Solar Tracking

Heute: Wir basteln eine sonnengeführte Solaranlage

Hallo, liebe Interessierte, Bastelwillis und sonstige Internet-Internatlinge, heute begrüße ich euch zum Bau einer sonnengeführten Solaranlage.

Durch das ständige Ausrichten der Solarpaneele zur Sonne, soll eine Leistungssteigerung von 25 bis 40%, gegenüber fest installierten Anlagen möglich sein.

Solartracking-Systeme gibt es auch im Handel. Für eine kleine Anlage (ohne Paneele) muss man schon ca. 2.000 Taler auf den Tisch legen. Für kleine Hobby-Solarenergie-Erzeuger wie ich, ist das unverhältnismäßig teuer. Daher werde ich versuchen eine funktionierende Anlage selbst zu bauen.

Für dieses Projekt werde ich wieder versuchen so viele Teile wie möglich zu verwenden, die schon mal im Gebrauch waren und jetzt nutzlos herum liegen.


Hier der Plan:
Der alte Fahnenmast hat einen Außendurchmesser von 60 mm und eine Wandstärke von 4 mm.
Die Flanschlager (UCF 212), die hier zum Einsatz kommen, sind riesig aber durch die vier vorhandenen Anschraubpunkte ideal für dieses Vorhaben. Die Flanschlager werden mit Eisenstreben mit einander verbunden (wenn das untere Lager sich dreht muß das obere zwangsläufig mit drehen).
Das untere Lager wird zusätzlich mit einem Kettenrad versehen. Auf dieses wird die Drehkraft des Motors, mittels einer Motorradkette, übertragen.
An den Mast soll eine Konsole befestigt werden, auf der der Motor und ein Getriebe montiert werden.
Der Motor muss ein umpolbarer Gleichstrommotor sein. Das Getriebe soll ein selbst sperrendes Schneckenradgetriebe sein.
Selbst sperrendes Getriebe? Das bedeutet: die Antriebswelle lässt sich ohne weiteres drehen, versucht man aber die Abtriebswelle zu drehen blockiert das Getriebe (eine Blockierung wird durch Bauart und Übersetzungsverhältnis erreicht).
Ein selbst blockierendes Getriebe ist für die Anlage sehr wichtig. Im mitteldeutschen Raum kommt es auch vor, daß der Wind zu weilen recht heftig bläst. Die Solarpanneelfläche bietet dann eine gute Angriffsfläche und die Kraft könnte dann ungewollt umgekehrt wirken und dazu führen das  Getriebe und Motor das Zeitliche segnen.
Zur Einstellung der Neigung soll eine Spindel oder Gewindestange (M14 oder M16) verbaut werden. Diese wird dann mit einer Kurbel manuell bedient.

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Nun brauchen wir noch eine Steuerung, die dem Motor sagt wie rum er sich drehen soll und wie lange.
Da die Steuerung der anspruchsvollere Teil ist, habe ich im Vorfeld im Internet recherchiert, ob es da schon Lösungen für den Nachbau gibt. Ich bin fündig geworden und habe einige Schaltungen ausprobiert, konnte aber keine brauchbaren Ergebnisse erzielen. Alle diese Schaltungen haben irgendwelche Transistoren, Prozeßverstärker und lichtempfindliche Widerstände (LDR) verwendet.

Ein Arbeitskollege meinte, ich solle es mal mit Relais versuchen. Die Schaltungen sind relativ einfach auf zu bauen und Reparaturen können im Notfall auch selbst bewerkstelligt werden. Aus diesen Hinweis ist die nachfolgende Schaltung entstanden.

Als Sensoren verwende ich zwei 10 Watt Solarzellen (12 V und 0,57 A), diese sind Rücken an Rücken zusammengefügt. Dieses Bündel wird dann im 90° Winkel zur eigentlichen Solarfläche angebracht. Wandert die Sonne im laufe der Zeit nach Westen, wird die rechte Seite beschienen und die rechte Zelle liefert genügend Leistung um die zwei rechten Relais anziehen zu lassen (habe ich in einen provisorischen Versuchsaufbau bereits getestet). Plus- und Minusleiter von Batterie zum Motor wird geschlossen, der Motor dreht los und die Anlage wird zur Sonne ausgerichtet. Da die Sensorfläche mitdreht treffen nun die Sonnenstrahlen immer flacher auf die Fläche. Wenn die Leistung der rechten Zelle soweit abgesunken ist reicht irgendwann die Leistung nicht mehr aus und die Relais fallen wieder ab. Der Motor wird nicht mehr versorgt und bleibt stehen. Dieser Vorgang wiederholt sich bis zum Sonnenuntergang mehrmals.
Der in der Schaltung eingebrachte Endschalter soll die Anlage vor der Selbstzerstörung bewahren. Im Sommer geht die Sonne im Nord-Westen unter und geht im Nord-Osten wieder auf. Das bedeutet, daß die Anlage am Morgen weiter in die Richtung dreht, wie sie es den Tag zuvor gemacht hat. Rein theoretisch ist das kein Problem aber irgendwann würden die Kabel so fest um den Mast gewickelt sein, daß sie reißen.
Der Endschalter trennt ab einer noch zu bestimmende Position die Stromverbindung zum Motor.
Am nächsten Morgen wird dann die linke Seite beschienen und die Anlage richtet sich auf die Morgensonne aus.

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Nun geht es an die Umsetzung.
Im nachfolgendem Bild ist die Konsole zu sehen, auf der das Getriebe und der Motor montiert werden. Wie man auf dem Bild erkennen kann, habe ich die Konsole aus Verschnittresten eines Kastenprofils fertigen lassen. Solche Profile finden im Maschinenbau ihre Verwendung.
Auf der linken Seite sind Bügel zu erkennen, mit deren Hilfe wird die Konsole am Mast fixiert.
Für das Foto habe ich das Getriebe noch einmal gelöst, so ist gut zu erkennen wie die Wellenkupplung aussieht. Sie besteht aus einer alten Stecknuss und einem Schraubenkopf. Wenn das Getriebe herangeschoben wird, stülpt sich die Nuss locker über den Schraubenkopf. Eine Wellenkupplung sollte unbedingt verwendet werden denn sie verhindert das entstehende Vibrationen sich auf weiter Baugruppen ausbreiten.
Auf der Abtriebswelle des Getriebes ist schon ein kleines Ritzel montiert.

Der Motor ist ein umpolbarer 12 V Gleichstrommotor mit Stirnradgetriebe, mit einer Drehzahl auf der Abtriebswelle von 92 U/min. Er soll ein Drehmoment von über 0,5 Nm schaffen. Man kann hier  auch einen Scheibenwischermotor aus einem PKW verwenden.
Das Getriebe ist ein selbstsperrendes Schneckengetriebe mit einer Übersetzung von 60:1.

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Das untere Flanschlager mit großen Ritzel.

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Der Rahmen, der die Flanschlager mit einander verbindet, ist fertig.

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Endlich ist wieder Wochenende! Los geht es, mit der wilden Bastellei.
Die Steuerung für den Antriebsmotor ist gemäß dem Schaltplan fertig verdrahtet. An den Stellen wo später die externen Komponenten, wie Endschalter, kleine Solarzellen, Motor und Batterie, angeschlossen werden sind erst einmal kurze Kabelenden mit Klebchen reingesteckt. Um später nicht wieder suchen zu müssen wo was angeschlossen werden muß.
Ziemlich in der Mitte sitzen die vier schwarzen Printrelais, die je nachdem von welcher Solarzelle das Signal kommt, den Motor entsprechend polen und mit Strom versorgen.

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Den Mast habe ich schon letzte Woche aufgestellt, nun nach sieben Tagen ist der Beton ausreichend abgebunden und es kann weitergehen.
Alle bisher verwendeten Teile sind mit einen Rostschutz und anschließenden Farbanstrich versehen.
Nach dem ich den Versteifungsrahmen montiert habe stellte ich fest, daß durch das Eigengewicht sich die Lagergehäuse schräg stellten. Um dies zu vermeiden habe ich noch zusätzlich zwei M10-Gewindestangen verbaut. Das untere Flanschlager muß absolut gerade sein, weil daran das große Ritzel montiert ist und dieses darf später nicht eiern. Sonst springt schnell die Antriebskette runter.
Zusätzlich habe ich mir noch eine Abdeckung eingebaut, die wird später den Motor und das Getriebe vor Regen schützen.

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Ich habe mal die fertige Schaltung mit fast allen Komponenten, nur die Endschalter fehlen noch, getestet.
Wie auf dem Bild zu sehen, wird die Batterie von einem Solarpaneel über ein Laderegler geladen und die Stromversorgung des Motors wird über selbigen sichergestellt.
Der Test war zufriedenstellend, aber noch nicht perfekt. Die Sensorpaneele liefern dann noch genügend Saft, selbst wenn die Sonne auf die Rückseite scheint. Daher fallen die Relais nicht ab. Demnach muß ich die Paneele auf der Rückseite noch verdunkeln. Getestet habe ich das mit ein Stück Pappe und siehe da, es funktioniert super.

Die Sensorpaneele werde ich nicht, wie eingangs beschrieben, Rücken an Rücken zusammenfügen. Diese werden jetzt an dem Grundträger, der die eigentlichen Solarpaneele tragen soll, montiert. Ich verlängere nur den linken und rechten Holm und an deren oberen Ende werden diese montiert. Somit stehen sie weit auseinander.

Je nachdem welches Sensorpaneel beschienen wird, schalten nun die Relais korrekt und der Motor wechselt seine Drehrichtung.

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Heute ging es endlich weiter. Der kalte Ostwind hat sich gelegt und die Temperaturen sind erträglich.
Der Trägerrahmen ist schon länger fertig und nun ist er endlich montiert.


Sommerstellung
Am oberen Rahmenende sind die Sensorpaneele schon montiert.
Die Neigung wird mit einer Gewindestange verstellt.

Winterstellung

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Die Konsole ist fertigestellt und ist für den Einbau vorbereitet.
Auf der Konsole ist das Getriebe und der Motor verschraubt und links und rechts an der Konsole sind die Endschalter montiert.

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Um die Endschalter in der Position später verstellen zu können habe ich mir stabiele Locheisen angefertigt.

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Hier noch mal meine Bauskizze.
Die Endschalter sind jetzt 30° weit auseinander. An der Abdeckung, die sich auch mitdreht, werden dann die Anschläge für die Endschalter aufgesteckt oder geschraubt. So erhält die Anlage einen Schwenkbereich von 60°.

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Die Konsole ist eingebaut.
Zwischen dem großen Ritzel und dem kleinem Antriebsritzel habe ich noch ein Umlenkritzel eingebaut, das gibt der Antriebskette mehr Gripp.

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Die Antriebskette ist eingelegt und die Verkabelung ist fertig.

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Das Paneel für die Batteriladung ist schon befestigt und angeschlossen.

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Die Batteriladung funktioniert.

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Die Verkabelung ist fast fertig, es fehlen nur noch die Sensorpaneele.

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Heute ist, nach wochenlangen Grau-in-Grau-Wetter, endlich mal die Sonne kurz hervorgekommen und die Anlage hat sofort reagiert und sich perfekt zur Sonne ausgerichtet.
Wenn wir mal eine längere Sonnenphase haben werde ich ein Filmchen machen.

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Die Paneele sind endlich montiert.
Es sind zwei 100 W Paneele, die an einen Inverter angeschlossen sind und nun fleißig das Sonnenlicht einfangen.
Das kleine 10 W Paneel lädt die Batterie auf, die wiederum den Motor mit Strom versorgt.
Zwischen den großen Paneelen und den oberen Sensor-Paneelen ist noch Platz für spätere Erweiterungen.

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Entgegen meines Versuchsaufbaues (siehe weiter oben) funktioniert die Schaltung, mit den Sensorpaneelen, nicht so optimal. Am 17.01.2015 hatten wir richtig guten Sonnenschein und ich konnte meine Anlage mal ordentlich testen.
Die Relais ziehen an, wenn die Sonne auf das linke bzw. rechte Paneel scheint. Die Anlage setzt sich auch in Bewegung, aber die Relais lassen nicht wieder los und die Anlage fährt immer gegen die Endschalter, obwohl das entsprechende Paneel längst keine Sonne mehr bekommt. Die Spannung, des aus der Sonne gedrehten Paneels, fällt lediglich auf 12 V ab. Offenbar reichen wenige mA aus um die Relais angezogen zu lassen. So wie es aussieht funktioniert das Ganze nicht ohne aufwendige Elektronik.

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Steuerung

Nun habe ich mir eine geniale Steuerung für wenig Geld eingebaut. Diese funktioniert deutlich besser als mein Dämmerungsschalter- und Solarpaneel-Versuch. Die Anlage wird nun vollautomatisch und präzise auf die Sonne ausgerichtet. Das geniale an der ganzen Schaltung, die Anlage wird am Abend wieder nach Osten zurückgefahren. Die Helligkeit, ab wann die Anlage zurück fahren soll, kann auch noch eingestellt werden.

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Die Sensoren. Hier sehen wir nur den Sensor auf der West-Seite der Anlage.

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Das aktualisierte Schaltbild:
Da die Steuerung die Anlage, mit Einbruch der Dunkelheit, nach Osten zurückfährt hat sich der Endschalter für den West-Anschlag erledigt. Aber der Endschalter für den Ost-Anschlag muss erhalten bleiben. Wenn man einen Linearmotor für den Antrieb verwendet ist ein Endschalter vielleicht nicht notwendig, weil in den meisten Linearantrieben schon Endabschaltungen eingebaut sind.

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Ich habe mal 2 Tage lang die erwirtschafteten kWh der festen Anlage und der beweglichen Anlage aufgeschrieben. An den zwei Tagen war ein durchwachsenes Wetter aber vorrangig sonnig.
Die feste Anlage hat einen nominalen Wert von 480 Watt und die bewegliche einen Nominalwert von 200 Watt. Die feste Anlage (nf) hat 2,93 kWh und die bewegliche Anlage (nb) hat 2,10 kWh erwirtschaftet.
Um nun zu ermitteln wie viel % die bewegliche Anlage mehr gegenüber der festen Anlage erwirtschaftet, teile ich erst einmal die kWh durch die jeweils nominale Watt-zahl.
feste Anlage: 2,93 kWh / 480 Wnf = 0,006104 kWh/Wnf
bewegliche Anlage: 2,10 kWh / 200 Wnb = 0,010500 kWh/Wnb
Nun noch alles ins Veltins setzen:



Die bewegliche Anlage erwirtschaftet demnach 72,01 % mehr als die starre Anlage.

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Ich habe noch einen Linearantrieb ersteigert, muß aus einem Pflegebett stammen. Damit kann ich vortrefflich die Neigung einstellen. Die ursprüngliche Gewindestange hat sich damit erledigt.

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Und hiermit kann ich den Linearantrieb bedienen.

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Weil in den Sommermonaten der Sonnenstand zwischen Morgen, Mittag und Abend doch erheblich unterschiedlich ist, gehen wahrscheinlich auch einige viele Sonnenströmlinge durch die Lappen. Darum habe ich mir noch eine zweite Steuerung zugelegt. Damit werde ich meinen Linearantrieb für die Vertikalausrichtung steuern.
Die zwei Druckschalter, mit denen ich vorher den Vertikalausrichtung eingestellt habe, entfallen nun wieder.

Die Relaisschaltung (siehe Schaltplan, drei Bilder weiter oben) habe ich diesmal mit 4 Kfz-Relais gebaut. Das ganze habe ich auf einer Alutafel befestigt, um es kompakt zu halten.

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Die Rückseite der Alutafel. Hier habe ich mir eine Anschlußleiste angebracht.

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Weil ich ja nun 4 Sensoren habe (West,Ost, Oben, Unten) baue ich mir gleich eine Sensorplattform.
Auf einer Alutafel habe ich vier Winkel genietet. An diesen Winkeln sind die Sensoren mit einer Klemmspange befestigt. In der Mitte habe ich eine Aufputzdose befestigt, in der alle Kabel zusammenlaufen. Diese Plattform soll dann ganz oben an meiner Anlage befestigt werden.
Um die Sensoren mit der Steuerung zu verbinden habe ich eine Netzwerkkabel verwendet. Diese Netzwerkkabel haben immer 4 Aderpaare (8 Einzelleitungen). Diese Kabel eignen sich vortrefflich, denn man kann mit jedem Aderpaar ein Sensor anschließen.

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Das ist die Vorderseite. Ich habe noch ein Stab in der Mitte angebracht, wenn dieser einen Schatten wirft sind die Sensoren nicht optimal ausgerichtet und man kann durch verschieben der Sensoren nachjustieren.
Das ganze muß noch mit einer matten Farbe besprüht werden, damit es keine Irritationen durch Verblendung gibt.

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Die Sensorplattform ist fertig montiert.

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So sieht es jetzt in meinen Schaltkasten aus.

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Rechtschreibfehler sind gewollt und deswegen mit voller Absicht erstellt. Wer welche findet, darf sie behalten und selbst verwenden oder verschenken und auch versteigern.