Von Jeremy Cook
Angesichts steigender Energiepreise und wachsender Umweltbedenken wird vielfach auf Sonnenenergie gesetzt. Diese Technologie bietet viele Vorzüge, weil sie nutzbare Energie buchstäblich aus der Luft schöpft. Ortsfeste Sonnenkollektoren sind aber wegen der Bewegung der Sonne am Himmel nur selten optimal darauf ausgerichtet und deshalb auch nicht optimal effizient.
Dieses Problem lässt sich einfach lösen mit automatisierten Kollektoren, die sich in die richtige Ausrichtung bringen. Der Aufbau eines Solartrackers ist recht einfach und lässt sich mit Fotowiderständen und einem Mikrocontroller realisieren. Der vorliegende Artikel enthält eine Anleitung zum Aufbau einer Schaltung zur Verfolgung des Sonnenstandes. Sie ist als Anregung oder sogar als Ausgangspunkt für ein größeres System gedacht.
Benötigte Bauteile
Das Build-Projekt wird auf einer Experimentierplatine aufgebaut und besteht aus der Schaltung zur Bewegung eines Getriebemotors, der an einer mit 3D-Verfahren gedruckten Baugruppe montiert ist. Die folgenden Bauteile werden benötigt:
- Mikrocontroller ATtiny85
- Kleiner Getriebemotor
- Motorantrieb L293D
- (2) lichtabhängige Widerstände (LDRs)
- (2) Widerstände, 2 kOhm
- Kleine Entwicklungsplatine
- Spannungsversorgung für Entwicklungsplatine
- Schaltdraht
- Mit 3D-Druck hergestellte mechanische Bauteile
- Stahlbasis (als Gewicht)
Der nachfolgend gezeigte Solartracker nutzt ein Spannungsteilerpaar zur Einspeisung der Spannungswerte des linken und rechten LDR an die Kontakte der Analog-Digital-Wandler (A/D-W) im ATtiny85. Diese wandeln Signalspannungen zwischen 0 und 5 Volt in Werte zwischen 0 und 255 um. Anhand dieser Informationen kann der Mikrocontroller erkennen, ob er sich zur Ausrichtung auf eine Lichtquelle nach links oder rechts bewegen muss bzw. am selben Ort bleiben kann.
Der Programmiercode für die Arduino-IDE ist nachfolgend angegeben. Er ist auch zum Download auf GitHub verfügbar, zusammen mit der mit 3D-Druck herstellbaren Basis und dem Design zur LDR-Abschirmung. Die Experimentierplatine vereinfacht den Aufbau, weil sie sowohl als mechanische Komponente und auch als das elektrische Verbindungssystem fungiert. Die Werte müssen unter Umständen je nach LDR- und Widerstandskonfiguration angepasst werden.
ATtiny85: Stromspar-Superstar
Der hier eingesetzte Mikrocontroller ATtiny85 ist eine in einem extrem kleinen Gehäuse untergebrachte Komplettlösung und läuft mit 1 MHz interner Taktfrequenz. Dieser Mikrocontroller braucht im aktiven Modus bei 1 MHz an einer Spannungsversorgung von 1,8 V eine Stromaufnahme nur 300 µA Strom – im Energiesparmodus ist es ein Bruchteil davon. In diesem Aufbau wird der Prozessor mit rund 5 V versorgt und hat damit im aktiven Modus einen Stromverbrauch im Bereich von lediglich einem mA.
Im Vergleich zu anderen Bausteinen wie etwa dem ESP32 (der allerdings WLAN-Funktionen bietet) ist die Stromaufnahme vernachlässigbar gering. Der interne Stromverbrauch ist eine wichtige Überlegung bei der Entwicklung von Energy-Harvesting-Geräten sowohl im großen als auch kleinen Maßstab.
Entwicklungsüberlegungen für Solar Bots
Dieses schnell zusammengesetzte Gerät veranschaulicht den einfachen Aufbau eines autonomen Geräts zur Sonnenstandsverfolgung. Tatsächlich könnte man ein ähnliches System sogar ganz ohne Mikrocontroller nur mit diskreten elektronischen Bauteilen aufbauen.
Der Einsatz eines kleinen Computers wie des ATtiny85 eröffnet aber viele Optionen in Bezug auf das Verhalten des Geräts. So kann es beispielsweise von Vorteil sein, den Sonnenstandorts nur in Abständen von einigen Minuten zu ermitteln, weil die Laufbahn der Sonne langsam und gleichmäßig ist. Ebenso könnte man die LDR-Werte mitteln, um zeitweise Wolkeneffekte zu berücksichtigen. Realisieren ließe sich sogar eine PID-Konfiguration zum Glätten von Motorbewegungen oder zum Bewegen anhand einer beliebigen Anzahl anderer mathematischer Funktionen.
Ein Mikrocontroller zahlt sich wegen seiner einfachen Handhabung schnell aus bei Aufgaben, die über die Grundlagen hinausgehen. Man könnte sogar mit zwei weiteren LDRs und einer kreuzförmigen Lichtsperrvorrichtung einen vollständigen Tracker mit Bewegungsmöglichkeiten nach oben/unten/links/rechts aufbauen. Hierzu bräuchte man einen anderen Motor und wahrscheinlich einen leistungsfähigeren Mikrocontroller (obwohl auch das L293D-Modul einen zweiten Motor ohne zusätzliche Hardware ansteuern kann).
Eine Schwierigkeit der Verwendung eines ATtiny85 besteht darin, dass er keinen seriellen Ausgang bereitstellt und keine Möglichkeit zur Onboard-Programmierung besitzt. Dadurch könnte sich das Tuning als schwierigerer Trial-and-Error-Prozess gestalten im Vergleich zur Möglichkeit der ständigen Überwachung auf einem Computerbildschirm. Zur Neuprogrammierung muss der Chip herausgenommen und in ein Programmiergerät eingesetzt oder eine schaltkreisintegrierte Programmiervorrichtung verwendet werden. Beides ist kein unüberwindliches Problem, aber eine einfache Experimentierplatine wie etwa das „Dev Board“ Arduino Uno würde die Sache wesentlich vereinfachen.
Dies hat den Nachteil, dass Experimentierplatinen relativ stromhungrig sein können, weshalb man irgendwann eine andere Option dafür sucht. Der Arduino Uno benötigt beispielsweise fast 50mA im Standardmodus und damit rund 50 Mal mehr als der ATtiny85 bei 1 MHz.
Eine letzte Überlegung: Viele USB-Powerpacks schalten sich ab, wenn kein Strom entnommen wird. Anscheinend reichen die Verbräuche des ATTiny85 mit nur 1 mA und der Experimentierplatine nicht immer aus, um die Stromversorgung zu aktivieren. Hier könnte ein preiswerteres Modell möglicherweise besser funktionieren.
Roboter mit Sonnenkollektoren: jenseits der lokalen Steuerung
So bewundernswert klein und preiswert der ATtiny85 auch ist: Für andere Anwendungen zur Sonnenstandsverfolgung wäre die Aufrüstung auf einen ESP32 oder einen anderen Baustein mit Drahtlosfunktionen überlegenswert. Eine solche Konfiguration könnte die Sonnenposition ganz ohne Onboard-Sensoren verfolgen, sondern dies auf Berechnungen anhand von Standort, Uhrzeit und Datum vornehmen. Ferner wären dadurch auch Stromerzeugung und Statusrückmeldung auf ein Telefon oder ein zentrales System möglich.
Wenn man einen Solartracker für die Nutzung in der Praxis entwirft und baut, müsste man sich natürlich auch die Frage stellen, ob diese Art von „Roboter mit Sonnenkollektoren" tatsächlich auch die beste Lösung ist. In manchen Fällen wäre es kostengünstiger, einfach weitere Kollektoren zu einem Solar-Array zusammenzuschalten. Dieses Projekt liefert zwar eine interessante Technologie-Demonstration. Trotzdem muss man objektiv überlegen, was im Einzelfall am besten für den jeweiligen Zweck ist!
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