Solar Tracking Battery (Nederlands/Dutch)

Wij, Maik en Martijn, hebben besloten een zonnevolgsysteem te maken wat automatisch ‘s nachts terugdraait. Een van de eisen die wij onszelf gesteld hebben is dat het systeem moet werken zonder batterij of accu. Een oplossing die we hiervoor gevonden hebben is door overdag energie van het zonnepaneel op te slaan in de vorm van een gewicht wat omhoog gehesen wordt. Het gewicht bestaat grotendeels uit een platform met het zonnepaneel en bakstenen.

De opdracht komt vanuit onze studie. Voor minor (een half jaar lang specialiseren op een onderwerp en of leerdoel) hadden we een project nodig. De eisen die wij onszelf gesteld hebben zijn gericht op het ontwerpen en bouwen van een apparaat dat gebruik maakt van elektronische hardware en software. Maar ook juist op het bouwen van een fysiek apparaat waarbij gelast en geslepen moet worden.

Met brainstormen om aan een project te komen waren we er al snel over eens dat het een project met zonnepanelen moest worden. Zonnepanelen leveren groene energie en dat is belangrijk in de maatschappij waarin wij leven. Tijdens het zoeken naar ideeën merkten we dat zonnepanelen steeds duurder worden en daarom hebben we voor dit project gekozen. Door een constructie te bouwen die de opbrengst van een zonnepaneel groter maakt, zijn er minder zonnepanelen nodig. Een normale zonnevolger bestaat al, dus moesten we iets toevoegen aan dit concept. Het opslaan van energie is een ander onderwerp waar op dit moment veel onderzoek naar wordt gedaan. Hierdoor kwamen we op het idee om energie op te slaan in de hoogte van de constructie. Het idee van minder zonnepanelen vervalt hierdoor wel voor het grootste gedeelte, dus is het meer een gadget geworden voor in de tuin. Maar in theorie kan dit concept wel op grotere schaal gebouwd worden.

Uiteindelijk kwamen we uit op dit idee. Het apparaat wat we hebben ontworpen heeft van alles wat; hardware, software, ijzeren onderdelen en motoren. In dit artikel op Instructables gaan we langs de stappen die nodig zijn om deze ‘Solar tracking battery’ na te bouwen. Ook zullen de door ons geschreven software en de 3D ontworpen zonnevolger beschikbaar zijn om te downloaden.

Voor school was het nodig dat we onderzoek doen. Wij hebben ervoor gekozen onderzoek te doen om een ontwerp te kunnen maken voor de solar tracker, om energieverbruik van elektrische componenten te bepalen en de draaibewegingen van het systeem te berekenen.

Tijdens het ontwerpen en de bouw van dit project zijn we er achter gekomen dat je rekening moet houden met een aantal restricties aan de gebruikte onderdelen.

De microcontroller die we gebruiken reset wanneer de stroom er helemaal vanaf gaat. Dus wanneer het systeem zonder stroom komt te zitten ben je alle opgeslagen data kwijt.

De microcontroller en de motor die we gaan gebruiken voor het draaien van het zonnepaneel gebruiken nog best wel veel energie. Hierdoor is het mogelijk dat de ontworpen constructie niet genoeg energie opgeslagen zal hebben om de hele nacht te blijven werken.

Een laatste punt waar we tegenaan lopen is de rem die nodig is tijdens de nacht. De energieberekeningen die gedaan zijn houden geen rekening met het energieverlies wat de rem toe zal voegen aan de totaal benodigde energie.

Wat wij gebouwd hebben en hier beschrijven is een conceptversie van het device, dit betekent dat hij waarschijnlijk niet 100% zal doen wat wij gehoopt hebben in verband met bovenstaande punten. Maar het idee en het bouwen ervan blijft leuk en een goede uitdaging. Wanneer je zelf een poging doet om dit project na te bouwen heb je dus keuze voor een extra uitdaging door de door ons vergeten punten alsnog op te lossen en ze te verwerken in je ontwerp. Deze instructable is dan ook geen gedetailleerde handleiding, maar een globale uitleg hoe wij dit product hebben ontworpen en gebouwd.

Wij bouwen het zonnevolgsysteem op een vrij groot formaat, dit kan je natuurlijk ook nog doen als miniatuurversie. Veel plezier bij het nabouwen of lezen van dit project!

Onderdelen

• 1x oude parasol voet
• 1x 6 cm dikke buis als paal
• 1x stevig touw van ongeveer 2,5 meter (moet glad zijn)
• 1x een kort stuk buis wat net om de paal heen past
• 1x 20 watt zonnepaneel(max 20V)
• 5x Fotodiode BPW34
• 1x LM324 opamp (DIP variant)
• 1x LM358 opamp (DIP variant)
• 5x Weerstand(1000 W)
• 1x Arduino Due
• 1x Oled SSD1306 (voor statistieken / debuggen)
• 1x HMC5883L magneto sensor(digitale kompas sensor)
• 2x RF-300CA-11440 DC motor
• 1x Motor 12v
• IJzeren buizen of koker om een platform mee te maken
• Bakstenen (of andere zware voorwerpen...)
• Stroomkabels / Arduino connectoren
• Print materiaal (ongeveer 60 gram)

Gereedschap

• 3D printer
• Lasapparaat
• Slijptol
• Lijmpistool

De eerste stap in het proces om een zonnevolger te maken is het ontwerpen. Wij hebben ons ontwerp al gemaakt. Het ontwerp en een toelichting van de keuzes is te vinden in het bijgevoegde ontwerpdocument onder downloads. Als eerste hebben wij een grof ontwerp gemaakt van hoe de constructie er volgens ons ongeveer uit moet komen te zien. Daarna hebben wij aan de hand van de eisen van het systeem het ontwerp aangepast zodat alle functies mogelijk zijn.

Bij het onderzoek zijn we begonnen aan een werkend ontwerp om de zon te kunnen volgen. Eén van de inspiraties bij het ontwerpen van een werkende zonnevolger was een ouderwetse zonnewijzer. Een zonnewijzer werkt door naar de schaduw te kijken. Nu is er nog een methode nodig om de Arduino naar zon en schaduw te laten kijken. Een LDR (licht gevoelige weerstand) kan de hoeveelheid licht meten, maar is lastig om te gebruiken als je een precies verschil in hoeveelheid licht moet hebben. De meetwaarden nemen namelijk exponentieel toe met de hoeveelheid licht. Een betere keuze leek ons dan ook om een fotodiode te gebruiken. Een fotodiode is eigenlijk gewoon een heel klein stukje zonnepaneel. Hiermee kan je wel op een precieze manier het verschil in de hoeveelheid licht bepalen.

Nu is er alleen nog schaduw nodig om de hoek te kunnen bepalen. We kwamen op het idee een vierkant blokje te pakken. Op dit blokje kan maar op maximaal drie kanten tegelijk zonlicht vallen, twee zijkanten en op de bovenkant. De hoek van de zon is dus uit te drukken als de verhouding van de hoeveelheid licht wat op twee kanten van het blokje valt.

Nu willen we het zonnepaneel graag in twee draairichtingen de zon laten volgen. Dus is de verhouding tussen twee kanten rondom het blokje nodig en de verhouding tussen de bovenkant en de zijkant met het meeste licht. Hoe we deze meetwaarden omzetten is te lezen in bijgevoegd onderzoek onder downloads.

Voor het maken van de zonnevolger zijn wij begonnen met het 3D tekenen van het blokje en het uitzoeken van sensoren. Dit is nu voor jullie dus al gedaan. We hebben dit concept, de zonnevolger zoals hij hierboven getekend staat, eerst met een kartonnen blokje uitgeprobeerd. Dit werkte al best wel goed, dus hebben we ons 3D ontwerp op de printer gezet en geprint. Het printen duurt vrij lang (zo’n 5 á 6 uur), dus raad ik jullie aan te beginnen met het starten van de 3D printer. Om de fotodiodes goed te kunnen uitlezen op een Arduino is het nodig om de onderstaande schakeling na te bouwen. Fotodiodes wekken stroom op, net als zonnepanelen. Deze stroom moet vervolgens worden omgezet naar een spanning om te kunnen meten met de Arduino. Let ook op de plaatsing van de LM324 en de LM358 (kijk naar het halve cirkeltje op de chip) en de + en – van de fotodiodes!

Voor het bouwen van het frame hebben we voornamelijk gebruik gemaakt van een opgesteld ontwerpdocument en de 3D tekeningen. Hierin is bepaald hoe het systeem eruit komt te zien en welke delen moeten kunnen bewegen. Voor het bouwen hebben we oud ijzer gebruikt zoals buizen van verschillende diameters en al aan elkaar gelaste stukken, maar ook een oude parasolvoet als voetstuk. Het is belangrijk om te weten dat de diameters van de buizen niet precies gelijk hoeven te zijn aan die van ons, maar de onderlinge afstanden en lengtes van de buizen zijn wel belangrijk.

We hebben een buis van ongeveer 1,3 meter lang en een buitendiameter van ongeveer 60 millimeter gevonden die in de parasolvoet past. Hier zat nog wel een hoekstuk aan die eraf is geslepen. Vervolgens is er een buis van ongeveer 2 meter geslepen naar twee stukken van 80 centimeter. Deze twee buizen worden gebruikt voor het ophangen van het zonnepaneel en als frame voor het plaatsen van elektronica en bakstenen als extra massa. Als deze buizen op maat zijn geslepen kunnen er gaatjes in worden geboord voor de bouten van het zonnepaneel. Deze gaatjes moeten ongeveer 1 centimeter van het uiteinde van de buizen komen en de buis moet volledig doorgeboord worden. Het gedeelte dat over de paal kan schuiven moet breed genoeg zijn zodat het zonnepaneel in de breedte ertussen past. In ons geval hebben we hier nog een iets smallere buis erin geschoven en vastgelast. Zorg ervoor dat de twee smallere buizen op ongeveer de helft van de lengte worden vastgelast aan het schuifgedeelte en dat helft van de lengte van het zonnepaneel hier nog tussen kan draaien (zie de afbeelding hieronder). Check hierbij ook of het schuifgedeelte zonder veel weerstand om de paal kan draaien.

Vervolgens hebben we het touw vastgemaakt aan het platform. Hierbij hebben we eerst een dik touw door een gat in de parasolvoet gehaald, vervolgens door de binnenkant van de buis naar boven en door de opening aan de bovenkant. Ook deze kant van het touw hebben we aan de platform geknoopt. Uiteindelijk zijn er rollers geplaatst aan de bovenkant van de paal zodat het touw niet kan gaan rafelen. Om de onderdelen als de Arduino, de servomotor en de bakstenen te plaatsen worden er nog houten platen tussen de smalle buizen van het frame bevestigd. Zorg ook hierbij ervoor dat het paneel nog kan kantelen zonder vast te lopen op de plank.

Het frame is klaar en nu kunnen de motoren, dynamo en overige elektronica worden ingebouwd!

Om het paneel te kunnen draaien en omhoog en omlaag te laten bewegen worden eerst de DC motoren en servomotor ingebouwd.

Voor het draaien van het paneel om zijn verticale as hebben we ervoor gekozen het schuivende gedeelte met een DC motor met roller te laten draaien (zie afbeelding). Deze is bevestigd aan het schuivende gedeelte en de roller rolt over de paal zodat het hele frame vervolgens om de paal zal draaien. De draaimotor kan worden vastgelijmd met een lijmpistool aan de onderkant van de schuivende buis waarbij de as van de motor naar beneden wijst. Check of de roller goed contact maakt met de paal.

Vervolgens kan de dynamo bovenaan de paal worden bevestigd. Wij hebben twee manieren bedacht om de dynamo te bevestigen. Hetzelfde geldt voor de hijsmotor die onderaan de paal wordt bevestigd. De eerste manier is om de dynamo ook weer vast te lijmen, waarbij de roller zich buiten de paal bevindt. Een andere optie is om de as van de motor met roller in de buis te monteren door een gat te boren en hier de motor doorheen te steken. Voor de hijsmotor aan de onderkant van de paal kan precies hetzelfde worden gedaan. Vervolgens kunnen ook twee gaten (naast de dynamo en naast de hijsmotor) in de paal aan de kant van het zonnepaneel worden geboord waar het touw doorheen kan lopen. Hierbij hebben wij een touw gebruikt van ongeveer 2,5 m dat niet kan rafelen en sterk genoeg is om alle massa van het zonnepaneel frame te liften. In ons geval is dat nylon touw. Beide uiteindes van het touw kunnen vervolgens vastgeknoopt worden aan het dwarsstuk van het schuivende gedeelte van het frame. Het touw moet ook een paar keer om de rollers van de hijsmotor en dynamo zijn geslagen en hier soepel overheen kunnen rollen.

De servomotor kan op de plank worden bevestigd aan de kant van het zonnepaneel (zie afbeelding). Met bijvoorbeeld een stevig ijzerdraadje aan een kleine propeller die aan de as van de servo zit, kan het zonnepaneel worden gekanteld. Hierbij moet het andere einde van het ijzerdraad zo dicht mogelijk bij het draaipunt van het zonnepaneel zitten zodat de servo slechts een kleine hoek hoeft te draaien om het zonnepaneel ver genoeg te kunnen kantelen.

Op de onderstaande foto is te zien hoe alle componenten zijn aangesloten op de Arduino en het zonnepaneel. In de tekening staan bij behorende verwachte spanningen. Sluit alles op je constructie aan volgens onderstaande tekening, je kan zelf kiezen wat voor kabels je wilt gebruiken en in de software kan je zelf pinnen toewijzen op de Arduino. Let er wel op dat de echte stroom kabels, dus de kabels die niet zijn bedoelt om iets te meten niet te dun zijn. Vooral door de kabel van het zonnepaneel gaat veel vermogen.

Let vooral ook op de lengte die je voor elke kabel kiest. De kabels naar de hijsmotor en de zonnevolger moeten lang genoeg worden dat het platform helemaal naar boven of beneden kan zonder dat de kabels breken of te strak komen te staan.