Sonnenfolger / Heliostat

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Einleitung

Allgemeines

Ursache für den Tageslauf der Sonne ist die Rotation der Erde um sich selbst. Die Höhen-Änderung der Sonnenbahn resultiert aus dem jährlichen Umlauf der Erde (Erdbahn) um die Sonne in Kombination mit der im Weltall annähernd fixen Richtung der gegen die Erdbahn geneigten Erdachse (Schiefe der Ekliptik). (Quelle Wikipedia)

Würde man die Sonne an jedem Tag des Jahres immer genau um 12:00 Uhr Mittags (DCF77 Uhr) fotografieren und die Fotos alle übereinander legen, erhielte man die Analemma-Figur mit zusätzlichen Sprüngen von einer Stunde Ende März und Ende Oktober. Das heißt, eine Sonnenuhr geht bis zu 15 Minuten zuzüglich Sommerzeitverschiebung falsch, da die Sonne mal rechts und mal links von der Position steht, die man vereinfacht erwarten würde.

Analemma pattern in the sky.jpg

(Foto Quelle Wikipedia)

Wie alle sicherlich beobachtet haben, ändert sich je nach Jahreszeit und nach dem Breitengrad der Aufstellung der Solaranlage die Sonnenhöhe (Höhenwinkel, Azimuth)

Weiterhin leben wir in einer recht großen Zeitzone vom östlichsten Zipfel von Norwegen bis nach Spanien. Daher kann die Sonne um 12:00 Uhr nicht überall genau im Süden stehen. Je nach Längengrad der Aufstellung der Solaranlage ändert sich die Himmelsrichtung für die Stellung der Sonne in der Mittagszeit. Hinzu kommt die Sommer- Winterzeitumstellung.

Lösungsansätze

Durch eine Nachführung wird entweder eine Solarzelle genau zur Sonne ausgerichtet oder ein Spiegel lenkt das Sonnenlicht auf einen Zielpunkt. Der Spiegel muss dann auf der Winkelhalbierenden zwischen Sonnenstand und dem Ziel stehen.

Es kann generell zwischen analogen Lösungen mit Messung der Helligkeit ohne Inteligenz, Messung der Helligkeit mit Mikrocontrollerauswertung und Uhrzeitnachführungen mit Berechung der Sonnenposition unterscheiden. Die Berechnung der Sonnenposition ist durch die oben beschriebene Problematik recht aufwendig, hat aber den Vorteil, dass keine Optik sauber gehalten werden muss.

einachsige Nachführung

Zur Nachführung einer Solarzelle oder thermischen Solarpanels kann auf die Nachführung in der vertikalen Achse verzichtet werden. Man spart Mechanik, verliert aber Leistungsausbeute. Kippt man die Drehachse um einen Winkel der gleich der geographische Breite des Aufstellorts ist nach Norden, so wird der Verlust erheblich minimiert. (Parallaktische Montierung)

Analog

Lichtfolger analog.png

hier eine der vielen analogen Lichtfolgerschaltungen. An den Ausgängen wird eine H-Brücke als Motortreiber und ein Getriebemotor angeschlossen.

In der Schaltung befinden sich zwei Spannungsteiler. Zu einen die Reihenschaltung aus den beiden LDR´s. Werden beide gleichmäßig beleuchtet, teilt sich die Spannung gleichmäßig auf. Die Spannung Vcc teilt sich an der Reihenschaltung der Widerstände in drei Teile auf: Spannung U1 über Poti R1 und R3, Spannung U2 über Poti R2 und die Spannung U3 über R4.

Die Spannung U2 ist die Hysterese bei der sich beide Ausgänge auf 0 V Potential befinden. Die Spannungen U1 und Vcc-U3 sind die Schaltpunkte.

Google nach: Fensterkomparator

Mikrocontroller

Lichtfolger Tiny.png

Ähnliche Signalbildung, aber Auswertung durch einen Tiny. Hier kann die Hysterese und Schaltverzögerungen per Software eingestellt werden.

zweiachsige Nachführung

Nach einer Weile an Überlegung habe ich mich für die Lösung mit DCF 77 Uhr, Berechnung des Sonnenstandes und Schrittmotoren entschieden.

Hardware

Base Board L317 alles.png

Beim Anschluss der ISP Schnittstelle bin ich etwas vom "Kanda-Standard" abgewichen und nur Pin10 des Wannensteckers für Masse benutzt. Dadurch waren die Pins 8,6,4 noch für das LCD frei. Zum Programmieren benutze ich einen Adapter, der diese Pins isoliert, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Der Vorteil, ich habe nur einen Stecker für das LCD und zur Programmierung.


Download Hardware: download zip-File

Software

Der Programmteil DCF77 Empfang ist von Ulrich Rading, die Sonnenstandsberechnung von Clueso hier aus dem Forum, die LCD Anzeige ist ebenfalls aus dem Forum. Da möchte ich mich nicht mit falschen Federn schmücken. Aber es blieben noch genügend Herausfordeungen zum Testen und Probieren.

Motortest Software

Download Software zum Motortest: download zip-File

Fährt die Schrittmotre zuerst in die Homeposition. Fährt dann die Steppermotore bei Tastendruck jeweils 2000 Schritte vorwärts, bzw wieder zurück in die Homeposition.

Heliostat Software

Download Software zur Steuerung: download zip-File

Wartet auf DCF Empfang, fährt den Heliostat in die Homeposition Down und Ost, berechnet die Sonnenposition alle Minute und fährt den Spiegel entsprechend der Berechnung.

Während der Wartezeit auf den ersten gültigen DCF77 Empfang wird das Trägersignal als blinkende 1 oder 0 im Sekundentakt auf den LCD angezeigt. Dies eignet sich gut zur Ausrichtung der DCF Antenne.

Nach dem ersten gültigen Empfang wird nochmals 20 Sekunden auf das Signal Sommer- oder Winterzeit gewartet. Mit diesem Signal und der aktuellen Uhrzeit wird die UTC Zeit berechnet (MEZ - 1h, oder MESZ - 2h). Die aktuelle Zeit in UTC wird auf dem LCD in der ersten Zeile angezeigt.

Mit der UTC Zeit und dem Standort des Heliostaten wird die Position der Sonne in Radiant berechnet. Die Elevation und der Azimut multipliziert mit jeweils einem Faktor ergeben die Anzahl der Schritte die der jeweilige Schrittmotor fahren muss. Die beiden Faktoren werden in der zweiten Zeile auf den LCD angezeigt.

Video Mechanik

Hier noch ein kleiner Videofilm von der Mechanik:

http://www.youtube.com/watch?v=s7gXmlWX7Ro

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