Kühlkörper montiert kann ich jetzt meine beiden Linearmotoren problemlos betreiben. Bei den LDR´s
habe ich 2 x BPW 34 Fotodiode von "Vishay" verwendet.(gibt es bei ebay) Die Schaltung zweimal aufgebaut und schon bewegen
sich 300 Watt Modulleistung immer schön der Sonne hinterher. Kosten für die Steuerung ohne Linearmotoren ca.20,- Euro.
Kommentar von _Chantal am 06.11.2015; 11:29:04 Uhr
Guten Tag, ich wollte nur kurz bemerken, dass eine Solarzelle eine Stromquelle und keine Spannungsquelle ist.
Strom- oder Spannungsquelle
Danke für deinen Beitrag. Natürlich hast Du hast Recht, da gibt es in der Tat eine Unterscheidung. Aber hier ist "Spannungsquelle"
richtig verwendet. Schau mal hier: http://www.lernort-mint.de/Physik/Elektrotechnik/spannungsquellen.html oder hier:
https://de.wikipedia.org/wiki/Spannungsquelle
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