Hinter der Sonne her

2010
Hinter der Sonne her
Bau eines Sun-Trackers, um eine effizientere SolarEnergiegewinnung zu ermöglichen
maexx burggraf
25.01.2010
HINTER DER SONNE HER
Kurzfassung
Bau eines Sun-Trackers, um eine effizientere Solar-Energiegewinnung zu ermöglichen
Mit Fotovoltaikanlagen wird Strom erzeugt wenn die Solarzelle von der Sonne angeleuchtet wird. Die erzeugte Strommenge
hängt von der eingestrahlten Lichtenergie ab. Je senkrechter das Licht auf die Solarzelle fällt, desto mehr Energie wird erzeugt.
Für eine Steigerung der Energieeffizienz werden sogenannte Sun-Tracker verwendet. Mit deren Hilfe wird der Stand der Sonne
bestimmt und die Solarzellen so ausgerichtet, dass die Solarzellen senkrecht zur Sonne stehen. Ich will in meiner Arbeit verschiedene Sensoren zur Ermittlung der Sonnenposition einsetzen. In meiner Arbeit soll untersucht werden, welche Sensoren für
welchen Anwendungsfall am besten geeignet sind und mit welcher Methode man die größte Energieausbeute erzielen kann.
Diese Sensoren werde ich im Folgenden kurz beschreiben:
(1) In einem ersten Ansatz kommt das Prinzip einer Sonnenuhr zum Einsatz. Der Schatten des Zeigers der Sonnenuhr wird durch
eine Web-Cam aufgenommen und das Bild wird an ein selbst geschriebenes Programm übermittelt. Dort werden die Daten zum
Stand der Sonne berechnet und der Sun-Tracker senkrecht zu der Sonne ausgerichtet.
(2) Durch Fotodioden auf einer Viertelkugel wird der tatsächliche Sonnenstand über eine selbstentwickelte Elektronik gemessen,
mit eigener Software ausgewertet und auch hier werden die Solarzellen wiederum senkrecht zur Sonne ausgerichtet.
(3) An Hand eines Kalenderprogramms wird der Stand der Sonne nach Datum und Uhrzeit berechnet werden. Diese Daten werden dann über einen Mikro-Controller verarbeitet werden und damit der Sun-Tracker angesteuert.
(4) Die Eigenschaft von Bimetallstreifen, sich unter Wärme zu verbiegen, wird ausgenutzt, um die Solarzellen in Richtung der
höchsten Temperatur und damit genau zur Sonne auszurichten.
(5) Als weitere Methode für einen Sun-Tracker ohne Stromversorgung und ohne Steuerelektronik, baute ich ein Modul, das über
einen Motor bewegt wird, der durch eine eigene, zu der Hauptsolarzelle im ca. 90° Winkel versetzte, Solarzelle angetrieben
wird. Wenn Licht auf die Solarzelle fällt, dreht sich das Modul solange, bis kein Licht mehr auf die Zelle fällt. So steht dann die
Hauptsolarzelle wieder im Licht.
(6) Zum Vergleich der Effizienz der Sun-Tracker werde ich eine fest nach Süden ausgerichtet Solaranlage verwenden. Für die
Versuchsaufbauten habe ich jeweils eine kleine Solaranlage mit 3 Solarzellen als Modell aufgebaut. Bei den Versuchsbauten 1 –
3 erfolgt die Nachstellung der Solarzellen mit Hilfe von Motoren erfolgen. Die Ausrichtung wird um zwei Achsen, Azimut und
Elevation, eingestellt.
Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Sensorarten werden gegenübergestellt. Die Energieausbeute wird in Abhängigkeit von
den Sensoren und Witterungsverhältnissen miteinander verglichen. Die Wirtschaftlichkeit und Energiebilanz der Solartracker
wird ebenfalls betrachtet.
INHALTSVERZEICHNIS
HINTER DER SONNE HER ...................................................................................................................................... 0
EINLEITUNG ......................................................................................................................................................... 1
AUFBAU DER GESAMTEN ANLAGE......................................................................................................................... 2
BESTIMMUNG DES SONNENSTANDES ................................................................................................................... 2
2.1. KALENDERFORMEL ....................................................................................................................................................... 2
2.1.1. Sonnenbewegung ................................................................................................................................................ 2
2.1.2. Berechnungen und Formeln ................................................................................................................................ 3
2.1.3. Fehlerkorrektur .................................................................................................................................................... 3
2.2. SONNENUHR ............................................................................................................................................................... 3
2.2.1. Prinzip .................................................................................................................................................................. 3
2.2.2. Aufbau .................................................................................................................................................................. 4
2.2.3. Programm und Auswertung ................................................................................................................................. 4
2.3. FOTODIODEN .............................................................................................................................................................. 5
2.3.1. Prinzip .................................................................................................................................................................. 5
2.3.2. Aufbau .................................................................................................................................................................. 5
2.3.3. Programm und Auswertung ................................................................................................................................. 7
2.3.4. Probleme in der Praxis ......................................................................................................................................... 7
SOLARMODULE .................................................................................................................................................... 8
3.1. MOTORENBETRIEBENE MODULE .................................................................................................................................... 8
3.1.1. Aufbau .................................................................................................................................................................. 8
3.1.2. Steuerung und Programm.................................................................................................................................... 8
3.2. MODULE OHNE EXTERNE STROMVERSORGUNG UND STEUERUNGSTECHNIK ........................................................................... 8
3.2.1. Bimetalle .............................................................................................................................................................. 8
3.2.2. Modul mit Solarmotor ......................................................................................................................................... 9
3.3. STATIONÄRES MODUL .................................................................................................................................................. 9
3.4. SOLARZELLEN ............................................................................................................................................................ 10
3.5. MESSUNG DER SOLARZELLEN ....................................................................................................................................... 10
PROGRAMM ...................................................................................................................................................... 10
TESTREIHEN ....................................................................................................................................................... 11
MIKROCONTROLLER........................................................................................................................................... 13
DISKUSSION ....................................................................................................................................................... 13
7.1. DISKUSSION DER SENSOREN ........................................................................................................................................ 13
7.1.1. Sonnenuhr .......................................................................................................................................................... 13
7.1.2. Fotodioden ......................................................................................................................................................... 13
7.1.3. Kalenderprogramm ............................................................................................................................................ 13
7.1.4. Modul mit Solarmotor ....................................................................................................................................... 13
7.1.5. Gesamtvergleich ................................................................................................................................................ 14
7.2. LOHNT ES SICH??? ..................................................................................................................................................... 14
QUELLEN............................................................................................................................................................... I
DANKE!!! ................................................................................................................................................................ I
ANHANG.............................................................................................................................................................. II
EINLEITUNG
Die Temperatur der erdnahen Atmosphäre und der Meere steigt seit einigen Jahrzehnten an. Damit ist eine Vielzahl von Folgen
verbunden, darunter eine verstärkte Gletscherschmelze, ein steigender Meeresspiegel, verändertes Auftreten von Niederschlägen und zunehmende Wetterextreme. Die Ursache für diese Erwärmung ist die Verstärkung des natürlichen Treibhauseffektes
durch menschliches Einwirken. Der Treibhauseffekt entsteht durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe (Freisetzung des Treibhausgases CO2). Es wird deswegen versucht, das immer mehr zu vermeiden und stattdessen erneuerbare Energiequellen zu
nutzen. Dazu zählt die Sonnen-, Wind- und Wasserenergie. Durch deren Verwendung entsteht kein CO2, und es wird trotzdem
Energie gewonnen.
Für die Nutzung der Sonnenenergie gibt es Fotovoltaikanlagen. Sie erzeugen elektrischen Strom, sobald Licht darauf fällt. Die
Umwandlung des Lichts in elektrische Energie erfolgt durch Solarzellen. Solarzellen sind meistens aus Silizium, es gibt sie in verschiedenen Bauarten. Der Wirkungsgrad von Solarzellen, wie sie heute technisch im Einsatz sind, beträgt maximal 20% unter
optimalen Bedingungen. Die maximal mögliche Energieausbeute wird nur erreicht, wenn die Lichtstrahlen senkrecht auf die
Solarzellen fallen (Abbildung 1.1). Je flacher die Lichtstrahlen auf die Solarzelle treffen, desto weniger Licht fällt auf die vorhandene Fläche (Abbildung 1.2). Die Lichtstrahlen sind Energiepakete. Es ist also logisch, dass wenn mehr Licht einfällt, mehr Energie erzeugt wird. Die Sonne bewegt sich im Tagesverlauf scheinbar über den Himmel. Für eine unbewegte Solarzelle verändert
sich daher ständig der Einfallswinkel.
In Diagramm 1 sieht man die Winkelabweichung zwischen einer stationären Anlage und den Sonnenstrahlen im Tagesverlauf.
Die Winkelabweichung ist zum Teil sehr groß. Dadurch ist die Einstrahlungsleistung auf der Solarzelle im Tagesverlauf sehr unterschiedlich (Diagramm 2). Die
meisten Solarzellen sind fixiert
aufgebaut, so zum Beispiel auf
Hausdächern. Dadurch können
die Sonnenstrahlen nur zu einem bestimmten Datum und
Uhrzeit senkrecht einfallen.
1
2
3
Durch eine Nachführung der
Solarzellen nach dem Stand der
1: Das Licht fällt senkrecht auf die Solarzelle => Winkeldifferenz = 0°; Ausbeute = cos(0°) = 100%
Sonne, sollte immer ein senk2: Das Licht fällt schräg (α) auf die Solarzelle => Winkeldifferenz = 90°- α; Ausbeute = cos(90°- α) < 100%
rechter Einfallswinkel erreicht
3: Das Licht läuft parallel zur Solarzelle => Winkeldifferenz = 90°; Ausbeute = cos(90°) = 0%
und so mehr Energie gewonnen
Strahlungsleistung im Tagesverlauf auf der
Winkelabweichung der Stationären Anlage
werden, weil die Strahlungsleisstationären Solarzelle
(Elevation 45°, Azimut 180°) zur Sonne
tung immer 100% beträgt. Sol105
100%
90%
90
che Anlagen gibt es zu kaufen,
80%
75
wahlweise mit Bewegung um
70%
60
60%
eine Achse (nur horizontale
50%
45
ODER vertikale Achse) oder
40%
30
30%
beide Achsen, mit Sensortech15
20%
niken, Zeitsteuerungen oder mit
0
10%
6
9
12
15
18
0%
formelbasierter Steuerung, um
6
9
12
15
18
den Sonnenstand zu bestimWinkeldifferenz 21.03.
Winkeldifferenz 21.06.
Prozent der Leistung 21.06.
Winkeldifferenz 23.09.
Winkeldifferenz 21.12.
men. Eine Anlage, die der Sonne
nachfolgt, nennt man SunAbbildung 1
Tracker. Nach den Angaben
verschiedener Anbieter von Sun-Trackern kann dadurch zwischen 15% und bis zu 45% mehr Energie gegenüber einer fest installierten Solarzelle gewonnen werden. So wird auf der Website der Firma RW-Energy http://www.rw-energy.com/de/strackp.html
ein Solar-Nachführungssystem mit einer Achse angeboten, das mit einem Bewegungsintervall von 10 Minuten ohne Sensorik
einen Mehrertrag von bis zu 15 % verspricht. Auf einer anderen Website steht: Die teilweise sehr pauschalen Angaben der Hersteller reichen von rund 25 bis 30% für einachsige Nachführsysteme bis über 45% Zugewinn bei Zweiachsern. (siehe
http://www.solarenergie.com/content/view/141/66/)
Ziel meiner Arbeit war es, zu überprüfen, ob das Nachführen der Solarzellen hinter der Sonne her wirklich so viel bringt und mit
welcher Sensorik oder Steuerung diese Aufgabe am besten bewältigt wird.
Ich überlegte mir verschiedene Möglichkeiten um den aktuellen Sonnenstand zu ermitteln. Ich entwickelte zwei verschiedene
Sensoren und benutzte eine Formel zum Berechnen des Sonnenstandes. Um die Solarzellen nach diesen Winkeln auszurichten
baute ich je ein motorisiertes zweiachsiges Modul. In einem weiteren Motorisierten Modul nutze ich Solarstrom zum betreiben
des Motors. . Eine zusätzliche Möglichkeit, ohne Sensor, Motor und Steuerung Solarzellen auszurichten, ist mithilfe von Bimetallen. Es wurden aber noch weitere Geräte benötigt, so zum Beispiel Controller zum Steuern der Motoren und ein Programm zum
Ansteuern der Controller.
Die verschiedenen Sensor-, Formel- oder Mechanik-basierten Möglichkeiten werden in dieser Arbeit beschrieben und die unterschiedlichen Energieerträge verglichen und ausgewertet.
Seite 1
AUFBAU DER GESAMTEN ANLAGE
Der Computer ist das Herz der Anlage. Er ist über USB-Anschlüsse mit der
Web-Cam, dem TX-Controller und den Interfaces von Fischertechnik, die
die Module ansteuern, verbunden. Auf dem Computer läuft das zentrale
Programm. Durch den Computer werden die Sensoren angesteuert und
ausgewertet, die Solarmodule bewegt und deren Spannungen gemessen.
Die Ergebnisse werden verarbeitet, graphisch dargestellt und zur späteren
Verwendung in Excel gespeichert. Der Aufbau und die Vernetzung der
Anlage lässt sich aus Abbildung 2 entnehmen.
A:
B:
C:
D:
E:
F:
G:
Computer
TX Controller als Messsystem
ROBO Interfaces für die Bewegungssteuerung
Sonnenuhr als Sonnensensor
Kugel mit Fotodioden als Sonnensensor
Messelektronik für Fotodioden
Solaranlagen
Abbildung 2: Aufbau der Anlage
BESTIMMUNG DES SONNENSTANDES
B
Die Position der Sonne wird durch zwei Winkel angegeben.
Diese sind der Seiten- und Höhenwinkel. Sie heißen auch
Azimut- und Elevationswinkel. In der Nautik wird der Azimutwinkel im Nordbezug angegeben, in der Astronomie in Bezug
auf Süden. Ich verwende in meiner Arbeit die Winkelangaben
der Nautik. Der Elevationswinkel wird zum Horizont angegeben, wobei 90° bedeutet, dass die Sonne senkrecht steht.
Ein wesentlicher Teil eines Sun-Trackers ist der Sensor. Dieser
dient dazu, den Sonnenstand zu ermitteln. Das ist nötig, um
die Solarzellen richtig auszurichten und so den Energiegewinn
zu erhöhen. Ich wählte mehrere mögliche Sensortechniken,
mit denen ich die Sonnenposition bestimmen wollte. Drei
Module werden durch Motoren angetrieben, die durch eine
Sonnenuhr, ein Fotodiodenfeld und eine Kalenderformel, die
den Sonnenstand berechnet, gesteuert werden. Die Sensoren
und die Kalenderformel beschreibe ich im Folgenden:
C
2.1.
A
D
Kalenderformel
Die erste Möglichkeit, den Azimut und Elevationswinkel zu
bestimmen, ist die Berechnung des Sonnenstandes aus dem
aktuellen Datum und der Uhrzeit. Zum Verständnis der Formel ist es notwendig, die scheinbaren Bewegungen der Sonne
zu verstehen.
2.1.1. Sonnenbewegung
Die Erdachse steht nicht senkrecht, sondern ist um 23,5° geneigt. Durch diese Schräglage und die Bewegung der Erde um
Abbildung 3
die Sonne ergibt sich, dass der Mittelpunt der Sonne je nach
Datum unterschiedliche Positionen zur Äquatorebene hat (Abbildung 3A). Der Winkel zwischen der Geraden, die den Mittelpunkt der Sonne mit dem Erdmittelpunkt verbindet, und der Äquatorebene wird Deklination δ der Erde genannt. Er verändert
sich über das Jahr hinweg von +23,5° bis zu -23,5°. Einem Beobachter, der sich an einem Punkt der Erde befindet (Punkt B, auf
dem Breitengrad β, in (Abbildung 3B-D)) erscheint es so, als ob sich die Sonne um die Erde dreht. Die Drehung der Erde bewirkt,
dass die Sonne im Osten aufgeht, im Süden den höchsten Punkt ihrer Bahn erreicht und im Westen untergeht. Die genauen
Bahnverläufe verändern sich im Laufe des Jahres. Der Höhenwinkel ε zwischen der Horizontebene des Beobachters und der
Sonne vergrößert sich auf der Nordhalbkugel vom 21.12. (Abbildung 3C) bis zum 21.6. (Abbildung 3B) und verringert sich danach
wieder. Der Seitenwinkel verändert sich genauso. Verschiedene Sonnenbahnen für Beobachter B sieht man in Abbildung 3D.
Die genaue Sonnenbahn an einem bestimmten Tag des Jahres kann mit einer Formel berechnet werden.
Seite 2
2.1.2. Berechnungen und Formeln
Dazu gibt es bereits Formeln in allen möglichen Genauigkeitsstufen. Für meine Zwecke reicht eine vereinfachte Formel, die ich
im Internet gefunden habe: http://www.jgiesen.de/SME/tk/index.htm. Laut dem Autor J. Giesen ist der durchschnittliche absolute Fehler 0.5° und der maximale Fehler 2.5°. An Informationen wird das Datum (Tag; Monat), die Uhrzeit (Stunde und Minute)
und die geographische Position des Ortes benötigt. Diese Formeln habe ich in meinem Programm verwendet.
Formel
Erklärung
Tag im Jahr
Mittlere Ortszeit (die übers Jahr gemittelte
Sonnenzeit an diesem Ort)
sphärische Trigonometrie; Umrechnung aus
nautischen Dreieck
Tabelle 1: Formeln zum Berechnen des Sonnenstandes
Mit diesen Formeln berechnet mein Programm die Winkel der Position der Sonne.
2.1.3. Fehlerkorrektur
J. Giesen hat in seinen Beispielen immer für eine bestimmte Uhrzeit an mehreren Daten im Jahr den Sonnenstand berechnen
lassen. Ich verwende die Formel umgekehrt, also an einem festen Tag und mehreren Uhrzeiten (alle 10 Minuten). Dabei fiel mir
eine fehlerhafte Bewegung zwischen 12 und 12 Uhr 30 auf. J. Giesen geht bei seiner Berechnung davon aus, dass die Sonne um
genau 12 Uhr MEZ im Süden steht. Das ist aber abhängig vom Längengrad und tatsächlich steht die Sonne um 12 Uhr MOZ (mittlere Ortszeit = Sonnenzeit) im Süden. Die MOZ ist die Zeit in Greenwich (UTC) plus Längengrad Ost mal 4 Minuten (Tabelle 1).
Wenn der Azimutwinkel größer als 180° ist, ist der Azimut nicht mehr arccos(y), sondern 360° - arccos(y). Der Wechsel findet
zum Zeitpunkt Zeitdifferent (MOZ - 12) = 0 statt, anders als in J. Giesens Formel um 12 Uhr MEZ.
2.2.
Sonnenuhr
2.2.1. Prinzip
Lichtstrahlen breiten sich geradlinig aus. Insbesondere Lichtstrahlen der Sonne kann
man auch zusätzlich als parallel betrachten, da die Sonne so weit entfernt ist. Deshalb
lässt sich aus einem Schatten eine hundertprozentige Rekonstruktion der Lage der diesen Schatten werfenden Lichtquelle erstellen. Dazu werden aber noch die Koordinaten
und die Länge des Schattens (in einem gedachten Koordinatensystem mit dem Ursprung
= dem Ursprung des Schattens) sowie die Höhe des Objektes, das den Schatten wirft,
benötigt.
Sobald die Sonne scheint, werfen sämtliche Objekte, die von der Sonne angestrahlt werden, einen Schatten. Dies wird schon seit Jahrhunderten von der Menschheit in Form
von Sonnenuhren genutzt.
Mein erster Sensor basiert auf diesem Prinzip. Der Schatten eines Stabes wird dabei von
einer Web-Cam fotografiert. Durch die Auswertung des Schattens kann der genaue
Stand der Sonne mit zwei Winkeln, dem Seitenwinkel (Azimut) und dem Höhenwinkel
(Elevation) bestimmt werden. Diese Winkel werden dann so umgerechnet, dass ein Solarmodul danach ausgerichtet werden kann.
Seite 3
Abbildung 4
2.2.2. Aufbau
Die Web-Cam (Conrad „Mini-Webcam, Nr. 971914; Abbildung 5) ist an einer Art „Galgen“
58cm über dem schattenwerfenden Stab angebracht. Die Web-Cam muss genau auf die Position des Zeigerstabes ausgerichtet werden. Die Justierung erfolgt manuell mit Hilfe eines LifeBildes mit Fadenkreuz in der Programmoberfläche.
Da es sich um eine Web-Cam für Zimmeranwendungen handelt, benötigt sie für die Lichtverhältnisse bei hellem Sonnenschein eine Abdunkelung aus einem Sonnenbrillenglas und farbiger Folie (rot und grün). Diesen Stab gibt es in zwei verschiedenen Längen für das Winter- und
das Sommerhalbjahr. Die Schatten im Winter auf der Nordhalbkugel sind auf Grund der niedAbbildung 5
rigen Sonnenhöhe in unseren Breiten extrem viel länger als im Sommer. Im Winter muss der
Stab kürzer sein, damit der Schatten im Bild bleibt. Für den Sommer habe ich einen längeren Stab vorgesehen um eine möglichst
hohe Messgenauigkeit zu erhalten. Folgende Längen wurden gewählt: Winter: 4,7 cm; Sommer: 8,1 cm (siehe Abbildung 4).
2.2.3. Programm und Auswertung
Die beiden Winkel kann man aus dem Schattenwurf berechnen, wenn man die Länge des Schattens, den Seitenwinkel und die
Höhe des Stabes kennt. Die Sonnenuhr muss dazu genau in Nord-Süd-Richtung ausgerichtet werden.
Zuerst muss das Foto der Web-Cam in eine geeignete Form gebracht werden. Das Bild (Abbildung 6A) besteht wie jedes digitale
Foto aus Pixel. Ein Pixel ist ein Farbpunkt, der aus den drei Farben Rot, Grün und Blau zusammengesetzt ist. Die verwendete
Web-Cam erzeugt ein Farbbild mit einer Auflösung von 640 x 480 Pixel. Mein Programm analysiert die Pixel des Bildes und wandelt das Originalbild in ein Zweifarbenbild (schwarz-weiß) um. Ausgehend von dem Mittelwert der Helligkeit der Farbkomponenten eines Pixels (rot-grün-blau) wird diesem Pixel die Farbe weiß oder schwarz zugewiesen, je nachdem, ob ein Helligkeitsschwellwert überschritten wird
(weiß) oder nicht (schwarz). So
C
D
A
B
wird aus dem Originalbild ein
Schwarz-Weiß Bild generiert
(Abbildung 6B). Den Schwellwert
kann man entsprechend der
Lichtverhältnisse auf der ProAbbildung 6
gramm-Oberfläche eingeben. Dies
ist der entscheidende Faktor für Bildqualität und Messgenauigkeit. Über diesen Wert wird auch eine Fehlerkorrektur gemacht
(siehe Unten). Im nächsten Schritt wird das Bild in Quadranten unterteilt, in deren Schnittpunkt der Zeigerstab positioniert ist
(Abbildung 1C). Die schwarzen Pixel pro Quadrant werden gezählt. Der Quadrant mit den meisten schwarzen Punkten sollte der
Quadrant mit dem Schatten sein und wird weiter betrachtet. Durch eine Reihe von Plausibilitätschecks wird entschieden, ob das
Schattenbild die notwendige Qualität hat, um aus dem Bild den Azimut- und Elevationswinkel zu berechnen.
Plausibilitätschecks
Es gibt zwei wesentliche Gründe für Fehler in dem Bild. Der eine ist die falsche Justierung der Web-Cam, und das andere ist eine
falsche Einstellung des Kontrastwertes (=Schwellwert). Ist der Kontrastwert zu hoch, werden zu viele Pixel schwarz und der
Schatten wird nicht mehr erkannt. Ist der Schwellwert zu niedrig, wird der Schatten zu klein oder bei diffusem Licht (alles grau)
nicht mehr erkannt. Um zu überprüfen ob das Schattenbild geeignet ist, werden folgende Tests durchgeführt:
1. Sämtliche schwarzen Punkte (nach dem Konvertieren des Bildes) werden gezählt. Wenn in dem ausgewählten Quadranten die Anzahl der schwarzen Punkte größer als 20 % aller Punkte ist, liegt eine Störung vor.
2. Unterschreitet die Anzahl schwarzer Punkte 0,25 % ist das Bild fehlerhaft.
3. Falls sich die Anzahl schwarzer Pixel von einem Bild zum nächsten zu schnell ändert wird auch eine Fehlerkorrektur ausgelöst.
4. Beginnt der Schatten nicht im Mittelpunkt, kann der Schattenverlauf nicht richtig bestimmt werden.
Trifft einer dieser Punkte zu, wird eine Fehlermeldung auf der Programmoberfläche ausgegeben und ein Korrekturversuch gestartet.
Automatische Korrektur
Wenn durch die Plausibilitätschecks ein Fehler im Bild entdeckt wird, wird automatisch ein neues Bild geladen. Sollte derselbe
Fehler erneut auftauchen, wird bei den Fehlern 1 und 4 der Kontrastwert um je 3 Punkte erhöht, bei Fehler 2 vermindert. Durch
die Veränderung des Kontrastwertes wird die Anzahl der schwarzen Pixel so lange verändert, bis der Schatten korrekt ermittelt
wurde. Diese Fehlerkorrektur wird bis zu zehnmal wiederholt, sofern vorher nicht ein geeignetes Bild erzielt wird. Nach zehn
misslungenen Versuchen wird die Winkelberechnung durch die Sonnenuhr abgebrochen.
Ist das Bild verwertbar wird aus allen zusammenhängenden Pixel - beginnend im Nullpunkt (Zeigerstab) - die Länge und die Lage
(Seitenwinkel) des Schattens in einem zweidimensionalen Koordinatensystem bestimmt. Dazu wird aus den Ortsvektoren der
letzten zwanzig Pixel ein Mittelwert-Vektor, der Schattenvektor, gebildet (Abbildung 6D).
Seite 4
In dem Koordinatensystem
stellt die x-Achse die Ost-West
Achse und die y-Achse die NordSüd-Achse der Sonnenuhr dar,
wobei Norden in der negativen
y-Richtung liegt. Der Schattenvektor besteht aus den Komponenten x und y. Der Betrag des
Abbildung 7
Vektors entspricht der Länge
des Schattens (
). Zuerst wird das Ergebnis für noch in Pixel ausgedrückt. Mit
Abbildung 8
einem experimentell bestimmten Umrechnungsfaktor wird die Länge in Zentimetern erhalten.
Den Umrechnungsfaktor habe ich mit Hilfe eines Fotos eines Zentimetermaßes auf 13,7 bestimmt (13,7 Pixel entsprechen 1 cm).
Im nächsten Schritt wird der Winkel α des Vektors zur Nord-Süd-Achse bestimmt (siehe Abbildung 8):
α = arcsin(Gegenkathete/Schattenlänge) = arcsin(x/l)
Für das weitere Vorgehen muss der Winkel α des Schattenvektors so umgerechnet werden, dass er zur Nord-Achse bestimmt
ist (β). Deshalb müssen die Winkel der Vektoren je nach Lage in
einem der vier Quadranten noch korrigiert werden (Abbildung
7).
Damit hat man den Winkel des Schattens berechnet. Die Sonne
liegt genau gegenüber. Das heißt: Azimut = β - 180°
Die Elevation ε wird aus der Schattenlänge und der Stablänge
berechnet (siehe Abbildung 6).
ε = arctan(Stablänge/Schattenlänge)
2.3.
Abbildung 9
Fotodioden
2.3.1. Prinzip
Als weitere Möglichkeit, den Stand der Sonne zu ermitteln setzte ich lichtempfindliche Sensoren ein. Ich benutzte dafür eine
Anordnung von 20 Fotodioden (BPW 34) auf einer Viertelkugel. Jede Fotodiode liefert eine Spannungswert, der abhängig von
der Beleuchtungsintensität ist. Je nachdem, ob die Fotodiode zur Sonne zeigt und in welchem Winkel die Sonnenstrahlen auf die
Diode treffen, wird der Spannungswert größer oder kleiner. Ein Maximum wird erreicht, wenn die Sonnenstrahlen direkt
senkrecht von vorn auftreffen. Aufgrund der Anordnung der Dioden entlang der Kugeloberfläche liefert jede Diode zu einem
bestimmten Sonnenstand einen maximalen Spannunswert. Andere liegen im Schatten und geben nur eine geringe Spannung
zurück.
2.3.2. Aufbau
Solarkugel
Die Viertelkugel stellte ich aus einer Glasfasermatte und eiNr.
Breite
Länge
1
10
80
nem Polyesterharz (Modellbaubedarf) her, die Form dafür
2
10
60
erhielt ich von einem Fußball.
3
25
70
4
20
40
Auf die Kugel übertrug ich ein Koordinatensystem aus Längen5
20
10
und Breitengraden. Darauf markierte ich den Sonnenverlauf
6
30
20
7
40
60
für den Tag der Winter- (21.12.) und Sommer-Sonnwende
8
40
40
(21.06.) an meinem Wohnort in Bernried (Breite 47,86291°
9
50
20
10
40
0
Länge 11,280073°; maps.google.de). Für die 20 Sensoren
11
60
0
überlegte ich mir eine Verteilung auf der Kugel innerhalb
12
50
-20
13
40
-40
dieser beiden Sonnenstandslinien, so dass möglichst der rele14
40
-60
15
30
-20
vante, von der Sonne innerhalb des ganzen Jahres beschiene16
20
-10
ne Teil der Oberfläche abgedeckt wird.
17
20
-40
18
25
-70
An den so ausgesuchten Punkten bohrte ich je ein Loch, hinter
19
10
-60
das ich eine Fotodiode klebte. Die Dioden sind alle in einem
20
10
-80
Abstand von etwa einem halben Zentimeter hinter dem Loch
angebracht, so dass nur senkrecht einfallende Sonnenstrahlen die ganze DiodenfAbbildung 10
läche bescheinen können (Abb xxx). Sonnenstrahlen, die in einem anderen Winkel
einfallen, erreichen nicht nur eine geringere Beleuchtungsintensität aufgrund des Einfallwinkels, sondern treffen auch noch
einen kleineren Teil der Diodenflächen. Die Spannungsunterschiede an den Fotodioden aus den unterschiedlichen Beleuch-
Seite 5
tungswinkeln werden so noch verstärkt. Je genauer also eine Diode in die Richtung des Sonnenstandes zeigt, um so größer ist die abgegebene Spannung.
Messung der Diodensignale - Verstärker und Multiplexer
Die Diodenspannung muss gemessen werden. Dazu sind an jede Fotodiode
zwei Kabel angelötet. Die 2 x 20 Signale werden über Flachbandkabel an ein
Controller-Board übergeben. Auf diesem Controller-Board ist zwanzig Mal die
Schaltung aus Abb. xxx aufgebaut. Der linke Teil enthält einen Widerstand (R5),
der zusammen mit der Fotodiode als Spannungsquelle den Messstromkreis
bildet. Der rechte Teil des Schaltkreises besteht aus einem Operationsverstärker, der als Differenzverstärker geschaltet ist. Das Messsignal aus dem Diodenstromkreis wird über die beiden Eingänge des OPV gemessen und nach der
Formel
verstärkt. Meine Schaltung hat einen Verstärkungsfaktor von 2, d.h. die Diodenspannung wird verdoppelt und der schwache
Diodenstrom in ein verarbeitbares Signal verwandelt. Zusätzlich werden die
Abbildung 11
zwei Spannungssignale U1 und U2 auf ein Spannungssignal Ua reduziert. Die
zwanzig
Ausgangsspannungen
werden dann an die Multiplexer
weitergeleitet. Der OPV auf dem
Controller-Board ist ein LM 324 –
Baustein, der vier OPV enthält. Die
Widerstände sind Präzisionswiderstände mit geringen Toleranzen,
Der Betrag des Vektors
um die Messwerte so wenig wie
(rot) entspricht der
möglich durch Bauteiltoleranzen zu
Diodenspannung, die
Der Summenvektor
verfälschen.
Richtung gibt die Lage
(blau) ist parallel zu den
der Diode wieder.
Sonnenstrahlen (gelb).
Die Messung der Spannungen
erfolgt in dem TX-Controller (Fi- Abbildung 12
schertechnik). Hier stehen für
diesen Zweck nur drei Messeingänge zur Verfügung. Die übrigen Messeingänge werden für die Solaranlagen gebraucht. Alle 20
Ausgangssignale werden deshalb an insgesamt drei Multiplexer geleitet, um die Zahl der Eingänge für die weitere Verarbeitung
der Signale möglichst gering zu halten. Die verwendeten Multiplexer (CD4051B) sind IC- Chips für 8 Eingangskanäle, die wahlweise auf einen Ausgangskanal geschaltet werden können.
A
B
C
20 x
Ausgang
.
Auf der Verstärkerplatine sind zwanzig dieser
Verstärker aufgebaut
Abbildung 13: Schaltplan des Differenzverstärkers, Aufbau des Systems und Prinzip der Multiplexer
Seite 6
2.3.3. Programm und Auswertung
Der Controller wird mit Hilfe von Visual Basic Programmen gesteuert. Von Ulrich Müller (www.ftcomputing.de) stehen dllBibliotheken für sämtliche FischerTechnik Computing Bausteine zur Verfügung, die eine Zusammenarbeit zwischen Controller
und VB.Net ermöglichen.
SteuerungsDie Steuerungseingänge (A, B, C) an den drei Multiplexern werden, je nachdem welches
Channel
Eingänge
Nr.
des
angeforderten
Spannungssignal ausgewertet werden soll, nach einem bestimmten Muster (siehe Tabelle
Signals)
A
B
C
2) vom TX angesteuert. Die Spannungen werden vom Controller gemessen, im nächsten
0
0
0
0
Schritt ändert sich der angesteuerte Channel der drei Multiplexer und es werden die Span1
1
0
0
nungssignale der nächsten drei Fotodioden von dem TX gemessen. Dies wird sieben Mal
2
0
1
0
3
1
1
0
wiederholt, bis die Spannungen aller 20 Fotodioden gemessen wurden.
4
0
0
1
Die Spannung jeder Fotodiode wird zuerst durch den OPV verdoppelt, danach geht wieder
5
1
0
1
eine Spannungsanteil im Multiplexer verloren. Es wird also nicht mehr der tatsächlich an
6
0
1
1
der Diode anliegende Wert gemessen. Für die weitere Verarbeitung ist aber nur das Ver7
1
1
1
hältnis der Spannungen zueinander wichtig, nicht der absolute Wert. Die Veränderungen Tabelle 2: Ansteuerungsschema der
Multiplexer. 1 bedeutet Spannung, 0
sind linear, so dass sie hier vernachlässigt werden können.
keine Spannung am Steuereingang.
Die Lage der einzelnen Fotodioden soll für die weitere Berechnung in Vektoren umgerechnet werden. Dazu müssen die Koordinaten aus den bekannten Winkeln ausgehend vom Kugelmittelpunkt als X-, Y- und Z-Werte
bestimmt werden.
Z-Koordinate = Kugelradius * Sin(Breite)
X-Koordinate = Kugelradius * Cos(Breite) * Cos(Länge)
Y-Koordinate = Kugelradius * Cos(Breite) * Sin(Länge)
Breite bedeutet in diesem Fall die „geographische“ Breite der
Fotodiode auf der Viertelkugel; Länge die geographische Länge.
Im nächsten Schritt wird ein Vektor aus den einzelnen Vektoren (für jede der 20 Fotodioden einer) gebildet. Um die DiodenVektoren je nach den erzeugten Spannungen unterschiedlich zu gewichten, werden die Komponenten mit den jeweiligen gemessenen Spannungen multipliziert (= die Länge des Vektors wird verändert). Die Vektoren werden dann zu einem Gesamtvektor addiert, der die Richtung zur Sonne anzeigt.
Summenvektor-Z =
Summenvektor-Y =
Summenvektor-X =
Koordinate und Spannung bezieht sich auf die jeweilige Diode i.
Aus diesem Vektor können dann Azimut und Elevation errechnet werden. Der Summenvektor wird zur Berechnung der Elevation
auf die X/Y-Ebene projiziert. Dieser heißt in meinen Formeln C und wird wie folgt berechnet:
Koordinate und Spannung bezieht sich auf die
jeweilige Diode.
Summenvektor-C =
Die beiden Winkel Azimut und Elevation werden so berechnet:
Azimut = 180° - arctan(Summenvektor-Y / Summenvektor-X) Elevation =
arctan(Summenvektor-Z / Summenvektor-C)
Diese beiden Winkel werden verwendet, um das Solarmodul zur Sonne auszurichten (siehe auch 0. PROGRAMM).
2.3.4. Probleme in der Praxis
In einem Laborversuch innerhalb des Hauses mit einer Lampe, ließen sich die angestrahlten Dioden sehr exakt bestimmen. Die beleuchteten Dioden lieferten einen
hohen Spannungswert, alle anderen fast keinen. Da die Sonne eine sehr viel größe0°
0°
re Leuchtkraft hat und eine sehr viel größere Fläche bestrahlt, wurden im Freien
20°
immer fast alle der Fotodioden bestrahlt und lieferten sehr hohe Spannungen.
Abbildung 14
Die unterste Diodenreihe in Südrichtung liegt auf 20° Höhe. Diese Dioden und alle
darüberlegende liefern einen großen Messwert. Die Sonne steigt im Winter maximal auf 20° an. Die Messwerte kommen aber
nun von 20° und höher, sodass der Elevationswinkel immer auf mehr als 30° bestimmt wird. Unterhalb von 20° existieren keine
Dioden zur Kompensation des Fehlers. Im Frühjahr und Sommer bei mehr als 40° Sonnenhöhe tritt dieser Fehler nicht auf. Zur
Korrektur der fehlerhaften Auslegung der Kugel dachte ich mir aus, die Kugel zu kippen. Dadurch liegen die untersten Dioden auf
fast 0°. In meinem Programm lässt sich der Kippwinkel der Kugel einstellen. Die Positionen der Dioden werden dann automatisch korrigiert. Dadurch verbesserten sich die Messergebnisse deutlich.
20°
Seite 7
SOLARMODULE
Ziel der Anlage ist es aus Lichtenergie elektrische Energie zu gewinnen. Dies wollte ich mit Hilfe von Solarzellen bewerkstelligen.
Für die optimale Energieausbeute habe ich die Solarzellen auf bewegliche Anlagen gebaut. Um den Mehrertrag zu kontrollieren
habe ich zusätzlich eine starr ausgerichtete Solarzelle verwendet.
3.1.
Motorenbetriebene Module
3.1.1. Aufbau
Abbildung 15: Solarmodul
Um die Solarzellen nach den von meinen Sensoren bestimmten Winkeln auszurichten, habe ich drei gleiche Solarmodule gebaut. Die Mechanik baute ich aus
FischerTechnik. Jeder anzusteuernde Winkel (Azimut und Elevation) wird über
einen FischerTechnik Mini Motor und ein Getriebe angesteuert.
Das Solarmodul ist drehbar auf einem Drehkranz aufgebaut. Einer der Motoren
dreht den Drehkranz über eine Schnecke um die vertikale Achse. Zusätzlich ist an
der Antriebswelle noch ein Nockenrad angebracht, das zusammen mit einem Tastschalter die Umdrehungen der Welle
erfasst. Dabei löst jeder Wechsel des Schalters zwischen
geöffnet und geschlossen einen Zählimpuls aus. Eine volle
Umdrehung der Welle kann so in acht Impulse aufgelöst
werden (Abbildung 16). Aus der Übersetzung des Schneckengetriebes konnte ich berechnen, dass ein Impuls einer
Drehung des Drehkranzes um 0,77° entspricht. Auf dem
Drehkranz sind dann die Solarpanele und der Antrieb für die
Drehung um die Horizontalachse aufgebaut. Der Motor für
die horizontale Bewegung bewegt die Solarpanele ebenfalls Abbildung 16: Tickschalter
über ein Schneckengetriebe. Die Solarpanele sind direkt an
der Horizontalachse befestigt. Auch hier wird die Drehung der Antriebswelle über
ein mehrstufiges Getriebe mit einem Nockenrad und einem Tastschalter erfasst.
Eine Umdrehung der Welle entspricht hier 0,75°.
Um die Solarmodule in eine durch die bestimmten Winkel genau definierte Lage fahren lassen zu können, ist es notwendig,
einen fest definierten Referenzpunkt zu haben. Dies löste ich über ein Endlagensystem. An der vertikalen Achse definieren zwei
Tastschalter die Endlagen. Wenn sich das Solarmodul bewegt und gegen einen dieser Schalter stößt, bricht mein Programm die
Bewegung sofort ab. An dem Solarpanel habe ich einen Reed-Kontakt (Magnetsensor) angebracht, der die horizontale
Bewegung nach unten stoppt. Dieser Reed-Kontakt hat gegenüber einem Tastschalter den Vorteil, dass er ohne mechanische
Kräfte funktioniert. Die Bewegung nach unten hat nicht genügend Kraft aufgebracht, um den Tastschalter zuverlässig zu
betätigen
Die vertikale Referenzlage meiner Solarmodule ist am linken ( = Osten) Endanschlag und der horizontalen Endanschlag dann,
wenn das Solarpanel senkrecht zum Boden steht ( = Unten). Horizontale und vertikale Position werden dann auf 0 gesetzt. In der
Referenzlage steht das Modul in der Ausgangslage und von dort aus können die Winkel korrekt angefahren werden.
3.1.2.
Steuerung und Programm
Um die Motoren nach den beiden Winkeln ansteuern zu können, benötigte ich noch ein System, mit dessen Hilfe ich feststellen
kann, wie weit sich das Modul bereits gedreht hat. Durch die Tickschalter wird die Bewegung gemessen und in meinem Steuerungsprogramm die angefahrene Position gespeichert. Dieser Wert wird dann bei der nächsten Bewegung von dem neu berechneten Winkel abgezogen. Das Ergebnis wird in Ticks (also Achtelumdrehungen der Achse am Motor) umgerechnet. Von diesem
Wert wird der ganzzahlige Anteil genommen. Der dabei entstehende Rest wird aufgehoben. So kann dieser Wert bei der nächsten Umrechnung zu dem neuen Winkel addiert werden, um eine möglichst genaue Positionierung zu ermöglichen. Der Motor
wird gestartet und die Impulse des Tick-Schalters werden gezählt, bis die aktuell berechnete Anzahl erreicht ist. Falls vor dem
Erreichen dieses Wertes einer der Endlagenschalter betätigt wird, stoppt das Solarmodul automatisch.
3.2.
Module ohne externe Stromversorgung und Steuerungstechnik
3.2.1. Bimetalle
Prinzip
Eine weitere Idee für einen Sun-Tracker war, die Bewegung zur Sonne hin mittels Bimetallstreifen auszuführen. Bimetalle sind zwei, deswegen der Name (bi = zwei), unterschiedliche Metallstreifen, die aufeinander befestigt (gepresst, geschweißt,
…) wurden. Da jedes Metall sich bei einer Temperaturerhöhung etwas ausdehnt, und jedes einzelne Metall einen anderen AusSeite 8
dehnungsfaktor hat, dehnen sich auch die beiden Metalle des Streifens unterschiedlich aus. Da sich eines zwangsläufig weniger
stark
ausdehnt, verbiegt sich der Streifen. Die Innenseite der
Krümmung ist bei dem sich weniger stark ausdehnenden Metallstreifen. Je höher die Differenz der Ausdehnungsfaktoren der beiden Streifen, desto stärker ist
die Krümmung des gesamten Bimetallstreifens (siehe
Abbildung 17).
Ruhelage; keine
Temperaturänderung
Erwärmung des Streifens,
unterschiedlich starke
Ausdehnung
Aufbau
Je höher die Temperaturdifferenz ist, desto höher ist
Krümmung des BiMetallstreifens
die Biegung des Bimetallstreifens. Deswegen baute ich
Abbildung 17: Schema eines
ein Glashäuschen in dem der Bimetallstreifen einge- Bimetallstreifen
baut werden sollte um eine möglichst hohe Temperaturdifferenz zur Umgebung zu erreichen. Ich führte im Freien einige Temperaturmessungen durch. Ich konnte eine Temperaturdifferenz von 35° - 40° C erzielen, wenn die
Sonne direkt in das Glashäuschen schien.
Freundlicherweise schenkte mir die Firma Auerhammer Metallwerke, die sich auf die
Herstellung von Bimetallstreifen spezialisiert hat, einige Muster. Die Bimetallstreifen
vom Typ TB20110AMW rollte ich zu einer Spirale zusammen, um Platz zu sparen. Die
Metallstreifen, die ich zur Verfügung hatte, können sich theoretisch in Spiralenform
bei 30° Temperaturdifferenz um 48° Grad drehen und erreichen dabei eine Kraft von
2,4 N und ein Drehmoment von 55 Nmm (Berechnungsprogramm von AMW). Mit
meinem Aufbau (Abbildung 18) konnte ich bei einem Temperaturunterschied von 40°
Abbildung 18
C (Experiment im Backofen), gerade eine Bewegung der Mechanik von maximal 10°
erzielen, und das ohne eine zweite Bimetallfeder auf der anderen Seite für die Rückbewegung. Dies kam daher, dass diese Bimetallstreifen zu wenig Kraft hatten und sich vor allem nicht weit genug bewegten. So verfolgte ich diese Idee nicht weiter. Mit
stärkeren Bimetallstreifen könnte es aber trotzdem funktionieren.
3.2.2. Modul mit Solarmotor
Um das Nachführen möglichst effizient zu machen, baute ich mit folgender Idee ein
weiteres Solarmodul. Auf einem Motor aus einem Kosmos Solarbaukasten (Achse wird
senkrecht am Boden montiert) wird eine Plattform angebracht, auf der 2 Solarzellen
befestigt werden (Abbildung 19). Die große
Zelle erzeugt den Strom für die Energienung. Der Elevationswinkel ist für den Winterbetrieb auf 60° fest eingestellt. Deshalb findet
die Nachführung nur um eine Achse statt.
Die kleine Solarzelle für den Betrieb des Motors Abbildung 20
(Elevation auch 60°) ist in einem einstellbaren
Winkel zu der anderen aufgestellt. Die Kleine
erzeugt Strom für den Motor, der die große
Solarzelle dreht. Der Motor läuft los, sobald
Licht auf die kleine Zelle fällt, so dass sich das
Abbildung 19
Solarmodul Richtung Sonne bewegt. Wenn es
sich soweit gedreht hat, dass die für den Motor Strom erzeugende Solarzelle parallel zu
den Lichtstrahlen steht, erzeugt diese auch keinen Strom mehr und das Modul hört auf Abbildung 21
sich zu drehen. Die größere Solarzelle steht jetzt im Azimutwinkel genau senkrecht zu den
einfallenden Sonnenstrahlen. Abbildung 21 zeigt, wie genau sich dieses Modul im Vergleich zu dem Kalender-Modul ausrichtet.
Für die Rückbewegung zur Ausgangslage im Osten entwickelte ich eine Steuerelektronik (Schaltplan siehe Abbildung 20). Wenn
es dunkel ist (Überprüfung durch Fotodioden) und die Anlage ungefähr nach Westen ausgerichtet ist (Überprüfung durch ReedKontakt über einer Magnetbahn in Halbkreisform), wird der Motor angetrieben, bis die Magnetbahn wieder verlassen wird. So
kann bei Sonnenaufgang die Nachführung von Neuem begonnen werden.
R1
15Ω
U1
U2
U3
Q1
M
R e e d -Ko nta kt
BPW 34 BPW 34 BPW 34
So la r
MOT OR
BC547BP
Akku
1.2 V
3.3.
Stationäres Modul
Um einen Vergleich zu den bewegten Modulen zu erhalten, baute ich ein stationäres Solarmodul (Abbildung 22). Diese lässt die
Solarzellen auf 30°, 45° und 60° einstellen. Sie wird immer nach Süden ausgerichtet. Je nach geographischer Lage und Jahreszeit
sind unterschiedliche Winkel am geeignetsten. Im Winter ist eine steilere Positionierung der Solarzellen als im Sommer
(Abbildung 23) günstig. Ein geeigneter Durchschnittswert für das ganze Jahr für meine geographische Breite ist 50°. Durch meine
Bauweise ist bedingt, dass der Winkel 45° geworden ist. Die erzeugte Spannung dieser Anlage wird wie die der anderen Module
gemessen.
Seite 9
Relative Sonnenbestrahlung
100%
90%
80%
70%
60%
50%
Sommerhalbjahr
40%
Winterhalbjahr
30%
0
50
100
Kollektor-Neigungswinkel (zur Vertikalen)
Abbildung 22: stationäre Zelle
3.4.
Abbildung 23
Solarzellen
Der Kern der Anlage sind die Solarzellen. Jedes Modul besitzt drei davon, die in Reihe geschaltet sind. Ich verwende Solarzellen
des Herstellers Conrad Elektronik, Bestellnummer 191281-62. Jede Solarzelle kann eine maximal Spannung von 0,5 V liefern, das
heißt drei zusammen 1,5 V. Sie erzeugen höchstens 0,4 A. Die maximale Leistung je Modul beträgt also 1,5 V x 0,4 A = 0,6 W. In
meinen Anlagen verwende ich monokristalline Solarzellen, da sie einen besseren Wirkungsgrad haben. Nur im Modul mit Solarmotor wird für den Antrieb des Motors eine polykristalline Zelle eingesetzt (weil sie so verfügbar war). Der Aufbau ist für alle
Module gleich.
3.5.
Messung der Solarzellen
Leistung
Die Spannungen der Solarzellen werden, wie die der
Fotodioden, mit dem Robo
Pi
TX Controller über einen
mit R = 4.3 Ω
Messstromkreis
mit einem
4,3 Ω Widerstand gemessen.
Diese Messwerte werden
dann in Leistung umgerechEnergiemenge
Energie in Wh; das Messintervall Δt ist eine Minute
net, aus diesen wird die
gewonnene Energie beΔt
Zeit
stimmt (siehe Formeln links).
Zur Vereinfachung unterstelle ich, dass die gemessene Leistung über das gesamte Messintervall gleich bleibt.
PROGRAMM
Die gesamte Anlage wird durch ein zentrales Programm gesteuert. Seine Aufgabe ist es, die Winkel zu
berechnen und die Solarmodule danach anzusteuern
und die Ergebnisse graphisch darzustellen. Ebenso
muss es die in den Solarzellen erzeugten Spannungen
berechnen und für die Weiterverarbeitung in Excel zu
speichern.
Als erstes wählt man nach dem Start des Programmes
die gewünschten Module aus, nimmt alle Einstellungen vor und startet die Messungen.
In meinem Programm läuft ein Timer, der nach jeder
Minute eine Spannungsmessung der Solarzellen auslöst. Die Messwerte werden in eine CSV-Datei gespeichert und in dem Unterprogramm Solarzellen_auswerten in Leistung und Energie umgerechnet.
Diese Daten werden auf der Programmoberfläche
Abbildung 24: Struktur des Programms
graphisch dargestellt: Die gesamte bisher gewonnene
Energie wird mit Hilfe eines Zeigerinstruments abgebildet (siehe 3.5). Die Leistung wird in einem X-Y-Diagramm in Abhängigkeit
von der Laufzeit angezeigt. Nach jeder Minute wird dies wiederholt. Beim zehnten Mal veranlasst das Programm Main (Hauptsteuerung) die Berechnung der Azimut- und Elevationswinkel aus der Sonnenuhr, der Solarkugel und dem Kalenderpro
Main
Seite 10
gramm. Die beEnergieanzeige der einzelnen Module
rechneten Winkel werden an
Module
Main weitergeauswählen
geben und auf
Module in
der ProgrammReferenzlage
oberfläche angebewegen
zeigt. Die beiden
Winkel werden
Messung
starten/
jeweils
Leistungsstoppen
diagramme
in die entsprechende Anzahl
Zeit bis zur
Anzeige der 4
nächsten
„Ticks“ für die
Fotodioden
Ausrichtung
richtige
Wegmit den
größten
strecke der Mosichtbare
Spannungstorenbewegung
Fehlermeldun
werten
g: Fehler
umgerechnet
gemacht
(siehe Abbildung
24). Diese Ticks
Einstellungen
öffnen
werden von der
Programklasse
Berechnete Winkel (Zahl und
Anzeige der theoretischen und
Web-Cam: Live-Bild,
BeweDiagramm)
ermittelten Sonnenbahn
konvertiertes Bild, Auswertung
gung_der_Modul
e in Signale umAbbildung 25: Oberfläche des Programmes „SOLARENERGIE“
gesetzt mit denen die Motoren korrekt angesteuert werden. Nach der Neuausrichtung der Solarmodule wiederholt sich der Ablauf.
Im Falle eines Fehlers oder eines Problems stürzt das Programm nicht ab, sondern es gibt eine Fehlermeldung (Warnsignal und
Alarmton) aus und der speichert den Fehler in einem FehlerLog an. Für das Programm Sonnenuhr ist ein Plausibilitätscheck eingebaut, der selbständig einen Fehler beheben kann (siehe Kapitel Sonnenuhr).
Da es auf Grund der Witterungsverhältnisse und möglicher Positionsverschiebungen nötig sein kann Veränderungen an den Standardeinstellungen vorzunehmen, sind sie in einem eigenen Einstellungsfenster vorgesehen.
Es kann
 die aktuelle geographische Position in Längenund Breitengrad eingegeben werden.
 die Position der Web-Cam life angezeigt werden, um sie manuell zu justieren und damit
den Schattenstab genau mittig zum Koordinatensystem zu positionieren.
 mit Hilfe der Life-Vorschau ein optimaler Kontrastwert für ein günstiges Konvertieren des
Web-Cam-Bildes eingestellt werden.
 die Länge des verwendeten Stabes eingestellt
werden, da es für jede Jahreszeit (Winter und
Sommer) einen eigenen Schattenstab gibt, da
im Winter die Sonne wesentlich tiefer steht
und so der Schatten oft weit über das Brett
herausragt.
 die Neigung des Kugelsensors angegeben wer- Abbildung 26: Einstellungsmenü
den, sodass sich die Koordinaten im Programm verändern.
Zusätzlich können in diesem Fenster noch weitere Optionen eingestellt werden.
 Mit einem Button können sämtliche Grafiken und Bilder der Programmoberfläche gespeichert werden.
 Der Speicherpfad für die Messwerte, die Fehlermeldungen und die Bilder kann hier angegeben werden.
 Die Spannungen der einzelnen Fotodioden könne gemessen und angezeigt werden.
TESTREIHEN
Da es mehrere Komplikationen mit der ersten Version der Messtechnik (Mikrocontroller; C-Control; siehe unten) gab, konnte ich
erst im Dezember anfangen, meine Sun-Tracker zu testen. Ich ließ meine Module an acht verschiedenen Tagen, vom 20. DezemSeite 11
0,450
Leistung am 07.01.2010
0,400
0,350
0,300
0,250
0,200
0,150
0,100
0,050
11:29:40
11:31:43
11:33:43
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11:39:57
11:41:43
11:43:43
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11:49:56
11:51:43
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11:59:56
12:01:43
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12:09:54
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12:55:57
12:58:00
13:00:00
13:02:00
13:04:00
13:06:13
13:08:00
13:10:00
13:12:00
13:14:00
13:16:13
13:18:00
13:20:00
13:22:00
13:24:00
13:26:10
13:28:00
13:30:00
13:32:00
13:34:00
13:36:13
13:38:00
13:40:00
13:42:00
13:44:00
13:46:13
13:48:00
13:50:00
13:52:00
13:54:00
0,000
Leistung Sonnenuhr (W)
Leistung Fotodioden (W)
Leistung Kalender (W)
Leistung Stationär (W)
Abbildung 27: erzeugte Leistung der verschiedenen Solarmodule am 07.01.
ber bis zum 07. Januar, überwiegend bei schönem Wetter, laufen. Die Spannung der Solarzellen wurde gespeichert und von mir
in Excel ausgewertet.
Abbildung 27 stellt den Leistungsverlauf aller Solarmodule meiner letzten und auch besten (ideales Wetter, keine Probleme mit
der Anlage) Messung dar. Man kann erkennen, dass die Leistungskurven der drei bewegten Module in etwa parallel verlaufen,
die Leistungskurve der stationären Zelle ist nur etwa in dem Zeitraum um 12 Uhr mit den der Anderen parallel, danach vergrößert sich der relative Abstand zwischen den rot, blau und weißen Linien und der Gelben. Um etwa 12 Uhr lag ein erster Schatten
auf allen Modulen (tiefer Absturz der Leistungen), sowie um 13:12, 13:18 und um 13:26. Ab zirka 13 Uhr fallen alle Leistungskurven ab, da die Sonne weniger stark auf die Solarzellen schien (der Sonnen sank und verschwand hinter hohen Bäumen), bis ich
um fast 14 Uhr die Messung aufgrund des niedrigen Sonnenstandes beendete. Es zeigt sich, dass die stationäre Solarzelle bei
allen Messpunkten deutlich weniger Leistung erzeugte als die der nachgeführten Solarzellen, wie es in die in der Einleitung genannten Firmen sagten. Am meisten Leistung erzeugte das durch die Kalender-Formel bewegte Modul, danach kam das der
Sonnenuhr und dann die nach den Winkeln der Fotodioden ausgerichteten Solarzellen. Dieses Verhältnis veränderte sich über
die ganze Messreihe hinweg praktisch nicht. So verhielt es sich auch bei den meisten anderen Messungen. Ausnahmen bildeten
hier die Messung vom 20.12.2009, hier funktionierte das KalenEnergie (Wh)
derprogramm nicht (in meinen Ergebnissen wird anstatt des
1,400
Kalenderprogramms an diesem Datum die Sonnenuhr verwenSonnenuhr 20.12
1,200
Stationär 20.12.
det) und Messungen bei schlechtem (diesig/bewölkt) Wetter.
Kalender 26.12
1,000
Stationär 26.12.
0,800
Kalender 27.12
Stationär 2712.
0,600
Kalender 28.12
Stationär 28.12.
0,400
Kalender 01.01.
0,200
Stationär 01.01.
Kalender 03.01.
0,000
In der nebenstehenden Abbildung 28 sieht man die gesamte
gewonnene Energie einer Messung [Wh], linke Säule die des
Kalenders, rechte Säule die Energie der stationären Solarzelle.
Hier zeigt sich deutlich, dass sich aus nachgeführten Solarzellen
mehr Energie gewinnen lässt als aus stationären.
Stationär 03.01.
Kalender 04.01.
Stationär 04.01.
Abbildung 28
Relative Leistungsdifferenz über alle Messungen
140%
120%
relative Leistungsdifferenz
100%
80%
60%
40%
20%
0%
20
25
30
35
40
-20%
-40%
Winkel zwischen Kalendermodul und stationärem Modul
Relative Leistungsdifferenz über alle
Abbildung 29
45
50
Die Abhängigkeit der Leistungsdifferenz von dem Winkel der
Solarzelle zur Sonne (=Winkeldifferenz zwischen stationärer und
nachgeführter Solarzelle) zeigt Abbildung 29. Die Winkeldifferenz
berechnete ich folgendermaßen. Ich nehme an, dass die Solarzellenplatte eines Moduls (Kalender / stationär) eine Ebene bildet.
Jede Ebene wird mit einem senkrecht darauf stehenden Vektor
beschrieben. Der Winkel zwischen diesen beiden Vektoren ist die
Winkeldifferenz. Die relative Leistungsdifferenz berechnet sich
aus der Differenz der Leistung des Kalenderprogramms und der
stationären Anlage, im Vergleich zu der Leistung der stationären
Anlage. Die Gerade ist die Trendlinie der Messwerte. Durch dieses Diagramm wird deutlich, dass je höher die Differenz zwischen
den Winkeln der bewegten und der festen Solarzellen ist, desto
mehr Leistung kann erzeugt werden (Vorteil des Sun-Tracking).
Daran kann man aber auch erkennen, dass je senkrechter die
Sonnenstrahlen auf die Solarzellen fallen, desto mehr Energie
gewonnen werden kann.
Seite 12
MIKROCONTROLLER
Ursprünglich war für die Spannungsmessungen der Fotodioden und Solarzellen der Mikrocontroller C-Control Pro Mega 128 (Conrad Bestellnummer: 198219 – 62; Abbildung 30) anstelle des
Robo TX Controllers geplant. Die C-Control kostet nur etwa 20% des TX. Auf diesem wäre ein
eigenständiges Programm gelaufen, das die Multiplexer ansteuert und die Spannungen misst.
Die gemessenen Werte sollten über die serielle Schnittstelle an das Visual Basic Programm weitergegeben werden. Während im Debugging-Modus in der Programmierumgebung der CControl-Software sämtliche Messwerte korrekt waren, konnten sie nicht richtig an die serielle
Schnittstelle übergeben werden. Die Kommunikation zwischen dem Visual Basic und dem Controller sowie das gleichzeitige Messen ist mir nicht gelungen. Nach mehreren Wochen entschied
ich einen anderen Controller zu verwenden, der direkt von dem Visual Basic angesteuert wird
(ohne eigenständiges Programm), nämlich den Robo TX Controller.
Wenn es nur darum ginge die Anlage laufen zu lassen (Winkel berechnen und Motoren bewegen) würde sie auf dem C-Control-Baustein problemlos laufen (bis auf die Sonnenuhr). Ich wollte aber auch noch die Messwerte speichern, visuell darstellen und das Sonnenuhrprogramm Abbildung 30
betreiben können, und so habe ich beschlossen vollständig auf Visual Basic und den Laptop umzusteigen.
DISKUSSION
7.1.
Diskussion der Sensoren
7.1.1. Sonnenuhr
Aus einem Schatten lässt sich die Lage der diesen Schatten werfenden Lichtquelle rekonstruieren. Deshalb lässt sich der Azimutund Elevationswinkel mit diesem Sensor sehr exakt berechnen. Dies zeigte sich auch in meinen Messungen. Die Winkel der Sonnenuhr stimmen immer sehr exakt mit den berechneten Winkeln des Kalenderprogramms überein.
Bei schlechtem Wetter oder diffusem Licht wird der Schatten nur sehr schwach auf das Brett projiziert. Das hat zur Folge, dass
das Konvertierungsprogramm aufgrund der schwachen Kontraste das Bild fehlerhaft in ein Schwarz-/Weiß-Bild konvertiert. Dadurch kann mein Programm keinen Schatten oder nicht den richtigen Schatten finden und so werden die Winkel nicht richtig
berechnet. Dieser Sensor funktioniert also nur bei Sonnenschein und klarem Himmel. Im mobilen Einsatz ist die Sonnenuhr nicht
die geeignetste Lösung, da sie sehr viel Platz beansprucht und genau nach Süden ausgerichtet sein muss, da sonst die Position
der Sonne nicht bestimmt werden kann.
7.1.2. Fotodioden
Der Vorteil, der sich bei dem Kugelsensor zeigte, war die trotz wolkenverhangenem Himmel funktionierende Ermittlung des
Sonnenstandes. Zwar stimmen die Winkel nicht immer genau mit denen des Kalenderprogramms überein, doch lag dies an der
geringen Anzahl an Dioden pro Fläche. Die Ermittlung der Winkel funktioniert deshalb, da immer ein hellster Lichtstrahl auf die
Kugel fällt. Egal wie schwach das Licht ist, es ist an allen Stellen der Kugel nämlich gleich schwach. So kann auch bei nicht so
gutem Wetter die Sonne angepeilt werden. Auch ist diese Sensorik für den mobilen Gebrauch (z. B: auf Wohnwägen) praktisch,
da sie wenig Platz benötigt. Mit einer Halbkugel und einem sich um 360° drehbaren Modul könnte man durch diese Anlage den
Suntracker sogar ohne Ausrichtung auf eine Himmelsrichtung verwenden. Der Nachteil bei meiner Sensortechnik ist, dass die
Winkel nicht exakt bestimmt werden können. Dies liegt aber vor allem an der geringen Anzahl an Fotodioden. Mit einer zunehmenden Anzahl an Dioden könnte sich die Genauigkeit drastisch steigern.
7.1.3. Kalenderprogramm
Der Vorteil des Kalenderprogramms ist, dass die Winkel immer sehr exakt stimmen. Der durchschnittliche Fehler der verwendeten Formel beträgt gerade mal einen halbes Grad. Dies ist auch die platzsparendste meiner Sonnenbestimmungsmethoden, da
sie keinen Sensor oder aufwändige Elektronik benötigt. sondern nur ein Programm braucht. Nachteilig an dieser Methode ist,
dass mehrere Daten bekannt sein müssen. Dazu zählt die Uhrzeit und das Datum. Dies sind aber die einfacher zu beschaffenden.
Schwieriger ist es, die exakte geographische Position des Sun-Trackers herauszufinden, die ebenfalls notwendig ist.
7.1.4. Modul mit Solarmotor
Mit dem Aufbau aus der Modellanlage würde sich das Solarmodul nicht lohnen, da es mehr Energie erzeugen würde, wenn man
die kleine Solarzelle zu der Großen starr nach Süden ausrichtet. Dies berechnete ich folgendermaßen:
2
Fläche der großen Solarzelle:
75mm * 140mm = 10500mm
2
Fläche der kleinen Solarzelle:
45mm * 60mm = 2700mm
Dies entspricht ca. 26%. Das heißt, dass etwa 26% mehr Energie erzeugt werden könnte, wenn die große und die kleine Solarzelle zusammen starr nach Süden ausgerichtet wären. Die Nachführtechnik erzeugt im Winter weniger als 20% mehr Energie. Es
wäre also sinnvoller, beide Zellen stationär zu bauen, es würde auch kein so komplexes Modul entstehen. Man könnte die Effizienz noch steigern, indem man mehrere Solarzellen auf das Modul bauen würde. So könnte man etwa 10 Zellen, anstatt 3,
verwenden und den Gewinn um 10/3 steigern.
Seite 13
Des Weiteren könnte man eine kleinere Solarzelle für die Stromversorgung des Motors verwenden. Ich nahm diese, da ich sie
gerade zur Hand hatte. Eine halb so große Zelle würde ausreichen. Das heißt der Flächenanteil wäre nicht mehr 26%, sondern
nur noch
. Damit wäre der Einsatz einer solchen Nachführung sehr sinnvoll.
Da ich erst sehr spät dieses Modul entwickelte, habe ich noch keine ausreichenden Messreihen gemacht. Aus ersten Messungen
ergibt sich, dass der Mehrertrag dieses Modul sich in etwa auf dem Niveau der anderen Module befindet.
7.1.5. Gesamtvergleich
Als Maßstab nahm ich
die Winkel des Kalenderprogramms, da diese
hoch; Web-Cam +
hoch; Elektronik +
Komplexität der Anlage
mittel; Programm
gering
eigentlich korrekt sein
Programm
Programm
müssten. Die berechneKosten
hoch
hoch
mittel
gering
ten Winkel des SonnenBauraum
hoch
mittel
gering
gering
standes der Sonnenuhr
stimmten bei allen Messungen genauer mit
nur bei sonnigem
denen des Kalenderproauch
bei
Bewölkung
Wetterbedingungen für die
Wetter oder
wetterunabhängig
keine
Sensorik
und diffusem Licht
gramms überein, als die
vereinzelten Wolken
der Solarkugel.
Da alle drei Nachführungsmodule
exakt
Genauigkeit der Steuerung
+++
+
+++
keine
gleich aufgebaut sind
Störungsanfälligkeit
hoch
gering
keine
keine
und die gleiche Steuerselbst erzeugte
Energieverbrauch in Bezug auf
6,171%
6,064%
5,850%
die erzeugte Energie (10 Zellen)
Energie (3,9%)
elektronik (Robo InterSüdausrichtung,
faces und PC) benutzen,
Südausrichtung, kann
geographische
Zusatzinformationen
Südausrichtung
bei anderer Bauart
Südausrichtung
kosten diese gleich viel.
Position, Datum und
entfallen
Der einzige PreisunterUhrzeit
Software
kompliziert
mittel
einfach
keine
keine
schied ergibt sich also
keine
aus der Sensorik. Auch
Energieerzeugungsgrad
95%
96%
100%
ausreichenden
91%
hier zeigt sich das KaMessreihen
lenderprogramm als am
Abbildung 31
besten, da es nur durch
Formeln die Winkel bestimmt und keine weitere Anlage dazu benötigt wird. Im Gegensatz zu der Sonnenuhr und der Solarkugel.
Diese kosteten in etwa das Gleiche, wobei die Komplexität der Anlagen (Fotodioden + Kugel; Verstärker und Multiplexer) die der
Sonnenuhr (Web-Cam und Sonnenuhranlage) bei weitem übertrifft. Dafür ist das Programm zum Auswerten des Schattens wesentlich länger und komplizierter als das der Fotodioden.
Selbstverständlich war das Kalenderprogramm am wenigsten störempfindlich, da es auf (fast) keine äußeren Einwirkungen reagiert. Danach folgten die Fotodioden, da sie auch bei schlechtem Wetter den Sonnenstand exakt ermittelten (siehe oben) vor
der Sonnenuhr.
Sonnenuhr
7.2.
Fotodioden
Kalenderprogramm
Modul mit
Solarmotor
mittel; keine
Stuerung, dafür
zusätzliche
Solarzelle
mittel
mittel
auch bei
Bewölkung und
diffusem Licht;
wenn der Strom
nicht reicht um
den Motor zu
bewegen, würde
auch kein Strom
erzeugt werden.
++
sehr gering
Stationäre Anlage
Lohnt es sich???
Datum
20.12.
26.12.
28.12.
03.01.
04.01.
07.01.
Kalender Wh
0,234
0,194
162
4
0,880
0,736
157
19
0,637
0,569
153
23
0,241
0,222
167
16
1,312
1,143
169
23
0,644
0,520
177
15
Stationär Wh
Erster Punkt A
Anzahl Stellbewegungen
6,00
5,58
5,25
6,42
6,58
7,25
96,20
170,08
189,18
157,33
192,78
154,58
Energieverbrauch Motoren [Wh]
0,027
0,047
0,053
0,044
0,054
0,043
Relativer Energieverbrauch
11,4%
5,4%
8,2%
18,1%
4,1%
6,7%
Brutto Mehrertrag [Wh]
0,040
0,144
0,068
0,019
0,169
0,124
Relativer Mehrertrag Kalender (Brutto)
20,6%
19,6%
12,0%
8,6%
14,8%
23,8%
Netto Mehrertrag [Wh]
0,013
0,097
0,015
-0,025
0,115
0,081
Relativer Mehrertrag Kalender (Netto)
6,8%
13,1%
2,7%
-11,1%
10,1%
15,6%
Annahme: Ein Modul könnte 10 Solarzellen aufnehmen. Der Bruttoenergieertrag wäre dann 10/3 so hoch.
Kalender Wh
0,780
2,933
2,123
0,803
4,373
2,147
Stationär Wh
0,647
2,453
1,897
0,740
3,810
1,733
Energieverbrauch Motoren [Wh]
0,027
0,047
0,053
0,044
0,054
0,043
Relativer Energieverbrauch
3,4%
1,6%
2,5%
5,4%
1,2%
2,0%
Brutto Mehrertrag [Wh]
0,133
0,480
0,227
0,063
0,563
0,413
Relativer Mehrertrag Kalender (Brutto)
20,6%
19,6%
12,0%
8,6%
14,8%
23,8%
Netto Mehrertrag [Wh]
0,107
0,433
0,174
0,020
0,510
0,370
Relativer Mehrertrag Kalender (Netto)
16,5%
17,6%
9,2%
2,7%
13,4%
21,4%
Abbildung 32: Energiegewinn
Dauer Fahrt zum Ausgangspunkt [s]
Energieverbrauch Motoren [Ws]
Seite 14
Um herauszufinden, ob es sich tatsächlich lohnt einen Suntracker zu betreiben,
berechnete ich die Energiedifferenz der
bewegten und der fest installierten Solarzellen. Davon zog ich den Energieverbrauch der Motoren während einer Messung ab. Die Leistungsaufnahme der
Motoren entnahm ich einem Datenblatt
von FischerTechnik. Der gesamte Energieverbrauch errechnet sich aus der
Energie für eine Referenzfahrt um 180°
(benötigter Zeitbedarf: 20 s) und der
Fahrt zum ersten Messpunkt (nur die
tatsächliche Zeit für die vertikale Bewegung geht ein, bei der Horizontalen wird
pauschal 2 s angesetzt). Für die Nachstellbewegungen habe ich einen pauschalen Energiebetrag angenommen.
Diesen Betrag multiplizierte ich mit der
Anzahl der Nachstellbewegungen. Bei der
Höhenbewegung verwendete ich nur die Hälfte der Nachstellungen, da die Winkel oft so klein waren, dass sie nicht jedes Mal
angefahren wurden. Diesen Energiebedarf addierte ich zu der Gesamtsumme hinzu.
Versuche ergaben, dass meine Module bis zu zehn einzelne Solarzellen tragen könnten. Deswegen berechnete ich auch die potenziell mögliche Energie für diese Anzahl an Solarzellen. Siehe Abbildung 32.
Wesentlich für den Energiebedarf der Motoren war die Fahrt in die Referenzlage. Je länger die Messung dauert, desto weniger
fällt dieser Anteil ins Gewicht.
Bei einer Anlage mit drei, besonders aber natürlich bei einer Anlage mit zehn Solarzellen, lohnt sich das Nachführen der Solaranlage. Bei langer Messdauer (ganzer Tag) und mindestens normalen Bedingungen, ist die Nettoausbeute groß und bewegt sich
zwischen 17 % und 20 % im Winter. Im Sommer ist es plausibel, dass bis zu 40% erreicht werden (siehe EINLEITUNG), da die
Sonne sehr früh und weit im Osten aufgeht und weit im Westen spät abends untergeht. Dies sind genau die Zeiten, an denen ein
Sun-Tracker sehr viel Energie mehr gewinnt als die stationäre Solarzelle. Im Jahresdurchschnitt würde ich einen Vorteil von ca.
30% für einen Sun-Tracker erwarten. Die Ergebnisse werden bereits bei sehr einfacher Sensorik oder Steuerung (Kalenderprogramm) erreicht. Eine extrem hohe Genauigkeit ist nicht erforderlich.
Der Steuerungsaufwand, der teure Antrieb und vor allem der große Platzbedarf sprechen in der Praxis aber nicht unbedingt für
den Einsatz von Sun-Trackern. Je billiger Solarzellen werden und je höher der Wirkungsgrad, desto eher genügen stationäre
Anlagen.
Betrachtet man überwiegend wirtschaftliche Punkte wie Anlagekosten und Platzbedarf, ist die stationäre Anlage bei heutigen
Strompreisen attraktiv. Steht die Energiegewinnung im Vordergrund, sind die Sun-Tracker weit überlegen.
Seite 15
QUELLEN
Bilder:
Abbildung 2:
Abbildung 3:
Abbildung 13
Abbildung 23:
Robo Interface, Robo I/O-Extension, Robo TX Controller von www.fischertechnik.de, Toshiba Laptop von
http://www.toshiba.eu/de; zuletzt besucht am 31.10.2009
http://www.jgiesen.de/astro/mittag/index.htm und http://www.geoastro.de/elevaz/basics/index.htm;
Zuletzt besucht am 23.01.2010
(Schaltplan für Differenzverstärker): http://www.mikrocontroller.net/topic/21296; Autor: Schoaschi (Gast)
Zuletzt besucht am 23.01.2010
http://www.et.hs-mannheim.de/kni/ren/thermie/1_html/1_bestrahlung.html
Zuletzt besucht am 23.01.2010
Die Abbildungen habe ich alle selbst gezeichnet, Anregungen und Ideen stammen von den oben genannten Seiten.
Formel für das Kalenderprogramm:
http://www.jgiesen.de/SME/tk/index.htm
Für die Mathematik habe ich folgende Seiten verwendet (zuletzt besucht am 23.01.2010):
http://de.wikipedia.org/wiki/Trigonometrie
http://de.wikipedia.org/wiki/Vektorrechnung
Informationen zur Sonnenbewegung (zuletzt besucht am 23.01.2010):
http://www.geoastro.de/elevaz/basics/index.htm
http://www.jgiesen.de/SME/tk/index.htm
http://lexikon.astronomie.info/zeitgleichung/
Informationen zu Solarenergie (Zuletzt besucht am 23.01.2010):
http://www.solarenergie.com/content/view/141/66/
Datenblätter mit Anwendungsbeispielen:
Multiplexer:
PHILIPS; Dezember 1990
LM324:
PHILIPS; 1995 Nov 27
C-Control Mega 128:
C-Control-Pro selbst programmieren und in der Praxis einsetzen, Ulli Sommer; Franzis Verlag 2009
Software:
Programmbibliotheken für Robo Pro Interfaces und Robo TX Controller von Ulrich Müller, www.ftcomputing.de
Programmierung mit Visual Basic .NET 3.5 und Visual Studio 2008 von Microsoft
http://www.microsoft.com/germany/Express/product/visualbasicexpress.aspx
C-Control-Pro selbst programmieren und in der Praxis einsetzen, Ulli Sommer; Franzis Verlag 2009
Programmbibliothek zum Einbinden der Web-Cam von Ken Tucker aus
http://www.vb-helper.com/howto_net_video_capture.html
Danke!!!
Bei meiner Arbeit haben mich mehrere Firmen unterstützt. So zum Beispiel der Sponsor-Pool Bayern, der den größten Teil meiner Arbeit finanzierte. Den Rest bezahlten meine Eltern für mich. Freundlicherweise schenkten mir zwei Firmen Muster ihrer
Bimetallstreifen, sodass ich dieses Modul ausprobieren konnte. Die Firmen waren „Auerhammer Metallwerke GmbH“ und
„G.RAU Pforzheim“. Auch „FischerTechnik“ unterstützte mich durch 6 Mini Tastschalter.
Seite 1
ANHANG
Diagramme zu meinen Messungen:
Mittlere Leistung (W)
0,400
Sonnenuhr 20.12
0,350
Stationär 20.12.
0,300
Kalender 26.12
0,250
Stationär 26.12.
Kalender 27.12
0,200
Stationär 2712.
Kalender 28.12
0,150
Stationär 28.12.
0,100
Kalender 01.01.
0,050
Stationär 01.01.
Kalender 03.01.
0,000
Stationär 03.01.
Kalender 04.01.
Stationär 04.01.
Leistungen des Kalenderprogramms und der stationären Solarzelle an mehreren Daten
Energie (Wh)
140%
Sonnenuhr 20.12
120%
Stationär 20.12.
Kalender 26.12
100%
Stationär 26.12.
80%
Kalender 27.12
Stationär 2712.
60%
Kalender 28.12
Stationär 28.12.
40%
Kalender 01.01.
20%
Stationär 01.01.
Kalender 03.01.
0%
Stationär 03.01.
Kalender 04.01.
Stationär 04.01.
Seite 2
prozentualer Anteil der Energie des Kalenderprogramms an der stationären Solarzelle
Relative Leistungsdifferenz (Differenz/Stationär)
140%
120%
relative Leistungsdifferenz
100%
80%
60%
40%
20%
0%
20
25
30
35
40
45
50
-20%
-40%
Winkel zwischen Kalendermodul und stationärem Modul
26.12.
28.12.
03.01.
04.01.
07. Jan
Linear (26.12.)
Linear (28.12.)
Linear (03.01.)
Linear (04.01.)
Linear (07. Jan)
Relative Leistungsdifferenz in Abhängigkeit von der Winkelabweichung des Kalenderprogramms zu der stationären Solarzelle
Blau = Sonnenuhr; Rot = Fotodioden; Grau = Kalender; Gelb = stationäre Zelle
Energie (Wh) - 04:02 h
Energie (Wh) - 04:02 h
0,300
0,040
0,035
0,250
0,030
0,200
0,025
Sonnenuhr
Sonnenuhr
20.12.
0,150
Kalender
Fotodioden
Kalender
0,015
Stationär
0,100
27.12.
0,020
Fotodioden
Stationär
0,010
0,050
0,005
0,000
0,000
Sonnenuhr
Fotodioden
Kalender
Sonnenuhr
Stationär
Fotodioden
Kalender
Stationär
Energie (Wh) - 04:02 h
Energie (Wh) - 04:02 h
0,660
1,000
0,640
0,900
0,800
0,620
0,700
0,600
0,600
Sonnenuhr
0,500
26.12.
Fotodioden
0,400
Kalender
0,300
Stationär
Sonnenuhr
28.12.
0,580
Fotodioden
Kalender
0,560
Stationär
0,540
0,200
0,100
0,520
0,000
0,500
Sonnenuhr
Fotodioden
Kalender
Stationär
Sonnenuhr
Seite 3
Fotodioden
Kalender
Stationär
11:29:40
11:32:43
11:35:43
11:38:43
11:41:43
11:44:43
11:47:43
11:50:43
11:53:43
11:56:43
11:59:56
12:02:43
12:05:43
12:08:43
12:11:43
12:14:43
12:17:43
12:20:43
12:23:43
12:26:43
12:29:54
12:32:43
12:35:43
12:38:43
12:41:43
12:44:43
12:47:43
12:50:43
12:55:57
12:59:00
13:02:00
13:05:00
13:08:00
13:11:00
13:14:00
13:17:00
13:20:00
13:23:00
13:26:10
13:29:00
13:32:00
13:35:00
13:38:00
13:41:00
13:44:00
13:47:00
13:50:00
13:53:00
13:56:13
13:59:00
14:02:00
14:05:00
14:08:00
14:11:00
14:14:00
14:17:00
14:20:00
14:22:58
14:26:02
14:37:23
14:40:23
14:43:23
14:46:23
14:49:23
14:52:23
14:55:34
14:58:23
15:01:23
15:04:23
15:07:23
15:10:23
15:13:23
Leistung Sonnenuhr (W)
0,090
Leistung Sonnenuhr (W)
0,600
Leistung Sonnenuhr (W)
Leistung Fotodioden (W)
Leistung Fotodioden (W)
Leistung Fotodioden (W)
Leistung Kalender (W)
Leistung Kalender (W)
Leistung Kalender (W)
Leistung Stationär (W)
0,040
0,030
0,200
0,000
Leistung Sonnenuhr (W)
Leistung am 28.12.2009
0,600
0,060
01.01.
0,000
Leistung Stationär (W)
Leistung am 03.01.2010
0,450
Leistung Sonnenuhr (W)
0,400
03.01.
Leistung Stationär (W)
Leistung Sonnenuhr (W)
Seite 4
Leistung Fotodioden (W)
Leistung Fotodioden (W)
Leistung Fotodioden (W)
Leistung Kalender (W)
Leistung Kalender (W)
Leistung Kalender (W)
Leistung Stationär (W)
14:11:43
14:07:43
14:03:43
13:59:59
13:55:43
13:51:43
13:47:43
13:43:43
Kalender
13:40:01
Kalender
13:35:43
13:31:43
13:27:43
13:23:43
13:20:01
13:15:43
13:11:43
13:07:43
13:03:43
0,000
Leistung Kalender (W)
12:59:57
0,050
12:55:43
0,100
12:51:43
26.12.
Fotodioden
12:47:43
0,150
Fotodioden
12:43:43
0,200
12:40:00
0,350
Leistung Fotodioden (W)
12:35:43
Leistung Sonnenuhr (W)
12:31:43
0,500
12:27:43
Leistung am 26.12.2009
12:23:43
0,400
12:20:02
Leistung Stationär (W)
12:15:43
0,000
12:11:43
0,050
12:07:43
0,070
12:03:43
Sonnenuhr
11:59:01
Energie (Wh) - 02:22 h
11:55:43
Energie (Wh) - 04:02 h
11:51:43
Sonnenuhr
11:47:43
20.12.
11:43:43
0,150
11:40:01
0,200
11:35:43
0,250
11:31:43
Leistung am 20.12.2009
11:24:34
0,400
11:20:11
Stationär
11:16:11
0,000
11:12:11
0,050
11:08:11
Kalender
11:04:40
Sonnenuhr
11:00:11
0,150
10:56:11
Stationär
10:52:11
0,250
10:48:11
0,300
10:44:30
0,000
10:40:11
Kalender
10:36:11
Fotodioden
01.01.
10:32:11
Sonnenuhr
10:28:11
0,020
10:24:06
14:38:23
14:35:23
14:32:23
14:29:23
14:26:23
14:23:23
14:20:36
14:17:23
14:14:23
Kalender
14:11:23
Kalender
14:08:23
14:05:23
14:02:23
13:59:23
13:56:23
13:53:23
13:50:20
13:15:01
13:12:01
Leistung Kalender (W)
13:09:01
13:06:01
13:03:01
13:00:01
Fotodioden
12:48:08
Fotodioden
12:45:08
12:42:08
12:39:23
12:36:08
Leistung Fotodioden (W)
12:33:08
12:30:08
12:27:08
12:24:08
12:21:08
12:18:08
12:15:08
0,450
12:12:08
0,450
12:09:24
Leistung Sonnenuhr (W)
12:06:08
Sonnenuhr
12:03:08
Sonnenuhr
12:00:08
11:57:08
11:54:08
11:51:08
11:48:08
11:45:08
11:42:08
11:39:05
11:18:29
11:15:29
11:12:29
11:09:29
11:04:14
11:01:14
10:58:14
10:55:14
10:52:14
10:49:14
10:46:14
10:43:14
10:40:14
10:37:11
0,025
11:29:40
11:31:43
11:33:43
11:35:43
11:37:43
11:39:57
11:41:43
11:43:43
11:45:43
11:47:43
11:49:56
11:51:43
11:53:43
11:55:43
11:57:43
11:59:56
12:01:43
12:03:43
12:05:43
12:07:43
12:09:54
12:11:43
12:13:43
12:15:43
12:17:43
12:19:56
12:21:43
12:23:43
12:25:43
12:27:43
12:29:54
12:31:43
12:33:43
12:35:43
12:37:43
12:39:56
12:41:43
12:43:43
12:45:43
12:47:43
12:49:58
12:51:43
12:55:57
12:58:00
13:00:00
13:02:00
13:04:00
13:06:13
13:08:00
13:10:00
13:12:00
13:14:00
13:16:13
13:18:00
13:20:00
13:22:00
13:24:00
13:26:10
13:28:00
13:30:00
13:32:00
13:34:00
13:36:13
13:38:00
13:40:00
13:42:00
13:44:00
13:46:13
13:48:00
13:50:00
13:52:00
13:54:00
11:22:38
11:24:41
11:26:41
11:28:43
11:30:41
11:32:54
11:34:41
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12:03:00
12:04:41
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12:36:41
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12:44:41
12:46:41
12:48:41
12:50:41
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12:54:41
12:56:15
12:59:54
13:02:24
13:04:24
13:08:23
13:10:25
13:12:23
13:14:23
13:16:23
13:19:33
13:22:58
13:25:00
13:27:00
13:29:01
13:31:00
13:33:18
13:35:00
13:37:00
13:39:00
13:41:00
13:43:13
13:45:01
0,045
1,350
Energie (Wh) - 04:02 h
0,040
0,035
1,300
0,030
1,250
1,200
Sonnenuhr
1,150
Fotodioden
Kalender
04.01.
0,015
Stationär
1,100
Stationär
0,010
0,005
1,050
1,000
Stationär
0,700
Energie (Wh) - 02:23 h
0,600
0,200
0,500
Fotodioden
03.01.
0,400
0,300
07.01.
Sonnenuhr
Fotodioden
Kalender
0,100
Stationär
0,200
Stationär
0,100
0,000
Stationär
Farbverteilung siehe oben
0,350
0,060
Leistung am 27.12.2009
0,300
0,050
0,040
0,030
0,100
0,020
0,010
27.12.
0,000
0,450
Leistung am 28.12.2009
Leistung Stationär (W)
0,300
0,400
0,250
0,350
0,300
0,250
0,200
0,150
0,100
28.12.
0,050
0,000
Leistung Stationär (W)
0,080
0,070
0,500
Leistung am 04.01.2010
0,050
0,400
0,300
0,020
0,200
0,100
04.01.
0,010
0,000
0,400
Leistung am 07.01.2010
Leistung Stationär (W)
0,500
0,350
0,300
0,300
0,250
0,200
0,100
0,150
0,100
07.01.
0,050
0,000
Programmcode von Solarenergie:
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