DE102009013752B4

DE102009013752B4 - Photovoltaic device

Info

Publication number: DE102009013752B4
Application number: DE102009013752.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Singe; Andreas Wettstein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: DE102009013752A1

Abstract

Photovoltaische Vorrichtung, umfassend mindestens einen photovoltaischen Wandler, eine Steuerung und mindestens drei Umweltsensoren, wobei diese einen Helligkeits-, einen Wind- und einen Schneesensor umfassen und diese eingerichtet sind, mindestens je einen Umwelteinfluss, insbesondere Sonnenstand, Windstärke, Regen und/oder Schnee, auf die photovoltaische Vorrichtung zu erfassen, wobei die Steuerung eingerichtet ist, den mindestens einen photovoltaischen Wandler entsprechend den Sensorsignalen auszurichten, und wobei der Schneesensor aus drei Komponenten besteht, wovon eine davon eingerichtet ist, die Temperatur am Standort der photovoltaischen Vorrichtung zu erfassen und die beiden weiteren Komponenten so eingerichtet sind, dass sie voneinander unabhängig einen auf dem photovoltaischen Wandler bestehenden Belag optisch erfassen und in Korrelation zu einem Referenzsensor diesen Belag als Schnee erkennen.Photovoltaic device, comprising at least one photovoltaic converter, a controller and at least three environmental sensors, wherein these comprise a brightness, a wind and a snow sensor and these are set up, at least one environmental influence, in particular position of the sun, wind force, rain and / or snow, to detect the photovoltaic device, wherein the controller is adapted to align the at least one photovoltaic transducer according to the sensor signals, and wherein the snow sensor consists of three components, one of which is adapted to detect the temperature at the location of the photovoltaic device and the two other components are set up so that they independently of one another detect an existing on the photovoltaic converter coating optically and recognize this coating as snow in correlation to a reference sensor.

Description

Bekanntermaßen hängt der Wirkungsgrad von photovoltaischen Wandlern (Solarmodulen) vom Einfallswinkel der Sonne auf diese ab, nur wenn die einfallenden Sonnenstrahlen im rechten Winkel auf den Wandler treffen, erzielt dieser die maximal möglich Leistung. Der Sonnenstand ist jedoch abhängig vom geographischen Standort, der Tages- und der Jahreszeit. Um dieses Problem zu beseitigen, werden solche Wandler auf eine Vorrichtung (z. B. Solarnachführung bzw. Sonnennachführung) montiert, die diese immer optimal zur Sonne ausrichten sollen und so den Energieertrag erhöhen sollen.As is known, the efficiency of photovoltaic converters (solar modules) depends on the angle of incidence of the sun on them, only if the incident sun rays meet at right angles to the converter, this achieves the maximum possible power. The position of the sun, however, depends on the geographical location, the time of day and the season. In order to eliminate this problem, such transducers are mounted on a device (for example, solar tracking or solar tracking), which should always align them optimally to the sun and thus increase the energy yield.

Herkömmliche Vorrichtungen haben den Nachteil, dass sie in der Regel durch externe Steuerungssignale (z. B. Uhrzeit, Wetterdaten) gesteuert werden. Sie können so die aktuellen Umweltbedingungen (z. B. Bewölkung) nicht berücksichtigen. Auch sind die Steuerungen damit von diesen Signalen abhängig und funktionieren z. B. ohne den Empfang der Funkuhrzeit nicht korrekt. Weiterhin erzielen die auf diesen Vorrichtungen montierten Wandler bereits bei leichtem Schneebelag keine oder kaum Leistung, da nicht mehr genügend Licht auf diese fällt. Beispielhafte Ausführungen herkömmlicher Vorrichtungen sind z. B. in DE 103 01 550 A1 und WO 88/04 016 A1 bereits veröffentlicht worden.Conventional devices have the disadvantage that they are usually controlled by external control signals (eg, time of day, weather data). You can not take into account the current environmental conditions (eg cloud cover). Also, the controllers are thus dependent on these signals and work z. B. without the reception of the radio time not correct. Furthermore, the converters mounted on these devices achieve little or no power even with a light snow cover, since not enough light falls on them. Exemplary embodiments of conventional devices are for. In DE 103 01 550 A1 and WO 88/04 016 A1 already published.

Mit der Erfindung wird das Problem nach Patentanspruch 1 einer photovoltaischen Vorrichtung gelöst, die mindestens 2 Umweltsensoren enthält und somit die aktuellen Umweltbedingungen (z. B. Bewölkung) in die aktuelle Ausrichtung gemäß Patentanspruch 2 und 3 einbezieht, wobei die Ausrichtung des photovoltaischen Wandlers durch die Steuerung bestimmt und vorgenommen wird (Ansteuerung des Antriebes bzw. der Mechanik der Vorrichtung).The invention solves the problem according to claim 1 of a photovoltaic device which contains at least 2 environmental sensors and thus incorporates the current environmental conditions (eg cloudiness) into the current orientation according to claims 2 and 3, the orientation of the photovoltaic transducer being determined by the Control is determined and made (control of the drive or the mechanics of the device).

Das Problem der Abhängigkeit von externen Steuerungsdaten bzw. Steuerungssignalen wird durch eine Steuerung nach Patentanspruch 3 gelöst, die so eingerichtet werden kann, dass sie die Ausrichtung von z. B. dem photovoltaischen Wandler völlig autark, d. h. ohne externe Steuerungssignale nur nach den aktuellen Umweltbedingungen vornehmen kann. Diese Art der Steuerung ermöglicht somit eine Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen Nachführungen.The problem of dependency on external control data or control signals is solved by a control according to claim 3, which can be set up so that it can control the alignment of e.g. B. the photovoltaic converter completely self-sufficient, d. H. without external control signals only after the current environmental conditions can make. This type of control thus allows an increase in performance over conventional tracking.

Bereits vorhandene Umweltsensoren zur Erfassung von Helligkeit bzw. Bewölkung weisen weiterhin das Problem auf, das sie meist eine komplizierte elektronische Schaltung zur Linearisierung und Temperaturkompensation der Messwerte und damit eine aufwendige Auswerteelektronik benötigen. Diese Problematik wird mit einem entsprechenden Helligkeitssensor gemäß den Patentansprüchen 4 bis 7 gelöst, der als ein Umweltsensor wie in Patentanspruch 2 beschrieben eingesetzt werden kann. Der in den Patentansprüchen 6 bis 9 beschriebene Helligkeitssensor liefert aufgrund des Abschattungskreuzes nach Patentanspruch 7 und den Sensoreinheiten nach Patentanspruch 8 auch bei schwierigen Lichtverhältnissen ein eindeutiges Signal, das nach Patentanspruch 9 von einer entsprechenden Steuerung ausgewertet werden kann.Existing environmental sensors for detecting brightness or cloudiness continue to have the problem that they usually require a complicated electronic circuit for linearization and temperature compensation of the measured values and thus a complex evaluation electronics. This problem is solved with a corresponding brightness sensor according to claims 4 to 7, which can be used as an environmental sensor as described in claim 2. The brightness sensor described in the claims 6 to 9 provides due to the shading cross according to claim 7 and the sensor units according to claim 8, even in difficult lighting conditions a clear signal that can be evaluated according to claim 9 of a corresponding control.

Um mit einem photovoltaischen Wandler auch nach Schneefall noch Leistung erzielen zu können, ist es notwendig, diesen vom Schneebelag zu befreien oder den Schneebelag zu verhindern. Dies muss zur Zeit mechanisch entweder per Hand oder mit einer entsprechenden Reinigungseinrichtung vorgenommen werden. Mit einem Schneesensor, wie in Patentanspruch 1 beschrieben, kann ein Schneebelag wirkungsvoll erfasst werden und durch eine Steuerung nach Patentanspruch 2 können die photovoltaischen Wandler bzw. Solarmodule entsprechend gekippt werden, sodass die Schneedecke abrutscht. Als Referenzsensor für den Schneesensor, der in Patentanspruch 1 beschrieben wird, kann der Helligkeitssensor gemäß den Patentansprüchen 4–7 dienen.In order to still be able to achieve performance with a photovoltaic converter after snowfall, it is necessary to free it from the snow cover or to prevent the snow cover. This must currently be done mechanically either by hand or with a corresponding cleaning device. With a snow sensor as described in claim 1, a snow cover can be effectively detected and by a control according to claim 2, the photovoltaic converters or solar modules can be tilted accordingly, so that the snow cover slips off. As the reference sensor for the snow sensor described in claim 1, the brightness sensor according to claims 4-7 can serve.

Das Konzept der Steuerung gemäß den Patentansprüchen 1–3, gegebenenfalls mit den Umweltsensoren gemäß Patentanspruch 4–7 kann auch zur Steuerung anderer Nachführungen, z. B. von Beschaffungsanlagen, verwendet werden.The concept of the control according to claims 1-3, optionally with the environmental sensors according to claim 4-7 can also be used to control other tracking, z. As of procurement, used.

Die Erfindung ermöglicht somit die Konstruktion einer photovoltaischen Vorrichtung (Solarnachführung), die sich aufgrund ihrer Steuerung in Abhängigkeit von den aktuellen lokalen Umweltbedingungen optimal ausrichten kann. Sie ist weiterhin unabhängig von externen Steuerungsdaten oder Steuerungssignalen und kann damit ortsunabhängig eingesetzt werden. Durch die Steuerung in Abhängigkeit von den Umweltbedingungen kann so eine deutlich höhere Leistung des nachgeführten photovoltaischen Wandlers erzielt werden und ein Ausfall der Funktion, z. B. durch Schneebedeckung, vermieden werden. Die Steuerung kann weiterhin auch für andere Nachführung (z. B. Beschatungsanlagen) verwendet werden.The invention thus allows the construction of a photovoltaic device (solar tracking), which can be optimally aligned due to their control depending on the current local environmental conditions. It is also independent of external control data or control signals and can thus be used anywhere. By controlling depending on the environmental conditions, a significantly higher performance of the tracking photovoltaic transducer can be achieved and a failure of the function, eg. B. by snow cover can be avoided. The controller can also be used for other tracking (eg shading systems).

Als Ausführungsbeispiel dient die beigefügte „Jugend forscht”-Arbeit zur Teilnahme am Landeswettbewerb 2009 in Stuttgart, in der ab Punkt 5 alle Details der Erfindung offenbart sind. As an example, the attached "Jugend forscht" -works for participation in the state competition 2009 in Stuttgart, in which from point 5 all details of the invention are disclosed.

5. Unsere Lösung5. Our solution

5.1. Konstruktion (Fig. 1; Konstruktionszeichnungen: Fig. 5 und Fig. 6)5.1. Construction (Figure 1, construction drawings: Figures 5 and 6)

Unsere Konstruktion lässt sich grob in 2 Komponenten unterteilen. Die erste Komponente sorgt für sicheren Stand und die Drehung um eine vertikale Achse. Sie besteht aus den Komponenten 1–6. Die zweite Komponente besteht aus den Komponenten 7–14. Sie ermöglicht das Kippen der montierten Solarmodule im Winkel zwischen 50–80°.Our construction can be roughly divided into 2 components. The first component provides stability and rotation about a vertical axis. It consists of components 1-6. The second component consists of components 7-14. It allows tilting of the installed solar modules at angles between 50-80 °.

Das Kreuz 1 ist der Unterbau für die gesamte Konstruktion. Es besteht aus zwei Vierkantrohren mit einer Kantenlänge von 30 mm und einer Länge von 1500 mm. Diese sind miteinander mittig verschweißt, sodass ein Kreuz mit einer Schenkellänge von 735 mm entsteht. Diese Kreuz ermöglicht die Befestigung der Nachführung auf dem Dach. Wenn dies nicht möglich ist, besteht die Möglichkeit, zwischen die Vierkantrohre des Kreuzes Gewichte (z. B. Steinplatten) zu legen. Diese werden mit dem Kreuz verbunden oder auf mit dem Kreuz verschweißte Flacheisen gelegt, sodass ein sicherer Halt für die gesamte Nachführung garantiert ist.The cross 1 is the substructure for the entire construction. It consists of two square tubes with an edge length of 30 mm and a length of 1500 mm. These are welded together in the middle, creating a cross with a side length of 735 mm. This cross allows attachment of the tracking on the roof. If this is not possible, it is possible to place weights (eg stone slabs) between the square tubes of the cross. These are connected to the cross or placed on flat iron welded with the cross, so that a secure hold for the entire tracking is guaranteed.

Auf dem Kreuz 1 ist in der Mitte eine Metallplatte 2 mit den Maßen 80 × 80 mm und einer Dicke von 8 mm verschweißt. Auf diese Metallplatte 2 wird senkrecht ein Rundrohr, das innere Rohr 3, mittig aufgeschweißt, sodass das Rohr 3 damit senkrecht zum Kreuz 1 und in der Mitte von diesem steht. Metallplatte 2 ist notwendig, da die Wandstärke der Vierkantrohre, aus denen das Kreuz 1 besteht, nicht ausreicht, um das Rohr 3 direkt zu verschweißen (die Vierkantrohre würden sich auf Dauer verbiegen).On the cross 1 is a metal plate in the middle 2 welded with the dimensions 80 × 80 mm and a thickness of 8 mm. On this metal plate 2 becomes perpendicular a round tube, the inner tube 3 , welded in the middle, so that the pipe 3 with it perpendicular to the cross 1 and in the middle of this one stands. metal plate 2 is necessary because the wall thickness of the square tubes that make up the cross 1 exists, is not enough to the pipe 3 to weld directly (the square tubes would bend in the long run).

Um die Drehung um die vertikale Achse zu ermöglichen, wird auf das innere Rohr 3 ein weiteres Rundrohr, das äußere Rohr 4 aufgesteckt. Dieses passt genau auf Rohr 3, sodass ein Drehlager entsteht, welches an ein Türscharnier erinnert. Das äußere Rohr 4 ist wiederum am oberen Ende mit einer Metallplatte 6 verschweißt, das innere Rohr 3 führt jedoch durch ein Loch in der Platte 6 durch diese hindurch. 6 hat eine Stärke von 5 mm und die Abmessung 210 × 210 mm.To allow the rotation about the vertical axis, is on the inner tube 3 another round tube, the outer tube 4 attached. This fits exactly on pipe 3 so that a pivot bearing is created, which is reminiscent of a door hinge. The outer tube 4 is again at the top with a metal plate 6 welded, the inner tube 3 but passes through a hole in the plate 6 through them. 6 has a thickness of 5 mm and the dimensions 210 × 210 mm.

An der Unterseite der Platte 6 wird der Motor 5, der Motor für den Drehantrieb, befestigt. Die angetriebene Achse läuft ebenfalls durch ein Loch durch die Platte 6. Die Details des Drehantriebes werden unter 5.1.b beschrieben.At the bottom of the plate 6 becomes the engine 5 , the motor for the rotary drive, attached. The driven axle also passes through a hole through the plate 6 , The details of the rotary actuator are described in 5.1.b.

Auf die Platte 6 werden, an die Kanten von 6, zwei parallele Vierkantrohre, das Rohr-Paar 11, aufgeschweißt. Diese sind damit horizontal wie Kreuz 1 und haben einen Innenabstand (zwischen den Innenkanten) von 150 mm. (210 mm–2·30 mm = 150 mm). Die Rohre 11 sind 1350 mm lang und in der Mitte auf die Platte aufgeschweißt, sodass an jeder Seite 570 mm „überstehen”.On the plate 6 be, to the edges of 6 , two parallel square tubes, the tube pair 11 , welded on. These are thus horizontal like a cross 1 and have an inside distance (between the inner edges) of 150 mm. (210mm-2 x 30mm = 150mm). The pipes 11 are 1350 mm long and welded onto the plate in the middle, so that 570 mm "survive" on each side.

An je einem Ende von 11 werden beide Vierkantrohre durchbohrt und eine Drehachse 9, bestehend aus einer 16 mm Gewindestange, parallel zum Kreuz 1 und damit rechtwinklig zu dem jeweiligen Vierkantrohr des Rohrpaares 11 montiert. Auch das Vierkantrohrpaar 13 wird, wie 11, an einem Ende durchbohrt und mit dieser Bohrung von außen auf das Rundeisen 9 aufgesteckt. Das Rohr Paar 13 hat damit einen Innenabstand von ca. 210 mm, 9 ist ca. 300 mm lang (zusätzliche Länge als Reserve für Splinte etc.). Die Vierkantrohre 13 sind 1250 mm lang, in ihrer Mitte befindet sich eine weitere Drehachse 14, sie besteht aus 15 mm Rundeisen und in der Mitte von dieser Achse (14), zwischen dem Rohr-Paar 13, ist das Rundrohr 12 drehbar gelagert. Rundrohr 12 ist Teil des Kippantriebes und 680 mm lang. An seinem anderen Ende ist eine Gewindemuffe eingeschweißt, die das Eindrehen der Gewindestange 10 erlaubt. Gewindestange 10 bildet den 2. Teil des Kippantriebes und ist direkt mit der angetriebenen Motorachse des Kippmotors 8 verbunden. Die Gewindestange 10 wird damit direkt angetrieben, sie ist ebenfalls 680 mm lang.At one end of each 11 Both square tubes are pierced and a rotation axis 9 , consisting of a 16 mm threaded rod, parallel to the cross 1 and thus at right angles to the respective square tube of the pipe pair 11 assembled. Also the square tube pair 13 will, how 11 , pierced at one end and with this hole from the outside on the round iron 9 attached. The pipe pair 13 has an inside distance of about 210 mm, 9 is about 300 mm long (additional length as a reserve for split pins, etc.). The square tubes 13 are 1250 mm long, in the middle there is another axis of rotation 14 , it consists of 15 mm round bars and in the middle of this axis ( 14 ), between the pipe pair 13 , is the round tube 12 rotatably mounted. round tube 12 is part of the tilt drive and 680 mm long. At its other end a threaded sleeve is welded, which screwing the threaded rod 10 allowed. threaded rod 10 forms the second part of the tilting drive and is directly connected to the driven motor axis of the tilting motor 8th connected. The threaded rod 10 it is driven directly, it is also 680 mm long.

Der Kippmotor 8 ist drehbar auf der Achse 7 gelagert, welche sich am anderen Ende des Rohrpaares 11 befindet. Der Abstand zwischen Achse 9 und Achse 7 beträgt damit ca. 1300 mm.The tilt motor 8th is rotatable on the axis 7 stored, which are at the other end of the tube pair 11 located. The distance between axis 9 and axis 7 is thus about 1300 mm.

a) Kippantrieb (Detailansicht: Fig. 2)a) tilting drive (detailed view: Fig. 2)

Der Kippantrieb besteht aus einer M16-Gewindestange (10) und einem Rundrohr (12) mit einer Länge von jeweils ca. 680 mm. In das Rohr ist an einem Ende eine M16-Gewindemuffe eingeschweißt, durch diese kann man die Gewindestange in das Rohr hinein- bzw. herausdrehen. Dadurch verändert man die gesamte Länge Rohr 12 – Gewindestange 10. Das andere Ende von Rohr 12 ist mit der Achse 14 drehbar an dem Rohr-Paar 13 befestigt, das andere Ende der Gewindestange ist an der Motorachse befestigt. Durch Drehung der Gewindestange wird damit der Abstand „Achse 14 – Achse 7” verändert und damit der Kippwinkel des Rohrpaares 13 gegenüber der Horizontalen.The tilting drive consists of an M16 threaded rod ( 10 ) and a round tube ( 12 ) each with a length of about 680 mm. An M16 threaded sleeve is welded into the tube at one end, through which the threaded rod can be screwed into or out of the tube. This changes the whole Length of pipe 12 - threaded rod 10 , The other end of pipe 12 is with the axis 14 rotatable on the pipe pair 13 attached, the other end of the threaded rod is attached to the motor shaft. By turning the threaded rod so that the distance "axis 14 - axis 7 "And thus the tilt angle of the pipe pair 13 opposite the horizontal.

Der Kippmotor 8:The tilt motor 8th :

Als Kippmotor 8 wird der „Gleichstrom-Getriebemotor VALEO 15094704” eingesetzt. Die Betriebsspannung beträgt 12 V DC, damit ist die Zielvorgabe, keinen weiteren Stromanschluss als die vorhandene Solaranlage zu benötigen, von diesem Motor erfüllt.As a tilt motor 8th the "DC Gear Motor VALEO 15094704" is used. The operating voltage is 12 V DC, so that the target, no further power connection than the existing solar system to use, is met by this engine.

Die Drehgeschwindigkeit mit ca. 32 U/min ist langsam genug, um genaue Positionierungen zu ermöglichen, allerdings schnell genug, um das Modul im Sturmfall zügig einzuklappen. Weiterhin ist der Motor sehr kräftig (hohes Drehmoment) und äußerst preisgünstig (ca. 10€)The rotation speed of approx. 32 rpm is slow enough to allow accurate positioning, but fast enough to fold the module quickly in the event of a storm. Furthermore, the engine is very powerful (high torque) and extremely inexpensive (about 10 €)

b) Drehantrieb (Detailansicht Fig. 3)b) rotary drive (detail view Fig. 3)

Auf das innere Rohr 3 ist oberhalb der Metallplatte 6 eine Rolle mit großem Radius waagerecht aufgeschweißt, sie hat damit die selbe Drehachse wie Rohr 3. Zu Rohr 3 parallel ist eine von Motor 5 angetriebene Achse durch die Metallplatte 6 geführt, an deren oberen Ende eine Rolle mit kleinem Radius verschweißt ist. Diese Rolle ist damit auf gleicher Höhe und parallel zur Rolle mit dem großen Radius. Auf dieser Rolle sind zwei Drahtseile in unterschiedliche Richtung aufgewickelt, die beide an einem Punkt auf der großen Rolle befestigt sind. Das eine Seil läuft dabei linksherum um die große Rolle, das andere rechtsherum. Wird die kleine Rolle nun angetrieben, wird ein Drahtseil auf-, das andere abgewickelt, eines zieht an der großen Rolle, das andere lässt locker. Da die große Rolle fest mit dem inneren Rohr 3 und damit mit dem Kreuz 1 verschweißt ist, dreht sich somit die gesamte 2. Komponente (7–14) mitsamt dem Motor 5.On the inner tube 3 is above the metal plate 6 a roller with a large radius welded horizontally, so it has the same axis of rotation as tube 3 , To tube 3 parallel is one of engine 5 driven axle through the metal plate 6 guided, at the upper end of a roll with a small radius is welded. This role is thus at the same height and parallel to the role with the large radius. On this reel, two wires are wound in different directions, both of which are attached at one point on the large reel. The one rope runs to the left around the big roll, the other to the right. If the small roll is now driven, one wire rope is pulled up, the other unwound, one pulls on the big roll, the other loosens. Because the big roll stuck to the inner tube 3 and thus with the cross 1 welded, the entire second component ( 7 - 14 ) together with the engine 5 ,

Der Drehmotor 5:The rotary motor 5 :

Als Motor kommt das Modell 404980-1 der Firma Ott GmbH & Co. KG zum Einsatz. Er ist für Anwendungen, die lediglich eine kurze Betriebsdauer erfordern, sehr gut geeignet. Weiterhin benötigt such er 12 V DC und erfüllt damit, wie auch der Kippmotor, die Zielsetzung, keine weitere Stromversorgung als die vorhandene Solaranlage zu benötigen. Auch das Drehmoment des Motors reicht für uns vollkommen aus, denn er hat ein Nenn-Drehmoment von 4 Nm. Für den Einsatz bei uns werden lediglich ca. 0,4 Nm benötigt, wie man an folgender Rechnung sehen kann: F = m·g·f_Haft M = F·r M = m·g·f_Haft·r The engine used is model 404980-1 from Ott GmbH & Co. KG. It is very well suited for applications that only require a short operating time. Furthermore, it requires 12 V DC and, like the tilting motor, fulfills the objective of requiring no additional power supply than the existing solar system. The torque of the engine is also perfect for us, because it has a nominal torque of 4 Nm. For use with us only about 0.4 Nm are needed, as you can see on the following invoice: F = m * g * f _prison M = F · r M = m · g · f _adhesion · r

Die Masse der zweiten Komponenten beträgt geschätzt 50 kg, wobei wir bei Abschätzungen immer von den denkbar größten Werten ausgehen. Für f_Haft nehmen wir einen Mittelwert für die Reibung Stahl auf Stahl ohne Schmierung. Der Durchmesser der großen Rolle, welche die Kraft letztendlich überträgt, ist ca. 14 cm. Auch zu berücksichtigen ist unsere Übersetzung von ca. 14:1. Daraus ergibt sich dann: M = 50 kg·9,81m/s²·0,15·7cm/14 M = ca. 36,79 Ncm M = ca. 0,37 Nm The mass of the second components is estimated at 50 kg, with estimates always starting from the highest conceivable values. For f _detention we take an average for the friction steel on steel without lubrication. The diameter of the large roll, which ultimately transfers the force, is about 14 cm. Also to be considered is our translation of about 14: 1. This then results in: M = 50 kg x 9.81 m / s ² x 0.15 x 7 cm / 14 M = approx. 36.79 Ncm M = approx. 0.37 Nm

Ein weiterer Punkt, der für diesen Motor sprach, ist seine kleine Drehgeschwindigkeit von 22 U/min. Durch unsere Übersetzung erreichen wir also eine effektive Drehgeschwindigkeit von ca. 1,6 U/min. Das heißt, das in einer Sekunde der obere Teil um 9,6° gedreht wird. Dies ist für unsere Zwecke genau genug, da der Motor auch deutlich kürzer als eine Sekunde lang betrieben werden kann und die Motorspannung auch auf 6 V (Motor dreht langsamer) verändert werden kann, wenn die Drehung auf Dauer nicht genau genug sein sollte.Another point that spoke for this engine is its low speed of rotation of 22 rpm. Through our translation, we achieve an effective rotational speed of about 1.6 rpm. This means that in one second the upper part is rotated by 9.6 °. This is accurate enough for our purposes, as the motor can operate for much less than one second and the motor voltage can be changed to 6V (motor turns slower) if the rotation is not accurate enough over time.

c) Stabilität c) stability

Die Stabilität unserer Konstruktion war uns von Anfang an sehr wichtig. Wir zogen zuerst 15 mm oder 20 mm 4-Kant-Rohre in Betracht, doch entschieden uns letztendlich für 30 mm 4-Kant-Rohre, denn sie bieten unserer Konstruktion viel mehr Stabilität, dafür nahmen wir auch das größere Gewicht in Kauf. Um Gewicht zu sparen, hätten wir gerne Aluminium als Material verwendet. Es ist jedoch zu weich und lässt sich nicht mit anderen Metallen verschweißen. Stabilität war auch bei der Planung des Drehlagers von großer Bedeutung, denn in der Anwendung wirken enorme Axialkräfte durch die Gewichte der 2. Komponente (7–14) und der Solarmodule. Diese werden besonders verstärkt, wenn die Solarmodule gekippt werden. Auch unter Last muss das Drehlager stabil bleiben und sich problemlos drehen lassen. Wir diskutierten verschieden Möglichkeiten (unter anderem ein Axial-Rillenkugellager), entschieden uns aber für die recht einfache Rohr in Rohr Konstruktion, die an das Scharnier einer Tür erinnert. Durch die Wahl von recht dickwandigen Rohren ist eine hohe Stabilität garantiert. Bei sehr starkem Wind veranlasst die Elektronik das Einklappen der Module, was zu einer Minimierung der Windkräfte führt und die Axialkräfte senkt, da der Schwerpunkt wieder über dem Drehlager liegt. Niedrigen und mittleren Windstärken bietet unsere Konstruktion genügend Widerstand.The stability of our construction was very important to us from the beginning. We first considered 15mm or 20mm square tubing, but ultimately chose 30mm square tubing because they provide much more rigidity to our design, and we took the greater weight into account. To save weight, we would like to use aluminum as a material. However, it is too soft and can not be welded to other metals. Stability was also of great importance in the planning of the pivot bearing, because in the application tremendous axial forces act through the weights of the second component ( 7 - 14 ) and the solar modules. These are particularly enhanced when the solar modules are tilted. Even under load, the pivot bearing must remain stable and turn smoothly. We discussed various options (including an axial deep groove ball bearing), but opted for the quite simple tube in tube construction, which is reminiscent of the hinge of a door. By the choice of quite thick-walled pipes a high stability is guaranteed. When the wind is very strong, the electronics cause the modules to collapse, which leads to a minimization of the wind forces and lowers the axial forces, because the center of gravity is again above the pivot bearing. Low and medium wind speeds, our construction provides enough resistance.

5.2. Steuerung und Regelung (Schaltpläne Fig. 7–Fig. 12)5.2. Control (Schematics FIGS. 7-12)

Die Aufgabe der gesamten Steuerung und Regelung ist es, die hellste Stelle am Himmel zu finden und zu überprüfen, ob es sich von der Energiebilanz her lohnt, das Solarmodul zu bewegen. Es soll nur zur hellsten Stelle bewegt werden, wenn danach mehr Energie gewonnen wird, als die Bewegung verbraucht. Anschließend muss das Modul ca. alle 10–20 Minuten nachgeführt werden. Weiterhin ist es Aufgabe der Steuerung, die gesamte Konstruktion vor zu starkem Wind zu schützen und dafür zu sorgen, dass die Motoren nur bis zu einer bestimmten Endposition arbeiten, bevor die Konstruktion beschädigt werden könnte. Eine weitere Aufgabe der Steuerung ist es, durch den Schneesensor erkannten Schneebelag abrutschen zu lassen, indem das Modul aufgestellt wird (ab einem Anstellwinkel von ca. 60° gleitet Schnee ab). Die Energieversorgung der Steuerung wird dabei auf 12 V DC ausgelegt, diese Energieversorgung ist bereits von der Solaranlage vorhanden, es wird also auch bei Insel-Solaranlagen kein zusätzlicher Stromanschluss für die Nachführung benötigt.The task of the entire control and regulation is to find the brightest spot in the sky and to check whether it is worthwhile from the energy balance to move the solar module. It should only be moved to the brightest spot when more energy is gained afterwards than the movement consumes. Afterwards the module has to be tracked approx. Every 10-20 minutes. Furthermore, it is the task of the controller to protect the entire structure from excessive wind and to ensure that the motors only work to a certain end position before the construction could be damaged. Another task of the controller is to allow the snow cover detected by the snow sensor to slip off by placing the module (snow starts to slide from an angle of about 60 °). The power supply of the controller is designed for 12 V DC, this energy supply is already available from the solar system, so it is also in island solar systems no additional power supply needed for tracking.

a) Sensorika) sensors

• Sonnenstandssensor (Fig. 4) (Schaltplan Fig. 7)• Sun position sensor (Fig. 4) (circuit diagram Fig. 7)

Unserer Sonnenstandssensor besteht aus 4 Fotowiderständen 15 (Durchmesser je 1 cm), die in einem Quadrat angeordnet sind. Zwischen ihnen befindet sich, senkrecht zur Sensorebene, eine ca. 20 cm hohe Abschattung 16 in Form eines Kreuzes. Der Sensor wird am beweglichen Teil der Konstruktion neben den Solarmodulen befestigt, sodass er, genauso wie die Solarmodule, bewegt wird. Der Sensor wird in einem Plexiglasrohr wetterfest verbaut. Wichtig ist, dass das Plexiglasrohr nicht bestimmte Wellenbereiche des Lichtes abschwächt, die eine hohe Leistung auf dem Solarmodul erzielen würden, sodass das Messergebnis verfälscht werden würde. Auch muss die spektrale Empfindlichkeit der Fotowiderstände in etwa den Bereich abdecken, in dem die Solarmodule ihre Energie gewinnen, damit die Stelle am Himmel gefunden wird, an der auch die Solarmodule die größte Menge Energie erzeugen. Da die spektrale Empfindlichkeit der Solarmodule ungefähr im Bereich des sichtbaren Lichtes liegt und diese in etwa der spektralen Empfindlichkeit der Fotowiderständen entspricht, ist dies jedoch kein Problem.Our sun position sensor consists of 4 photoresistors 15 (Diameter per 1 cm), which are arranged in a square. Between them is perpendicular to the sensor plane, a 20 cm high shading 16 in the form of a cross. The sensor is attached to the moving part of the structure next to the solar panels, so that it is moved just like the solar panels. The sensor is installed weatherproof in a Plexiglas tube. It is important that the Plexiglas tube does not attenuate certain wavelengths of light that would achieve high power on the solar module, so that the measurement result would be falsified. Also, the spectral sensitivity of the photoresistors must cover approximately the area in which the solar modules gain their energy, so that the place is found in the sky, in which the solar modules generate the largest amount of energy. However, since the spectral sensitivity of the solar modules is approximately in the range of visible light and this corresponds approximately to the spectral sensitivity of the photoresistors, this is not a problem.

Ist das Solarmodul nicht optimal zur Sonne ausgerichtet, werden nur einer oder zwei der vier Fotowiderstände von der Sonne beleuchtet, alle anderen sind durch die Abschattung deutlich dunkler. Korrigiert man die Ausrichtung, sodass die Sonnenstrahlen im rechten Winkel auftreffen, ist kein Sensor mehr abgeschattet, alle sind ungefähr gleich hell. Die Auswertung, welche Bewegung ausgeführt werden muss, abhängig davon, welcher Fotowiderstand beleuchtet und welcher im Schatten ist, ist Aufgabe des Mikrocontrollers.If the solar module is not optimally aligned to the sun, only one or two of the four photoresistors are illuminated by the sun, all others are much darker due to the shading. Correcting the orientation so that the sun's rays hit at right angles, no sensor is shaded, all are about the same light. The evaluation of which movement must be carried out, depending on which photoresistor is illuminated and which is in the shade, is the task of the microcontroller ,

• Schneesensor (Schaltplan Fig. 10)• snow sensor (circuit diagram Fig. 10)

Der Schneesensor soll vermeiden, dass das Solarmodul aufgrund einer Schneebedeckung keine Leistung mehr erzielt. Dafür besteht er zum einen aus einem wetterfest verbautem Temperatursensor, der überprüft, ob es aufgrund der Temperatur überhaupt zu Schneefall kommen kann. Zum anderen besteht der Schneesensor aus 2 Fotowiderständen, die einen Schneebelag optisch erkennen. Die Fotowiderstände sind in jeweils in einem Kunststoffgehäuse wetterfest verbaut, dieses wird dabei durchbohrt und der Fotowiderstand in dem entstandenen Loch montiert. Die Seite des Kunststoffgehäuses mit dem Loch wird weiterhin mit Plexiglas oder einem anderen Material, das möglichst ähnliche Eigenschaften wie das Glas der Solarmodule hat, wetterfest verklebt. Die beiden optischen Schneesensoren werden so montiert, dass die mit dem Plexiglas o. ä. bedeckte Seite parallel zur Solarmodulfläche und möglichst auf gleicher Höhe liegt, sodass bei Schneefall sowohl das Modul als auch die Sensoren einschneien. Da am Mikrocontroller nicht alle verfügbaren analogen Eingänge belegt werden sollen, werden die 3 Komponenten des Schneesensors (Temperatursensor, 2 optische Schneebelagssensoren) über einen Analogmultiplexer an einen digitalen Eingang angeschlossen. Der Mikrocontroller prüft zunächst, ob es kalt genug ist, sodass Schnee fallen könnte, ist dies der Fall, vergleicht er die Messwerte der beiden optischen Sensoren mit dem hellsten Wert des Sonnenstandssensors. Sind diese beiden Messwerte relativ einheitlich und deutlich dunkler als der hellste Wert des Sonnenstandssenors (dieser schneit aufgrund seiner Bauart höchstens teilweise ein) ist das Solarmodul eingeschneit. Es wird nun aufgestellt und bleibt solange aufgestellt, bis der Schnee abgeglitten ist.The snow sensor should prevent the solar module from producing any more power due to snow cover. On the one hand, it consists of a weatherproof built-in temperature sensor that checks whether snowfall can even occur due to the temperature. On the other hand, the snow sensor consists of 2 photoresistors which optically recognize a snow cover. The photoresistors are installed weatherproof in each case in a plastic housing, this is pierced and mounted the photoresistor in the resulting hole. The side of the plastic housing with the hole will continue to be covered with Plexiglas or other material that has similar properties as the glass of the solar modules, glued weatherproof. The two optical snow sensors are mounted in such a way that the side covered with the Plexiglas or similar is parallel to the solar module surface and, if possible, at the same height so that both the module and the sensors intersect during snowfall. Since not all available analog inputs are to be assigned to the microcontroller, the 3 components of the snow sensor (temperature sensor, 2 optical snow pelt sensors) are connected to a digital input via an analog multiplexer. The microcontroller first checks whether it is cold enough so that snow could fall, if that is the case, it compares the readings of the two optical sensors with the brightest value of the sunshine sensor. If these two measured values are relatively uniform and significantly darker than the brightest value of the sunshine sensor (due to its design, it will at most partially snow), the solar module is snowed in. It is now set up and remains set up until the snow has slipped.

• Windsensor (Schaltplan Fig. 11)Wind sensor (circuit diagram Fig. 11)

Sobald das Solarmodul gekippt wird, besteht eine wesentlich größere Angriffsfläche für Windböen und Stürme. Zwar ist die Konstruktion sehr stabil gebaut, größere und länger anhaltende Stürme würde sie jedoch nicht auf Dauer aushalten. Zum Schutz der Konstruktion wird deshalb ein Windsensor verbaut, sodass im Falle eines Sturmes (länger anhaltender starker Wind, dessen Windgeschwindigkeit einen vorher festgelegten und eingestellten Schwellwert übersteigt) das Solarmodul komplett abgesenkt wird. Es liegt dann parallel zur Dachoberfläche, die Angriffsfläche für den Wind ist minimal. Als Windsensor kommt der Windfühler 9127932 von Somfy zum Einsatz. Die Elektronik zur Auswertung (11) wandelt die Bewegung des Sensors (die als Frequenz ausgegeben wird) in eine Spannung, die vom Mikrocontroller am analogen Eingang gemessen wird. Überschreitet diese den eingestellten Schwellwert, reagiert der Mikrocontroller entsprechend.Once the solar module is tilted, there is a much larger attack surface for wind gusts and storms. Although the construction is very sturdy, larger and longer lasting storms would not last for long. To protect the construction, therefore, a wind sensor is installed, so that in case of a storm (prolonged strong wind, whose wind speed exceeds a predetermined and set threshold), the solar module is completely lowered. It is then parallel to the roof surface, the attack surface for the wind is minimal. The wind sensor 9127932 from Somfy is used as a wind sensor. The electronics for evaluation ( 11 ) converts the movement of the sensor (which is output as frequency) to a voltage measured by the microcontroller at the analogue input. If this exceeds the set threshold, the microcontroller responds accordingly.

• Rückmeldesensoren-Endschalter (Schaltplan Fig. 9)• Feedback sensor limit switch (circuit diagram Fig. 9)

Alle Bewegungen des Solarmoduls dürfen immer nur bis zu einem Endpunkt ausgeführt werden, da sonst die Mechanik beschädigt wird. So darf zum Beispiel das Solarmodul nur bis ca. 80° gekippt werden, da sonst die Gewindestange maximal (bis zum Anschlag) ausgefahren ist und der Motor eine Kraft (gegen den Anschlag) aufbringen muss, die er nicht leisten kann.All movements of the solar module may only be carried out to one end point, otherwise the mechanism will be damaged. For example, the solar module may only be tilted up to approximately 80 °, otherwise the threaded rod will be extended to the maximum extent (to the stop) and the motor will have to apply a force (against the stop) that it can not afford.

Auch darf das Solarmodul nur in einem festgelegten Bereich gedreht werden, andernfalls reichen die Kabel nicht und werden beschädigt. Um die Bewegungen zu begrenzen, werden Endschalter verbaut, die bei dem Erreichen des Endpunktes auslösen und die Bewegung stoppen.Also, the solar module may only be rotated within a specified range, otherwise the cables will not suffice and will be damaged. In order to limit the movements, limit switches are installed, which trigger when the end point is reached and stop the movement.

Als Endschalter haben wir Reedschalter verbaut. Diese lassen sich problemlos in ein Kunststoffgehäuse wetterfest einbauen und auf dem Rahmen der Konstruktion befestigen. Die Reedschalter werden durch einen Magneten geschaltet, der an dem jeweiligen beweglichen Teil der Konstruktion befestigt ist.We have installed reed switches as limit switches. These can be easily installed in a plastic housing weatherproof and attached to the frame of the construction. The reed switches are switched by a magnet attached to the respective moving part of the structure.

Die Endschalter müssen, da sie über eine relativ lange Leitung an den Mikrocontroller angeschlossen werden, entstört werden. Dies geschieht durch einen parallel geschalteten Kondensator, der kurze Ladungsspitzen puffert, erst ein längere Betätigung (im Millisekunden-Bereich) lässt das Signal an den Mikrocontroller gelangen. Ein Widerstand, der in Reihe geschaltet ist, begrenzt Störströme, die den Mikrocontroller ansonsten beschädigen würden. Weiterhin geschieht die Entstörung softwaremäßig. Nur wenn der Impuls eine längere Zeit anhält, stoppt der Mikrocontroller den betreffenden Motor und verhindert ein Weiterlaufen in diese Richtung. Zusätzlich sind die Kabel zu den Endschaltern geschirmt, sodass Einstreuungen reduziert bzw. vermieden werden. Auf der Platine, auf die die Endschalteranschlüsse herausgeführt sind, befinden sich auch die Pull-Up Widerstände, die dafür sorgen, dass an den Eingängen des Mikrocontrollers Spannung (logisch 1) anliegt, wenn der Endschalter nicht gedrückt ist. Wird der Endschalter gedrückt, liegt an den Eingängen des Mikrocontrollers die Masse (logisch 0).The limit switches must be suppressed because they are connected to the microcontroller via a relatively long cable. This is done by a parallel-connected capacitor, which buffers short charge peaks, only a long operation (in the millisecond range) allows the signal to reach the microcontroller. A resistor connected in series limits noise currents that would otherwise damage the microcontroller. Furthermore, the suppression is done by software. Only if the pulse lasts for a longer time, the microcontroller stops the relevant engine and prevents further running in this direction. In addition, the cables to the limit switches are shielded so that interference is reduced or avoided. On the board to which the limit switch terminals are led, there are also the pull-up resistors, which ensure that voltage (logical 1) is applied to the inputs of the microcontroller when the limit switch is not pressed. If the limit switch is pressed, the ground is at the inputs of the microcontroller (logical 0).

b) Mikrocontroller und Grundplatine (Schaltplan Fig. 12)b) microcontroller and motherboard (circuit diagram Fig. 12)

Aufgabe des Mikrocontrollers ist die gesamte Steuerung. Das heißt, er muss die Sensordaten der 4 Fotowiderstände (15) auswerten, überprüfen, ob eine Bewegung der Konstruktion vom Energiebedarf her sinnvoll ist und in welche Richtung sie ausgeführt werden muss; ob die Windstärke ein Kippen des Moduls zulässt und ob das Modul in die jeweilige Richtung bewegt werden darf oder ob bereits die Endposition erreicht ist. Auch muss der Mikrocontroller einen möglichen Schneebelag des Moduls verhindern, bzw. bei Schneefall das Modul aufstellen, damit der Schnee abgleiten kann und weiterhin mit dem Modul Leistung erzielt werden kann. Weiterhin meldet der Mikrocontroller alle Steuerbefehle an einen PC (als Option).The task of the microcontroller is the entire controller. That is, he must use the sensor data of the 4 photoresistors ( 15 ) evaluate whether a movement of the construction makes sense from the energy demand and in which direction it must be executed; whether the wind force allows tilting of the module and whether the module may be moved in the respective direction or whether the final position has already been reached. Also, the microcontroller must prevent a possible snow cover of the module, or set up the module during snowfall, so that the snow can slide off and continue to be achieved with the module performance. Furthermore, the microcontroller reports all control commands to a PC (as an option).

Als Mikrocontroller wird ein ATmega32 der Firma Atmel eingesetzt. Diesen konnten wir, zusammen mit einer kleinen Grundplatine, von der Hochschule Mannheim erhalten, auch ein passendes Programmiergerät konnte sie uns vorübergehend ausleihen. Dieser 8bit Mikrocontroller hat ein 40poliges DIL Gehäuse und ist somit gut zu verbauen. Er verfügt über 32 KB Programmspeicher und 2 KB RAM, maximal 32 digitale Ein- oder Ausgänge und einen Analog Digital-Wandler mit 10 bit Auflösung und 8 Kanälen. Gerade diese hohe Genauigkeit ist für die präzise Messung der Beleuchtungsstärke durch die Fotowiderstände nötig. Wir wählten diesen Controller, der bei genauer Betrachtung für unsere Zwecke eher überdimensioniert ist, da ein kleinerer Controller nicht weniger Strom benötigt, nur 1–2€ günstiger ist und wir mit diesem Controller große Reserven haben, um später weitere Funktionen (die zum Zeitpunkt der Mikrocontrollerwahl noch nicht feststanden) ergänzen zu können. The microcontroller used is an ATmega32 from Atmel. We were able to get this, together with a small motherboard, from the University of Mannheim, and we were also able to borrow a suitable programming device. This 8bit microcontroller has a 40pin DIL housing and is therefore easy to install. It has 32 KB program memory and 2 KB RAM, a maximum of 32 digital inputs or outputs and an analogue digital converter with 10 bit resolution and 8 channels. Precisely this high accuracy is necessary for the precise measurement of the illuminance by the photoresistors. We chose this controller, which on closer inspection is rather oversized for our purposes, since a smaller controller does not need less power, only 1-2 € cheaper and we have with this controller large reserves to later additional functions (at the time of Microcontroller choice not yet determined) to complement.

Auch die Tatsache, dass wir ihn, zusammen mit der passenden Grundplatine, von der Hochschule erhalten konnten, sprach für den ATmega32. Auf der Grundplatine befindet sich eine Netzteilschaltung (Versorgung 12 V DC von der Solaranlage), die den Mikrocontroller mit konstanten 5 V versorgt, weiterhin Anschlüsse, auf die die Ports des Mikrocontrollers herausgeführt sind. Auch ein Pegelwandler für die serielle Schnittstelle ist enthalten, sodass der Mikrocontroller ohne größeren Aufwand mit dem PC verbunden werden kann. An die Grundplatine werden alle anderen Platinen, z. B. die Platine, die die Endschalteranschlüsse enthält, per Flachkabel angeschlossen. Übersicht über die Anschlüsse des Mikrocontrollers: PortA (geschaltet als analoge Eingänge) 0: Lichtsensor 1 1: Lichtsensor 2 2: Lichtsensor 3 3: Lichtsensor 4 4: Windsensor 5–6: nicht belegt 7: Schneesensor (über Multiplexer) PortB (geschaltet als Ausgänge) 0–3: nicht belegt 4, 5: Motorausgänge, Kippantrieb 6,7: Motorausgänge, Drehantrieb PortC (geschaltet als digitale Eingange (0–5); bzw. digitale Ausgänge (6–7)) 0, 1: nicht belegt 2–5: Eingänge für Endschalter 6,7: Steuereingänge A und B des analogen Multiplexers PortD 0, 1: serielle Schnittstelle 2–7: nicht belegt Also the fact that we could get it from the university, along with the matching motherboard, spoke for the ATmega32. On the motherboard there is a power supply circuit (supply 12 V DC from the solar system), which supplies the microcontroller with a constant 5 V, further connections, on which the ports of the microcontroller are led out. A level converter for the serial interface is also included, so that the microcontroller can be connected to the PC without much effort. To the motherboard all other boards, z. B. the board containing the limit switch terminals, connected by flat cable. Overview of the microcontroller ports: PortA (switched as analog inputs) 0: light sensor 1 1: light sensor 2 2: light sensor 3 3: light sensor 4 4: wind sensor 5-6: not used 7: snow sensor (via multiplexer) PortB (switched as outputs) 0-3: not used 4, 5: Motor outputs, tilting drive 6,7: Motor outputs, rotary drive PortC (switched as digital inputs (0-5) or digital outputs (6-7)) 0, 1: not used 2-5: Inputs for limit switches 6,7: Control inputs A and B of the analog multiplexer PortD 0, 1: serial interface 2-7: not used

c) Lastteil-Motoransteuerung (Schaltplan Fig. 8)c) load part motor control (circuit diagram Fig. 8)

Die beiden Motoren, die für die beiden Bewegungsrichtungen zuständig sind, müssen von dem Mikrocontroller angesteuert werden. Das heißt, es ist ein Lastteil nötig, das mit den geringen Steuerströmen und der geringen Steuerspannung des Mikrocontrollers die wesentlich größeren Motorströme schaltet. Die Motoren werden von jeweils 2 digitalen Ausgängen des Mikrocontrollers angesteuert. Die Platine für die Motoransteuerung enthält jeweils 2 Relais, die den Motor umpolen bzw. ein- und ausschalten, Freilaufdioden für den Motor und Transistoren, die als Schalttransistor verwendet werden und so die Steuerspannung der Relais schalten. Eine weitere Entstörung des Motors ist nicht notwendig, da eine gewisse Entstörschaltung, die unter anderem z. B. Entstörkondensatoren enthält, im Motor eingebaut ist. Zur Funktionsweise: Liegt an beiden Ausgängen des Mikrocontrollers keine Spannung, sperren beide Transistoren. Beide Pole des Motors liegen also auf GND, da die Relais nicht anziehen, der Motor steht. Wird ein Ausgang des Mikrocontrollers eingeschaltet, sodass Spannung anliegt, schaltet der Transistor durch, das jeweilige Relais zieht an und der Motor dreht sich in die jeweilige Richtung. Die Steuerungssoftware verhindert ein gleichzeitiges anziehen beider Relais.The two motors, which are responsible for the two directions of movement, must be controlled by the microcontroller. This means that a load part is necessary, which switches the much larger motor currents with the low control currents and the low control voltage of the microcontroller. The motors are controlled by 2 digital outputs each of the microcontroller. The board for motor control contains 2 relays each, which reverse the motor or turn on and off, freewheeling diodes for the motor and transistors, which are used as a switching transistor and so switch the control voltage of the relay. Another suppression of the motor is not necessary because a certain noise suppression circuit, which, among other things z. B. Entstörkondensatoren contains, is installed in the engine. How it works: If there is no voltage at both outputs of the microcontroller, both transistors are blocked. Both poles of the motor are therefore at GND, because the relays do not tighten, the engine stops. If an output of the microcontroller is switched on, so that voltage is applied, the transistor switches through, the respective relay picks up and the motor rotates in the respective direction. The control software prevents simultaneous tightening of both relays.

d) Steuerungssoftware d) control software

Die Steuerungssoftware, die auf dem Mikrocontroller lauft, übernimmt die eigentliche Regelung. Ihr Ablauf ist dieser:

The control software running on the microcontroller takes over the actual control. Your process is this:

Die Steuerungssoftware ist in C geschrieben und wird mithilfe eines Programmiergerätes in den ATmega32 übertragen. Weiterhin ist die Software so aufgebaut, dass alle wichtigen Parameter (maximale Windgeschwindigkeit, minimale Helligkeit etc.) als Konstanten einfach verändert und den lokalen Bedingungen angepasst werden können The control software is written in C and is transferred to the ATmega32 using a programming device. Furthermore, the software is designed so that all important parameters (maximum wind speed, minimum brightness, etc.) can be easily changed as constants and adapted to the local conditions

e) Rückmeldung-Verbindung zum PCe) Feedback connection to the PC

Eine Rückmeldung der aktuellen Messwerte der Umweltsensoren (Sonnenstandssensor, Windsensor) sowie der aktuellen Befehle der Steuerung ist sowohl zur Kontrolle, als auch zur Fehlersuche während der Entwicklung neuer Funktionen und im Falle eines Defektes sehr sinnvoll. Wir verwenden die serielle Schnittstelle zur Rückmeldung, da die hardwaremäßigen Voraussetzungen zur Nutzung (UART am Mikrocontroller; Pegelwandler auf der Grundplatine) bereits gegeben sind. Außerdem benötigt man keine weitere Software, das erforderliche Terminalprogramm ist bereits auf jedem PC installiert. Da ein PC jedoch weiteren Strom verbraucht und eine Rückmeldung im normalen Betrieb nicht relevant ist, wird die Rückmeldefunktion lediglich als Option verwendet, im Normalbetrieb wird kein PC zur Kontrolle benötigt.A feedback of the current measured values of the environmental sensors (sun position sensor, wind sensor) as well as the current commands of the control is very useful for the control, as well as for troubleshooting during the development of new functions and in case of a defect. We use the serial interface for feedback because the hardware requirements for the use (UART at the microcontroller, level converter on the motherboard) are already given. You also do not need any additional software, the required terminal program is already installed on every PC. However, since a PC consumes more power and feedback in normal operation is not relevant, the feedback function is used only as an option, in normal operation, no PC is needed for control.

6. Rentabilität und Kosten6. Profitability and costs

Dass die Nachführung von der Energiebilanz her rentabel ist, lässt sich an einer einfachen Rechnung sehen. Im Sommer erreicht ein Solarmodul mit 80 Wp Leistung bei guter Beleuchtung eine Leistung von mindestens 60 W, wenn die Sonne optimal einfällt. In den ersten Stunden des Tages (z. B. zwischen 6 und 8 Uhr) erzielt man durch die Nachführung teilweise über 55% mehr Leistung. In diesen beiden Stunden erzielt man also mit 2 Solarmodulen ca. 60 Wh mehr. Unsere Motoren brauchen ca. 30 W. Am Tag sind sie (selbst bei einmaligem flach legen und erneutem aufstellen aufgrund eines Sturmes) nicht länger als eine Stunde in Betrieb. Die Steuerung benötigt nicht mehr als 0,5 W/h. Damit liegt der gesamte Energieverbrauch der Nachführung unter 42 Wh. Das heißt, dass das Solarmodul bereits ab dem Vormittag bis zur Nacht mehr Energie gewinnt als eine nicht nachgeführte Lösung. Im Winter ist der Energiegewinn eher noch höher, da die Nachführung die flacher einfallenden Sonnenstrahlen besser ausnutzt. Bei starker Bewölkung ist zwar die erzielte Leistung generell geringer, das Modul wird jedoch auch nicht bewegt (vgl. Steuerung), sodass deutlich weniger Energie benötigt wird. Auch hier gewinnt die Nachführung damit mehr Energie als sie verbraucht (vgl. Messwerte des Versuches im Anhang). Die Materialkosten für unsere Konstruktion betragen ca. 250 € (vgl. Anhang: Materialkostenrechnung). Bei industrieller Fertigung sollten die Kosten (ohne Endmontage auf dem Dach) nicht über 400 € liegen (automatisierte Fertigung, günstigerer Materialeinkauf, Lohnkosten). Damit ist, selbst bei einer Gewinnspanne von über 60%, unsere Konstruktion mit einem Preis von 700 € sehr günstig.That the tracking is profitable from the energy balance can be seen in a simple calculation. In summer, a solar module with 80 Wp power achieves a power of at least 60 W in good lighting when the sun is optimally incident. In the first few hours of the day (eg between 6 and 8 o'clock), the tracker sometimes achieves more than 55% more power. So in these two hours you will get about 60 Wh more with 2 solar modules. Our engines need about 30 W. During the day they are (even with a one-time lay flat and re-set up due to a storm) not longer than one hour in operation. The controller does not need more than 0.5 W / h. This means that the total energy consumption of the tracking system is less than 42 Wh. This means that the solar module already gains more energy from the morning until the night than a non-tracked solution. In winter, the energy gain is rather higher, as the tracking better exploits the shallow sunrays. In the case of heavy cloud, the performance achieved is generally lower, but the module will not be moved (see Control), so that significantly less energy is needed. Here, too, the tracking gains more energy than it consumes (see the measured values of the experiment in the appendix). The material costs for our construction amount to about 250 € (see appendix: material cost calculation). For industrial production, the costs (without final assembly on the roof) should not exceed € 400 (automated production, cheaper material purchase, labor costs). Thus, even with a profit margin of over 60%, our construction with a price of 700 € is very cheap.

7. Zusammenfassung und Ausblick7. Summary and Outlook

Alles in allem ist es uns gelungen, eine einfache und kostengünstige Solarnachführung zu bauen, die die Effizienz einer (bereits vorhandenen) Solaranlage um 20%–70% erhöhen kann (vgl. Messung im Anhang). Damit haben wir unser Ziel erreicht. Ein großer Vorteil in unserer Konstruktion liegt neben dem Preis in der Sensortechnik. Während herkömmliche Privatanlagen entweder auf GPS oder Funkuhrzeit angewiesen und dadurch auch von einem reibungslosen Empfang dieser Signale abhängig sind, kommt unsere Konstruktion mit einem Sensor aus, der die effizienteste Bewegung des Moduls bestimmt. Ein weiter Vorteil dieser Sensortechnik ist, das wir die Solarmodule nach der absolut hellsten Stelle am Himmel ausrichten, während herkömmlich Anlagen die Module nach dem berechneten Sonnenstand ausrichten, auch wenn sie wegen Bewölkung durch diese Positionierung weniger Leistung erzielen. Durch die Sensortechnik und die Stromversorgung aus der vorhandenen Solaranlage ist unsere Nachführung damit völlig autark und kann nahezu überall eingesetzt werden.All in all, we have succeeded in building a simple and cost-effective solar tracking system that can increase the efficiency of a (already existing) solar system by 20% -70% (see measurement in the appendix). With this we have reached our goal. A big advantage in our design lies beside the price in the sensor technology. While traditional personal systems rely on either GPS or radio time, and thus also depend on a smooth reception of these signals, our design comes with a sensor that determines the most efficient movement of the module. A further advantage of this sensor technology is that we align the solar modules to the absolutely brightest point in the sky, while conventional systems align the modules according to the calculated position of the sun, even if they achieve less power due to cloudiness due to this positioning. Due to the sensor technology and the power supply from the existing solar system our tracking is completely self-sufficient and can be used almost anywhere.

Durch die Stabilität unserer Konstruktion und die Stärke der Motoren ist es weiterhin möglich, auf unserer Nachführung mehrere Solarmodule mit einer Gesamtleistung von ca. 400 Wp zu montieren und nicht, wie anfänglich geplant, nur 2 Module mit einer Leistung von je 80 Wp. So wird die gesamte Solarnachführung noch effektiver, da nur geringfügig mehr Energie für die Nachführung verbraucht, aber deutlich mehr Energie gewonnen wird. Die Konstruktion ist damit deutlich günstiger als bereits vorhandene Lösungen, die bei geringerer Modulfläche deutlich teurer sind. Ziel war es weiterhin, eine Flachdachlösung zu entwickeln. Mittlerweile stellten wir fest, dass man mit einer leichten Modifikation der Steuerungssoftware unsere Lösung auch auf Schrägdächern einsetzen könnte. Natürlich lässt sich an unserer Konstruktion noch einiges verbessern und erweitern. So könnte man an vielen Bewegungspunkten, vor allem am Hauptdrehlager, die Reibung durch Kugellager verringern, fraglich bleibt jedoch, ob die dadurch entstehenden Kosten rentabel sind. Auch lässt sich die Steuerungssoftware um zusätzliche Schutzmaßnahmen ergänzen. Sie könnten mögliche Defekte verhindern, z. B. wenn ein Kabelbruch zur Störung der Endschalter führen würde. Um die Effizienz der Solarnachführung vor allem in unseren Breitengraden im Winter weiter zu erhöhen, wäre die Erweiterung um einen Schneesensor sehr sinnvoll. Dieser würde Schneefall erkennen und das Modul dann maximal aufstellen. Da der maximale Kippwinkel größer als 75° ist und bereits ab einem Kippwinkel von 60° davon ausgegangen werden kann, dass der Schnee abgleitet, würde so eine Schneebedeckung des Modules vermieden. Man könnte in den folgenden Tagen wesentlich mehr Energie gewinnen, da ein eingeschneites Solarmodul in der Regel keine Energie gewinnt. Auch eine Erweiterung der Mikrocontrollersteuerung um eine Messfunktion der aktuellen Leistungswerte der installierten Solarmodule (Stromstärke und Spannung) wäre nützlich. Diese bietet den Vorteil, die Leistung der Solaranlage wirkungsvoll und ohne zusätzliche stromverbrauchende Geräte zu überwachen, des weiteren ließe sich mit diesen Messwerten in Verbindung mit dem Schneesensor sicher ermitteln, ob das Modul noch von einer Schneeschicht bedeckt ist, oder ob diese bereits vollständig abgeglitten und Normalbetrieb wieder sinnvoll ist. In Verbindung mit dem Feuchtigkeitssensor des Schneesensors ließe sich auch eine Reinigungsfunktion einbauen, sodass nach vorheriger Aktivierung der Reinigungsfunktion beim nächsten starken Regen das Modul maximal aufgestellt werden würde. Verschmutzungen (Laub, Staub,...) würden abgewaschen werden (Verschmutzung senkt die erzielte Leistung um 15–30%). Due to the stability of our design and the strength of the motors, it is still possible to mount several solar modules on our track with a total output of approx. 400 Wp and not, as originally planned, only 2 modules with an output of 80 Wp each The entire solar tracking even more effective, since only slightly more energy consumed for tracking, but significantly more energy is gained. The design is thus significantly cheaper than existing solutions that are significantly more expensive with less module area. The goal was still to develop a flat roof solution. Meanwhile, we realized that with a slight modification of the control software, we could also use our solution on pitched roofs. Of course, we can improve and expand on our design a lot. So it could be at many points of motion, especially at the main bearing, the friction reduced by ball bearings, but it remains questionable whether the resulting costs are profitable. The control software can also be supplemented with additional protective measures. You could prevent possible defects, eg. B. if a cable break would lead to the failure of the limit switch. In order to further increase the efficiency of the solar tracking, especially in our latitudes in winter, the addition of a snow sensor would make sense. This would detect snowfall and then set up the module maximum. Since the maximum tilt angle is greater than 75 ° and can be assumed from a tilt angle of 60 ° from the fact that the snow slides, so a snow cover of the module would be avoided. You could gain significantly more energy in the following days, because a snowed-in solar module usually does not gain energy. An extension of the microcontroller control to include a measurement function of the current power values of the installed solar modules (current and voltage) would also be useful. This offers the advantage to monitor the performance of the solar system effectively and without additional power consuming devices, furthermore could be determined with these measurements in conjunction with the snow sensor safely, if the module is still covered by a layer of snow, or if they are already completely slipped and Normal operation makes sense again. In conjunction with the moisture sensor of the snow sensor, it would also be possible to install a cleaning function, so that the module would be maximally set up after the cleaning function had been activated the next time it rained. Dirt (leaves, dust, ...) would be washed off (pollution reduces the achieved output by 15-30%).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Fig. 1: Querschnitt durch die Nachführung

1: Standkreuz
2: Metallplatte zur Erhöhung der Stabilität
3: inneres Rohr des Drehlagers
4: äußeres Rohr des Drehlagers
5: Drehmotor
6: Metallplatte
7: drehbar gelagerte Achse
8: Kippmotor
9: drehbar gelagerte Achse (Gewindestange)
10: Gewindestange
11: Rohr-Paar
12: Rundrohr mit eingeschweißter Gewindemuffe
13: Rohr-Paar
14: drehbar gelagerte Achse
17: Solarmodul(e)
18: Sonnenstandssenor

Fig. 2: Detailansicht des Kippantriebes, bestehend aus Gewindestange 10

und Rohr

12Fig. 3: Blick auf die Metallplatte 6 (Detailansicht des Drehantriebes)

19: Rolle mit großem Radius
20: Rolle mit kleinem Radius (angetrieben von Drehmotor 5)
21: Drahtseil

Fig. 4: Sicht von oben auf den Sonnenstandssenor

15: Fotowiderstände
16: Abschattung

Fig. 1: cross section through the tracking

1: stand cross
2: Metal plate for increased stability
3: inner tube of the pivot bearing
4: outer tube of the pivot bearing
5: rotary engine
6: metal plate
7: rotatably mounted axle
8th: tilt motor
9: rotatably mounted axle (threaded rod)
10: threaded rod
11: Pipe-pair
12: Round tube with welded threaded sleeve
13: Pipe-pair
14: rotatably mounted axle
17: Solar module (s)
18: Sun Senor

Fig. 2: Detail view of the tilting drive, consisting of threaded rod 10 and pipe 12 Fig. 3: View of the metal plate 6 (Detail view of the rotary drive)

19: Roll with a large radius
20: Roller with a small radius (driven by a rotary motor 5 )
21: Wire rope

Fig. 4: View from above of the Sonnenstandssenor

15: photoresistors
16: shading

5 : Construction drawing of the cross ( 1 - 2 )
6 : Construction drawing upper part ( 7 - 14 )
7 : Circuit diagram sun sensor
8th : Wiring diagram engine control
9 : Circuit diagram limit switch
10 : Schematic snow sensor
11 : Circuit diagram wind sensor
12 : Schematic Motherboard

Claims

Photovoltaic device, comprising at least one photovoltaic converter, a controller and at least three environmental sensors, wherein these comprise a brightness, a wind and a snow sensor and these are set up, at least one environmental influence, in particular position of the sun, wind force, rain and / or snow, to detect the photovoltaic device, wherein the controller is adapted to align the at least one photovoltaic transducer according to the sensor signals, and wherein the snow sensor consists of three components, one of which is adapted to detect the temperature at the location of the photovoltaic device and the two other components are set up so that they independently of one another detect an existing on the photovoltaic converter coating optically and recognize this coating as snow in correlation to a reference sensor.

A photovoltaic device according to claim 1, wherein the controller is adapted to align the photovoltaic converter independently of external control data, in particular weather data.

Photovoltaic device according to one of the preceding claims, wherein the controller is adapted to align the photovoltaic converter independently of external control signals, in particular radio time signals and / or GPS signals.

Photovoltaic device according to one of the preceding claims, wherein the brightness sensor is adapted to detect existing brightness ratios and brighter places or the brightest spot in relation to its own position.

Photovoltaic device according to one of the preceding claims, wherein the brightness sensor comprises at least one cross-shaped shading, in particular of plastic L-profiles.

A photovoltaic device according to any one of the preceding claims, wherein the brightness sensor 4 Sensor units, in particular consisting of photoresistors, phototransistors and / or solar cells, comprises, which are arranged in the respective quadrant of the shading cross.

Photovoltaic device according to one of the preceding claims, wherein the brightness sensor is set up to output brightness ratios detected with the aid of the sensor units to the controller

Photovoltaic device according to one of the preceding claims, wherein the wind sensor is adapted to protect the photovoltaic device from damage caused by an unfavorable orientation with respect to wind direction and wind speed by the photovoltaic device is completely lowered by the controller.

Photovoltaic device according to one of the preceding claims, wherein the alignment of the photovoltaic transducer is mono- or multi-axial.