Solartracker-Projekte 2018 / 2022
                       von Michael Schulte, Rönkhausen


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Warum ein Solartracker?

Ein 2-achsiger Solartracker ist ein elektromechanisches Gerät, das eine Ebene (z.B. Solarpanel, Kamera, Laser etc.) exakt im Jahres- und Tagesverlauf zur Sonneneinstrahlung ausrichtet.
Dabei werden Elevation (Höhenwinkel, Neigung) und Azimut (Horizontalwinkel, Himmelsrichtung) dieser Ebene durch Stellmotoren mittels eines Steuerprogramms so verändert,
dass die Sonnenstrahlen, z.B. auf ein Photovoltaik-Modul, stets senkrecht fallen und so eine maximale Strahlungs- und damit Energieausbeute erzielt werden kann.

Ein 2-achsig nachgeführter Solartracker empfängt z.B. in Norddeutschland im langjährigen Mittel 26 % mehr Einstrahlung als eine fest ausgerichtete Anlage (mit 30° Neigung, Südrichtung).

In den Morgen- und Abendstunden ist die Einstrahlung im Jahresmittel bis zu 70 % höher.
Wenn das Solarpanel bei bedecktem Himmel aus der astronomisch berechneten Position in die Horizontalposition gefahren wird, steigt die mittlere Jahreseinstrahlung um ca. 2 %.

 

Das hier vorgestellte 2-achsige Solartracker-Modell berücksichtigt alle relevanten Einflussgrössen (Datum, Jahrestag, exakte Uhrzeit, Ortskoordinaten, Azimut, Elevation, Refraktion)
und richtet ein kleines Solarpanel vollautomatisch so exakt zur Sonne aus, dass die Energieausbeute im Tages- und Jahresverlauf jederzeit maximiert ist.
Nach dem Sonnenuntergang im Westen wird das Solarpanel selbsttätig zur Ausgangsposition (Osten) zurückgefahren. Hier beginnt morgens bei Sonnenaufgang ein neuer Betriebszyklus.

Mein Steuerprogramm arbeitet mit Logarithmen, die auch Astronomen zur Berechnung der Sonnenposition im Tages- und Jahresverlauf verwenden.

 

Für meinen Standort (latitude = 51.222 Grad Nord, longitude = 7.954 Grad Ost) gilt:
Der maximale Höhenwinkel der Sonne über dem Horizont (Elevation) bewegt sich von ca. 15° am 22. Dezember (Tag der Wintersonnenwende) um 12:00 h WOZ bis ca. 62° am 21. Jun
i um 12:00 h WOZ (Sommersonnenwende).
Der entsprechende Horizontalwinkel (Azimut) liegt am 22. Dezember 12:00 h WOZ zwischen etwa 128° (bei Sonnenaufgang) und 231° (bei Sonnenuntergang), und zwischen 50° (Sonnenaufgang) und 310° (bei Sonnenuntergang) am 21. Juni.
Entscheidend wichtig für die Berechnungen ist eine hochpräzise Uhr (z.B. hier eine "DS3231RTC" oder ein GPS-Modul), weil genaue Sonnenpositionen hochgradig zeitabhängig sind.
Ein GPS-Modul hat den Vorteil, dass es den Solartracker ortsunabhängig macht, indem es die notwendigen Standortkoordinaten liefert. Ausserdem stellt es dem Solartracker die geforderte hochpräzise Zeitinformation bereit.

Entscheidende Einflussgrössen für die Berechnung der Sonnenposition sind neben der genauen Uhrzeit das Datum, die Tag-Nr. des lfd. Jahres (1 - 365), die Geographische Breite (Latitude) und die Geographische Länge (Longitude) des Standortes.
Von allenfalls geringem Einfluss ist die atmosphärische Refraktion (Brechung eines Lichtstrahls in der untersten Erdatmosphäre), die insbesondere bei Sonnenauf- und untergängen den Einstrahlwinkel um maximal 1-2 Grad verändern kann.
Eine sehr hilfreiche Website zur Sonnenstandsberechnung mit vielen astronomischen Formeln und Programmierbeispielen findet sich unter: 
www.astronomie.info/zeitgleichung/neu.html .

Sehr hilfreich zum Verständnis der astronomischen Sonnenstandsberechnung ist auch das Buch von Volker Quaschning: "Regenerative Energiesysteme".

 

Hier gibt es die neueste überarbeitete Solartracker-Code-Version mit Arduino-MEGA, Arduino-Motor-Shield und Nextion 5-Zoll-Touch-Display, und dazu die brandneue Pin-Belegung am Arduino-MEGA / Arduino-Motor-Shield REV.3.

 

 

 

 

 

  

 

 

Abb. 1: Solartracker-Modell, gebaut u.a. mit Fischertechnik-Teilen; unter dem hinteren roten Dach befindet sich die Steuerzentrale mit einem Arduino-Uno-Mikrocontroller und einem MotorShield (Programmcode s.u.).
Das C++-Programm wird von einem PC per USB auf den Microcontroller geladen und danach ohne PC selbständig ausgeführt. Die Aktualisierung der Azimut- und Elevation-Positionen erfolgt etwa alle 1-2 sec.

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 2: Modellansicht von vorne; unter dem waagerecht liegenden grossen Zahnrad befindet sich ein Hall-Drehwinkel-Sensor (0-360°), dessen Achse sich 1:1 mit dem Solarpanel bewegt. Somit kann jederzeit die aktuelle Azimut-Position (AzI) des Solarpanels bestimmt und mit dem astronomisch berechneten Azimutwert (AzS) verglichen werden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 3: Longruner-Servo für die Höhenwinkel-Verstellung (0-180 Grad) mit aufmontier-tem 3-Volt- ETM500-Solarpanel. Der astronomisch berechnete Elevation-Wert wird 1:1 direkt auf den Servo übertragen und bewirkt eine ständig aktualisierte, exakte Schräg-ausrichtung des Solarpanels zur Sonne.

 

 

 

Abb. 4: Pololu-Steppermotor mit Schneckentrieb für die Azimut-Ver-stellung. Falls der berechnete Azimutwert (AzS, s. Abb. 5) grösser ist als der vom Hall-Drehwinkelsensor gelieferte Azimutwert (AzI), so dreht der Steppermotor 32 Schritte vorwärts; ist AzS kleiner als AzI, so dreht der Steppermotor 32 Schritte rückwärts (32 Schritte entsprechen ca.1°). Auf diese Weise ist (mit  einer Auflösung von ca. 1 Grad) im Idealfall immer AzI = AzS, d.h. die Azimutposition des Solarpanels (AzI) stimmt mit dem berechneten Azimutwert (AzS) überein.

 

      Hardware-Liste (modifiziert für Version 10)

 

·        Arduino-Uno-Mikrocontroller REV

·        Arduino-Mega-2560-Mikrocontroller (für Zusatzdisplay)

·        DS3231 AT24C32 IIC Real Time Clock Module (für Zusatzdisplay)

·        DS3231-RTC-Echtzeituhr (für Solartracker)

·        Adafruit-Motor-Shield V1

·        POLOLU-1207-Stepper-Motor 7.4 VDC

·        Longruner-17kg-Digital High-Torque Robot-Servo-Motor 7.5 VDC

·       SunFounder  I2C 20x4 LCD  Display Modul 5 VDC

·        Hall-Drehwinkelsensor 0 - 360° entsprechend 0 - 5 Volt Output,
          Versorgungsspannung 5 Volt DC (s. Abb. 7).

·        diverse Fischertechnik-Bauteile

·        Kuman UNO R3 3,5" TFT Touchscreen (Zusatzdisplay)

·        Solarpanel ETM500-3V (14 x 13 cm, 3.0 VDC, aus einem  Kosmos-
          Solarbaukasten)

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 5: SunFounder-20x4-Display zur Anzeige der wichtigsten Daten: Datum, Uhrzeit (MEZ), AzS = Azimut (Sollwert, berechneter Wert, in Grad, WZ = Wahre Ortszeit (12:00 h -> Sonne steht am Standort genau im Süden), AzI = aktueller Azimut des Solarpanels (Ist-Wert. in Grad, S = aktuelle Himmelsrichtung (hier: Süd), TL = Tageslänge in [h], Elv = Elevation ( = Sonnenhöhe, berechneter Wert in Grad, PV = aktuelle Spannung am Solarpanel [Volt].

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 7:
Hall-Drehwinkelsensor 0 - 360°

 

 

Abb. 6: Ein Zusatzdisplay (Kuman UNO R3 3,5" TFT Touchscreen) zeigt die wichtigsten Sonnenstands-Werte im 10-Sek-Takt an. Das Display wird von einem Arduino-Mega-2560-Mikrocontroller angesteuert. 

 

 

 

 

 

Berechnung des Schneckengetriebes

Zähnezahl Z des Drehkranzes = 58
Schnecke = 1-gängig => Zähnezahl = 1
=> Übersetzungsverhältnis = 58:1

Steppermotor: 1 Achsenumdrehung = 200 steps
Drehkranz:    : 1 Umdrehung (360°) = 200 steps x 58 = 11600 steps

Steps pro Grad (Drehkranz) = 11600 steps / 360° = 32.222 steps / °

Fazit: Eine Winkelveränderung um 1° des Drehkranzes benötigt
mind. 32 steps des Steppermotors.


 

 

Pin-Belegung am Arduino-UNO (hier klicken)