Abschlussdokument Mobile Solar Power Plant (MSPP)

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1 Abschlussdokument Mobile Solar Power Plant (MSPP) Projektarbeit an der Universität Oldenburg Vorgelegt von: Clemens Büse, Philipp Geers, Paul Greb, Viktor Laufer, Piotr Listewnik, Tobias Meyer, Jan Schlamelcher, Benjamin Schmidt, Arne Schneider, Anvar Sharipov, Marco Töllner, Zichun Zhao Lehrende: Prof. Dr. Wolfgang Nebel, Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff, Dr. Gunnar Schomaker, Dipl.-Inform. Kiril Schröder, Dipl.-Inform. Stefan Janacek

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Projektgruppe Motivation Aufbau des Projekts Interne Struktur Kompetenzverteilung Anforderungsdefinition Funktionale Anforderungen Nicht funktionale Anforderungen Qualitätsanforderungen Bedienbarkeitsanforderungen Implementierungsanforderungen Leistungsanforderungen Anwendungsszenario Grundlagen Nachführungssysteme Sensorik für Sonnenverfolgung Bestimmung mittels Photodioden Astronomische Berechnung Autarke Ausrichtung mittels Kunststoffe Systeme zur Energiegewinnung Stirlingmotor Aufbau Funktionsweise Stirlingmotortypen weiterführende Literatur Photovoltaik-Analage Dickschicht-Solarzellen Dünnschicht-Solarzellen Generator Wirkungsweise Arten von Generatoren Optische Linse Verschiedene Linsenformen Brennweite Akkumulator Abgrenzung Batterietypen Entwurf Konzepte der Konkurrenzgruppen Entscheidungsfindung des finalen Konzeptes Konkretisierung des Konzepts Freiheitsgrade Prinzip des Neigungsmotor Plattformdesign Komponentenauswahl Gehäusematerialien Elektronikkomponenten Energiekomponenten Motorik Verkabelung Kriterien

3 Verkabelung der elektr. Komponenten Kabelauswahl Designspezifikation Anforderungsspezifikation Akteure Anwender System Anwendung Anwender System Anwendungsfälle Einschalten des Prototyps Ausschalten des Prototyps Zurücksetzen des Prototyps Überprüfung Ausrichtung Einnahme Ausgangsstellung Abfrage GPS Abfrage Magnetometer Berechnung Sonnenverlauf Ausrichtung des Prototyps Batterieladezustand auslesen Energieprofil laden Gesamtablauf des Systems Entwicklung Energiesystem Welcher Generator wird verwendet? Übersetzungsverhältnis zwischen Stirlingmotor und Generator Solar-/Laderegler Was ist ein Solar-/Laderegler? Die Auswahl des richtiges Ladereglers Der MPP Laderegler Eigenbau eines Solarladereglers Einleitung Recherchen Entscheidung Definitionen, die für den Eigenbau benötigt werden Eigenbau - 1.Versuch Eigenbau - 2.Versuch Eigenbau - 3.Versuch Eigenbau - 4.Versuch Verbraucher Beschreibung und Aufbau Test fertiger Aufbau Standortabhängigkeit Linear- und Schaltregler Linearregler Schaltregler Plattform Stirlinggehäuse Technische Zeichnung Massenschwerpunkt Kräfteberechnung Neigungsmotor Elektronikgehäuse Technische Zeichnung Kräfteberechnung Rotationsmotor

4 5.3.3 Stativ Technische Zeichnung Realisierung Kabelverlaufsplan Steuerung Architektur Hardware Software Energieprofile Energieverbrauch der Elektronik Energieertrag der Photovoltaikanlage Energieertrag vom Stirlingmotor / Generator Ableitung und Analyse Algorithmus zur Bestimmung der aktuellen Energieeffizienz Einführung Bestimmung der Energieeffizienz Berechnung der aktuellen Energieeffizienz Programm zur Berechnung der Energieeffizienz Fernsteuerung Anforderungsanalyse und -ermittlung Bibliotheken Entwurf Sequenzdiagramme Kommunikationprotokoll Manual Budgetplanung Test und Messplan Test der Energiekomponenten Einleitung Testplan Test vor dem Einbau Test nach dem Einbau/Gesamttest des Energiesystems Kapazitätstest Vorgehen beim Kapazitätstest Entladestromabhängige Kapazität Wozu werden die Rechnungen benötigt? Warum ist die C20-Angabe nicht richtig? Allgemeiner Aufbau und Durchführung Durchführung des Testes Auswertung Test aller Komponenten des Ladereglers LED- und Mikrocontroller-Test Testbeschreibung Testauswertung Mosfets Tests Testbeschreibung Testauswertung Spannungsteiler und ADC-Test Testbeschreibung Testauswertung Spannungswandler-Test Testbeschreibung Testauswertung Schottky-Dioden-Test Testbeschreibung Testauswertung

5 6.3.6 Test Watchdog-Timer Testbeschreibung Testauswertung UART-Test Testbeschreibung Testauswertung Interrupt-Test Testaufbau Testauswertung Stromtest Testaufbau Testauswertung Test mit Solarzelle und Akkumulator Testaufbau Testauswertung Verbraucher-Test Testaufbau Testergebnis Test der Hardware-Komponenten Test des Gesamtsystems Evaluation Energieprofile Meilensteintrend-Analyse Verschiebungen in der Projektphase und Arbeitspaketveränderungen Abbildungsverzeichnis 241 Literatur 247

6 1 1 EINLEITUNG Einleitung In diesem Kapitel wird das Projekt Mobile Solar Power Plant näher vorgestellt. Es wird auf die beteiligten Personen und das Ziel des Projekts eingegangen und die Motivation für das Projekt dargelegt. Abschließend wird der Ablauf des Projektes präsentiert. 1.1 Projektgruppe Im Rahmen des Informatik-Masterstudiums an der Carl von Ossietzky Universität in Oldenburg und in Kooperation mit dem OFFIS-Institut für Informatik wurde im Zeitraum des Sommersemesters 2012 und des Wintersemesters 2012/2013 die Projektgruppe Mobile Solar Power Plant durchgeführt. Die Projektgruppe besteht aus den folgenden 13 Studenten: Clemens Büse, Meirong Chen, Philipp Geers, Paul Greb, Viktor Laufer, Piotr Listewnik, Tobias Meyer, Jan Schlamelcher, Benjamin Schmidt, Arne Schneider, Anvar Sharipov, Marco Töllner, Zichun Zhao. Die Masterstudenten decken dabei verschiedene Fachbereiche der Informatik ab. Zu diesen Fachbereichen zählen die Bereiche Informatik, Eingebettete Systeme und Mikrorobotik und Wirtschaftsinformatik. Die Begutachtung und Betreuung der Projektgruppe wird von den Abteilungen Eingebettete Hardware/Software-Systeme (EHS) und Energieinformatik (EI) des OFFIS unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Nebel und Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff übernommen. Als zusätzliche Betreuer stehen die folgenden Mitarbeiter der Abteilungen EI, Dr. Gunnar Schomaker, Dipl.-Inf. Kiril Schröder und Dipl.Inf. Stefan Janacek, der Projektgruppe zur Verfügung. Das Ziel der Projektgruppe Mobile Solar Power Plant war die Erstellung eines solarbetriebenen Energieerzeugers. Dieser soll modular mit einem Stirlingmotor bzw. einer Solarzelle betrieben werden können. Zudem soll sich die MSPP durch Ermittlung des Sonnenstandes aktiv nach der Sonne ausrichten, um so den Energieertrag zu maximieren. Zur Verdeutlichung des Konzepts ist der entstandene Prototyp im Stirling-Betrieb in Abbildung 1 dargestellt. Auf diesem Prototypen aufbauend soll von der Projektgruppe ein Vergleich verschiedener Betriebsmodi der MSPP, sowie ein direkter Vergleich zwischen dem Betrieb mit Stirlingmotor und der Solarzelle aufgestellt werden. Dieser direkte Vergleich soll unter den Gesichtspunkten Wirkungsgrad, Skalierbarkeit und eines zugehörigen CO2 -Footprints geschehen. Des Weiteren soll eine Abschätzung darüber getroffen werden, wie sich die Leistung der MSPP abhängig vom Standort verhält. Abbildung 1: MSPP mit Linse bestückt 1

7 1.2 Motivation 1 EINLEITUNG 1.2 Motivation Seit der Energiewende steht die Energiegewinnung aus erneuerbarer Energie immer stärker im Fokus der Industrie und Forschung. Vor allem Strom- und Warmwassererzeugung mittels Sonnenenergie sind durch die hohe Produktion von Photovoltaikanlagen massentauglich geworden. Viele Unternehmen und Privathaushalte in Deutschland haben mittlerweile solche Solaranlagen auf ihren Dächern installiert und nutzen die gewonnene Energie zur Selbstversorgung oder speisen diese in das lokale Stromnetz ein. Der Anteil der Stromerzeugung aus Photovoltaikanlagen betrug in den letzten Jahren bereits knapp GWh und es wird prognostiziert, dass der Ertrag in den kommenden Jahren noch ansteigen wird. Neben den privaten Stromerzeugern gibt es in den besonders sonnenreichen Ländern nahe des Äquators vermehrt groß angelegte Solarparks. In diesen wird auf über mehreren Quadratkilometer großen Gebieten Strom über verschiedene Solartechnologien gewonnen. Zu diesen zählen neben den Photovoltaikanlagen unter anderem die Parabolrinnen-Anlagen, die Paraboloidkraftwerke, wie auch Solarturmkraftwerke. Speziell die Paraboloidkrafwerke zeichnen sich im Verhältnis zu den anderen Technologien in dieser Größenordnung durch eine hohe Effizienz aus, da sie einen hohen Energieertrag erzielen und dabei wenig Fläche benötigen. Die Besonderheit bei den Paraboloidkraftwerken ist, dass die Stromerzeugung durch einen Stirlingmotor realisiert wird, der mittels der gebündelten Sonnenenergie angetrieben wird. Dies stellt den Ansatz des Projekts für den Vergleich der Technologien Solar-Stirling und Photovoltaik dar. Dabei sollen die Fragen geklärt werden, inwiefern sich die Wirkungsgrade beider Technologien in Bezug auf ihre Skalierung generell und abhängig vom Tagesverlauf verhalten. Daraus ist die Idee der MSPP entstanden, die sich autark über diese zwei verschiedenen Solartechnologien versorgen kann und sich aktiv nach dem Sonnenstand ausrichtet, um den Energiegewinn beider Technologien zu optimieren. 1.3 Aufbau des Projekts Das gesamte Projekt, das sich über das Sommersemester 2012 und das Wintersemester 2012/13 erstreckt, unterteilt sich in verschiedene Phasen. Das Projekt begann mit einer Seminar-Phase, in der die Teilnehmer verschiedene Vorträge zu spezifischen Themen bezüglich des Projekts hielten. Dadurch wurde ein allgemeines Basiswissen geschaffen. In der darauf folgenden Planungsphase wurde der Projektgruppe von dem fiktiven Unternehmen green- LivingPower AG der genaue Arbeitsauftrag zur Entwicklung der MSPP erteilt. Die Entwicklung eines Konzepts zur Realisierung der MSPP erfolgte darauf in Form zweier Konkurrenzgruppen, jeweils bestehend aus der Hälfte der Teilnehmer. Das Ziel der Konkurrenzgruppen war eine möglichst gute Diversität in den beiden Konzepten zu erhalten. Nach der Präsentation beider Konzepte schloss die Planungsphase mit einem Konsens beider Gruppen bezüglich der Umsetzung der MSPP ab und die Ergebnisse wurden dokumentarisch in Form einer Anforderungsdefinition, eines Grobentwurfs und einer Ressourcenplanung festgehalten. Nach einer auf die Planungsphase folgenden Entwurfsphase, in welcher der konzeptionelle Entwurf der MSPP weiter konkretisiert wurde, folgte die Entwicklungsphase. Während der beiden Phasen arbeiteten parallel drei Teilgruppen mit verschiedenen Schwerpunkten an den Entwürfen der MSPP und der Realisierung gemäß den Entwürfen. 1.4 Interne Struktur Die Projektgruppe unterteilt sich in der Entwurfs- und Entwicklungsphase intern in drei Teilgruppen. Diese sind die Plattform-Gruppe, die Energiesystem-Gruppe und die Steuerung-Gruppe. Jede Gruppe übernimmt einen eigenen Aufgabenbereich und bearbeitet diesen weitgehend unabhängig von den übrigen 2

8 1.5 Kompetenzverteilung 1 EINLEITUNG Teilgruppen. Die Kommunikation der einzelnen Teilgruppe untereinander liegt im Aufgabenbereich der Schnittstellenbeauftragten. Nachfolgend werden die einzelnen Teilgruppen näher vorgestellt. Plattform-Gruppe Das Aufgabengebiet der Plattform-Gruppe umfasst die Modellierung und den Bau des Gehäuses der MSPP. Neben dem Bau des Gehäuses ist die Gruppe für die Montur der weiteren Komponenten auf der Plattform verantwortlich. Zusätzlich ist es Aufgabe der Gruppe einen genauen Bauplan des Systems und eine Installationsanleitung zu erstellen. Die Teilnehmer dieser Teilgruppe sind Clemens Büse, Philipp Geers, Piotr Listewnik und Tobias Meyer. Philipp Geers ist der zuständige Schnittstellenbeauftragte der Plattform-Gruppe. Energiesystem-Gruppe Das Aufgabengebiet dieser Teilgruppe umfasst die Wahl und Vernetzung der einzelnen Energie-Komponenten untereinander. Des Weiteren liegt die Auswertung der Ergebnisse, die während des Betriebs der MSPP gesammelt werden, in den Händen dieser Teilgruppe. Die Auswertung setzt sich dabei unter anderem aus der Erstellung eines CO 2 -Footprints des Prototyps, dem Vergleich des Stirling-Aufbaus zum Solar-Aufbau und der Bestimmung des Wirkungsgrades des Prototypen zusammen. Die Teilnehmer dieser Teilgruppe sind Marco Töllner, Zichun Zhao, Meirong Chen, Anvar Sharipov und Victor Laufer. Marco Töllner ist der zuständige Schnittstellenbeauftragte der Energiesystem-Gruppe. Steuerung-Gruppe Das Aufgabengebiet der Steuerung-Gruppe umfasst die Modellierung der Software-Architektur und der Erstellung eines Platinen-Designs. Nachfolgend ist es Aufgabe dieser Gruppe eine Steuerung des Systems zu entwickeln, sodass sich der Prototyp selbstständig im Tagesverlauf dem Sonnenstand nach in Hinblick auf Energieeffizienz ausrichtet. Die Entwicklung einer Steuerung-Software zur Fernsteuerung der MSPP mittels eines Endgeräts, sowie eines Logging-Verfahrens zum Speichern von Messwerten gehören außerdem zum Aufgabenbereich dieser Teilgruppe. Die Teilnehmer dieser Teilgruppe sind Arne Schneider, Benjamin Schmidt, Jan Schlamelcher und Paul Greb. Arne Schneider ist der zuständige Schnittstellenbeauftragte der Steuerung-Gruppe. 1.5 Kompetenzverteilung Innerhalb der Projektgruppe wurde jedem Teilnehmer entsprechend seiner Kompetenzen mindestens ein Aufgabenbereich zugeteilt. Die jeweiligen Bereiche und deren Aufgaben werden nachfolgend vorgestellt. Projektleitung Die Projektleitung wird von Benjamin Schmidt übernommen, sein Stellvertreter ist Piotr Listewnik. Die Aufgaben der Projektleitung bestehen in der allgemeinen Organisation, der Ressourcen- und Zeitplanung des gesamten Projekts. Des weiteren repräsentiert die Projektleitung die Projektgruppe und steht den Gutachtern und Betreuern als Ansprechpartner zur Verfügung. Schnittstellenbeauftragten Die Schnittstellenbeauftragten haben die Aufgabe, die gruppeninterne Kommunikation unter den Teilgruppen zu regeln. Falls eine Teilgruppe bei ihrer Arbeit Informationen von einer anderen Gruppe benötigt 3

9 1.5 Kompetenzverteilung 1 EINLEITUNG oder wichtige Entscheidungen getroffen werden müssen, die sich auf die Arbeit von mehr als einer Teilgruppe auswirken, so muss dies von den Schnittstellenbeauftragten geklärt werden. Jede Teilgruppe hat dabei einen Schnittstellenbeauftragten. Diese sind Philipp Geers, Marco Tölner und Arne Schneider. Weitere Beauftragte Während die Projektleitung und die Schnittstellenbeauftragten Aufgaben im Bereich von Organisation und Kommunikation übernehmen, stellen die weiteren Beauftragten Experten zu den jeweiligen Fachgebieten dar. Sie dienen als Ansprechpartner für ihr jeweiliges Fachgebiet und haben teils auch Entscheidungsgewalten. Hardware-Beauftragter Der Hardware-Beauftragte ist Ansprechpartner in Fragen zu den einzelnen Hardware-Komponenten der Mobile Solar Power Plant (MSPP). Es gehört dabei zu seinen Aufgaben, darauf zu achten, dass diese im Bezug auf ihre technischen Kenngrößen untereinander kompatibel sind und entsprechend für die vorgegebene Aufgabe geeignet sind. Der Hardware-Beauftragte der Projektgruppe ist Zichun Zhao. Software-Beauftragter Die Stelle des Software-Beauftragten wird von Jan Schlamelcher übernommen. Als Software-Beauftragter steht er bei Fragen bezüglich der Software-Komponenten, der Entwicklungstools, sowie der Systemarchitektur zur Verfügung. In diesen Bereichen hat er in der Rolle des Software-Beauftragten zudem Entscheidungsgewalt. Regelung-Beauftragter Die Rolle des Regelung-Beauftragten nimmt Arne Schneider ein. Wie auch die anderen Beauftragten übernimmt dieser damit die Aufgabe, bei Problemen bezüglich der Regelungstechnik den übrigen Gruppenmitgliedern als Ansprechpartner zu dienen. Test-Beauftragter Der Aufgabenbereich des Test-Beauftragten umfasst die Rolle als Ansprechpartner in diesem Bereich, die Organisation der Testphase, wie auch die Überprüfung des Testplans hinsichtlich der Vollständigkeit. Besetzt wird das Amt des Test-Beauftragten von Paul Greb. Dokumentation-Beauftragte Die Dokumentation-Beauftragten tragen dafür Sorge, dass die Dokumentation parallel zur Planung und des Entwurfs organisiert wird. Die Beauftragten treffen die Wahl der Dokumentationsform und stellen Templates bereit. Bei der Abgabe eines Dokuments gehört es zu ihren Aufgaben, dieses hinsichtlich der Struktur, Form und Konsistenz zu prüfen. Die Rolle der Dokumentation-Beauftragten wird von Piotr Listewnik und Clemens Büse übernommen. Website-Beauftragter Tobias Meyer ist der Website-Beauftragte und hat damit die Aufgabe, den Webauftritt der Projektgruppe umzusetzen und diesen im Laufe des Projekts zu pflegen und zu aktualisieren. 4

10 2 ANFORDERUNGSDEFINITION 2 Anforderungsdefinition In diesem Kapitel werden die Anforderungen definiert, die sich aus dem Arbeitsauftrag für die MSPP ergeben. Zu dem wird ein allgemeines Anwendungsszenario für den Gebrauch der MSPP geliefert. 2.1 Funktionale Anforderungen Die funktionalen Anforderungen beschreiben die gewünschten Funktionalitäten eines Systems bzw. eines Produkts, die Daten oder das Verhalten. A10 Der Prototyp muss sich energetisch über Sonnenkraft versorgen. A20 Der Prototyp muss zwei Wandlungsformen von Sonnenenergie zu elektrischer Energie berücksichtigen (Photovoltaik und Stirling). A30 Der Prototyp muss dem Sonnenstand folgen. A40 Es muss von kinetischer Energie auf elektrische Energie umgewandelt werden. A50 Das System muss Log-Daten erstellen. Diese Log-Daten dienen zum einen für eine Fehleranalyse, zum anderen für eine Statusabfrage. A60 Wenn ausreichend Energie erzeugt wird, muss die Batterie geladen werden. A70 Wenn der Prototyp ausgeschaltet wird, muss das Gerät in die Ausgangsstellung zurückfahren. A80 Der Prototyp muss eine Funktion zum Ein- und Ausschalten und zum Zurücksetzen haben. A90 Es muss dem Benutzer möglich sein mit dem Prototypen zu interagieren. A100 Das System soll dem Benutzer ein Feedback geben, wenn der Prototyp einen Fehler detektiert hat. A110 Das System soll dem Benutzer ein Feedback geben, wenn der Prototyp eingeschaltet ist. A120 Der Prototyp kann zum Laden eines Endgerätes verwendet werden. A130 Der Prototyp kann mittels einer Fernsteuerung über ein Endgerät(PC/Mac) gesteuert werden. A140 Es kann mit einer Fernsteuerung der Systemzustand ausgelesen werden. 2.2 Nicht funktionale Anforderungen Die nicht funktionalen Anforderungen sind Anforderungen an das System bzw. das Produkt, die Angeben in welcher Form die Funktionalität zu erbringen ist. Die nicht funktionalen Anforderungen unterteilen sich an die Anforderungen bezüglich der Qualität, der Bedienbarkeit, der Implementierung und die Leistung Qualitätsanforderungen Q10 Der Prototyp muss witterungsbeständig sein. Q20 Der Prototyp muss geeignete Schutzvorkehrungen besitzen. Q30 Der Prototyp muss über einen Tief- und einen Überladeschutz verfügen. 5

11 2.2 Nicht funktionale Anforderungen 2 ANFORDERUNGSDEFINITION Q40 Der Prototyp soll in der Zeit, in der keine Ausrichtung bzw. Nachführung durchgeführt wird, einen energiesparenden Zustand einnehmen. Q50 Der Prototyp soll sich unter einer halben Stunde initialisieren. Q60 Der Prototyp kann auf einem unebenen Untergrund einsatzfähig sein Bedienbarkeitsanforderungen B10 Es muss einer Person möglich sein den Austausch der modularen Bündelungseinheit und der Photovoltaikanlage durchzuführen. B20 Der Prototyp muss mittels eines Personenkraftwagen (PKW) transportabel sein. B30 Der Aufbau des Prototypen muss per Anleitung durch Laien an einem Tag möglich sein. Unter einem Laien sei eine Person zu verstehen, die noch nie Umgang mit dem Prototypen hatte. B40 Es muss jederzeit möglich sein, den Prototypen auszuschalten. B50 Es muss jederzeit möglich sein, den Prototypen zurückzusetzen. B60 Der Prototyp muss mit einer Speichereinheit betrieben werden. B70 Die Speichereinheit muss zugänglich sein Implementierungsanforderungen I10 Der Prototyp muss eine Bündelungseinheit besitzen. I20 Der Prototyp muss einen Stirlingmotor besitzen. I30 Der Prototyp muss eine Photovoltaikanlage besitzen. I40 Der Prototyp muss eine Energiespeichereinheit besitzen. I50 Der Prototyp muss einen Generator besitzen. I60 Der Prototyp muss eine Log-Einheit besitzen Leistungsanforderungen L10 Der Einsatz des Prototyp muss durch Kennzahlen des Standortes im Vorfeld bewertbar sein. L20 Der Prototyp muss in seiner Skalierbarkeit für andere Leistungsklassen bewertbar sein. L30 Der Prototyp soll in der Lage sein, sich mit beiden Umwandlungsformen selbst mit Energie zu versorgen. 6

12 2.3 Anwendungsszenario 2 ANFORDERUNGSDEFINITION 2.3 Anwendungsszenario Nachfolgend wird ein mögliches Anwendungsszenario der MSPP beschrieben, welches sich aus der gegebenen Aufgabenstellung ergibt. Das vorgestellte Szenario stellt den typischen Ablauf bei der Nutzung der MSPP dar und dient als Vorlage zur späteren Erstellung der Anwendungsfälle. Die MSPP kann als gesamtes Modul von einem Nutzer mittels Hilfsmittel transportiert werden und mit Hilfe einer Installationsanleitung aufgebaut werden. Da bei der Energieerzeugung in der MSPP hohe Temperaturen entstehen, muss beim Gebrauch der MSPP darauf geachtet werden, dass vorgegebene Sicherheitsvorschriften eingehalten werden, um Verletzungen und Schäden vorzubeugen. Nachdem die MSPP ordnungsgemäß aufgebaut wurde, wird es vom Nutzer in Betrieb genommen, in dem ein Power-Schalter betätigt wird. Daraufhin richtet sich die MSPP nach einer kurzen Initialisierungsphase selbstständig nach der Sonne aus. Die Ausrichtung erfolgt hierbei über eine interne Berechnung mittels Sensordaten. Nachfolgend richtet sich die MSPP in regelmäßigen Zeitabständen unter Befolgung von Energieprofilen neu aus, um dem Sonnenverlauf während seiner Betriebszeit möglichst genau zu folgen und die Energieerzeugung zu optimieren. Ab einem einprogrammierten Sonnenstand geht das System in der Nacht in einen Ruhezustand über. Nach einer zuvor ermittelten Zeitdauer, verlässt das System den Ruhezustand wieder und richtet sich nachfolgend wieder neu nach der Sonne aus. Im laufendem Betrieb kann der Nutzer ebenfalls mittels eines Endgeräts interagieren. Zu diesen Interaktionen gehören beispielsweise das Auslesen von Daten, sowie die Aktivierung unterschiedlicher Energieprofile. Die MSPP kann jederzeit über den Power-Schalter ausgeschaltet werden. Geschieht dies, fährt das System selbständig in eine Ausgangsstellung zurück, die es dem Nutzer ermöglicht das System abzubauen und zu transportieren. Aus der Aufgabenstellung ergibt sich weiterhin, dass das Einsatzgebiets der MSPP im Freien, bevorzugt an Orten mit vielen Sonnenstunden, ist. Um eine stabile und sichere Funktionsweise der MSPP zu gewährleisten, soll die MSPP auf ebenen Untergrund aufgebaut werden. Nachdem die funktionalen und nicht funktionalen Anforderungen definiert wurden, wird anhand dieser in den nachfolgenden Kapiteln der Entwurf der MSPP in Bezug auf die Plattform, die Komponenten und das System vollzogen. Anschließend werden die in diesem Kapitel aufgestellten Anforderungen im Kapitel 4.4 näher spezifiziert. 7

13 3 GRUNDLAGEN 3 Grundlagen In diesem Kapitel sollen Grundlagen geschaffen werden, um dem Leser nachfolgende Entscheidungs- und Entwurfsschritte verständlich und transparent zu machen. Die Inhalte dieses Kapitels beziehen sich hierbei größtenteils auf bestehende Systeme, Verfahren oder auch Komponenten, die für die Energieumwandlung von Solarenergie genutzt werden. 3.1 Nachführungssysteme Unter einem Nachführungssystem versteht man eine technische Einheit, die in der Regel mittels einer mechanischen Kraft in verschiedene Stellungen reguliert werden kann. Für diesen Zweck werden in fast allen Fällen Motoren verwendet. Grundlegend werden für diese spezielle Aufgabenstellung Elektromotoren zur Justierung der technischen Einheit genutzt. Die prinzipielle Konstruktion eines solchen Nachführungssystems wird in der folgenden Abbildung deutlich. Abbildung 2: Mechanisches Nachführungssystem [89] Die in Abbildung 2 zu sehende technische Einheit weist zwei essentielle Eigenschaften auf. Die Rotation entlang der X-Achse ist durch einen Rotationsmotor im unteren Bereich des Aufbaus realisiert. Die Neigung entlang der Y-Achse ist mittels Senkung oder Anhebung des oberen Rahmens möglich. Nachführungssysteme dieser Art sind gängige Lösungen um Photovoltaikanlagen der Sonne nach auszurichten und werden von zahlreichen Herstellern kostengünstig angeboten. Eine kürzliche Neuentwicklung von amerikanischen Materialforschern ist ein lichtaktiver Kunststoff, der aus einem sogenannten flüssigkristallinen Elastomer besteht. Das Grundprinzip besteht darin, dass dieser spezielle Kunststoffe durch einfallendes Sonnenlicht erhitzt wird und sich durch die Erwärmung zusammenzieht. Dieser Effekt, welcher durch die besondere Kristallstruktur des Kunststoffs bedingt ist, ist reversibel, sodass der Kunststoff wieder seine ursprüngliche Form annimmt, sobald er wieder abkühlt. Der Kunststoff ist somit sogleich Sensor, wie auch Aktor, da das detektierte Sonnenlicht selbstständig in eine Bewegung umgewandelt wird. Basierend auf diesem Prinzip haben die Forscher einen Prototypen konstruiert, welcher das erste vollkommen autarke und passive Nachführungssystem darstellt. Dieser ist in Abbildung 3 zu sehen und stellt ein Gestell für eine Photovoltaikanlage dar, dessen Standbeine aus dem entwickelten Kunststoff bestehen. Bei einfallenden Licht auf eines der Standbeine verkürzt sich dieses im Verhältnis zu den übrigen Standbeinen, sodass sich das Gestell in Richtung der einfallenden Sonne neigt, ähnlich dem Verhalten einer Sonnenblume. In Zukunft ließe sich laut den Forschern unter der Verwendung solcher Nachführungssysteme der Gesamtwirkungsgrad jeglicher Solar-Module signifikant erhöhen (vgl. [4]). 8

14 3.2 Sensorik für Sonnenverfolgung 3 GRUNDLAGEN Abbildung 3: Aufbau der autarkten Solarzelle-Aufhängung [4] 3.2 Sensorik für Sonnenverfolgung Der erste Schritt in der Entwicklung für ein System, das dem Sonnenverlauf folgt, besteht in der Ermittlung der aktuellen Sonnenposition. Die hierfür benötigte Sensorik bildet die Grundlage für die darauffolgende Ausrichtung des Systems. Hierbei ist zu beachten, dass die Sonnenposition zum einen stark von der Tageszeit, zum anderen relativ von der aktuellen Position auf der Erde abhängig ist. Weiterhin kommt hinzu, dass sich der Sonnenverlauf über den Tag an einem Standort saisonal ändert. Im Sommer ist die Dauer zwischen Sonnenaufgang und Sonnenuntergang deutlich länger und hat dabei einen wesentlich steileren Verlauf als im Winter. Die Unterschiede zwischen den Taglängen im Sommer und im Winter liegen dabei in Deutschland im Bereich von etwa sechs bis sieben Stunden, wobei diese wiederum vom Breitengrad abhängig sind. Man sieht, dass zur Bestimmung der Sonnenposition ein Sensor-Verfahren benötigt wird, welches unabhängig vom Standort, der Zeit und des Datums zuverlässige Daten für die Sonnenposition liefern kann. Hierbei werden drei verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Sonnenposition betrachtet, die genau dieser Anforderung entsprechen: Bestimmung mittels Photodioden Astronomische Berechnung Autarke Ausrichtung mittels Kunststoffe Nachfolgend werden die Konzepte näher vorgestellt Bestimmung mittels Photodioden Abbildung 4: Photodiodensensor - Aufbau und Beispiel Die erste Möglichkeit zur Bestimmung der aktuellen Sonnenposition besteht in der Verwendung von mehreren Photodioden, die zu einem Helligkeitssensor kombiniert werden. Mittels Photodioden kann die Helligkeit des einfallenden Lichts gemessen werden. Diese Photodioden sind auf einer Basis angebracht 9

15 3.3 Systeme zur Energiegewinnung 3 GRUNDLAGEN und durch Schatten-werfende Elemente in Quadranten getrennt, so dass einige Photodioden verdeckt werden, wenn dieser Sensor nicht direkt auf die stärkste Lichtquelle gerichtet ist. In der in Abbildung 4 dargestellten Beispielsituation sind die unteren beiden Photodioden verdunkelt. Mittels einer algorithmischen Auswertung der Sensordaten kann daraufhin eine Positionsanpassung vorgenommen werden, um die korrekte Ausrichtung zu erreichen - in dem dargestellten Fall würde der Sensor nach oben wandern bis alle vier Dioden ähnliche Werte liefern. Das Verhalten eines solchen Helligkeitssensors ließe sich auf eine beliebige Ausrichtungsplattform übertragen, welche sich dem Sensor entsprechend nach der aktuell stärksten Lichtquelle, demnach im besten Fall der Sonne, ausrichtet. Sensorrauschen und suboptimale Lichtverhältnisse erschweren die Nutzung von Photodioden jedoch und verschlechtern das Ausrichtungsverhalten. Die größte potentielle Fehlerquelle liegt darin, dass die Photodioden des Helligkeitssensor jegliche Form von Lichteinstrahlung detektieren. So können Lichtquellen neben der Sonne, wie beispielsweise Sonnenlicht-reflektierende Fensterscheiben, Lampen o.ä. die Sensordaten stark negativ beeinflussen Astronomische Berechnung Die viel genutzte astronomische Berechnung beruht darauf, dass die relative Sonnenposition für eine Position auf der Erdoberfläche durch zwei Winkel festgelegt wird, den Höhenwinkel und den Azimut. Diese Winkel können für jeden Punkt der Erde im Zeitraum von 1950 bis 2050 mit einer Abweichung von bis zu 0, 01 approximiert werden. Zur Berechnung werden Position, Datum und Uhrzeit benötigt. Diese Daten können mittels entsprechender Sensorik, wie beispielsweise eines GPS-Moduls bestimmt werden. Die Position wird in dabei in Breiten- und Längengraden angegeben. Datum und Uhrzeit müssen hingegen für die astronomische Berechnung zunächst in das Julianische Datum umgerechnet werden. Das Julianische Datum gibt die Anzahl der Tage an, die seit dem 1. Januar (4713 v. Chr.) 12:00 Uhr vergangen sind. Die Uhrzeit wird als Bruchteil eines Tages in den Nachkommastellen angegeben. Dieses Datum ist fortlaufend im Zeitraum von 7980 Jahren und wird häufig in der Astronomie für Berechnungen genutzt, es leitet sich unter anderem vom Mond- Schaltjahrzyklus ab. Mit Hilfe dieser Daten kann eine vollständige Berechnung der relativen Sonnenposition bezogen auf die aktuelle Position durchgeführt werden. Der Vorteil hierbei ist, dass die astronomische Berechnung sehr exakt ist und aufgrund des Determinismus der Sonnenverlauf im Vorfeld berechenbar ist. Die Nachteile dieses Verfahrens liegen lediglich darin, dass für die notwendigen Daten zusätzliche, zuverlässige Informationsquellen zur Verfügung gestellt werden müssen Autarke Ausrichtung mittels Kunststoffe Unter der autarken Ausrichtung mittels Kunststoffe handelt es sich um ein neuartiges Sensorprinzip, das noch in der Entwicklung steckt und bereits im vorangehenden Kapitel 3.1 beschrieben wurde. Der Vorteil dieses Verfahrens ist eindeutig der, dass keine zusätzliche Verarbeitung beziehungsweise Regelung der Sensordaten benötigt werden, da die Kunststoffe sich autark in ihrer Form verändern. Das Problem besteht allerdings darin, dass diese Technologie bislang noch in der Entwicklung befindet und noch nicht kostengünstig auf dem Markt erhältlich ist. 3.3 Systeme zur Energiegewinnung Stirlingmotor Derzeitige Systeme oder Motoren benutzen endliche fossile Energieträger. Zudem haben viele Motoren einen schlechten Wirkungsgrad, eine hohe Emission und sind laut. Daraufhin wurde nach alternativen 10

16 3.3 Systeme zur Energiegewinnung 3 GRUNDLAGEN Motoren gesucht, die von nachhaltigen Energien angetrieben werden, emissionsarm und wartungsarm sind. Eine Alternative ist der Stirlingmotor Aufbau Ein Stirlingmotor besteht folgenden Komponenten: Erhitzer Kühler Verdrängerkolben Arbeitskolben Verdrängerzylinder Arbeitszylinder Regenerator Verdrängerstange Pleuelstange Kurbelwelle Schwungrad Jeder Stirlingmotor besitzt einen Erhitzer und einen Kühler. Besitzt der Stirlingmotor nur einen Zylinder, d.h. der Arbeits- und Verdrängerkolben sitzt im selben Zylinder, so wird eine Seite erwärmt und die andere Seite gekühlt. Dadurch entsteht eine Druckveränderung. Der Verdrängerkolben hat die Aufgabe, das Arbeitsgas von der kalten auf die warme Seite und umgekehrt zu verschieben. Der Arbeitskolben und der Verdrängerkolben sind über die Pleuelstange und der Kurbelwelle miteinander verbunden. Der Arbeitskolben wird durch die Druckveränderung im Verdrängerzylinder bewegt und gibt die Bewegungsenergie an das Schwunggrad ab. Der Regenerator hat großen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Stirlingmotors. Er sitzt zwischen dem kalten und warmen Bereich. Strömt das Arbeitsgas von dem warmen in den kalten Bereich, so nimmt der Regenerator die Wärme des Arbeitsgases auf, so dass das Arbeitsgas im kalten Bereich nicht mehr so stark abgekühlt wird. Umgekehrt gibt er die Wärme wieder ab, wenn das Arbeitsgas von dem kalten Bereich in den warmen Bereich strömt. Die Pleuelstange verbindet mechanisch den Verdrängerkolben und den Arbeitskolben mit der Kurbelwelle. Die Kurbelwelle verbindet mechanisch den Verdrängerkolben und den Arbeitskolben mit dem Schwungrad [104, 116] Funktionsweise Das Grundprinzip eines Stirlingmotors ist der, dass es eine kalte und warme Seite gibt, die kontinuierlich gekühlt und erwärmt wird. Der Verdrängerkolben verdrängt immer wieder das Arbeitsgas zwischen der kalten und der warmen Seite. Auf der warmen Seite wird das Arbeitsgas erwärmt, wodurch es sich ausdehnt. Auf der kalten Seite wird es abgekühlt und zieht sich zusammen. Dieses Zusammenziehen und Ausdehnen wird mit dem Arbeitskolben in mechanische Energie umgesetzt. Bei dem Stirlingmotor handelt es sich um einen Kreisprozess. Es laufen periodisch Folgen von Zustandsänderungen des Arbeitsgases ab. Es wird aber immer wieder der Ausgangszustand erreicht und es beginnt 11

17 3.3 Systeme zur Energiegewinnung 3 GRUNDLAGEN dann wieder von vorne. Abbildung 5 zeigt den Aufbau eines Stirlingmotors. Auf der linken Seite sitzt der Erhitzer und auf der rechten Seite der Kühler. Der Arbeitskolben ist auf der rechten Seite und der Verdrängerkolben auf der linken Seite. Abbildung 5: Aufbau eines Stirlingmotors [129] Abbildung 6 zeigt die Expansion. Dabei wird das Arbeitsgas erhitzt, dehnt sich aus und drückt den Arbeitskolben aus dem Zylinder heraus. Abbildung 6: Expansion [129] Abbildung 7 zeigt die Verdrängung des Arbeitsgases von dem warmen Bereich zu dem kalten Bereich. Der Arbeitskolben ist an seinem untersten Punkt angekommen. Der Verdrängerkolben wird nach links aus dem Zylinder herausbewegt, wobei das warme Arbeitsgas am Verdränger vorbeiströmt und in den kalten Bereich des Zylinder gelangt. Abbildung 7: Verdrängung heiß nach kalt [129] Abbildung 8 zeigt den nächsten Schritt des Kreisprozesses. Da sich die kalte Luft zusammenzieht, saugt es den Arbeitskolben an. 12

18 3.3 Systeme zur Energiegewinnung 3 GRUNDLAGEN Abbildung 8: Kompression [129] Abbildung 9 zeigt die Verdrängung des Arbeitsgases von dem kalten Bereich in den heißen Bereich. Der Arbeitskolben hat seinen höchsten Punkt erreicht. Der Verdrängerkolben wird in den Zylinder hineinbewegt, dadurch strömt das kalte Arbeitsgas in den warmen Bereich und wird wieder erwärmt und der Vorgang beginnt von vorne [104, 116]. Abbildung 9: Verdrängung kalt nach heiß [129] Stirlingmotortypen Es gibt zu einem den Alpha-Typ, den Beta-Typ und den Gamma-Typ. Der Alpha-Typ besitzt zwei Zylinder. Einmal den Arbeitszylinder und den Verdrängerzylinder. Der Verdrängerkolben sitzt im Verdrängerzylinder und im Arbeitszylinder sitzt der Arbeitskolben. Der Verdrängerkolben wird durch einen Erhitzer erhitzt und der Arbeitskolben durch einen Kühler abgekühlt. Diese beiden Zylinder sind mit einem Rohr verbunden, wo sich der Regenerator befindet. Abbildung 10 zeigt einen Stirlingmotor vom Typ Alpha. Abbildung 10: Stirlingmotor vom Typ Alpha [22] 13

19 3.3 Systeme zur Energiegewinnung 3 GRUNDLAGEN Bei dem Beta-Typen befindet sich der Erhitzer auf der linken Seite und der Kühler auf der rechten Seite. Der Verdrängerkolben sitzt beweglich in dem Zylinder und bewegt sich zu den Seiten hin. Abbildung 11 zeigt einen Stirlingmotor vom Typ Beta Abbildung 11: Stirlingmotor vom Typ Beta [23] Der Gamma-Typ ist eine Kombination von den anderen beiden Typen. Der Aufbau ist dem Alpha- Typen ähnlich, aber die technische Umsetzung ähnelt dem Beta-Typen. Der Verdrängerkolben und der Arbeitskolben sind in verschiedenen Zylindern untergebracht. Der Verdrängerkolben ist nicht abgedichtet zum Zylinder. Er soll das Arbeitsgas auch verdrängen. Abbildung 12 zeigt einen Stirlingmotor vom Typ Gamma. Abbildung 12: Stirlingmotor vom Typ Gamma [71] weiterführende Literatur Die gesamte Beschreibung des Stirlingmotors beruht auf einer Seminarausarbeitung von Viktor Laufer. In der Seminararbeit von Viktor wird noch weiter auf die verschiedenen Aufbautypen und den Wirkungsgrad eingegangen [74] Photovoltaik-Analage Eine Photovoltaik-Anlage ist eine Solarstromanlage, in der mit Hilfe von Solarzellen ein Teil der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird. Eine Solarzelle ist ein elektrisches Bauelement, welches kurzwellige Strahlungsenergie, in der Regel Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie umwandelt. Die physikalische Grundlage ist der photovoltaische Effekt, der ein Sonderfall des photoelektronischen Effektes ist. Der photoelektronische Effekt basiert, wie schon erwähnt, auf dem photoelektronischen Effekt. Die Ladungsträgerpaare, die in der Raumladungszone einer Photodiode entstehen, werden getrennt, wodurch 14

20 3.3 Systeme zur Energiegewinnung 3 GRUNDLAGEN ein Strom gegen die Durchlassströmung des Übergangs entsteht. Die Raumladungszone wird auch als Sperrschicht genannt. Es ist ein Bereich in Halbleitern, in dem sich Raumladungen mit Überschuss und Mangel an Ladungsträgern gegenüberstehen [27, 28, 41] Dickschicht-Solarzellen Dickschicht-Solarzellen sind die klassischen und meist verbreiteten Solarzellen. Die Dickschicht-Solarzellen werden wieder in zwei Kategorien unterteilt, einmal in monokristalline- und polykristalline Zellen. Monokritalline Zellen wandeln etwa % des auftretenden Lichts in elektrischen Strom um. Sie haben den höchsten Wirkungsgrad aller Solarzell-Typen. Die Herstellung erfordert aber leider einen sehr hohen Energieeinsatz. Polykristalline Zellen besitzen einen niedrigeren Wirkungsgrad als Monokristalline Zellen. Ihr Wirkungsgrad liegt ungefähr bei 16 %. Ihr Vorteil liegt aber bei einem guten Preis-Leistungsverhältnis [29] Dünnschicht-Solarzellen Für Dünnschicht-Solarzellen wird weniger Material verbraucht als für Dickschicht-Solarzellen. Ihr Wirkungsgrad liegt nur bei 10 %, aber die machen sie wieder weg, indem sie ein besonders breites Lichtspektrum benutzen, wodurch sie auch noch bei ungünstigen Wetterverhältnissen viel Sonnenenergie umwandeln können. Des Weiteren kann noch in zwei Materialarten unterschieden werden. Einmal in amorphes Silizium und einmal in kristallines Silizium. Amorphes Silizium ist das meist verbreitete Material bei diesem Solarzellen- Typ. Solche Zellen sind preiswert in der Herstellung. Der Wirkungsgrad liegt aber nur bei 5-8 %. Durch Kombination mit dem kristallinen Silizium kann ein Wirkungsgrad von bis zu 10 % erreicht werden Generator Um elektrische Energie aus erneuerbaren Energien, wie z.b. aus Wind und Wasser, zu gewinnen, werden Generatoren benötigt. Turbinen werden z.b. durch Luft angetrieben und erzeugen mechanische Energie. Diese Energieform muss dann von Generatoren in elektrische Energie umgewandelt werden. Ein Generator ist somit eine elektrische Maschine, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Es ist technisch gesehen, das Gegenstück zu einem Elektromotor [30] Wirkungsweise Die Umwandlung beruht auf der Lorentzkraft, die auf bewegte, elektrische Ladungen im Magnetfeld wirkt. Wenn sich ein Leiter quer zum Magnetfeld bewegt, so wirkt die Lorentzkraft auf die Ladungen in Richtung des Leiters und setzt sie in Bewegung. Die Ladungsverschiebung sorgt für einen Potentialunterschied, wodurch eine elektrische Spannung erzeugt wird [30] Arten von Generatoren Es gibt verschiedene Arten von Generatoren. Beispiele hierfür sind Wechselstromgeneratoren, Gleichstromgeneratoren, Drehstromgeneratoren, Hochfrequenzgeneratoren, Hochspannungsgeneratoren, Orgonit- Generatoren, Skalarwellen-Generatoren und Fukai-Energie-Generatoren [79] Optische Linse Optische Linsen werden zur Gewinnung sehr hoher Temperaturen durch Sonnenstrahlen benötigt. Sie bestehen aus zwei lichtbrechenden Flächen und besitzen mindestens eine Fläche, die konvex oder konkav 15

21 3.3 Systeme zur Energiegewinnung 3 GRUNDLAGEN gewölbt ist. Eine Fläche ist konvex, wenn sie nach außen gewölbt und konkav, wenn sie einwärts gewölbt ist. Werden mehrere optische Linsen kombiniert, so entsteht eine optische Abbildung [67] Verschiedene Linsenformen Sphärische Linsen Wie der Name schon sagt, besitzen sphärische Linsen sphärische Flächen. Dies bedeutet, dass sie Oberflächenausschnitte einer Kugel sind. Abbildung 13 zeigt einen Querschnitt einer sphärischen Linse. Abbildung 13: Querschnitt einer sphärischen Linse [50] Asphärische Linsen Mit Hilfe von asphärischen Linsen können Abbildungsfehler, die durch sphärische Linsen entstanden sind, vermindert werden. Diese Linsen sind rotationssymmetrisch, jedoch im Schnitt kreisförmig. Abbildung 14 zeigt einen Querschnitt einer asphärischen Linse. Abbildung 14: Querschnitt einer asphärischen Linse [113] Astigmatische Linsen Das Besondere an astigmatischen Linsen ist, dass die zwei senkrecht zueinander stehende Richtungen verschiedener Brennweiten besitzen. Solche Linsen werden in folgenden Fällen eingesetzt [67]: Brillengläser Breitwand Kinoprojektoren 16

22 3.3 Systeme zur Energiegewinnung 3 GRUNDLAGEN Kollimation der Strahlung von Laserdioden Abbildung 15 zeigt eine astigmatische Linse. Abbildung 15: Querschnitt einer astigmatischen Linse [31] Elastische Linsen Eine elastische Linse bezeichnet ein optisches Element, wo sich die Brechkraft durch die Verformung eines elastischen Körpers verändert. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile [67]: Die Form der Grenzfläche ist frei wählbar Die Größe der Brechkraftänderung ist bei Verwendung von Gummimaterialen sehr groß Die Geschwindigkeit der Verformung kann schnell erfolgen Abbildung 16 zeigt eine elastische Linse. Abbildung 16: Querschnitt einer elastischen Linse [26] Brennweite Die Brennweite einer optischen Linse oder eines optisches Abbildungssystem ist der Abstand zwischen dem Brennpunkt und der Hauptebene. Da ein Abbildungssystem zwei Hauptebenen besitzt, gibt es auch zwei Brennweiten. Beide Brennweiten sind gleich groß, wenn die beiden Hauptebenen aus dem gleichen Material bestehen [32]. Die Brennweite ist ein Konzept aus der paraxialen Optik. Die paraxiale Optik wird auch gaußsche Optik genannt und ist eine Vereinfachung der geometrischen Optik [33]. 17

23 3.3 Systeme zur Energiegewinnung 3 GRUNDLAGEN Große Brennweiten entstehen durch flache, schwach gekrümmte Oberflächen der Hauptebenen. Kleine Brennweiten dagegen entstehen durch starke Krümmungen. Bei einzelnen Linsen wird der Kehrwert der Brennweite Brechkraft oder Brechwert genannt [32] Akkumulator Ein Akkumulator ist ein wiederaufladbarer Speicher für elektrische Energie. Er beruht auf elektrochemischer Basis. Akkumulatoren können miteinander kombiniert werden Abgrenzung Ein Akkumulator kann durch die beiden Begriffe Kondensator und Batterie abgegrenzt werden Kondensator Ein Kondensator speichert elektrische Energie in einem elektrischen Feld zwischen den Kondensatorplatten Batterie Grundlage jeder Batterie ist die elektrochemische Spannungsreihe. Werden zwei unterschiedliche Metalle in Elektrolyt getaucht, so entsteht zwischen den Metallen eine Spannung. Je nach Anwendung wird als Elektrolyt eine Säure oder eine Lauge verwendet. Die Spannungshöhe zwischen den Metallplatten hängt von dem Material der Metalle ab. Wichtig ist jedoch dabei, dass beide Platten aus Metall sind. Es gibt zwei wichtige Kenngrößen bei der Batterie. Das ist zum einen die Nennspannung in Volt, zum anderen die Kapazität in Ampere-Stunden. Je nach Materialpaarung und Anzahl in Serie geschalteter Zellen können unterschiedliche Arbeitsspannungen von Batterien erreicht werden. Es ist auch möglich ganze Batterien in Serie zu schalten, um ein höheres Netz aufzubauen. Es ist also möglich aus zwei 12 V - Batterien ein 24 V -Netz aufzubauen. Hierbei ist nur zu beachten, dass die beiden Batterien vom gleichen Hersteller, gleichen Typs und die gleiche Kapazität haben. Mit der Kapazität wird angegeben, wie viel elektrische Energie gespeichert werden kann. Die elektrische Energie setzt sich aus der Spannung * Strom * Zeit zusammen. Da die Spannung bei der Batterie aber annähernd konstant ist, reicht die Angabe von Strom * Zeit [Ah] aus. Es wird somit die Zeit gemessen, wie lange die Batterie ihren Entladespannung erreicht, wenn die Batterie mit einem konstanten Strom entladen wird [77] Batterietypen Zink-Kohle-Batterie Die Zink-Kohle-Batterie besteht aus einem Behälter aus Zink, in dem sich Salmiaklösung und Braunstein befindet. Der positive Pol besteht aus dem Material Kupfer und der negative Pol aus dem Material Zink. Der Transport der Elektronen übernimmt ein Kupferstift. Bei der Entladung werden bei der negativen Elektrode die Zinkatome zu Zinkionen oxidiert. Hierbei werden pro ein Zinkatom zwei Elektronen abgegeben. Dadurch wird die Elektrode negativ [12, 13]. 18

24 3.3 Systeme zur Energiegewinnung 3 GRUNDLAGEN Abbildung 17: Querschnitt einer Zink Kohle Batterie [13] Alkali-Mangan-Batterie Die Alkali Mangan Batterie besteht erstmal aus einer Metallhülse. Die besteht zudem aus einer Kathode, die aus Mangan-Dioxid und Graphit und einer Anode die aus Zink-Pulver ist. Des Weiteren gibt es eine Separatorhülse, die aus Vlies ist und einer Stromableitung, die aus Messing oder Kupfer sein kann. Die Kathode, Anode und der Separator sind in einer Kalilauge tränkt. Sie dient als Elektrolyt. Dadurch wird nicht nur der Transport der Ionen gewährleistet, sondern es entsteht auch eine hohe Stromdichte. Früher wurde noch Quecksilber in Alkali Mangan Batterien verwendet. Es diente als Legierung für das Zink-Pulver. Heute wird darauf verzichtet und das Zink-Pulver wird mit Materialien wie Blei, Indium und dergleichen legiert, damit die Wasserstoffentwicklung gering gehalten wird[12, 14]. Abbildung 18: Querschnitt einer Alkali Mangan Batterie [14] Knopfzellen Die erste Art der Knopfzelle wurde schon im Jahre 1883 zum Patent angemeldet. Knopfzellen wurden am Anfang im militärischen Bereich und in der Raumfahrt verwendet. Der Grund dafür war der hohe Preis der Silberelektrode. Wiederaufladbare Knopfzellen unterscheiden sich, gegenüber nicht wiederaufladbare Knopfzellen, nur gering. Sie besitzen zusätzlich eine Membran, die als zusätzlicher Separator dient, wodurch eine höhere Lebensdauer entsteht. Knopfzellen besitzen eine hohe Leistungsdichte. Knopfzellen sind besonders beliebt in tragbaren Geräten. Der Grund dafür ist, dass die sehr klein sind und eine lange Haltbarkeit besitzen[12, 15]. 19

25 3.3 Systeme zur Energiegewinnung 3 GRUNDLAGEN Abbildung 19: Knopfzellen [15] Lithium-Akku Der Lithium-Akku wird sehr häufig in mobilen Geräten verwendet. Lithium ist das leichteste Alkalimetall und reagiert stark mit Wasser. Als Elektrolyt muss ein Material verwendet werden, dass eine hohe Beständigkeit aufweist und eine Löslichkeit der Lithiumsalze besitzt. Als Leitsalz werden daher Carbonate wie z.b. das Polycarbonat verwendet. Die Elektroden sind mit einem Hitze-unempfindlichen Stoff ummantelt, damit bei einer starken Beanspruchung das Lithium nicht wegschmilzt. Geschieht dies, so reagiert das Metall mit dem Elektrolyt und es kann zu explosionsartigen Zerstörungen kommen [12, 16]. Abbildung 20: Querschnitt eines Lithium Akkus [16] Lithium-Ion-Akku Der Lithium-Ion-Akku besitzt eine hohe Energiedichte. Zudem besitzt sie eine geringe Selbstentladung, wobei auch hier auf die richtige Lagerung geachtet werden muss. Der Lithium-Ion-Akku besitzt eine negative Elektrode aus Graphit und eine positive Elektrode aus Lithium-Metalloxid. Die positive Elektrode muss aus einem möglichst leichten Material bestehen, um die Lithium-Ionen aufnehmen zu können. Das Elektrolyt des Akkus ist nicht mehr flüssig, sondern besteht aus einer gallertartig oder fest. Der Vorteil ist, dass der Akku bei Zimmertemperatur volle Leistung erbringt. Der Nachteil dagegen ist, dass er sehr empfindlich auf Überladung, Tiefentladung und zu hohen und niedrigen Temperaturen reagiert. Dies wird aber durch eine installierte Schutzfunktion verhindert [12, 17]. 20

26 3.3 Systeme zur Energiegewinnung 3 GRUNDLAGEN Abbildung 21: Querschnitt eines Lithium-Ion Akkus [17] Nickel-Cadmium-Akku Der Nickel-Cadmium-Akku ist sehr widerstandsfähig gegenüber Kälte und besitzt eine hohe Lebensdauer. Der Akku kann noch bei einer Temperatur von bis zu -40 C Energie abgeben. Unter diesen Umständen wird er in sehr kalten Umgebungen eingesetzt. Er dient daher z.b. als Starterbatterie bei Fahrzeugen in kalten Umgebungen. Bei dem Nickel-Cadmium-Akku passieren gleichzeitig zwei Dinge. Zum einem geschieht eine Oxidation des metallischen Cadmiums und gleichzeitig eine Reduktion von Nickel(III)Oxid-Hydrat in dem alkalischen Elektrolyt. Da die Elektroden mit Graphitpulver versehen sind, erhöht sich die Leitfähigkeit [12, 18]. Abbildung 22: Querschnitt eines Nickel Cadmium Akkus [18] Nickel-Metall-Hydrid-Akku Der Nickel-Metall-Hydrid-Akku ist Cadmium-frei und damit umweltfreundlich. Zudem kann dieser Akku, im Gegensatz zu dem Nickel-Cadmium-Akku, mehr Energie speichern. Leider ist er sehr temperaturempfindlich und besitzt eine sehr hohe Selbstentladungsrate. Die negative Elektrode besteht aus einer Seltenerd-Nickellegierung. Die positive Elektrode besteht im entladenen Zustand aus Nickelhydroxid und im geladenen Zustand aus Nickel(III)Oxyhydrat. Eine Alilauge dient als Elektrolyt. In dem Akku findet eine Zustandsänderung statt. An der positive Elektrode wird Wasser gebildet, was bei der negativen Elektrode wieder abgebaut wird. Im Aufbau gibt es keinen Unterschied zum Nickel-Cadmium-Akku [12, 19]. 21

27 3.3 Systeme zur Energiegewinnung 3 GRUNDLAGEN Abbildung 23: Querschnitt eines Nickel Metall Hydrid Akkus [19] Blei-Akku Wie der Name schon sagt, bestehen die beiden Elektroden aus Blei. Bei der Entladung entsteht somit auch an beiden Polen der Endstoff Bleisulfat. Das Entladen und das Laden findet direkt in der Elektrode statt. Dadurch besitzt der Akku eine hohe Zyklenfestigkeit. Je nach Art des Akkus können dies 200 bis 2000 Zyklen sein. Zudem besitzt der Akku eine hohe Lebensdauer und kann darum ohne Verluste sehr häufig entladen und wieder aufgeladen werden. Blei-Akkus werden oft als Starterbatterien in Fahrzeugen verwendet, da sie für eine kurze Zeit möglichst hohe Ströme abgeben können [12, 20] Abbildung 24: Querschnitt eines Blei Akkus [20] Zink-Luft-Akku Der Zink-Luft-Akku ist ein relativ neuer Akku, der sich auf dem Markt befindet. Dieser Akku zeichnet sich besonders durch seine umweltfreundlichen Bestandteile aus. Des Weiteren ist er in der Herstellung und in seinen Bestandteilen sehr günstig. Die Entladung ist bei richtiger Lagerung sehr gering. Die negative Elektrode des Akkus besteht aus Zink. Das Zink besteht aus mechanisch gepresstem Zink- Pulver. Dies ermöglicht eine einfache und schnelle Freisetzung von Elektronen. Die positive Elektrode besteht aus Aktivkohle, die durch Sauerstoffmembranen ihre Konsistenz erhält. Der Nachteil dieses Akkus ist, dass er in einer sauerstofffreien Umgebung nicht eingesetzt werden kann, da für die Reaktionen Sauerstoff benötigt wird. Bei Entladen muss der Sauerstoff genügend Spielraum besitzen, um an die Reaktionsfläche zu kommen. Bei dem Laden muss der entstandene Sauerstoff zudem entweichen können [12, 21]. 22

28 4 ENTWURF 4 Entwurf In diesem Kapitel sollen erste entwickelte Konzepte gegenübergestellt und anschließend konkretisiert werden. Ziel dieses Kapitels ist es den Auswahl- und Entscheidungsprozess beider Konzeptideen zu reflektieren indem Vor- und Nachteile beider Konzeptionen diskutiert und Gemeinsamkeiten festgestellt werden. Das Resultat ist ein finales Konzept, das bestimmte Designentscheidungen und daraufhin konkret ausgewählte Komponenten, inklusive deren Verkabelung, beinhaltet. Abschließend wird eine umfangreiche Design- und Anforderungsspezifikation durchgeführt, da die hier getroffenen Designentscheidungen bzw. die getroffene Auswahl an Komponenten dies an dieser Stelle ermöglicht und vorsieht. 4.1 Konzepte der Konkurrenzgruppen Zu Beginn der Planungsphase wurden die Projektgruppenteilnehmer in zwei äquivalent große Gruppen eingeteilt und damit beauftragt unabhängig voneinander einen Konzeptvorschlag zu erarbeiten. Diese beiden Vorschläge werden hier nun näher erläutert. Die folgende Abbildung zeigt schematisch die Konzepte beider Konkurrenzgruppen. Abbildung 25: Konzeptideen Der entscheidende Unterschied ist hierbei die Art der Nachführung. Zum einen wird ein Konzept genannt, das mehrere Module vorsieht (links im Bild), so dass eine Rotation entlang der X-Achse möglich ist. Das zu rotierende obere Modul soll sich dann unabhängig vom unteren Aufbau vertikal entlang der Y-Achse ausrichten können. Zum anderen wird ein Konzept vorgestellt, welches eine horizontal ebene Plattform darstellt (hier rechts im Bild), die sich nicht rotieren lässt. Die Sonnennachführung soll mit Hilfe eines Stativs durchgeführt werden können, das versenkbare Beine besitzt und sich somit in jede mögliche Himmelsrichtung ausrichten lässt. Ein weiterer Unterschied ist die ausgewählte elektronische Steuerungseinheit. Während sich die erste Gruppe für einen FPGA entscheidet, welcher den Vorteil der Nachrüstbarkeit mit sich bringt, so zieht die zweite Gruppe einen Mikrocontroller vor. Beide Konzeptionen verlangen einen Stirlingmotor, eine Fresnel-Linse, eine Photovoltaikanlage, ein GPS- Modul, ein Magnetometer, ein Generator, einen Akku und für die Ausrichtung benötigte Motoren. 23

29 4.2 Entscheidungsfindung des finalen Konzeptes 4 ENTWURF 4.2 Entscheidungsfindung des finalen Konzeptes Im vorherigen Kapitel wurden die Ergebnisse der Konkurrenzgruppen miteinander verglichen und Unterschiede deutlich gemacht. Um nun gemeinsam ein finales Konzept, welches tatsächlich umgesetzt werden soll, zu finden, müssen diese beiden Konzeptideen zusammengeführt werden. Die Projektgruppe entscheidet sich für die Wahl der Konzeption des Aufbaus für die erste Variante. Grund hierfür ist die einfache Einteilung in mehrere Module, welche alle relevanten Anforderungen an den Aufbau erfüllt. Die Rotation und Neigung des Aufbaus soll mit Hilfe von zwei unabhängigen Motoren realisiert werden. Die zweite Variation würde zudem eine außerordentlich komplizierte rechnerische Transformation der gewünschten Beinlänge als Resultat haben. Die Rotation entlang der X-Achse soll mittels eines Drehkranzes realisiert werden. Die zu erbringende Kraft für die Neigung entlang der Y-Achse soll mit Hilfe eines Hubzylinders ermöglicht werden. Weiterhin fällt bei der zu wählenden Steuerungseinheit die Entscheidung zu Gunsten des Mikrocontrollers. Die Alternative, einen FPGA zu verwenden, fällt durch die hohen Anschaffungskosten und den höheren Energieverbrauch weg. Die Anforderung möglichst energieeffizient dem Sonnenverlauf folgen zu können ist mit dem FPGA nicht möglich, solange ein Mikrocontroller als Alternative besteht. Alle weiteren im Abschnitt vorher genannten Komponenten werden vollständig dem finalen Konzept hinzugefügt. Die Auswahl der einzelnen Komponenten geschieht in einem späteren Kapitel. 4.3 Konkretisierung des Konzepts Das im Abschnitt vorher entstandene vorläufige Konzept, welches das Ergebnis zweier Konkurrenzgruppen ist, soll nun in den folgenden Abschnitten weiter konkretisiert werden. Hinsichtlich der Anforderung, dass der Prototyp selbstständig dem Sonnenverlauf folgen können muss, werden zunächst die dafür benötigten Freiheitsgrade begründet und genau definiert. Außerdem wird die Definition des Plattformdesigns und die Komponentenauswahl inklusive ihrer Verkabelung durchgeführt. Anschließend erfolgt die Spezifikation des Designs bezüglich der getroffenen Entscheidungen Freiheitsgrade Eine Haupteigenschaft des Prototypen ist die automatische Nachjustierung nach dem aktuellen Sonnenstand. Hierfür benötigt dieser zwei Freiheitsgrade, um diese Eigenschaft erfolgreich umsetzen zu können. Der Prototyp muss demnach sowohl horizontal, als auch vertikal dem Sonnenverlauf folgen können. Die nächste Abbildung zeigt beispielhaft den Sonnenstandsverlauf für einen Ort in der subtropischen Zone, an dem die Sonne zu bestimmten Zeitpunkten sogar im Zenit stehen kann. 24

30 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Abbildung 26: Sonnenstandsverlauf für die subtropische Zone [42] Horizontal Der horizontale Verlauf der Sonne beträgt in den meisten Fällen unter 180. Um geringe Abweichungen und eine initiale Fehlaufstellung bzw. Fehlpositionierung zu erlauben, wird ein Freiheitsgrad von 150 nach links und 150 rechts angesetzt. So kann voraussichtlich horizontal jede Position eingenommen werden (vgl. [42]). Vertikal Beim vertikalen Verlauf ist die Ausrichtung im Hinblick auf die Freiheitsgrade komplexer. Am längsten Tag in Deutschland (21. Juni) geht die Sonne um 05:26 Uhr auf. Zu diesem Zeitpunkt hat die Sonne nicht genug Energie, um den Stirlingmotor oder die Photovoltaikanlage ausreichend zu betreiben. Ab 07:00 Uhr lohnt sich in der Regel der Betrieb einer Photovoltaikanlage, welche nach der Sonne ausgerichtet werden soll. An dieser Stelle kann keine Angabe gemacht werden ob der Stirlingmotor auch zu dieser Zeit in Betrieb genommen werden kann. Grund hierfür sind fehlende Daten, welche nicht einmal vom Hersteller bis zu diesem Zeitpunkt eingeholt werden konnten. Um 07:00 Uhr morgens steht die Sonne in Deutschland bei ca. 28. Der Höchstwert der Sonne beträgt an diesem Tag 66. Auf Grund der Tatsache, dass eine Photovoltaikanlage schon ab 07:00 Uhr in Betrieb genommen werden kann und dem Fakt, dass die Sonnenstrahlen zu diesem Zeitpunkt mit einem Winkel von 28 auf die Erden treffen, beträgt die Standardneigung der Photovoltaikanlage bzw. der Fresnel-Linse 62. Hiermit ist es dem Prototypen möglich, ohne eine Anhebung, die Sonnenstrahlen, welche mit einem Winkel von 28 eintreffen, direkt aufzunehmen. Um jetzt Sonnenstrahlen direkt aufzufangen, welche in einem Winkel von 90 auf die Erde treffen, muss der Prototyp die Photovoltaikanlage bzw. der Fresnel-Linse um zusätzliche 62 neigen. Somit ist der Betrieb des Prototypen an allen Orten der Erde möglich. Das direkte Einfangen von Sonnenstrahlen, welche unter 28 auf die Erde treffen, ist auf Grund des geringen Energiegehaltes nicht sinnvoll (vgl. [73, 1, 55, 42]). Um diese Entscheidungen zu stützen, zeigt das nächste Bild beispielhaft den Tagesverlauf über den Ertrag einer Photovoltaikanlage am 21. Juni mit Standort in Europa. 25

31 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Abbildung 27: Tagesverlauf für Europa am 21. Juni [110] Prinzip des Neigungsmotor Der Neigungsmotor funktioniert ähnlich wie ein Wagenheber. Durch das Drehen der Gewindestange werden zwei Achsen aufeinander zubewegt. Da die Achsen statisch sind, erhöht sich der Abstand ihrer Enden zueinander. In Abbildung: 28 sind zwei Zustände dargestellt. Durch Drehen der Kurbel gelangt man vom ersten in den zweiten Zustand. Bewegt man die Kurbel in die andere Richtung kann wieder der erste Zustand eingenommen werden. Das zu hebende Objekt muss sich oberhalb des Wagenhebers befinden. Durch die Verwendung einer Gewindestange, muss weniger Kraft aufgewendet werden, als beim direkten Anheben. Hier gilt das Prinzip: Doppelter Weg, halbe Kraft 1 2 Gewindestange Kurbel Abbildung 28: Grafische Darstellung der Funktionsweise des Neigungsmotors Für die korrekte Funktionsweise werden zwei statische Punkte benötigt. Beim Wagenheber sind beide Punkte an den Grundplatten, da der Wagenheber mobil sein soll. In einer festen Konstruktion kann das Wagengeberprinzip angepasst werden, da statische Punkte vorhanden sind. Dann wird nur eine Achse benötigt, um den gleichen Effekt zu erzeugen (siehe Abbildung Plattformdesign Der Abschnitt 4.2 hat einleitend den Weg zur Entscheidungsfindung des finalen Konzeptes genauestens dargestellt und bestimmte Vor- und Nachteile der verschiedenen Konzeptideen der Konkurrenzgruppen verglichen. An dieser Stelle ist jedoch noch keine genaue Beschreibung über das endgültige Design bzw. Erscheinungsbild des Prototypen getroffen worden. Das Ergebnis ist ein finales Konzept, welches im Laufe 26

32 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF dieser Projektgruppe nun weiterentwickelt und tatsächlich gebaut werden soll. Weiterhin ist zu erwähnen, dass es sich hier lediglich um einen Konzeptentwurf handelt, welcher keine genauen und konkreten Daten für die Entscheidungsfindung verwendet. Bestimmte Abstände bzw. Maße sind letztendlich von der entsprechenden hierfür kritischen Komponente abhängig. Konkrete Komponenten bzw. Bauteile werden in weiterführenden Abschnitten auf Grund der hier getroffenen Designentscheidungen anschließend ausgesucht. An dieser Stelle ist es noch einmal wichtig zu erwähnen, dass einige der folgenden Entscheidungen hauptsächlich auf Grund der bzw. das Resultat der Umwandlungsform als Stirlingvariante als Ursache haben bzw. getroffen worden sind. Ein essentielles Resultat der vergangenen Konkurrenzgruppen (siehe Kapitel 4.1), welches bei der Entscheidungsfindung des Designs für den Aufbau nicht außer Acht gelassen werden darf, ist der modulare Aufbau. Um alle Komponenten bzw. Abschnitte diesem Aufbaus zusammenfassend nennen zu können, wird im folgenden Verlauf der Dokumentation hierfür einfachheitshalber der Begriff Plattform verwendet. Der modulare Aufbau setzt sich aus den folgenden drei Elementen zusammen: Stirling-Gehäuse - Stellt hier den obersten Bereich der Plattform dar, welcher die Fresnel-Linse, die Photovoltaikanlage und den Stirlingmotor beinhalten soll. Elektronik-Gehäuse - Hiermit ist der mittlere Abschnitt der Plattform gemeint, welcher die elektronischen Steuerungskomponenten vor Witterung schützen soll. Stativ - Der untere Teil soll der Plattform einen sicheren Stand bieten. Dieser enthält keinerlei Komponenten, welche für den Betrieb des Prototypen benötigt werden. Die folgende Abbildung stellt den oben beschriebenen Aufbau schematisch dar. Haltestange Sonnenstrahlen Stirlingmotor Generator Potenziometer Hubstange Hebemotor Gewindestange Schlitten Stirlinggehäuse Zahnräder Kipppunkt Lastplatte Rotationsmotor Potenziometer Potenziometer Drehkranz Zahnräder Elektronikgehäuse Batterie Elektronik Linse / PV-Anlage Haltepunkt Gleitschiene Abbildung 29: Schematischer Aufbau der Plattform 27

33 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Ein wichtiges Kriterium bzw. eine wichtige Anforderung für das Design ist die Möglichkeit des Aufbaus an einem Tag von einer Person. Eine Konzeption des Designs, welche einen nicht-modularen Aufbau vorsieht, erfüllt bei dem zu erwartenden Gewicht der Plattform nicht mehr die oben genannte Anforderung an den Aufbau. Durch den modularen Aufbau, welcher hier drei Teile vorsieht, ist es möglich die Plattform einfach aufzubauen und korrekt zu positionieren. Eine ausführliche Installationsanleitung wird in einem späteren Kapitel vorgestellt. In diesem Zusammenhang ist ein weiterer wichtiger Aspekt zu nennen, welcher die Möglichkeit der Nutzung auf unebenen Boden ermöglichen soll. Das Stativ soll hierfür höhenverstellbare Beine besitzen, mit denen es dann möglich ist Unebenheiten auszugleichen. Eine weitere Anforderung ist die Minimierung des Gewichtes bzw. des Volumens, welches die Plattform zum Schluss besitzen soll. Hierdurch wird die Transportabilität verbessert und ein möglichst niedriger Energieverbrauch beim späteren Justieren gewährleistet. Auf Grund des geringen Platzbedarfs der Elektronikkomponenten und des Ziels die Materialeffizienz zu maximieren, wird das Elektronikgehäuse auf ein Minimum an Größe angepasst, so dass sich ein quadratischer Aufbau vom Elektronikgehäuse ergibt. Die Höhe des Elektronik-Gehäuses ist ausschlaggebend von den Maßen des Akkus abhängig. Die Breite bzw. Länge des Elektronik-Gehäuse ist wiederum abhängig vom Durchmesser des auszuwählenden Drehkranzes. Das Stativ bietet in diesem Zusammenhang durch einen breiten Stand die nötige Sicherheit, so dass der Aufbau auch bei schwierigen Bedingungen nicht umstürzen kann. In den folgenden Abschnitten werden nun basierend auf den bisherigen Designentscheidungen die konkreten Komponenten ausgewählt Komponentenauswahl Nachdem im vorangegangen Abschnitt das Plattformdesign konkretisiert und erläutert wurde, wird nun der Fragestellung nach den benötigten und geeigneten Komponenten nachgegangen. Diese umfassen sowohl die mechanischen und die elektronischen Komponenten, welche im und am Gehäuse verbaut und montiert werden, als auch die verschiedenen Gehäusematerialien. Im folgenden Abschnitt soll ersichtlich werden, welche Entscheidungsoptionen sich aus den an die MSPP gestellten Anforderungen ergaben und mit welcher Argumentation die jeweiligen Komponenten für den Prototypen ausgewählt wurden. Die einzelnen pro- und contra Aspekte dieser Komponenten werden in diesem Abschnitt differenziert betrachtet und werden anhand der zuvor definierten Anforderungen auf die Tauglichkeit für den Prototypen evaluiert Gehäusematerialien Für die Komponentenauswahl soll zunächst auf das Gehäuse des Prototypen eingegangen werden. Im folgenden Abschnitt werden dafür die verschiedenen Materialien aus denen die Gehäuse bestehen näher beschrieben und erläutert. Im Laufe der Planung der Konstruktion wurden verschiedene Materialien in Betracht gezogen und hinsichtlich verschiedener Gesichtspunkte diskutiert. Ziel dieses Abschnittes ist es die Kausalkette beim Entscheidungsprozess nachvollziehbar zu erläutern, sodass am Ende ersichtlich wird, wie Prioritäten bei der Materialauswahl verteilt sind und aus welchen Gründen sich das gewählte Material am besten für diesen Prototypen eignet. Dabei wurden die Anforderungen des Projektes als Grundlage für eine Evaluation dieser Materialien herangezogen, sodass sich deren Vor- und Nachteile in Bezug auf deren spätere Verwendung herauskristallisieren. Die Beschaffenheit des Einsatzgebietes und der Transport des Prototypen stellt gewisse Anforderungen an die Materialien, auf die im Weiteren detailliert eingegangen werden soll. Diese Anforderungen dienen dem Entscheidungsprozess als Argumentationsgrundlage, sodass diese zuvor erläutert werden müssen. 28

34 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Witterungsbeständigkeit: Der Outdoor-Einsatz des Prototypen erfordert ein gewisses Maß an Witterungsbeständigkeit gegenüber den Naturgewalten, welchen der Prototyp während des Betriebes im Einsatzgebiet ausgesetzt ist. Das definierte Einsatzgebiet umfasst theoretisch jeden beliebigen Punkt auf dem Planeten, aber primär Gebiete mit hoher Sonneneinstrahlung, sodass das Material zum einen den erhöhten Temperaturen, welche sich während der Betriebszeit des Prototypen entwickeln können, standhalten muss, aber zum anderen auch gegen Regen und Spritzwasser geschützt sein, um einen reibungslosen Betrieb der Elektronikkomponenten gewährleisten zu können. Das Material darf sich hinsichtlich solcher möglichen Bedingungen nicht oder nur in einem bestimmten Maß in seiner Form, Festigkeit oder Struktur verändern, so dass die Stabilität oder die Funktionsweise des Prototypen zu keinem Zeitpunkt beeinträchtigt wird. Gewicht: Unter den Aspekten, welche bei der Wahl der Gehäusematerialien eine Rolle spielen, kommt dem Gewicht eine besonders hohe Bedeutung zu. Zum einen wurde bei der Planung des Prototypen schon im Design darauf geachtet die Materialeffizienz möglichst hoch zu halten, allerdings musste zum anderen auch eine gewisse Stabilität und Raum für die zu verbauenden Komponenten gegeben sein. Daher musste ein Konsens zwischen der Stabilität des Gehäuses und dem Gewicht gefunden werden, welcher aus der Art, der Stärke des Materials, sowie der Konstruktionsweise resultiert. Primär spielt der Gewichtsaspekt bei dem Stirlinggehäuse eine tragende Rolle, da die Leistung der Servomotoren für das horizontale und vertikale Ausrichten der Plattform begrenzt ist und auch an dieser Stelle auf die Energieeffizienz des Prototypen bei der Ausrichtung geachtet werden soll. Bearbeitung: Da der Prototyp nicht nur theoretisch entworfen, sondern auch konstruiert werden soll, müssen alle verwendeten Materialien mit den vom OFFIS bereitgestellten Werkzeugen zu bearbeiten sein. Materialien, welche spezielle Verfahren zur Bearbeitung erfordern, können aufgrund des begrenzten finanziellen Rahmens, welcher im Abschnitt Budgetplanung 5.6 näher erläutert wird, nicht verwendet werden. Als ein veranschaulichendes Beispiel ist das Material Carbon zu nennen, welches zwar aufgrund seiner extrem hohen Belastbarkeit bei gleichzeitig sehr geringem Gewicht optimal für einen solchen Prototypen scheint, allerdings abgesehen von den hohen Materialkosten spezielles Werkzeug und Know-how benötigt, welches ebenfalls nur für die Konstruktion des Prototypen angeschafft werden müsste und dies deutlich den definierten finanziellen Rahmen der Projektgruppe übersteigen würde. Stabilität: Die Stabilität des Gehäuses resultiert aus der Wahl und Stärke der Materialien, sowie aus dem Aufbau des Prototypen. Der Aufbau muss die Belastung des Eigengewichts der Komponenten auch unter Krafteinwirkungen wie z.b. Wind oder Erschütterungen beim Transport standhalten können. Alle elektronischen und mechanischen Komponenten müssen sicher mit dem Gehäuse verbunden werden, sodass zusammengebaut ein möglichst robuster und wartungsarmer Aufbau des Prototypen entsteht. Da die Konstruktion der Sonne nachgeführt werden soll, ist eine Änderung der Gewichtsverteilung der Konstruktion während des Betriebes möglich. Der Aufbau muss zu jeder möglichen Gewichtsverteilung einen sichern Stand bieten, sodass der Prototyp auch bei schwierigen Witterungsbedinungen keine Schäden nehmen kann. Wie diese notwendige Stabilität erreicht wird, wird im Kapitel noch detailliert beschrieben und anhand von Konstruktionszeichnung veranschaulicht. Kosten: Die Projektgruppe besitzt einen fest definierten Budgetrahmen, der im Abschnitt 5.6 noch detaillierter erläutert wird. Da der Aufbau einige elektronische und mechanische Spezialkomponenten wie z.b. den Stirlingmotor, die PV-Anlage oder die notwendige Steuerelektronik benötigt, soll 29

35 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF das Gehäuse im Vergleich dazu möglichst kostengünstig konstruiert werden. Diesem Aspekt wurde bereits beim Plattformdesign in Abschnitt berücksichtigt und soll nun in der Wahl der Materialien weiter verfolgt werden. Recyclebarkeit: Als letztes muss noch der Umweltaspekt der Materialien untersucht werden. Da sich der Prototyp im Bereich der regenerativen Energien ansiedelt, sollten umweltgefährdende Stoffe oder nicht recyclebare Materialien nach Möglichkeit vermieden werden, sodass der größte Teil des Aufbaus am Ende des Produktlebenszyklus weiterverwendet werden kann. Da das Gehäuse einen sehr hohen prozentualen Anteil des verwendeten Materials darstellen wird, wird der Recyclebarkeit an dieser Stelle eine besonders hohe Gewichtung beigemessen. Anhand der o.g. Kriterien soll nun der Entscheidungsprozess reflektiert werden, sodass ersichtlich wird aus welchen Gründen die Materialien für die Konstruktion des Prototypen verwendet werden. Hierfür wurden verschiedene Materialien, welche von lokalen Händlern bezogen werden konnten, begutachtet und im Dialog mit fachkundigem Personal, basierend auf den angefertigten Konstruktionszeichnungen (siehe Abschnitt ), hinsichtlich der Anforderungen und Kriterien diskutiert. Leider war es an dieser Stelle nicht möglich die Materialien aufgrund detaillierter Datenblätter zu vergleichen, da den lokalen Händlern solche Informationen nicht zu Verfügung standen. Daher wurden alle in der folgenden Aufzählung genannten Daten bzgl. des Materials aus den Gesprächen mit dem Fachpersonal vor Ort entnommen. Aluminium: Eines der Materialien, welches für die Konstruktion des Prototypen in Betracht gezogen wurde ist, ist das Metall Aluminium. Dieses Leichtmetall besitzt viele Eigenschaften, welche die an das Material des Prototypen gestellten Anforderungen erfüllen. Aufgrund seiner geringen Dichte eignet es sich besonders für massearme Konstruktionen, bei denen eine Leichtbauweise einen signifikanten Vorteil darstellen. Da der Prototyp auch unter dem Aspekt der Energieeffizienz entwickelt wird und die Kraft der Motoren für die Ausrichtung der Plattform begrenzt ist, bietet es sich an die Konstruktion aus Aluminium zu fertigen. Mit einem Gewicht von 18,9 Kg/m 2 bei einer Materialstärke von sieben Millimeter bietet das Metall einen guten Konsens zwischen Stabilität und Gewicht. Im Dialog mit fachkundigem Personal vor Ort stellte sich heraus, dass Aluminium eine extrem hohe Belastbarkeit besitzt, sofern man eine gewisse Materialstärke voraussetzt. Des Weiteren ist Aluminium aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit unempfindlich gegenüber nahezu allen Witterungsbedingungen, was beim Prototypen die Wartungsanfälligkeit des Gehäuses reduzieren würde. Ebenfalls hervorzuheben ist die gute Wiederverwendbarkeit des Materials, da Aluminium ein leicht zu recycelndes Material ist und der Recyclingprozess auch mit relativ geringen Kosten verbunden ist. Die Bearbeitung von Aluminum ist mit gängigem Werkzeug, wie es im OFFIS zur Verfügung steht, problemlos möglich und durchführbar. In der Summe stellt Aluminium aufgrund seiner Eigenschaften ein sehr geeignetes Material für die Konstruktion des Prototypen dar, allerdings müssen auf der anderen Seite auch die Budgetplanung (siehe Abschnitt 5.6) berücksichtigt werden. Mit Kosten von ca. 50 Euro/m 2 bei einer Materialstärke von fünf Millimeter kann eine komplette Konstruktion des Prototypen aus Aluminium ausgeschlossen werden. An dieser Stelle muss aufgrund des begrenzten Budgetplans auf ein günstigeres Material oder auf einen partiell aus Aluminium konstruierten Aufbau zurückgegriffen werden. Polymethylmethacrylat: Umgangssprachlich auch unter Acrylglas bekannt, ist ein glasähnlicher Kunststoff, welcher oft für die Konstruktion von Prototypen verwendet wird. Die Tatsache, dass es sich hierbei um einen Kunststoff handelt, lässt das Material in die engere Auswahl rücken. Eines der aussagekräftigsten Argumente, welche für die Verwendung von Polymethylmethacrylat sprechen ist 30

36 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF der geringe Preis/m 2. Mit ca. 55 Euro/m 2 bei einer Materialstärke von sieben Millimeter bietet es eine höhere Materialstärke als Aluminium bei ähnlichem Preis. Zwar bietet dieser Kunststoff nicht die vergleichsweise extrem hohe Stabilität wie Aluminium, kann aber in höheren Materialstärken durchaus zur Konstruktion von Gehäusen und anderen tragenden Elementen verwendet werden. Pro Quadratmeter würde sich das Polymethylmethacrylat bei einer Materialstärke von sieben Millimeter mit einem Gewicht von ca. 11,9 Kg ansiedeln, so dass dieser Kunststoff sowohl für eine vollständige, als auch für eine partielle Verwendung bei der Konstruktion des Prototypen verwendet werden kann. Des Weiteren bieten Kunststoffe noch andere Vorteile, wie z.b. die Unempfindlichkeit bei nahezu allen Witterungsbedingungen, die einfache Wiederverwendbarkeit durch Recyclingverfahren wie Regranulierung oder die Bearbeitung mit Hilfe von gängigen Werkzeugen. Mitteldichte Holzfaser (MDF): Dieser Holzfaserwerkstoff stellt eine preisgünstigere Alternative zu den beiden vorangegangenen Materialien dar. Die Mitteldichte Holzfaser wird mit Hilfe von zerfasertem Holz und Leim zu einer sog. MDF-Platte verpresst und ist somit extrem kostengünstig in der Herstellung. Durch ein solches Pressverfahren erreicht die MDF-Platte eine extrem hohe Stabilität, weshalb das Material zunächst für die Konstruktion des Prototypen in Betracht gezogen wurde. Allerdings weist das Material ohne eine zusätzliche Behandlung mit Hilfe von Lacken o.ä. keine Beständigkeit gegenüber jeglichen feuchten Witterungsvehältnissen auf, weshalb das Material schon sehr früh als mögliche Option für die Konstruktion ausgeschlossen wurde. Obwohl die Möglichkeit bestanden hätte die fertige Konstruktion am Ende der Konstruktionsphase mit entsprechenden Lacken o.ä. zu behandeln, wurde sich aus Gründen der Umweltverträglichkeit und Recyclebarkeit des Materials gegen ein solches Vorgehen entschieden, da andere Materialien im Auswahlprozess eine Witterungsbeständigkeit bei gleichzeitiger Umweltverträglichkeit aufwiesen. Stegplatten: Stegplatten siedeln sich in einem ähnlichen Bereich wie das o.g. Polymethylmethacrylat an. Stegplatten bestehen aus Polycarbonat, welches aber im Gegensatz zu Acrylglas nicht aus einem Stück besteht, sondern in seiner Konstruktion Hohlkammern beinhaltet. Durch das so eingesparte Material lassen sich Stegplatten extrem kostengünstig herstellen und besitzen gleichzeitig ein sehr geringes Gewicht. Eine Stegplatte besitzt i.d.r. keine sehr hohe Materialstärke und ist daher als einzelnes Element nicht für tragende Konstruktionen geeignet. Allerdings werden Stegplatten im Verbund mit einem Aluminiumrahmen extrem stabil und belastbar, sodass an dieser Stelle die Vorteile beider Materialien kombiniert werden und die zuvor noch sehr hohen Kosten reduziert werden können (17 Euro/m 2, 1,7 Kg/m 2 ). Multiplex: Multiplex ist ein Material, das aus mehreren Furnierlagen besteht und ähnlich der mitteldichten Holzfaser mit Hilfe von Klebstoffen zu Multiplex-Platten verpresst wird. Allerdings bietet Multiplex gegenüber der mitteldichten Holzfaser zusätzlich noch eine Phenolbeschichtung, welche das Multiplex unempfindlich gegenüber nahezu allen Witterungsbedinungen macht. Gleichzeitig bietet Multiplex bei etwas höherem Gewicht gegenüber den Stegplatten eine extrem hohe Robustheit und Formstabilität (4,4 Kg/m 2 bei 6,5 Millimeter Stärke). Entschiedener Vorteil hierbei ist die einfache Montage des Materials, da hier kein zusätzlicher Rahmen für die Befestigung der Multiplex- Platten benötigt wird, sondern diese direkt miteinander verbunden werden können. Des Weiteren ist Multiplex vollständig recyclebar und mit gängigen Werkzeugen, wie sie beispielsweise im OFFIS vorhanden sind, zu bearbeiten. Obwohl der Preis mit 17 Euro/m 2 ähnlich hoch liegt wie bei den Stegplatten, so sind dort noch nicht die Kosten für den Aluminiumrahmen enthalten, so dass eine Konstruktion aus Multiplex zwar schwerer, aber noch einmal deutlich kostengünstiger wäre. 31

37 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Nachdem nun die einzelnen Bewertungsaspekte, sowie deren Gewichtung und die verschiedenen Materialien, die zur Auswahl standen genannt wurden, soll nun abschließend eine Zusammenfassung den Auswahlund Entscheidungsprozesses reflektieren. Im Wesentlichen wurden während des Entscheidungsprozesses auf die Energieeffizienz und die Kosten geachtet, bevor die anderen o.g. Aspekte diskutiert wurden. Aus diesem Grund wurde sich für eine Kombination mehrerer Materialien entschieden, um die Nachteile der einzelnen Materialien so gut wie möglich zu kompensieren. Für das Stirlinggehäuse wurde sich für eine Kombination aus Aluminiumrahmen und Stegplatten entschieden, da dieses Gehäuse in der Vertikalen von einem Neigungsmotor ausgerichtet werden muss und somit unter dem Aspekt der Energieeffizienz an dieser Stelle auf ein möglichst geringes Gewicht geachtet werden soll. Um Kosten zu sparen, aber dennoch alle notwendigen Anforderungen an die Konstruktion des Prototypen zu erfüllen, wird sowohl das Elektronnikgehäuse, als auch das Stativ vollständig aus Multiplex gefertigt, da dieses Gehäuse bzw. das Stativ das vollständige Gewicht des Stirlinggehäuses bzw. beider Gehäuse tragen muss. Hinzu kommt, dass sich der Massenschwerpunkt der Konstruktion je nach horizontaler und vertikaler Ausrichtung ändern kann. Das Elektronikgehäuse muss in Verbindung mit dem Stativ zu jeder möglichen Ausrichtung einen sicheren Stand gewährleisten und sicherstellen, dass der Prototyp auch bei ungünstigen Witterungsverhältnissen keine Schäden nehmen kann. Mit Hilfe dieser Kombination von Materialien ist es möglich alle an die Konstruktion gestellten Anforderungen zu erfüllen, ohne dass kostenintensive oder Hightech-Materialien zum Einsatz kommen müssen Elektronikkomponenten Magnetometer Bei einem Magnetometer handelt es sich um einen Sensor der in der Lage ist, magnetische Flussdichten zu detektieren. Abhängig von der gewünschten Genauigkeit und der Sensibilität des Sensors existieren verschiedene Formen von Magnetometern. Zu den besonders hochwertigen und fein auflösenden Magnetometern zählen beispielsweise die sogenannten SQUIDS, Protonenmagnetometer oder Kerr-Magnetometer. Diese Typen von Magnetometer werden aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und damit verbunden Kosten und Größe meist nur für wissenschaftliche Versuche verwendet. In der Konsumelektronik oder auch in der Automobilindustrie werden dagegen meist günstigere magnetoresistive Sensoren verwendet, welche allerdings im Ausgleich eine geringere Empfindlichkeit besitzen. Das Sensorprinzip solcher Magnetometer besteht darin, dass diese aus mehreren Schichten von verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen und durch die ein Strom fließt. Verändert sich das äußere Magnetfeld, welches durch die einzelnen Halbleiterschichten fließt, ändert sich ebenfalls aufgrund ferromagnetischer Eigenschaften der elektrische Widerstand des Sensors. Diese Änderung des elektrischen Widerstands wirkt sich wiederum auf den Stromfluss, der durch das Sensorelement fließt, aus und kann somit detektiert werden. Auf Basis dieses Sensorprinzips lassen sich mittels eines Magnetometers die Erdmagnetfeldlinien detektieren, sodass eine Kompassfunktion umsetzbar ist. Diese wird für die Prototyp-Steuerung benötigt, um die aktuelle Orientierung der Plattform entsprechend der Himmelsrichtung zu ermitteln und eine fehlerfreie Ausrichtung zu gewährleisten. Für den Bau des Prototypen wird das LSM303DLH Sensormodul von dem Hersteller STMicroelectronics als Magnetometer verwendet. Es handelt sich hierbei um eine 5 V-Komponente, die im Betrieb einen Stromverbrauch von etwa 0,83mA besitzt. In dem Sensormodul ist eine IC-Komponente integriert, die sowohl ein digitalen 3D-Beschleunigungssensor, wie auch ein 3D-Magnetfeldsensor enthält. Beide Sensoren lassen sich in ihrer Auflösung linear skalieren und ebenfalls separat in ihrem Energieverbrauch herabregeln, eine vollständige Deaktivierung des Sensormoduls ist allerdings nicht direkt möglich [120]. 32

38 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Die Wahl fiel auf dieses Sensormoduls, da es sich hierbei um eines der kostengünstigsten Modelle handelt, welches sowohl als Magnetometer, wie auch als Beschleunigungssensor genutzt werden könnte. In früheren Entwicklungsschritten wurde die Option offen gehalten, die Funktionalität des Sensormoduls für zusätzliche Anwendungsfälle und Testzwecke vollständig auszuschöpfen. So hätte beispielsweise der unebene Stand des Prototypens mit dem 3D-Magnetfeldsensor detektiert werden können. Ebenfalls denkbar war die Detektion von Motorbewegungen während des Betriebs mittels des Beschleunigungssensors. Beide Anwendungsfälle konnten im finalen Prototypen jedoch nicht umgesetzt werden, da aufgrund von Zeitgründen der Fokus auf die essentiellen Funktionen des Prototypen gesetzt wurde GPS-Modul Das Global Positioning System (GPS) ist ein die Erde umspannendes Netz aus Satelliten zur Positionsbestimmung. Die Satelliten senden in regelmäßigen Abständen die aktuelle Uhrzeit und ihre Position. Mit Hilfe eines passenden Empfängers kann die globale Position mittels Triangulation auf mindestens 10 Meter genau bestimmt werden. Durch die Laufzeit des Signals wird die Entfernung zu einem Satelliten gemessen. Bildlich gesehen, entstehen dabei für alle beteiligten Satelliten Kugeln oder, für die globale Position planar gesehen, Kreise mit der Satellitenposition als Mittelpunkt und der Entfernung zum Empfänger als Radius. Die Position des Empfängers ist dann im Schnittpunkt dieser gebildeten Kugeln. Angegeben wird die Position in Breiten- und Längengraden. Der Äquator ist die Nulllinie der Breitengrade und das Maximum/Minimum liegt an den Polen. Die Wertebereich der Breitengrade beträgt [ 90, 90 ] (Südhalbkugel negativ) oder [0, 90 ] mit der Zusatzangabe Nord/Süd. Die durch Längengrade gebildeten Linien verlaufen senkrecht zu den Breitengraden von Pol zu Pol und ihre Nulllinie liegt auf Höhe von Greenwich, England. Der Wertebereich beträgt [ 180, 180 ] (Osthälfte negativ) oder [0, 180 ] mit der Zusatzangabe West/Ost, wobei ±180 und 180 West und Ost die selbe Linie beschreiben. Für die MSPP wird ein GPS-Modul des Typs U-Blox Neo-6M GPS verwendet, welches die folgenden Kenndaten aufweist. Typ: U-Blox Neo-6M GPS Abmessung: 2 cm 1,5 cm 0,25 cm Betriebsspannung: 3,3 V Max. Energiebedarf: 50 ma bei 3,3 V Betriebstemperatur: 40 C bis +85 C Die Wahl fiel auf diesen Typ, da es sich hierbei um ein kostengünstiges Modell handelt, welches eine zusätzliche Außenantenne besitzt. Das GPS-Modul kann mit oder ohne diese Antenne betrieben werden. Im Fall von Signalstörungen kann mittels der Außenantenne der Empfang des Moduls verbessert werden. Software-seitig ist der GPS-Chip gut beschrieben, so dass es dort wenig Schwierigkeiten gab. Nach dem Kauf fiel allerdings auf, dass die proprietäre Platine, auf der sich der GPS-Chip befand, nicht dokumentiert ist. Die Platine verfügt über eine Leitung zu einem Schalter zum Aktivieren des GPS-Chips, was zur Annahme führte, das GPS-Modul sei defekt, da uns dieser Schalter nicht bekannt war. Nach einer längeren, gründlichen Betrachtung konnte dieser Fehler behoben werden. Sobald das Modul aktiviert wird, sendet es mit 4 Hz anfangs unvollständige und fehlerhafte Daten über die Universal asynchronous receiver / transmitter (UART)-Schnittstelle. Der Empfang korrekter Daten im Freien erfordert eine Laufzeit von durchschnittlich einer Minute. Die gesendeten Daten entsprechen dem National Marine Electronics Association (NMEA)-GPS-Protokoll. Das Protokoll legt den Aufbau der 33

39 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Datensätze fest, die jeweils mit einem Code beginnen ($GPxxx) und durch Kommas getrennte Einträge enthalten. Die Informationen vom GPS sind speziell zur weiteren Berechnung des Sonnenstandes und der dazu passenden Ausrichtung der MSPP notwendig. Da die MSPP theoretisch weltweit zum Einsatz kommen können soll, ist es erforderlich, dass diese Informationen nach jeder Initialisierung zugänglich sind. Eine statische Eingabe der Sonnenstandpositionen für einen Standort ist daher nicht sinnvoll, da diese bei der Bewegung der MSPP manuell angepasst werden müsste Mikrocontroller Der zu wählende Mikrocontroller muss viele Kriterien erfüllen, um den gestellten Anforderungen an die Prototyp-Steuerung gerecht zu werden. Bei den erwähnten Kriterien handelt es sich um folgende Eigenschaften: Timer für die Clock Watchdog-Funktionalität Mindestens zwei separate PWM-Ausgänge Timer für die PWM-Ausgänge Möglichst großer Speicher I 2 C-Schnittstelle (Magnetometer und Kommunikation mit Laderegler) AD-Wandler mit vier Eingängen Zwei UART-Schnittstellen (Debugging-Ausgabe und GPS) SPI-Schnittstelle Gleichzeitig sollte der Mikrocontroller so gewählt werden, dass dieser einen möglichst geringen Eigenverbrauch hat. Die Entscheidung fiel letztlich auf den Mikrocontroller ATMega644P des Herstellers ATmel, welcher die geforderten Eigenschaften besitzt. Der Mikrocontroller hat einen internen 64 Kilobyte-Speicher und verschieden einstellbare Taktraten. Für die Prototyp-Steuerung wird der Mikrocontroller mit 20 MHz und einer Versorgungsspannung von 5 V betrieben. Im laufenden Betrieb beträgt der Strombedarf bei dieser Taktrate ca. 16,5 ma, im Ruhezustand hingegen nur 0,3-4 ma [7] Energiekomponenten Stirlingmotor Den Stirlingmotor, der für unser Projekt verwendet werden soll, kommt von dem Unternehmen GreenpowerScience [61]. Dieses Unternehmen bietet einen Stirlingmotor für 450 Dollar im Set mit einer Fresnel- Linse an. Dieser Stirlingmotor schafft 3000 Kenndaten [62]: Typ: SMALL STIRLING ENGINE Preis: 450 $ im Set mit der Fresnellinse Leistung: 3000 U min U min, 10 W mechanische Leistung (Leerlauf) und hat 10 W mechanische Leistung. 34

40 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF In dem Webshop von Stirlingshop [119] können auch Stirlingmotoren gekauft werden. Diese Stirlingmotoren dienen jedoch eher schulischer Zwecke, da es kleine Stirlingmodelle sind, die bis zu 1,5 W mechanische Energie erzeugen. Der Stirlingmotor von GreenPowerSciene jedoch produziert 10 W mechnische Energie, also fast siebenmal mehr und ist mit 285 Dollar genauso teuer, wie fast alle Modelle auf der Internetseite. Es gibt auch Stirlingmotoren die 500 W mechanische Energie erzeugen. Solche Motoren kosten dann aber über Euro. Diese Motoren fallen allein deswegen schon raus, da sie nicht in dem Budgetrahmen von 2000 Euro liegen Fresnel-Linse Eine Bauweise einer optischen Linse ist die Fresnel-Linse. Sie wurde um das Jahr 1822 von dem französischen Physiker Augustin Jean Fresnel erfunden und ursprünglich für Leuchttürme gebraucht. Durch das Bauprinzip der Fresnel-Linse werden generell Gewicht und Volumen gegenüber einer normalen Linse gespart [127]. Abbildung 30: (1)Querschnitt einer Fresnel-Linse, (2) Querschnitt einer normalen Linse mit gleicher Brennweite [34] Abbildung 30 zeigt eine Gegenüberstellung von einer Fresnel-Linse und einer normalen Linse. Sie zeigt je einen Querschnitt der beiden Linsen mit gleichem Durchmesser und gleicher Brennweite. Der Stirlingmotor braucht zum Erhitzen des Gases eine sehr hohe Temperatur. Diese Temperatur wird von der Sonne ohne Linse nicht erreicht werden. Daher ist der Gebrauch einer Linse beim Einsatz eines Stirlingmotors unerlässlich. Es wurde sich für eine Fresnel-Linse entschieden, unter anderem wegen der oben genannten Eigenschaft. Die mobile Solarstation soll von einer Person aufgebaut werden können und transportabel sein und da spielt das Gewicht eine wichtige Rolle. Zudem wird die Fresnel-Linse von dem Unternehmen GreenPower- Science zu dem Stirlingmotor mit angeboten. Auf der Internetseite sind erprobte Aufbauten mit diesen beiden Bauteilen gezeigt. Außerdem soll es eine gemeinsame Halterung für die Linse und der Photovoltaikanlage geben. Ein Parabolspiegel wurde hingegen nicht in Betracht gezogen. Durch die Konkurrenzgruppen wurden zwei Entwürfe entwickelt, die beide den Schwerpunkt Fresnel-Linse besaßen. Dadurch wurde auch dieser Schwerpunkt mit übernommen. Ansonsten müsste eine zusätzliche Halterung für den Spiegel entworfen und alle Anschlüsse müssten zu der Halterung des Stirlingmotors verlegt werden. Des Weiteren müsste noch eine Halterung für die Photovoltaikanlage an dem Stirlinggehäuse angebracht werden. Dadurch kann ein Teil des Spiegel verdeckt werden, wodurch weniger Energie erzielt wird. Die ausgewählte Fresnel-Linse wurde von dem Unternehmen GreenPowerScience gekauft. Dort wird eine 35

41 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Fresnel-Linse zu dem Stirlingmotor angeboten. Dadurch werden zusätzliche Versandkosten gespart. Abbildung 31: Fresnel-Linse [63] Kenndaten [63]: Typ: 43 Zoll Fresnel-Linse Abmessung: 78,87 cm x 76,2 cm Gewicht: 3,6 kg Brennweite: 71,12 cm Größe des Brennpunktes: 10,16 cm Max. Temperatur im Brennpunkt: 921 C Preis: 450 Dollar im Set mit dem Stirlingmotor Die ausgewählte Fresnel-Linse hat fast die gleichen Maße, wie die ausgewählte Solarzelle. Dadurch ist ein leichter Austausch von Solarzelle und Linse möglich Photovoltaikanlage Durch den geringen Wirkungsgrad sind Photovoltaikanlagen mit Dünnschicht-Solarzellen herausgefallen (vergleiche hierzu 3.3.2). Es wurde dann nur zwischen polykristalline und monokristalline Photovoltaikanlagen unterschieden. Bei der Auswahl der Solarzelle wurde darauf geachtet, dass die Solarzelle etwa die gleiche Größe, wie die Fresnel-Linse besitzt. Dadurch ist gewährleistet, dass eventuell ein schneller bzw. auch leichter Austausch von Fresnel-Linse und Photovoltaikanlage möglich ist. Durch Recherchen nach Solarzellen, die diese Maße in etwa besitzen, ist man auf Photovoltaikanlagen gestoßen, die eine Leistung von 20 W erbringen können. Nun musste ein weiteres Unterscheidungskriterium gefunden werden und es hat sich herausgestellt, dass monokristalline Solarmodule teurer sind, als polykristalline Solarmodule. Durch unseren festgeschriebenen Budgetrahmen wurde sich auf polykristalline Solarmodule geeinigt. Durch viele Recherchen und Gegenüberstellungen der unter die Auswahl gefallenen Solarzellen, wurde die folgende 20 W Solarzelle vereinbart. 36

42 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Abbildung 32: Solarzelle [105] Kenndaten [44]: Produktname / Marke: Lux.Pro DSP-20M Abmessungen (H x B x T) in mm: 518 x 350 x 25 Gewicht in Kg: 2,18 Zellentyp: poly Zellen pro Modul: 36 Stk. Leistung max. (Pmax): 20 W Spannung max.: 18,01 V Strom max. (Imp): 1,11 A Leerlaufspannung: 22,50 V Kurzschlussstrom: 1,36 A Modulwirkungsgrad: 15,01 % Max. Systemspannung: 600 V Akkumulator Durch die 20 W Photovoltaikanlage wird ein 12 V-System vorgeben. D.h., da die Nennspannung maximal bei ungefähr 18 V liegt, muss eine 12 V Batterie verwendet werden. Dies wurde immer wieder dadurch bestätigt, dass bei den Recherchen zu den Photovoltaikanlagen, die zu der MSPP passen könnten, Händler immer 12 V Batterien mit angeboten haben. Die ausgewählte Blei-Akkus bieten im Gegensatz zu anderen Batterie-Typen wie Nickel-Cadmium-Zellen (NiCD) oder Lithium-Ionen-Zellen ein gutes Preis-Leistungsverhältnis. Nickel-Cadmium-Zellen sind in etwa doppelt so teuer wie Blei-Akkus. Lithium-Ionen-Zellen sind ca. sechs mal teurer als Blei-Akkus. Nickel-Metall-Hydrid-Akkus sind in etwa eineinhalb mal so teuer wie Bleiakkus [56]. Knopfzellen fallen von vornherein durch die Problemstellung heraus. Knopfzellen sind eher für kleine mobile Geräte gedacht. Dazu gesellt sich auch die Alkali-Mangan-Batterie. Da der Zink-Luft-Akku eine neue Technologie ist und daher noch nicht viel im Gebrauch ist, wurde auf diesen Akkutyp auch verzichtet. Aus diesen Entscheidungskriterien wurde ein Blei-Akku gewählt (Vergleiche hierzu 3.3.5). 37

43 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Aus diversen Recherchen und Gegenüberstellungen der einzelnen Ergebnisse, ergab sich folgender Blei- Akku: Abbildung 33: Batterie [45] Kenndaten [46]: Typ:AGM Gel Bleiakku 12 V/18 Ah Preis (Euro): 34,90 + 3,90 Versand ETN-Nummer: GB12-18F Endpolart Flachstecker max. Lange (mm): 181 max. Breite (mm): 76 max. Kastenhöhe (mm): 166 Der ausgesuchte Bleiakku ist zudem Tiefentladung-sicher und hat eine niedrige Selbstentladungsrate. Das heißt, dass der Akku einer Tiefentladung sich wieder aufladen lässt. Grundsätzlich sollten Akkus nicht tiefentladen werden und nach dem Entladen möglichst wieder aufgeladen werden. Blei-Akkus sollten regelmäßig aufgeladen werden, da sie sonst Schaden nehmen können. Es wird empfohlen, spätestens nach vier Wochen den Akku zu laden. Bei dem ausgewähltem Bleiakku handelt es sich um den Akkutyp Blei-Gel. Dabei handelt es sich um ein komplett verschlossenes Akku-Gehäuse, welches jedoch mit einem Überdruckventil ausgestattet ist. Dadurch kann dieser Bleiakku ohne Bedenken transportiert werden, dass Giftstoffe aus dem Bleiakku entweichen. Der Zusatz AGM steht für Absorbent Glass Mat und besagt, dass der Elektrolyt im Glasfaservlies gebunden ist. Dadurch wird die niedrige Selbstentladung erreicht. AGM-Bleiakkus haben deutlich bessere Entladungszyklen als gewöhnliche Blei-Akkus, d.h. die AGM-Bleiakkus können deutlich öfter geladen und entladen werden. Diese Eigenschaft spiegelt sich in einer längeren Lebensdauer bei AGM-Bleiakkus wider. Blei-Akkus sind dafür konstruiert, kurzfristig hohen Strom zu liefern, wie es beispielsweise beim Motorstart notwendig ist. Weiterhin sind Blei-Akkus für bis zu flache Entladungen bis drei Prozent 38

44 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF ausgelegt. Je tiefer der Blei-Akku entladen wird, umso geringer ist die Lebensdauer. Bei einer Entladetiefe von 50 Prozent kann ein Blei-Akku etwa 240 Lade-/Entladezyklen überleben [139]. AGM-Blei-Akkus können im Notfall auch zu 100 Prozent entladen werden, jedoch gilt wie bei Blei- Akkus, je tiefer der Akku entladen wird, um so geringer ist die Lebensdauer. Bei AGM-Blei-Akkus liegt der Lade-/Entladezyklus je nach Typ zwischen 500 und 900 Zyklen bei 50 Prozent Entladetiefe [140]. Die Lebensdauer eines Akkus ist aber auch von der Temperatur abhängig. Je höher die Temperatur ist, desto geringer ist die Lebensdauer. Die ausgewählte Solarzelle hat einen maximalen Strom von etwas mehr als 1 A. Der ausgewählte Blei- Gel-Akku hat eine Kapazität von 18 Ah. Das bedeutet, dass der Akku bei maximaler Leistung rund 18 Stunden geladen werden kann. Maximale Leistung kann die MSPP aber nicht durchgängig am Tag liefern, sondern nur um die Mittagsstunden herum. Die Kapazität des Akkus würde somit im besten Falle drei bis vier Tage. D.h. erst danach kann kein Strom mehr gespeichert werden [43, 48, 49, 141, 2, 3, 92] Motorik Da sich die MSPP automatisch nach dem Sonnenstand ausrichten und diesen auch verfolgen soll, wird eine gewisse Aktorik benötigt. Hierfür standen unterschiedliche Typen von Motoren zur Auswahl. Die Wahl fiel schnell auf einen Elektromotor, da z. B. für Verbrennungsmotoren noch zusätzliche Komponenten zur Treibstoffversorgung hätten eingebaut werden müssen. Außerdem besitzt die MSPP neben der Aktorik weitere elektronische Komponenten, welche eine Energiequelle benötigen. Hinzu kommt, dass die MSPP durch die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie die durch die elektrischen Komponenten verbrauchte Energie kompensieren kann. Allerdings gibt es auch bei den Elektromotoren eine Vielzahl an verschiedenen Typen, welche im folgenden genauer Betrachtet und nach ihren Vor- und Nachteilen abgewogen werden sollen. In die nähere Auswahl kamen folgende Motorentypen: Schrittmotor Gleichstrommotor Servomotor Aspekte für die Auswahl der Motoren waren Stromverbrauch, Spannungsversorgung, Kraft und deren Ansteuerung. Da eine vorläufige Schätzung des Kraftaufwandes ergab, dass ein Getriebe von Nöten sein würde, fiel die endgültige Entscheidung auf die Verwendung von Servomotoren. Obwohl auch ein Gleichstrommotor oder ein Schrittmotor mit einem Getriebe ausgestattet werden könnte, gestaltete sich das Auffinden eines Händlers für geeignete Getriebe als schwierig. Außerdem hätte für das Ansteuern des Motors noch zusätzlich eine Elektronik entwickelt werden müssen, damit dieser neben einer Ein- und Ausschaltfunktion auch vor und zurück bewegt werden kann. Des Weiteren verfügen Servomotoren über eine eigene Steuerungselektronik, welche den im Servomotor befindlichen Elektromotor ansteuert. Diese Elektronik benötigt ein Pulsweiten Modulation (PWM)-Signal, welches durch Veränderung den Servomotor bzgl. seiner Drehrichtung und Geschwindigkeit beeinflussen kann. Servomotoren verfügen darüber hinaus über ein internes Getriebe, welches die Suche nach zusätzlichen geeigneten Getrieben überflüssig macht. Nachteil an der Verwendung eines internen Getriebes ist, dass die Servomotoren eigentlich nicht dafür geeignet sind, sich mehrfach um die eigene Achse zu drehen. Damit die Servomotoren diese Funktion übernehmen können, müssen einige Bauteile angepasst werden. Zum einen müssen die internen Potentiometer durch externe Potentiometer ersetzt werden, sodass man durch diesen Umbau dem Motor eine Position mitteilen kann, welche er gar nicht eingenommen hat. Zum anderen kann es auch sein, das einige 39

45 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Sperrstifte aus dem Getriebe entfernt werden müssen, um eine Verwendung im Rahmen der MSPP zu ermöglichen. Mit Hilfe dieser Modifikationen ist ein Servomotor für die Verwendung im MSPP problemlos möglich Verkabelung Nachdem im vorangegangenen Abschnitt detailliert sowohl auf die elektronischen Komponenten, als auch auf die Gehäusekonstruktion und das Plattformdesign eingegangen wurde (siehe Kapitel 4.3.3), soll nun im folgenden Abschnitt die Verkabelung der elektronischen Komponenten anhand eines Kabelverlaufsplans visualisiert werden. Dafür werden zunächst die notwendigen Anforderungen, welche während des Betriebs an die Verkabelung gestellt wurden, aufgezählt und erläutert, sodass im Anschluss verschiedene Kabeltypen bewertet werden können. Aus der daraus resultierenden Übersicht lässt sich schließen, welche Kabeltypen sich für die Verkabelung des Prototypen eignen Kriterien Wie aus dem Kapitel Elektronikkomponenten hervorgegangen ist, werden für die Verkabelung der Komponenten lediglich Energiekabel und keine Spezialkabel wie bspw. Glasfaserkabel o.ä. benötigt. Konduktivität: Vergleicht man die am Markt verfügbaren Energiekabel und deren elektrische Leitfähigkeit, so kristallisieren sich Unterschiede in der Konduktivität einzelner Materialien heraus, was aber für die Verkabelung des Prototypen kaum relevant ist, wie sich bei der folgenden Betrachtung zeigen wird. Der gängige Standard bei Energiekabeln ist eine Fertigung aus einem Kupferleiter und einer Kunststoffummantelung. Obwohl es noch weitere Energiekabel z.b. mit einem Silberleiter gibt, kommen solche Kabel nicht in Frage, da die elektrische Leitfähigkeit nur minimal höher ist als bei einem Kupferleiter, aber dennoch signifikant kostenintensiver sind. Aus diesem Grund und weil sich Energiekabel aus Kupfer in einer akzeptablen Preislage befinden, wie später in diesem Abschnitt noch genauer erläutert wird, wurde der Aspekt der Konduktivität nicht weiter behandelt. Widerstand: Die Berechnung des elektrische Widerstandes bei elektrischen Leitern ist dann sinnvoll, wenn die Verlustleistung beim Transport der Energie eine signifikante Größe annimmt und somit berücksichtigt werden muss. Da bei den elektronischen Komponenten des Prototyps allerdings immer nur Spannungen unter 24 V bei gleichzeitig relativ geringen Stromstärken und Leitungslängen von maximal einem Meter auftreten, ist die errechnete Verlustleistung so gering, dass diese keine weitere Beachtung bedarf. Stromtragfähigkeit: Jeder elektrische Leiter besitzt eine max. Stromtragfähigkeit, d.h. einen max. Wert, welchem der Leiter dauerhaft ausgesetzt sein kann, ohne sich zu stark zu erwärmen oder gar Schaden zu nehmen. Entscheidend ist an dieser Stelle der Kabelquerschnitt, da dieser ausschlaggebend für die Stromtragfähigkeit eines elektrischen Leiters ist. Im weiteren Verlauf dieses Kapitels werden die für die Verkabelung des Prototypen notwendigen Querschnitte berechnet und bilden ein Teil der Grundlage für den Auswahlprozess der zu verwendeten Kabel. Preis: Da es sich bei den zur Verkabelung des Prototypen benötigten Kabeln um Energiekabel handelt, welche zwar allgemeine, aber keine speziellen Anforderungen erfüllen müssen, siedeln sich die benötigten Kabel im gängigen Niedrigpreissegment an, so dass an dieser Stelle nicht detaillierter auf die Kosten eingegangen wird. Eine genaue Aufschlüsselung der Kosten zur Verkabelung wird allerdings im Kapitel 5.6 Budgetplanung aufgeführt. 40

46 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Recyclebarkeit: Aufgrund der Tatsache, dass alle Energiekabel den typischen Aufbau aus einem metallischen Leiter, welche mit einer Kunststoffhülle ummantelt wurde, folgen, so lassen sich diese durch entsprechende Recyclingprozesse wieder voneinander trennen. Das daraus resultierende Metall und Kunststoff lassen sich durch Einschmelz- und Regranulierungsverfahren wieder verwerten. Verfügbarkeit: Da es sich bei den benötigten Kabeln um Energiekabel handelt, welche keine Merkmale aufweisen, die einen spezialisierten Händler erfordern, können alle benötigten Kabel, wie auch die Materialien für die Gehäusekonstruktionen, von lokalen Händlern bezogen werden Verkabelung der elektr. Komponenten Abbildung 34 zeigt einen groben Plan der Verkabelung und soll im Weiteren dazu dienen, die einzelnen benötigten Kabelquerschnitte zu ermitteln. Da zwischen den elektronischen Komponenten teilweise unterschiedliche Spannungen und Stromstärken anliegen, werden alle Verbindungen durchnummeriert um später im nächsten Abschnitt für jede Verbindung den theoretisch notwendigen Querschnitt zu ermitteln. Abbildung 34: Schematische Übersicht der Verkabelung der Energiekomponenten Kabelauswahl Aufgrund der nun angeführten Kriterien und Argumente wurden aus Kostengründen Kupferleiter als Material zur Verkabelung des Prototypen ausgewählt. Kupfer bietet bei akzeptablem Preis sehr gute elektrische Eigenschaften, welche auch die Anforderungen, die aus den elektrischen Komponenten des Prototypen resultieren, vollständig erfüllen. Ein weiterer Grund ist die hohe Verfügbarkeit und die breite Auswahl an verschiedenen Kabelquerschnitten, auf die nun im Folgenden detailliert eingegangen werden soll. Wie bereits oben erwähnt ist es vor Inbetriebnahme des Prototypen notwendig zu ermitteln, welche Stromtragfähigkeit und somit welcher Kabelquerschnitt für einen sicheren Betrieb notwendig sind. Für die Ermittlung der Kabelquerschnitte werden die Nennspannung, die max. anliegende Stromstärke und die max. Leitungslänge, welche in der Konstruktion maximal einen Meter beträgt, benötigt. Die Leitungslängen werden später im Kabelverlaufsplan (siehe Abschnitt 5.3.4) noch detailliert visualisiert. 41

47 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Energiekomponenten PV-Anlage Spannung / Stromstärke Spannung (Nennleistung): 18,1 V Stromstärke (max.): 1,11 A DC-Generator Spannung (max.): 18,1 V Stromstärke (max.): 4 A Batterie Spannung (Nennleistung): 12 V Stromstärke Output (max.): 8 A Stromstärke Input (max.): 4 A Rotationsmotor Spannung (Nennleistung): 6 V Stromstärke (max.): 7 A Neigungsmotor Spannung (Nennleistung): 6 V Stromstärke (max.): 7 A Mikrocontroller Spannung (Nennleistung): 1,8-5,5 V Stromstärke: < 1 A Basierend auf den o.g. Daten zeigt die folgende Tabelle nun die theoretischen und praktischen Kabelquerschnitte, aufgezählt anhand der in Abbildung 34 nummerierten Verbindungen. Zu den errechneten Kabelquerschnitten ist noch zu sagen, dass je nach Verfügbarkeit und Preis jeweils immer der nächst höhere Kabelquerschnitt als praktischer Wert verwendet wurde, für den Fall, dass der errechnete Wert nicht verfügbar ist. Diese Entscheidung wird aus Sicherheitsgründen getroffen, um eine Fehlfunktion aufgrund von falsch gewählten Kabeln auszuschließen. Weiterhin ist noch anzumerken, dass die Servomotoren zu keinem Zeitpunkt gleichzeitig in Betrieb sein werden, so dass jeweils immer die max. Stromstärke von 7 A angenommen werden kann. 42

48 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Kabelnummer Stromstärke Theo. Querschn. Prakt. Querschn. 1 (max.) 4 A 1,0 mm 2 2,5 mm 2 2 (max.) 1,11 A 0,22 mm 2 2,5 mm 2 3 (max.) 8 A 1,6 mm 2 2,5 mm 2 4 (max.) 8 A 1,6 mm 2 2,5 mm 2 5 (max.) 8 A 1,6 mm 2 2,5 mm 2 6 (max.) 7 A 1,4 mm 2 2,5 mm 2 7 (max.) 7 A 1,4 mm 2 2,5 mm 2 Des Weiteren werden neben den Kabeln für die Energiekomponenten noch weitere Kabel für die Sensorik benötigt. Für die vier Potentiometer, welche die Nachführung und Ausrichtung des Prototypen verifizieren sollen, wurden Flachbanddatenkabel mit einem Leitungsquerschnitt von 0,09 mm 2 verwendet, da dort nur eine geringe Spannung und Stromstärke anliegt und diese Kabel für einen solchen Zweck vollkommen ausreichend sind Designspezifikation Auf Grund der zuvor ausgewählten Komponenten ist es nun möglich die bereits getroffenen Designentscheidungen weiter zu spezifizieren. Wie bereits erwähnt sind bestimmte Maße abhängig von der jeweiligen kritischen Komponente. Genau diese werden in dem folgenden Abschnitt aufgeschlüsselt. Abbildung 35: Mögliche Grundflächen für das Stirling-Gehäuse In der vorangegangenen Abbildung 35 werden die möglichen Optionen für die Wahl der Grundfläche des Stirling-Gehäuses dargestellt. Der sich in der Mitte befindende graue Kreis stellt die Position des Drehkranzes dar. Für die Wahl der Grundfläche sind fünf Eigenschaften mehrerer Komponenten von entscheidender Bedeutung. 1. Der Durchmesser vom Drehkranz beträgt 28 cm. 2. Die Position des Brennpunktes liegt laut Hersteller cm entfernt vom Mittelpunkt der Linse. 3. Die Höhe des Stirligmotors beträgt 21 cm. 4. Der Neigungswinkel der Photovoltaikanlage bzw. der Fresnel-Linse ist initial Die Länge der Fresnel-Linse beträgt cm. Auf Grund der ersten Eigenschaft wird an dieser Stelle eine minimale Breite der Grundfläche von 40 cm angesetzt. Der hier relativ große Spielraum ermöglicht voraussichtliche Korrekturen im späteren Verlauf beim Zusammenbau des Prototypen. Weiterhin sollte zum diesem Zeitpunkt auf keinen Fall ein zu kleines Maß gewählt werden um beim späteren Zusammenbau genügend Freiheiten zu besitzen. 43

49 4.3 Konkretisierung des Konzepts 4 ENTWURF Mit Hilfe der zweiten, dritten und vierten Eigenschaft ist es möglich mittels Pythagoras die Berechnung der Hypotenuse durchzuführen, welche hier die Länge der Grundfläche repräsentiert. 38,1 cm 90 71,12 cm 38,1 cm ,53 cm Abbildung 36: Winkeldarstellung In der vorangegangenen Abbildung 36 ist zu sehen, dass die Hypotenuse eine Länge von cm besitzt. Um auch hier genügend Spielraum beim späteren Zusammenbau gewährleisten zu können, wird die Länge der Grundfläche mit 90 cm angesetzt. Aus den gewonnenen Erkenntnissen ergibt sich eine vorläufige Grundfläche mit den Maßen 40 cm x 90 cm. Die folgende Tabelle zeigt die Berechnung der Grundflächen anhand der in Abbildung 35 und soll die bisher vorläufige Entscheidung über die Grundfläche weiterführen. Kreis Quadrat Hexagon Rechteck Gesamte Länge Gesamte Breite Flächeninhalt cm cm cm cm 2 Abbildung 37: Flächenberechnung Die obige Tabelle zeigt die vier alternativen Grundflächen in einer Tabelle gegenübergestellt in Bezug auf 28 den sich ergebenden Flächeninhalt. Ziel ist es die Grundfläche und auch das daraus resultierende Volumen und Gewicht möglichst gering zu halten. Die gesamte bzw. minimale Länge ist durch den Brennpunkt der Fresnel-Linse und dem Abstand zum Stirlingmotor mit 90 cm begrenzt. Ebenfalls ist die minimale Breite durch den Durchmesser vom Drehkranz auf minimal 40 cm eingeschränkt. Mit Hilfe der Form eines Hexagons kann laut der Berechnung die kleinste Fläche mit cm 2 für die Plattform umgesetzt werden. Das Rechteck ist mit einer Fläche von cm 2 annähernd hinter dem optimalen Ergebnis. Ein runder bzw. quadratischer Aufbau kann an dieser Stelle auf Grund der schlechten Materialeffizienz 44

50 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF verworfen werden. An diesem Punkt ist nur noch die Bauweise als Hexagon bzw. Rechteck interessant. In Hinblick auf die Stabilität ist ein hexagonaler Aufbau bei dieser Größe mit der Stabilität des Rechtecks gleich zu setzten. Die Verarbeitung als Rechteck bietet für die hier anfallende prototypische Umsetzung einen geringeren Aufwand bei Fertigstellung und dem Zusammenbau. Die eingesparte Fläche bzw. das eingesparte Volumen und somit auch das eingesparte Gewicht ist in Relation zur komplizierteren Verarbeitungsweise bei dem Zusammenbau in keiner bzw. schlechter Relation. Der genaue Einsatzbereich, der in Abschnitt genannten Komponenten, wird in dem Kapitel Entwicklung genauer beschrieben. 4.4 Anforderungsspezifikation Nachdem der Entwurfsprozess des Prototyps in den letzten Kapiteln transparent gemacht wurde, werden in diesem Kapitel die aufgestellten Anforderungsdefinition anhand der Kenntnisse über die Plattform und der Komponenten mittels UML-Diagramme genauer definiert und spezifiziert, sodass diese als Vorlage für die Entwicklung dienen Akteure Nachfolgend werden die Akteure des Prototyps vorgestellt Anwender Der Akteur Anwender ist eine Person, welche den Prototypen bedient. Die Anwendungsfälle, in denen der Anwender mit dem Prototypen interagiert, werden in dem Anwendungsfalldiagramm Anwender näher erläutert System Der Akteur System ist lediglich ein Pseudoakteur. Er dient dazu systeminterne Anwendungsfälle anzusprechen, die von der Prototyp-Steuerung übernommen werden. Das System kann durch die Operationen Einschalten, Ausschalten und Reset in seinem Verhalten vom Anwender gesteuert werden. Die Anwendungsfälle des Systems sind im Anwendungsfalldiagramm System dargestellt Anwendung In diesem Abschnitt wird die Anwendung des Prototyps mittels Anwendungsfalldiagrammen dargestellt. Die Anwendung wird dabei aufgeteilt in die Anwendungen der einzelnen Akteure Anwender In Abbildung 38 werden die Anwendungsfälle dargestellt, die den Anwender betreffen. Der Anwender interagiert dabei über die Fernsteuerung mit dem Prototyp. Die Anwendung umfassen dabei speziell der Kommunikation und der Interaktion mit dem System. Unter der Kommunikation ist zu verstehen, dass Daten bezüglich des Systemzustands oder gespeicherte Daten ausgelesen werden. Die Interaktion umfasst das Ändern des Systemzustands. Neben den dargestellten Anwendungen kann der Anwender die Signale Einschalten, Ausschalten und Reset direkt über Hardware-Schnittstellen in Form eines Schalters und Tasters senden. 45

51 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Fernsteuerung Kommunikation mit Fernsteuerung Interaktion mit Fernsteuerung Einschalten des Prototyps Anwender Ausschalten des Prototyps Zurücksetzen des Prototyps Abbildung 38: Anwendungsfalldiagramm des Anwenders 46

52 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF System In Abbildung 39 werden die Anwendungsfälle dargestellt, auf die der Anwender keinen direkten Einfluss nehmen kann. Diese Anwendungen werden vom System eigenständig durch die Systemsteuerung ausgeführt, sobald es eingeschaltet wurde. Bei den Anwendungen handelt es sich um alle Vorgänge betreffend der selbstständigen Ausrichtung nach dem Sonnenstand, der Änderung von Energieprofilen, sowie der Initialisierung des Systems und der Einnahme der sicheren Ausgangsstellung. System-Steuerung Abfrage GPS Abfrage Magnetometer Ausrichtung des Prototyps System Berechnung Sonnenverlauf Einnahme Ausgangsstellung Überprüfung Ausrichtung Energieprofil laden Batterieladezustand auslesen Abbildung 39: Anwendungsfalldiagramm System Anwendungsfälle Im nachfolgenden Abschnitt werden die Anwendungsfälle, sofern möglich, in Form von Sequenzdiagrammen vorgestellt. Ist die Darstellung mittels Sequenzdiagramm nicht möglich, wird der jeweilige Anwendungsfall textuell beschrieben. Speziell die Anwendungsfälle Kommunikation mit Fernsteuerung und In- 47

53 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF teraktion mit Fernsteuerung des Anwenders werden im Kapitel Fernsteuerung näher spezifiziert Einschalten des Prototyps Name Einschalten des Prototyps ID Anwender1 Kategorie Anwender Akteure Anwender Auslösendes Ereignis Keine. Vorbedingung Das System befindet sich nicht im Betrieb, die SD-Karte ist eingelegt. Beschreibung Der Anwender schaltet den Prototypen per Schalter oder Fernsteuerung-Software ein. Nachbedingung Das System befindet sich im Betrieb. Mögliche Fehlerfälle Das System wird nicht eingeschaltet. Sicherheitskritische Aspekte Die SD-Karte muss für Logging-Zwecke eingelegt sein Ausschalten des Prototyps Name ID Kategorie Akteure Auslösendes Ereignis Vorbedingung Beschreibung Nachbedingung Mögliche Fehlerfälle Sicherheitskritische Aspekte Ausschalten des Prototyps Anwender2 Anwender Anwender Keine. Das System befindet sich im Betrieb. Der Anwender schaltet den Prototypen per Schalter aus. Das System befindet sich nicht mehr im Betrieb. Das System wird nicht ausgeschaltet. Das System wechselt vor dem Verlassen des Betriebszustands nicht in die Ausgangsausrichtung. Es muss sicher gestellt werden, dass das System jederzeit über den Schalter außer Betrieb genommen werden kann. Bevor es außer Betrieb geht, muss das System die Ausgangsausrichtung einnehmen. 48

54 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Zurücksetzen des Prototyps Name Zurücksetzen des Prototyps ID Anwender3 Kategorie Anwender Akteure Anwender Auslösendes Ereignis Keine. Vorbedingung Das System befindet sich im Betrieb. Beschreibung Der Anwender setzt den Prototypen per Taster oder Fernsteuerung-Software zurück. Nachbedingung Das System befindet sich in der Initialisierung. Mögliche Fehlerfälle Das System wird nicht zurückgesetzt. Sicherheitskritische Aspekte Keine. 49

55 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Überprüfung Ausrichtung Überprüfung der Ausrichtung MCU SD-Karte Abfrage Orientierung-Daten Rückgabe Orientierung-Daten Überprüfung Ausrichtung Rückgabe Ausrichtung Unter der Orientierung ist die relative Ausrichtung zu den Himmelsrichtungen zu verstehen. Abbildung 40: Anwendungsfall: Überprüfung Ausrichtung Name ID Kategorie Akteure Auslösendes Ereignis Vorbedingung Beschreibung Nachbedingung Mögliche Fehlerfälle Sicherheitskritische Aspekte Überprüfung Ausrichtung System1 System System Das System hat zuletzt Orientierungsdaten vom Magnetometer abgefragt. Das System ist im Zustand der Initialisierung. Das System überprüft, ob es sich in der Ausgangsausrichtung befindet. Hierzu werden die Informationen des Magnetometers verwendet. Je nach dem, ob sich der Prototyp in der Ausgangsausrichtung befindet, nimmt dieser entweder den Fehlerzustand ein und sendet dem Anwender ein Signal oder fährt mit der Initialisierung fort. Das System erhält keine Orientierungsdaten von der SD-Karte. Das System muss dem Nutzer per Status-LED informieren, falls die Ausrichtung des Prototyps nicht korrekt ist. 50

56 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Einnahme Ausgangsstellung Einnahme der Ausgangsstellung MCU SD-Karte Rotationsmotor Potentiometer Neigungsmotor Abfrage Messwert Rückgabe Messwert Abfrage Ausgangsstellung Berechnung Regelparameter Ausrichtung Rotation Loge Rotations-Ausrichtung Ausrichtung Hub Loge Neigungs-Ausrichtung Das System überprüft bei der Ausrichtung zunächst, ob die vorgebene Auslenkung der Motoren erreicht wurde, bevor es weiterarbeitet. Abbildung 41: Anwendungsfall: Einnahme Ausgangsstellung Name ID Kategorie Akteure Auslösendes Ereignis Vorbedingung Beschreibung Nachbedingung Mögliche Fehlerfälle Sicherheitskritische Aspekte Einnahme Ausgangsausrichtung System2 System System Das System wird ausgeschaltet. Das System befindet sich im Betrieb. Das System fragt die Ausgangsausrichtung ab. Danach ermittelt es die Abweichung von der Ausgangsausrichtung und gibt den Motoren ein Signal, um den Prototypen in die Ausgangsausrichtung auszurichten. Das System befindet sich in der Ausgangsausrichtung. Das System hat keine Daten über die Ausgangsausrichtung. Das System kann die Abweichung nicht ermitteln. Das System kann die Signale an die Motoren nicht übermitteln. Die Motorenauslenkung weicht von der Ausgangsausrichtung ab. Die Ausgangsausrichtung muss so gewählt sein, dass der Anwender den Prototyp in diesem Zustand sicher demontieren kann oder die Art der Energieerzeugung gefahrlos ändern kann. 51

57 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Abfrage GPS Abfrage GPS MCU GPS SD-Karte Abfrage GPS-Daten Rückgabe GPS-Daten GPS-Daten speichern Abbildung 42: Anwendungsfall: Abfrage GPS Name ID Kategorie Akteure Auslösendes Ereignis Vorbedingung Beschreibung Nachbedingung Mögliche Fehlerfälle Sicherheitskritische Aspekte Abfrage GPS System3 System System Das System benötigt Daten vom GPS. Das System befindet sich in der Initialisierung. Das System ruft die nötigen Daten vom GPS ab und speichert diese. Das System hat die GPS-Daten gespeichert. Das System erhält keine GPS-Daten. Das System erhält fehlerhafte GPS-Daten. Das System kann die Daten nicht speichern. Keine. 52

58 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Abfrage Magnetometer Abfrage Magnetometer MCU Magnetometer SD-Karte Abfrage Orientierung Rückgabe Orientierung Umrechnung der Daten Orientierung speichern Unter der Orientierung ist die relative Ausrichtung zu den Himmelsrichtungen zu verstehen. Abbildung 43: Anwendungsfall: Abfrage Magnetometer Name ID Kategorie Akteure Auslösendes Ereignis Vorbedingung Beschreibung Nachbedingung Mögliche Fehlerfälle Sicherheitskritische Aspekte Abfrage Magnetometer System4 System System Das System benötigt Daten vom Magnetometer. Das System befindet sich in der Initialisierung. Das System ruft die nötigen Daten vom Magnetometer ab und speichert diese. Das System hat die Magnetometer-Daten gespeichert. Das System erhält keine Magnetometer-Daten. Das System erhält fehlerhafte Magnetometer-Daten. Das System kann die Daten nicht speichern. Keine. 53

59 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Berechnung Sonnenverlauf Berechnung Sonnenverlauf MCU SD-Karte Abfrage GPS-Daten Rückgabe GPS-Daten Abfrage Orientierung Rückgabe Orientierung Berechnung Verlaufsdaten Unter der Orientierung ist die relative Ausrichtung zu den Himmelsrichtungen zu verstehen. Speichern der Verlaufsdaten Unter den Verlaufsdaten sind die berechneten Sonnenpositionen über den Tag mit ihren zugehörigen Zeitpunkten zu verstehen. Das System liest immer nur die nächste Information. Abbildung 44: Anwendungsfall: Berechnung Sonnenverlauf Name ID Kategorie Akteure Auslösendes Ereignis Vorbedingung Beschreibung Nachbedingung Mögliche Fehlerfälle Sicherheitskritische Aspekte Berechnung Sonnenverlauf System5 System System Das System soll die Plattform ausrichten. Das System befindet sich in der Ausrichtung/Nachführung. Auf der SD-Karte befinden sich die nötigen Daten vom GPS. Auf der SD-Karte befinden sich die nötigen Daten vom Magnetometer. Das System ruft die nötigen Daten von der SD-Karte ab und berechnet die aktuelle Sonnenposition und speichert diese auf der SD-Karte. Das System hat die Sonnenposition berechnet. Das System kann die Daten von der SD-Karte nicht lesen. Das System berechnet die Sonnenpostion falsch. Keine. 54

60 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Ausrichtung des Prototyps Ausrichtung des Prototyps MCU SD-Karte Rotationsmotor Potentiometer Neigungsmotor Abfrage Sonnenstand Rückgabe Sonnenstand Abfrage Messwert Rückgabe Messwert Umrechnung von Messwert in Grad Regelparameter berechnen Ausrichtung Rotation Loge Rotations-Ausrichtung Ausrichtung Hub Loge Neigungs-Ausrichtung Das System überprüft bei der Ausrichtung zunächst, ob die vorgebene Auslenkung der Motoren erreicht wurde, bevor es weiterarbeitet. Abbildung 45: Anwendungsfall: Ausrichtung des Prototyps Name ID Kategorie Akteure Auslösendes Ereignis Vorbedingung Beschreibung Nachbedingung Mögliche Fehlerfälle Ausrichtung des Prototyps System6 System System Das System richtet sich erstmals nach der Initialisierung aus. Das System folgt dem Kriterium des Energieprofils und richtet sich neu aus. Das System befindet sich in der Ausrichtung/Nachführung. Auf der SD-Karte sind entsprechende Daten zum aktuellen Sonnenstand gespeichert, nach dem ausgerichtet werden soll. Das System liest die Sonnenposition von der SD-Karte, berechnet die Änderung der Ausrichtung und sendet Signale an die Motoren. Das System hat sich neu ausgerichtet. Das System kann die Daten von der SD-Karte nicht lesen. Das System berechnet die Änderung der Ausrichtung falsch. Das System kann die Signale an die Motoren nicht senden. Die Ausrichtung des Prototyps entspricht nicht der Vorgabe. 55

61 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Sicherheitskritische Aspekte Es muss sichergestellt werden, dass bei der Berechnung der Ausrichtungsänderung keine unzulässigen oder unerreichbaren Stellungen an die Motoren gesendet werden. 56

62 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Batterieladezustand auslesen Batterie-Ladezustand auslesen MCU Abfrage Batterie-Ladezustand SCU SD-Karte Rückgabe Batterie-Ladezustand Speichern des Batterie-Ladezustand Abbildung 46: Anwendungsfall: Batterieladezustand auslesen Name ID Kategorie Akteure Auslösendes Ereignis Vorbedingung Beschreibung Nachbedingung Mögliche Fehlerfälle Sicherheitskritische Aspekte Batterieladezustand auslesen System7 System System Ein vorgeschriebenes Zeitintervall wurde überschritten. Das System befindet sich in der Ausrichtung/Nachführung. Das System fragt den Batterieladezustand von der SCU ab und speichert diesen auf der SD-Karte. Das System hat die Daten zum Batterieladezustand gespeichert. Das System kann nicht mit der SCU kommunizieren. Das System kann die Daten nicht auf der SD-Karte speichern. Keine. 57

63 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Energieprofil laden Energieprofil laden MCU SD-Karte Abfrage Energieprofil Rückgabe Energieprofil Systemsteuerung anpassen Das System bekommt vom Energieprofil ein Kriterium (Zeitintervall/Winkelabweichung), zu dem die nächste Aktion ausgeführt werden soll. Diese kann entweder die Ausrichtung des Prototyps, der Übergang in den Schlafmodus oder das Verlassen des Schlafmodus sein. Abbildung 47: Anwendungsfall: Energieprofil laden Name ID Kategorie Akteure Auslösendes Ereignis Vorbedingung Beschreibung Nachbedingung Mögliche Fehlerfälle Sicherheitskritische Aspekte Energieprofil laden System8 System System Der Anwender ändert über die Fernsteuerung das Energieprofil. Das System befindet sich im Betrieb. Das System fragt das ausgewählte Energieprofil von der SD-Karte ab und passt die interne Steuerung an setzt den Betrieb entsprechend fort. Das System hat das Energieprofil geladen und die interne Steuerung angepasst. Das System kann die interne Steuerung nicht anpassen. Das System kann die Daten nicht auf der SD-Karte speichern. Keine Gesamtablauf des Systems Dieser Abschnitt stellt mit Hilfe von Zustandsdiagrammen den Systemablauf beim allgemeinen Betrieb des Prototyps dar. Dabei wird auf die einzelnen Anwendungsfälle zurückgegriffen. 58

64 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Betrieb Energieprofil laden H / Ändere Energieprofil / Einschalten Initialisierung Ausrichtung / Reset / Reset / Ausschalten / Ausschalten Einnahme der Ausgangsstellung Das Energieprofil kann auf Eingabe des Anwenders jederzeit geändert werden. Nachdem das neue Energieprofil geladen wurde, kehrt das System im Betrieb in den Oberzustand "Initialisierung" oder "Ausrichtung/ Nachführung" zurück, je nachdem in welchem sich das System zuvor befand. Abbildung 48: Betrieb-Zustand des System Das generelle Zustandsdiagramm des Systems ist in Abbildung 48 dargestellt. Das System wird beim Einschalten in Betrieb genommen und kann in jedem Zustand zurückgesetzt (/Reset) oder ausgeschaltet werden. Im Fall einer Zurücksetzung wird in den Zustand Initialisierung gesprungen, beim Ausschalten hingegen wird die Ausgangsausrichtung eingenommen und der Betrieb-Zustand verlassen. Kommt keines der Signale Zurücksetzen oder Ausschalten, durchläuft das System im Betrieb-Zustand zuerst die Initialisierung und geht daraufhin in die Ausrichtung/Nachführung über. Zu dem kann von der Fernsteuerung jederzeit ein Signal zur Änderung des Energieprofils gesendet werden. Tritt dieser Fall ein, wird der Anwendungsfalls Energieprofil laden vom System ausgeführt und nachfolgend der zuletzt ausgeführte Anwendungsfall fortgesetzt. Nachfolgend werden die beiden zusammengesetzten Zustände Initialisierung und Ausrichtung/Nachführung näher betrachtet. 59

65 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Initialisierung Abfrage GPS Abfrage Magnetometer Überprüfung Ausrichtung Ausrichtung ok? Nein Fehlerzustand Ja Im Fehlerzustand sendet das System ein Signal an den Anwender in Form einer Anzeige-LED. Das System verlässt den Fehlerzustand nicht selbst, sondern muss vom Nutzer manuell ausgeschaltet werden. / Ausschalten / Reset Abbildung 49: Initialisierung-Zustand des System Einen genaueren Einblick in den Initialisierung-Zustand des System gibt Abbildung 49. Hier ist zu sehen, dass das System im Initialisierung-Zustand einmalig die Daten von den beiden Sensor-Komponenten abfragt und daraufhin überprüft, ob die Ausrichtung des Prototyps korrekt ist. Ist dies der Fall, verlässt das System den Initialisierung-Zustand und geht in die Ausrichtung/Nachführung über. Steht der Prototyp jedoch nicht korrekt, geht das System in einen Fehlerzustand und bleibt in diesem. 60

66 4.4 Anforderungsspezifikation 4 ENTWURF Ausrichtung/Nachführung Berechnung Sonnenverlauf Batterieladezustand auslesen Schlafzustand Ausrichtung des Prototyps Der Schlafzustand ist ein Zustand, in dem das System möglichst viele Komponenten abschaltet um Strom zu sparen. Der Zeitpunkt, wann der Schlafzustand verlassen wird, ist von den Kriterien des Energieprofils abhängig. / Ausschalten / Reset Abbildung 50: Ausrichtung/Nachführung-Zustand des Systems Nach der Initialisierung folgt die Ausrichtung/Nachführung, der Ablauf dieses Zustands wird in Abbildung 50 dargestellt. Zunächst wird das System die Berechnung den Anwendungsfall Berechnung Sonnenverlauf durchführen und den Batterieladezustand auslesen. Darauf wird der Prototyp entsprechend der Berechnung ausgerichtet und geht nach vollständiger Ausrichtung in den Schlafzustand. Im Schlafzustand werden möglichst viele Komponenten des Prototyps ausgeschaltet bzw. in einen Energiesparmodus versetzt um möglichst viel Energie einzusparen. Nach Vorgaben des Energieprofils verlässt das System den Schlafzustand wieder und beginnt mit einem neuen Zyklus der Ausrichtung. 61

67 5 ENTWICKLUNG 5 Entwicklung 5.1 Energiesystem Welcher Generator wird verwendet? Um die mechanische Energie aus dem Stirlingmotor in elektrische Energie umzuwandeln, wird ein Generator benötigt. Da die Batterie aber nur mit Gleichspannung geladen werden darf, war von vornherein klar, dass nur ein Generator in Frage kommt, der Gleichspannung erzeugt. Als Bauteile kommen daher Lichtmaschinen, Dynamos und als Generator umfunktionierte kleine Elektromotoren in Frage. Die Auswahl des Generators ist stark abhängig von den Leistungsmerkmalen des Stirlingmotors. Diese sind: Leistung: ca. 10 W mechanische Leistung Drehmoment: nicht bekannt, aber sehr schwach Starttemperaturdifferenz: nicht bekannt Diese Leistung soll möglichst effizient in elektrische Energie umgewandelt werden. Da Lichtmaschinen viel zu überdimensioniert für den ausgewählten Stirlingmotor sind, wurden sie nicht weiter betrachtet. Dynamos, speziell Fahrraddynamos, hingegen sind laut 67 StVZO auf 3 W Leistung und 12 V begrenzt und liefern 500 ma. Sie weisen jedoch einen sehr hohen Wirkungsgrad auf. Die Firma Komponentix [72] hat sich unter anderem auf den Verkauf von Nabendynamos spezialisiert. Auf der Internetpräsenz der Firma werden verschiedene Nabendynamos angeboten, die sich in der Leistung und dem Gewicht unterscheiden. Alle angebotenen Dynamos haben eine Nennspannung von 6 V und eine Leistung von 3 W. Diese Firma stellt zudem ein Paper [84] bereit, wo zwei Dynamos gegenüber gestellt und verglichen werden. Abbildung 51: Gegenüberstellung von verschiedenen Nabendynamos [85] Abbildung 51 zeigt eine Gegenüberstellung von verschiedenen Nabendynamos der Firma Komponentix. Zu erkennen ist, dass die Dynamos ohne Last eine linearen Anstieg der Spannung aufweisen (oberes Bild, 62

68 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG dicke schwarze Linie und schwarze Linie mit Punkten), je schneller sich die Dynamos drehen. Wird jedoch eine Last an die Dynamos angeschlossen, so weisen die Dynamos bis 10 km h bei einem 28 Zoll-Rad noch einen linearen Anstieg auf. Ab 10 km h konvergieren die Dynamos an die 7 V-Grenze an. Das gleiche passiert auch mit der elektrischen Leistung (oberes Bild, rote Kurven). Das untere Bild der Abbildung 51 zeigt noch einen weiteren Vergleich von verschiedenen Nabendynamos. Hier ist aber der Vergleich Licht angeschaltet oder nicht. Es wurde sich jedoch gegen den Einsatz von Dynamos als Generator entschieden, wegen den festgeschriebenen Leistungsmerkmalen. Wenn ein Dynamo bei 30 Stundenkilometer seine maximale Leistung erreicht hat und sich der Stirlingmotor mit mehr als 30 Stundenkilometer dreht, so wird die zusätzliche Leistung von dem Dynamo nicht in elektrische Energie umgewandelt und daher nicht genutzt. Die hatte das Glück mit einem Nabendynamo zu experimentieren. Es ist aufgefallen, dass ein Nabendynamo sich sehr schwer drehen lässt. Ist der Nabendynamo an einem 28 Zoll Rad befestigt, so lässt es sich mit Hilfe des Rades leicht in Bewegung setzen. Da der Prototyp kein 28 Zoll Schwungrad besitzen soll, war dies ein weiterer Grund, warum die Dynamos nicht verwendet werden. Durch den Test des Stirlingmotors (vergleiche hierzu ) sind die Angaben zu der Starttemperaturdifferenz und zu den Umdrehungen pro Minute bekannt geworden. Starttemperaturdifferenz: 10 C Umdrehungen pro Minute: maximal 2700 Leider sind diese Werte nicht sehr aussagekräftig über den Stirlingmotor an sich. Hier wäre es schön zu wissen, wie groß das Drehmoment des Motors ist. Diese Angabe ist darum sehr wichtig, da zu klären ist, wie groß der hinter geschaltete Generator sein darf, damit der Motor den Generator auch bewegen kann. Aus dem Grunde der fehlenden Messgeräte kann das Drehmoment des Motors nicht gemessen werden. Daher kann kein passender Generator ausfindig gemacht werden. Es wurden aber viele verschiedene kleine DC-Motoren von dem Betreuer Herrn Janacek der MSPP bereitgestellt. Bei diesen Motoren war ein 12 V Dunkermotor dabei. Die Leistung des Motors passt zu der Leitung des Stirlingmotors und auch zu dem 12 V Energiesystem. Der Dunkermotor kann über ein 1:1-Verhältnis durch den Stirlingmotor betrieben werden. Lichtmaschinen Drehmoment Lichtmaschinen viel zu groß viel zu groß Dynamos max 3 W viel zu groß Elektromotor(Dunkermotor) 12 V DC, ca. 10 W durch Zahnradverhältnis 1:1 kann der Motor betrieben werden Tabelle 12: Gegenüberstellung der verschiedenen Generatoren Durch die Tabelle 12 fiel die Wahl auf den Dunkermotor (Abbildung 52). 63

69 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Abbildung 52: Der ausgewählte Dunkermotor Der Motor besitzt folgende Eigenschaften: Typ: Dunkermotor 12 V DC Länge: 76,5 mm Breite: 41 mm Höhe: 41 mm Länge der Motorenwelle: 120 mm Gewicht: 0,422 kg Der Dunkermotor wird als Energieerzeuger durch Verbund mit dem Stirlingmotor eingesetzt Übersetzungsverhältnis zwischen Stirlingmotor und Generator Von den Leistungsmerkmalen des Stirlingmotors sind lediglich die Umdrehungen pro Minute, Starttemperaturdifferenz und die mechanische Leistung bekannt. Diese Leistung soll möglichst effizient in elektrische Energie umgewandelt werden. Um das optimale Übersetzungsverhältnis zu finden, ist das Drehmoment der beiden Motoren sehr wichtig. Das Drehmoment konnte aufgrund fehlender Messgeräte nicht ermittelt werden. Durch Ausprobieren wurde festgestellt, dass der ausgewählte Dunkermotor mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 vom Stirlingmotor betrieben werden kann. Ob dies das beste Übersetzungsverhältnis ist, musste aber noch getestet werden. Der Stirlingmotor und DC-Generator sind die Energieerzeuger der MSPP, sie sind ein Teil des gesamten Energiesystems. Hinter dem Generator gibt es noch den Laderegler und die Batterie. Daher muss zuerst die Last, die sich hinter dem Generator befindet betrachtet werden. 64

70 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Die Last hinter dem Generator besteht hauptsächlich aus: Laderegler 17 mohm Batterie 12 mohm (Herstellerangabe) Messwert: 220 mohm Da der Laderegler und die Batterie in eine Parallelschaltung geschlossen sind, gilt nach den Kirchhoffsche Regeln, dass der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung kleiner ist als der kleinste Widerstand der Sub-Widerstände. Das bedeutet, dass der Gesamtwiderstand hinter dem Generator unbedeutend ist. Zu mindestens ist dieser kleiner oder gleich 17 mohm. Der Innerwidestand des zur Untersuchung genutzten Multimeters beträgt 50 mohm, daher kann ein Kurzschlussstrom gemessen werden (Widerstand von Multimeter: 50 Ohm > 17mOhm) [121]. Am Anfangen der Untersuchung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Stirlingmotor und DC Generator wurden folgende Überlegung getätigt: Hat der Stirlingmotor genug Drehmoment, um den Generator zu an zu treiben? Welche Temperatur muss der Stirlingmotor haben, um den Generator betreiben zu können? Wie viel Strom wird vom Generator erzeugt? Abbildung 53: Testmaterialien Um die drei oben genannten Fragen zu beantworten, musste ein Untersuchungsmodell gebaut werden. Hierfür wurden folgende Messgeräte und Werkzeuge benötigt (siehe Abbildung: 53: Multimeter 65

71 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Themometer Gasbrennder unterschiedliche Zahnräder Haltewinkel Ein Zahnrad mit 24 Zähne ist schon am Generator verbaut, an der andere Seite sind vier verschieden Zahnräder. Jeweils mit 24, 16, 14, 8 Zähnen welche durch eine Achse mit der Stirlingmotor verbunden sind (siehe Abbildung: 54). Abbildung 54: Messaufbau Da das Drehmoment vom Stirlingmotor sehr schwach ist, wurde zuerst ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 untersucht. Die Starttemperaturdifferez betrug ca. 60 C. Weitere Zusammenhänge zwischen Starttemperaturdifferenz und Übersetzungsverhältnis sind in der folgenden Tabelle dargestellt: Abbildung 55: Übersetzuingsverhältnisse beim Messaufbau Die Starttemperaturdifferenz sind bei den Übersetzungsverhältnissen von 12:7 und 3:1 fast gleich. Beide Übersetzungsverhältnisse lohnen sich nicht, da weniger Strom erzeugt wird als bei einem 2:1 Verhältnis. Daher werden diese hier nicht mehr untersucht. Die folgende Abbildung zeigt die Ausgangsstromstärke bei drei verschiedenen Übersetzungsverhältnissen sowie den Temperaturunterschied am Stirlingmotor. 66

72 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Abbildung 56: Messergebnisse vom Messaufbau Die Ausgangsstromstärke bei den Übersetzungsverhältnissen von 1:1 und 1:2 sind bei verschiedenen Temperatur des Stirlingmotors deutlich besser als bei einem Verhältnis von 3:2. Die Ausgangsstromstärke bei dem Übersetzungsverhältnis von 1:2 ist erst zwischen der Temperaturbereich von 350 bis 400 C größer als bei einer 1:1 Übersetzung. Der genaue Verlauf ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Abbildung 57: Grafische Darstellung der Messergebnisse Die Ausgangsstromstärke bei allen Übersetzungsverhältnissen fällt beim Überschreiten der Temperatur von 350 C ab. Das bedeutet, dass der Stirlingmotor bei einer Temperatur von ca. 350 C gesättigt ist. Über dieser Temperatur kann er nicht wirkungsvoll arbeiten. Ein physikalischer Grund dafür ist, dass 67

73 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG des die Kühlrippen des Stirlingmotors ab diesem Punkt nicht ausreichen, um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten. Durch eine Überschreitung der Temperatur besteht die Gefahr der Verformung und Ablagerungen im Zylinder. Durch die Verformungen und Ablagerungen wird der Stirlingmotor schwergängig. Die blaue Kurve zeigt die Ausgangsstromstärke bei dem Übersetzungsverhältnis vom 1:1. Sie liegt in dem Temperaturbereich von 100 bis 350 C immer oberhalb der anderen Kurven. Der Betrieb des Stirlingmotors ist stark abhängig von der Wärmeleistung, die ihm zugeführt wird, in diesem Fall Sonnenenergie. Diese ist abhängig von der Uhrzeit und den Witterungsverhältnissen. Bei guten Witterungsverhältnissen hat die Sonnenenergie von morgens bis mittags einen steigende Verlauf und von mittags bis abends einen sinkenden. Die Anfangswerte bei der 1:1 Übersetzung sind deutlich höher als bei den anderen Übersetzungen, und eignet sich daher besonders gut für den Aufbau. Zudem bietet diese Übersetzung das beste Verhältnis zwischen Temperatur und Stromstärke Solar-/Laderegler Was ist ein Solar-/Laderegler? Ein Laderegler ist ein elektronisches Bauteil und haben im Allgemeinen die Aufgabe, das Aufladen von verschiedenen Batterietypen technisch umzusetzen. Dieses Verfahren ist zum Teil genormt. Die Laderegler sollen in erster Linie das Überladen einer Batterie verhindern. Dies wird durch die Begrenzung der Ladespannung realisiert [35]. Abbildung 58: Beispielbild eines Ladereglers [58] Die Funktionen eines Ladereglers sind die Folgenden: Verhindern des Überladens der Batterie Begrenzung des Ladestroms Verhindern des Tiefentladen der Batterie Aufwändigere Laderegler besitzen zudem zusätzliche Funktionen. Diese zusätzlichen Funktionen spiegeln sich natürlich im Preis wieder [35]. Die zusätzlichen Funktionen sind: Temperatur 68

74 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Spannung Kapazität Zeit Strom Komplexe Laderegler besitzen einen Mikroprozessor oder einen speziellen Lade-IC. Die Ladeschaltkreise beinhalten alle Steuer- und Schutzfunktionen, die für den jeweils angeschlossen Batterietyp erforderlich sind. Einige Laderegler benötigen keine externen leistungselektronischen Bauelemente. Es gibt auch Laderegler, die Eingänge besitzen, womit die Temperatursensoren von Lithiumakkus erkannt werden. Solche Regler sind teilweise auch in der Lage, den Batterietyp zu erkennen, welcher an dem Regler angeschlossen ist. Dadurch können eventuelle Fehler erkannt werden und die Ladeparameter können angepasst werden [35]. Der wesentliche Unterschied zwischen einem Laderegler und einem Solarladeregler ist der, dass der Laderegler konstante 230 V nutzen kann, die z.b. aus der Steckdose kommen. Bei einem Solarladeregler ist dies nicht der Fall, da dort die Spannung und der Ladestrom, die aus der Photovoltaikanlage kommt, schwankt, je nachdem, wie die Sonneneinstrahlung gerade ist. Zudem besitzen Solarladeregler eine Rückstromsperre, damit die Photovoltaikanlage in der Nacht als Verbraucher nicht die Batterie entlädt. Solarladeregler sollten immer auf die maximale Leistung der genutzten Photovoltaikanlagen ausgelegt sein [35, 97, 111] Die Auswahl des richtiges Ladereglers Die Auswahl des richtigen Ladereglers ist abhängig von den drei Faktoren Modulstrom, Laststrom und Spannung Modulstrom und Laststrom Der Laderegler muss den maximalen Strom, der in der Anlage fließt, abfangen können. Also muss geschaut werden, welcher Strom auf der Modulseite (Modulstrom) und welcher Strom auf der Verbraucherseite (Laststrom) anliegt [54]. Beispiel: Modulstrom: 2 Solarmodule mit je 8,0 A = Modulstrom 16 A Laststrom: 4 Verbraucher [12 V] mit je 5 A = Laststrom 20 A Der Laderegler muss nach diesem Beispiel einen minimalen Lastrom von 20 A aushalten. Wenn ein 12 V System zum Einsatz kommt, sowohl auf der Verbraucherseite als auch bei den Batterien, ist ein Laderegler mit 12 V ausreichend. Kommen nun Module zum Einsatz, die eine weitaus höhere Spannung als wie die Batterien arbeiten, empfiehlt sich ein MPP Laderegler [54] Der MPP Laderegler Ein MPP-Laderegler ist direkt auf den charakteristischen Strom- und den Spannungsverläufe eines Solarmoduls eingestellt. Dieser Laderegler holt zudem gegenüber Standardregler bis zu 30 % mehr Energie 69

75 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG aus einem Solarmodul. Die Energiegewinnung kommt daher, dass der Laderegler die größtmögliche Energieeffizienz im Maximun-Power-Point hat. Dieser Punkt liegt bei direkter Sonneneinstrahlung und einer Temperatur von 25 C zwischen 16,5 V und 17 V, wenn die Module eine 12 V Systemspannung besitzen. Eine Batterie hat während des Ladens eine Polspannung von 11,8 V bis 14,4 V. Der Laderegler selbst braucht auch ein wenig Strom, so dass die Betriebsspannung ca. 25 % unterhalb des Spannungwertes des MPP-Punkts liegt. Die Stromstärke, die das Modul liefert, erhöht sich jedoch nicht mit dem gleichen Maße, wie die Spannung abfällt, also gibt es insgesamt Verluste. Ein Laderegler mit MPP-Funktion funktioniert so, dass die Leistung vom Solarmodul direkt im MPP entnimmt und diese dann auf die benötigte Batteriespannung transformiert [54] Wann lohnt sich ein MPP-Laderegler? MPP-Regler lohnen sich dann, wenn z.b. die Solarmodule häufig abgeschattet sind oder wenn die mit Solarenergie betriebenen System im Winter benutzt werden sollen, da sich die Spannung des MPP- Ladereglers bei niedrigen Temperaturen enorm erhöht. Kleines Rechenbeispiel: Die MPP-Spannung eines Moduls sinkt um ca. 70 mv/grad. Bei 25 Grad Celsius beträgt die MPP- Spannung 16,7V. Im Winter bei 0 C dagegen beträgt die MPP-Spannung 18,45 V. Somit würde ein MPP-Regler bei einer Batterieklemmenspannung von 14 V also 30% mehr Energie nachladen können als ein normaler Laderegler. Im Sommer, bei z.b.60 C dagegen sinkt die MPP-Spannung auf 14,25 V. Somit würde die Energiegewinnung nicht mehr ins Gewicht fallen. Daher bietet sich an, dass wenn man hauptsächlich in sehr warmen Gegenden unterwegs ist, einen standardmäßigen Laderegler zu verwenden [54] Eigenbau eines Solarladereglers Einleitung Der Eigenbau des Solarladereglers ist die Ausführung des Paketes Ïntelligents Lademanagement", welches im Feinentwurfsdokument vorgestellt worden ist. Das Ïntelligente Lademanagementßollte eine Umsetzung sein, womit die Batterie einen Überlade- und Tiefentladeschutz erhält. Dadurch soll die Lebensdauer des Akkumulators verlängert werden. Das damalige Verfahren beruhte auf Relais-Schaltungen, die mit einem Mikrocontroller gesteuert werden können. Dieses Verfahren wurde aber nach durchgeführten Recherchen nicht weiter ausgeführt. Nachteile von Relais sind, die auch gegen die Verwendung gesprochen haben, dass sie nicht sehr erschütterungs- und stoßempfindlich sind und der Kontaktwerkstoff sich mit der Lebensdauer, abhängig von der geschalteten Last, ändern kann [36]. 70

76 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Abbildung 59: Beispielbild eines Relais [37] Wie oben schon erwähnt, wurde der Bau mit Relais verworfen und Alternativen mussten gesucht werden. Im Folgenden werden nun vier Recherchen erläutert, die als Ergebnis und zur Entscheidung, wie nun der Solarregler gebaut werden soll, berücksichtigt worden sind Recherchen Solarladeregler mit Tiefentladeschutz Abbildung 60: Solarladeregler mit Tiefentladeschutz [10] Der Laderegler besteht aus zwei Teilen. T2 und IC1A bilden einen Längsregler. Dadurch wird gewährleistet, dass die Spannung am Akku nicht über 13,8V (20V Bleiakku) ansteigt, indem die überschüssige Leistung von T2 Abgeführt wird. IC1B und Q3 schützen den Akku vor Tiefentladung. Der Operationsverstärker ist als Schwellwertschalter beschaltet. Als Spannungsreferenz wird ein LM431 Parallelregler benutzt [10] Nachbau Das Platinenlayout und der Bestückungsplan können auf der Seite des Autors heruntergeladen werden. Die Bauteile sind nach Angaben des Herstellers nichts besonderes. Einen LM431 kann auf alten Grafikkarten gefunden werden. Als OPV kann jeder Typ mit einem geringen Ruhestrom verwendet werden. T2 ist ein Darlington, der auf einen externen Kühlkörper geschraubt wurde und per Kabel mit der Platine verbunden ist. Die angegebenen Widerstandswerte sind als Richtwerte gedacht und hängen von den verwendeten Halbleitern ab. Der Widerstand R3 darf nicht weiter erhöht werden, da der LM431 einen Mindestrom benötigt, um richtig zu funktionieren. Wurde alles zusammengesetzt, so muss die Schaltung 71

77 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG mit einem Netzteil kalibriert werden. Ein Kondensator wird als Batterieersatz genommen. Es wird nun die Spannung am Kondensator gemessen. Steigt die Spannung über 13,8V, so muss der Widerstand R11 vergrößert werden. Bleibt sie unter 13,8V, dann muss der Widerstand R2 vergrößert werden. Anschließend muss die Spannung für den Tiefentladeschutz eingerichtet werden. Hierzu wird auch wieder ein Netzteil und ein Kondensator als Batterieersatz genommen. Die Spannung wird nun an dem Ausgang des OPV gemessen. Die gewünschte Spannung kann durch die beiden Widerstände R5 und R6 geregelt werden [10] Probleme und Fragen Nach genauerem Befassen mit dem Nachbau sind einige Probleme und Fragen aufgekommen. Die angegebenen Widerstände wurden im Internet, nach Recherchen, nicht gefunden. Daraufhin wurde der Autor kontaktiert. Im Folgenden werden die Fragen und ihre Antworten präsentiert: Ist der Laderegler für ein 20 W Solarpanel ausgelegt? Ich hatte diesen Laderegler an einem 12 W Modul. Aber 20 W sollten auch kein Problem sein, wenn der Transistor T2 entsprechend gekühlt wird. Die Widerstände, die sie benutzen, was für Widerstände sind das genau. Ich habe mir ihr Eagle- Projekt runtergeladen und mir die Komponenten genauer angeschaut, aber ich finde nicht alle Widerstände wieder. D.h. ich kann die leider nicht kaufen. Also das sind ganz normale 1/4 W Kohleschichtwiderstände. Als Anmerkung vom Autor wurde erwähnt, dass der Laderegler veraltet ist und ein anderer besser wäre(vergleiche hierzu ) Solarladeregler mit Kurzschlusschutz Abbildung 61: Solarladeregler mit Kurzschlusschutz (fertiges Bauteil) [11] 72

78 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Abbildung 62: Solarladeregler mit Kurzschlusschutz (Schaltbild) [11] Dieser Laderegler arbeitet wie die meisten Kleinstladeregler, indem er die Photovoltaikanlage kurzschließt, sobald der Akkumulator voll ist, also die Ladespannung erreicht worden ist. Dies hat den Vorteil, dass durch den Kurzschluss bei vollem Akkumulator nur wenig Verlustleistung entsteht und keine Probleme durch die hohe Leerlaufspannung entstehen. Der Laderegler verfügt zudem über einen Tiefentladeschutz und eine Strombegrenzung, die durch den Fold-Back -Mechanismus realisiert ist. Dies bedeutet, dass wenn die Photovoltaik kurzgeschlossen wird, ein viel kleinerer Kurzschlussstrom fließt, als der maximale Strom. Die Schaltung besteht im wesentlichen aus dem Bauteil ICL7665. Dieser Baustein wird als Komparator verwendet. Die beiden Mosfets realisieren den Kurzschlussfall und zum Schalten der Last. Das Bauteil TL061 dient als Messverstärker für die Strommessung und ein Transistor, der den Überstrom erkennt. Der Strommesswiderstand R9 ist ein 72 Millimeter langer Konstantandraht mit 3 Millimeter Durchmesser. Über den Widerstand R15 entsteht der "Fold-BackMechanismus [11] MPP-Laderegler Abbildung 63: MPP-Laderegler [123] 73

79 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Dieses Projekt ist eine Weiterentwicklung von einem vorherigen Projekt des Autors. Das Originalprojekt besitzt den Titel Peak Power Tracker Battery Charger Project. Dieses Projekt wurde entwickelt, um eine 12 V Batterie mit einer 12V Photovoltaikanlage zu laden. Das Update dieses Projekts benutzt das Arduino Duemilanove Development Board. Der Autor hat auf seinem Internetauftritt sein komplettes Projekt offen zum Nachbau gestellt [123] Solarladeregler mit ATtiny13 Abbildung 64: Solarladeregler mit ATtiny13 (Schaltplan in Ascii-Zeichen) [80] Ein N-Kanal Mosfet wird parallel zu der Photovoltaikanlage geschaltet. Die Photovoltaikanlage wird kurzgeschlossen, sobald die Ladespannung von 13,8 V überschritten worden ist. Die ganze Überwachung übernimmt ein Mikrocontroller von dem Typ ATtiny13. Beträgt die Ladespannung 13,5 V, so schaltet der Mosfet wieder. Ein Weiterer wird in die Ausgangsleitung nach dem Akku gesetzt. Dieser Mosfet dient zum Schalten der Last. Wenn 10,5 V unterschritten worden ist, wird das Laden von dem Akkumulator verboten. Sobald wieder 11,5 V erreicht sind, darf wieder von dem Akkumulator geladen werden. Die Spannung wird über einen Spannungsteiler mit dem analog-digital-wandler (ADC)-Wandler des Mikrocontrollers gemessen. Der Mikrocontroller wird durch das Bauteil 78l05 mit Strom versorgt [80]. Die folgenden zwei Bilder wurden von anderen Mitgliedern in dem Forum erstellt. Abbildung 65 zeigt den Aufbau in einem Schaltplan und Abbildung 66 zeigt das Schaltbild als Platinenlayout. 74

80 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Abbildung 65: Solarladeregler mit ATtiny13 (Schaltbild) [80] Abbildung 66: Solarladeregler mit ATtiny13 (Platinenlayout) [80] Entscheidung Es wurde entschieden, die Recherche aufzugreifen und umzusetzen, da durch einen softwarebasierten Laderegler mit einem Mikrocontroller mehr Logik implementiert werden kann, wie z.b. LED- Ansteuerung. Es ist auch möglich, eine LED-Ansteuerung mit einem hardwarebasierten Laderegler umzusetzen, aber die Einstellung der Grenzen ist variabler mit Hilfe eines Mikrocontrollers. Zudem kann die Spannung an der Batterie ausgelesen werden und ggf. in irgendeiner Weise dem Benutzer angezeigt werden. Durch Recherchen nach Solar-/Laderegler, die gekauft werden können, ist aufgefallen, dass alle modernen Solar-/Laderegler einen Mikrocontroller besitzen, wodurch dem Benutzer mehr Feedback gegeben werden kann Definitionen, die für den Eigenbau benötigt werden Bevor sich mit dem Bau des Solar-/Ladereglers befasst werden konnte, mussten einige Sachen geklärt werden, die bei den Recherchen aufgetreten sind. 75

81 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Ladespannung Die Ladespannung meint umgangssprachlich die Volt/Spannung beim Laden eines Akkus. Die Spannung ist vergleichbar mit dem Druck einer Wasserleitung und nicht der Menge. Die Ladespannung wird in zwei Kategorien unterschieden. Einmal die Entladeschlussspannung und die Ladeschlussspannung. Die Entladeschlussspannung ist die Entladespannung, die ohne Schaden für die Batterie nicht unterschritten werden darf. Die Ladeschlussspannung dagegen ist die Ladespannung, die ohne Schaden für den Batterie nicht länger überschritten werden darf [81]. Werden diese beiden Sachen eingehalten, so ist eine lange Lebensdauer des Akkumulators gewährleistet AD-Wandler Einleitung Die Abkürzung AD-Wandler steht für Analog-Digital-Wandler. Der AD-Wandler wandelt eine analoge Größe, meistens die Spannung, in digitale Werte um. Das Gegenstück dazu in der DA-Wandler. Die Auflösung, mit der die analoge Größe gemessen wird, bewegt sich zwischen 1 (Komparator) und 24 Bit. Es entstehen durch die Umwandlung Fehler (Quantisierungsfehler) zwischen dem tatsächlichen Wert und dem ausgegebenen (gewandelten) Wert. Diese Fehler entstehen durch falsche Rundungen. Zudem entsteht durch die Nichtlinearität des Bauteils ebenfalls ein Fehler. Der Wandlungsvorgang benötigt immer eine gewisse Zeit, in der die Eingangsgröße immer konstant bleiben muss. Hierfür werden sogenannte " Track and Hold bzw. " Sample and Hold Schaltungen verwendet, die das Eingangssignal einfrieren während die Umwandlung läuft Verfahren Flash- oder Parallel-Wandler verwenden für jeden Ausgangswert einen Komparator. Dadurch sind sie sehr schnell, aber auch teuer und stromhungrig. Flash-Wandler werden unter anderem in Digitalen Oszilloskopen eingesetzt. Sukzessive Approximation (SAR): Stufenweise Annäherung, Wägeverfahren. Benötigt einen DA- Wandler, mit dem Bit für Bit an die zu messende Spannung herantastet wird. Der interne AD-Wandler eines AVR verwendet diese Methode Single Slope, Dual Slope Verfahren: Werden meist in Multimetern oder ähnlichen Messgeräten verwendet da sie billig sind, wenig Strom brauchen und gute Linearität besitzen. Im Prinzip wird hier die Spannungsmessung über eine Zeitmessung realisiert (Zeitmessung des Auf- und Entladen eines Kondensators). Delta Sigma: Vor allem für sehr genaue Messungen (24 Bit). Preisgünstig herstellbar, da nur ein Komparator und Logik-Elemente benötigt werden, dafür recht langsam. Werden vor allem im Audio- Bereich eingesetzt. Spannungs-Frequenz-Umsetzer: Hier steuert die Eingangsspannung einen Oszillator, dessen Ausgangsfrequenz möglichst linear von der Eingangsspannung abhängt (Frequenzmodulation). Nachlauf-Verfahren: Es wird auch hier ein DAC benötigt, der von einem Auf-Abwärtszähler gesteuert wird. Ein Komparator steuert ob auf- oder abwärts gezählt wird. 76

82 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Kenngrößen Als Kenngrößen gibt es bei dem ADC bedeutend mehr als nur die Auflösung. Wichtig zudem sind das Eingangsrauschen, die Samplingzeit und der Stromverbrauch Praxis Große Spannungen messen: Um große Spannung zu messen, muss man einen Spannungsteiler verwenden. Damit wird sichergestellt, dass die maximale Eingangsspannung bzw. Referenzspannung des AD-Wandlers nicht überschritten wird. Über das Widerstandsverhältnis kann dann per Software auf die gemessene Spannung Rückschlüsse gezogen werden. negative Spannungen messen: Der AD-Wandler kann keine negativen Spannungen messen, da man ihm keine negativen Spannung aussetzen darf. Es hilft auch kein Spannungsteiler nach Masse. Es ist jedoch gut möglich, einen Spannungsteiler auf eine positive Spannung, z. B. die Betriebsspannung des AD-Wandlers zu beziehen. Um verlässliche Messwerte zu erhalten, darf die Bezugsspannung nicht schwanken, sollte also z. B. von einem Spannungsregler oder besser noch von einer Spannungsreferenz erzeugt werden. U adc = (V cc U in ) R 2 R 1 + R 2 + U in (1) U in = U adc V cc 1 R2 R 2 R 1+R 2 R 1+R 2 (2) Bei differentieller Messung sind Bezugsschwankungen theoretisch kein Problem. Praktisch aber bildet man eine Art Wheatstone-Brücke nach, sodass durch die Toleranzen der Widerstände große Abweichungen auftreten können, wenn sich die Bezugsspannung ändert, z.b. der Batteriebetrieb. Wechselspannung mit AC-Kopplung messen: In Fällen wie z.b. bei Audiosignalen interessiert man sich für den Wechselspannungsanteil (AC) eines Signals und nicht den Gleichspannungsanteil (DC). Durch einen Kondensator in Reihe kann man eine sogenannte AC-Kopplung herstellen Spannungsteiler Ein Spannungsteiler besteht in seiner einfachsten Form aus einer Reihenschaltung von Widerständen. Ein Spannungsteiler ist eine Schaltung, mit deren Hilfe eine Spannung auf eine gewünschte Ausgangsspannung reduziert wird. 77

83 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Abbildung 67: Spannungsteiler [6] Die Abb. 67 zeigt einen einfachen Spannungsteiler, der aus einer Spannungsquelle U q und den Widerständen R1 und R2 besteht. Die Spannungsquelle liefert Energie für die Schaltung in Form des elektrischen Stromes i, der an den beiden Verbrauchern R1 und R2 eine Spannung U 1 und U 2 bewirkt. Die beiden Widerstände R1 und R2 bilden den Spannungsteiler. Mit Hilfe des ohmschen Gesetzt und der Maschenregel kann die Spannung U 2 über den Widerstand R1 berechnet werden. Gleichung 3 zeigt die Formel für die Spannung U 2. U2 = Uq R1 Uq (R1 + R2) (3) Mosfets Ein Mosfet ist ein spezieller Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Er gehört zu den Feldeffekttransistoren mit einem isolierten Gate. Die Ansteuerung eines Mosfets wird über eine Steuerspannung realisiert, wodurch der Stromfluss von Source nach Drain beeinflusst werden kann[38]. Es gibt zwei Arten von Mosfets. Einmal den N-Kanel-Mosfet und den P-Kanal-Mosfet [114, 115]. Abbildung 68 zeigt eine Beispielschaltung mit einem N-Kanal Mosfet. Die Abbildung 69 zeigt dagegen eine Beispielschaltung mit einem P-Kanal-Mosfet. Abbildung 68: Schaltbild mit einem N-Kanal-Mosfet [114] 78

84 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Abbildung 69: Schaltbild mit einem P-Kanal-Mosfet [115] Watchdog Der Begriff Watchdog wird als Komponente eines Systems verwendet. Der Watchdog überwacht andere Funktionen von Komponenten. Wird eine Fehlfunktion erkannt, so kann z.b. eine geeignete Sprunganweisung eingeleitet werden, um das Problem zu bereinigen. Der Watchdog wird in Mikrocontroller gesteuerten elektrischen Geräten eingesetzt. Sie soll das Gerät vor einem Komplettausfall durch Softwareversagen schützen. Ein Ausfall wird dadurch verhindert, dass das System in regelmäßigen Abständen dem Watchdog mitteilt, dass das Programm noch ordnungsgemäß funktioniert [39] Eigenbau - 1.Versuch Zuerst wurde eine Komponentenliste zusammengestellt. Die Liste der Komponenten orientiert sich stark an den Komponenten, die der Autor für die Entwicklung seines Ladereglers (vergleiche hierzu ) verwendet hat Komponentenliste Die meisten Komponenten wurden bei der Elektronikfirma Reichelt bestellt. Die Komponenten dort zu bestellen, wurde von den anderen Gruppenmitgliedern vorgeschlagen, da sie mit dieser Firma bisher sehr gute Erfahrung hatten LEDs Die ausgewählten LEDs sind 3 mm, low-current LEDs. Die besitzen einen geringen Stromverbrauch und leuchten trotzdem sehr hell. Es wurde sich jeweils für grüne und rote LEDs entschieden, um später zwei verschiedene Funktionalitäten einzubauen. 79

85 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Abbildung 70: LEDs Die LEDs besitzen folgende Eigenschaften [98, 99]: Betriebsspannung (V): 1,7-2,2 Gruppenstrom (ma): Wellenlänge (nm): 565 und Spannungsregler Als Spannungsregler wurde der Regler genommen, der auch in der Recherche benutzt worden ist. Zudem mussten zusätzlich 100 nf Kondensatoren [100] gekauft werden, die an den Eingang und Ausgang des Spannungsregler angebaut werden müssen, um ein einwandfreies Funktionieren des Spannungsreglers zu gewährleisten. Der Spannungsregler besitzt folgende Eigenschaften [101]: Modellbezeichnung: Regler Typ:3-terminal Eingangsspannung (V): 7-20 Ausgangsspannung (V): 4,75-5,2 Ausgangsstrom (A): 0,1 Abbildung 71: Strom- und Spannungsverbrauch der grünen LED [101] Mosfets Als Mosfets wurden die Bauteile benutzt, die auch in der Recherche genommen worden sind. Da der Mosfet bei der Firma Reichelt nicht zum Verkauf angeboten wurde, wurde dieser bei der Elektronikfirma Conrad gekauft. Der Mosfet besitzt folgende Eigenschaften [25]: 80

86 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Typ: BUZ104S Ausführung: N-Kanal U D S: 55V I I : 14 A Abbildung 72: N-Kanal Mosfet [25] Mikrocontroller Als Mikrocontroller wurde auch der ATtiny13 aus der Recherche gewählt. Der Mikrocontroller besitzt folgende Eigenschaften [102]: Hersteller: Atmel Herstellerbezeichnung: ATTINY Abbildung 73: ATtiny13 Mikrocontroller[102] Berechnung der Vorwiderstände Die LEDs benötigen eine Betriebsspannung von 1,7 bis 2,2 V. Der ATtiny 13 hat an seinen Ausgangsports eine Spannung von 5 V. Daher muss die Spannung mittels eines Vorwiderstandes vor der LED herunter geregelt werden. Um die Vorwiderstände auszurechnen wird das Ohmsche Gesetz benötigt. U = R I (4) Diese Formel wird nach R umgestellt, da der Widerstand benötigt wird. R = U/I (5) 81

87 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Die bekannten Angaben sind die folgenden: Eingangsspannung (V): 5 Ausgangsspannung (V): 2 Gruppenstrom (ma): 25 Der benötigte Vorwiderstand der LEDs berechnet sich somit wie folgt: R = (5V 2V ) 0, 025A (6) R = 112Ω (7) Widerstände des Spannungsteilers Die Spannung der Batterie soll mit dem AD-Wandler des Mikrocontrollers ausgelesen werden. Der AD- Wandler hat eine maximale Eingangsspannung von 5 V. Diese Eingangsspannung darf daher nicht überschritten werden. Da angenommen wird, dass die Batterie eine 6 V oder mehr Arbeitsspannung besitzt, muss die Spannung auf die 5 V Eingangsspannung heruntergestuft werden. Dies geht am besten über einen Spannungsteiler. Die maximale Quellenspannung beträgt 14,5 V. Der Wert ist eine Konvention. Mit Hilfe der Formel in Kapitel , durch Einsetzen verschiedener Widerstände und Berechnungshilfen von Spannungsteilern aus dem Internet sind folgende Richtwerte für die Widerstände des Spannungsteilers entstanden: Widerstand 1: 15 kω Widerstand 2: 7,8 kω Erweiterung der Komponentenliste Die Einkaufsliste wurde nun durch die folgenden Widerstände erweitert[103]: 110 Ω Widerstand für die LEDs, da es keine 112 Ω Widerstände gibt 15 kω Widerstand für Spannungsteiler 7,8 kω Widerstand für Spannungsteiler Dieser Widerstand setzt sich aus einem 5,6 kω und einem 2,2 kω Widerstand zusammen. Beide Widerstände wurden bereitgestellt. Der Test auf Funktionstüchtigkeit der einzelnen Komponenten ist im Kapitel 6.3 beschrieben Wachtdog-Timer Implementierung Der Laderegler sollte nicht die ganze Zeit arbeiten, sondern sollte sich nach einer Berechnung schlafen legen, um Energie zu sparen. Dies wurde mittels des Watchdog umgesetzt. Der Watchdog-Timer wurde auf acht Sekunden eingestellt. Nachdem der Mikrocontroller sich acht Sekunden lang schlafen gelegt hat, wurde ein Interrupt ausgelöst und anschließend wieder von vorne begonnen. Die softwaretechnische Umsetzung des Watchdog-Timers wird extern mitgeliefert. Den Test zu dem Timer wird in dem Kapitel beschrieben. 82

88 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG UART für Debugging Falls einmal das Programm nicht funktioniert, wie es theoretisch vorher ausgerechnet worden ist, so wurde entschieden, eine UART-Schnittstelle zu implementieren, um sich Ausgaben auf einer Konsole ausgeben zu lassen. Diese Schnittstelle hatte mehrere Funktionen. Zum einem, um zu wissen, bei welchem Spannungswert welcher ADC-Wert vorliegt, um die Grenzen später besser definieren zu können. Zum anderen, wenn das Programm nicht richtig funktioniert, kann die Tabelle zur Hilfe genommen und es können die Spannungswerte mit den ADC-Werten verglichen werden. Dadurch kann z.b. schneller auf kaputte Widerstände des Spannungsteilers geschlussfolgert werden. Da der ATtiny13 keine weiteren freien Ports zur Verfügung hatte, wurde ein größerer Mikrocontroller verwendet. Die Wahl fiel auf den Mikrocontroller ATMega8, da noch einer zur Verfügung stand. Es wurde ein externer Quarz an den Ports P B6 und P B7 angeschlossen. Diese beiden Ports wurden zudem über zwei Kondensatoren auch noch mit Masse verbunden. Anschließend wurde das UART-Gerät mit den Ausgängen Receive exchange Data (RxD) und Transmit exchange Data (TxD) des Mikrocontrollers gekoppelt. Auf dem Laptop, mit dem das UART Gerät verbunden war, wurde das Programm HTERM installiert. HTERM kann die Daten, die über die Datenleitungen fließen, anzeigen. Abbildung 74 zeigt das benutzte UART-Gerät. Abbildung 74: Das UART-Gerät Der hierzu gehörende Test wird speziell in dem Kapitel beschrieben UART-Tabelle Abbildung 75: UART Auswertungstabelle Die Tabelle 75 zeigt die Spannungen, die an der Spannungsquelle eingestellt worden sind, die gemessene Spannung über dem Spannungsteiler und die ADC-Werte, die auf der Konsole von HTERM ausgegeben 83

89 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG worden sind. Spalte 3 zeigt eine 8-Bit und Spalte 4 eine 10-Bit ADC-Messung Schaltplan Unter Zuhilfenahme des im Kapitel beschriebenem Aufbau eines Solarladereglers wurde, der in Abbildung 76 zu sehende Schaltplan erstellt. Abbildung 76: Schaltbild des 1. Versuches Programmablauf Zuerst wurden die Ports für die LEDs und die Mosfets deklariert und initialisiert. Anschließend wurde durch einen Methodenaufruf der ADC initialisiert und eine Probemessung durchgeführt. Danach ist der Watchdog durch einen Methodenaufruf initialisiert worden. Die nächsten Schritte wurden nun durch eine while-schleife immer wiederholt. Zu aller erst wurde der ADC-Wert eingelesen und in einer internen Variable gespeichert. Anschließend wurden die Grenzen überprüft und die beiden LEDs angesprochen, wie der ADC-Wert gerade ist, sprich die Spannung an der Batterie. Die grüne LED hat aufgeleuchtet, wenn die Batterie sich innerhalb der Grenzen befindet. Zudem sollte dies signalisieren, dass der Verbraucher durch die MSPP aufgeladen werden kann. Die rote LED leuchtete, wenn sich die Spannung an der Batterie unter den Grenzen befindet. Am Ende wurde der Watchdog aktiviert und der Mikrocontroller legte sich schlafen. Wurde er durch den Watchdog-Interrupt wieder geweckt, so begann der Prozess ab der while-schleife wieder Probleme Es wurde eine Bitte geäußert, dass der Mikrocontroller des Ladereglers der master control unit (MCU) Bescheid geben sollte, wenn die Batterie bald alle ist, damit die Steuerung ein letztes Logging durchführen kann. Zudem, wenn die Batterie einen bestimmten Wert wieder überschreitet, darf der Mikrocontroller der Steuerung wieder arbeiten. Dies sollte über ein Interrupt an einem Port des Mikrocontrollers des Ladereglers geschehen, indem er kurz auf High und dann wieder auf Low gesetzt wurde. Zudem sollte es eine Art Notaus -Schalter über den Laderegler geben, der den Mikrocontroller der Steuerung komplett von der Batterie nehmen kann, wenn z.b. die Interrupt-Übertragung fehlgeschlagen hat. Wenn der Interrupt nicht funktioniert hatte und der Mikrocontroller der Steuerung immer weiter arbeitet und die Motoren bedient und dadurch unter die Entladeschlussspannung kommt, so muss auch dieser Mikrocontroller vom 84

90 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG der Batterie abgeschirmt werden, sonst ging die Batterie kaputt. Um diese Probleme umzusetzen, wurde ein größerer Mikrocontroller benötigt, da bei dem ATtiny13 keine weiteren Pins mehr zu Verfügung standen Eigenbau - 2.Versuch Mit dem Umbau des Mikrocontrollers von dem ATtiny13 auf den ATMega8 mussten die einzelnen Komponenten auch wieder getestet werden. Daher waren die Komponententests (vergleiche Kapitel 6.3) die gleichen, wie auf dem ATtiny13. Abbildung 77 zeigt das neue Schaltbild des Ladereglers. Hierbei wurde der vorherige Mikrocontroller durch den ATMega8 umgetauscht. Der Transistor, der zuvor in der Plus-Leitung zur Batterie war, wurde nun in die Ausgangsleitung des Verbraucheranschlusses gesetzt. Dies wurde aufgrund von ein paar Recherchen zur Mosfet-Schaltungen gemacht. Dort wurde immer wieder angeben, dass der Mosfet nach der Last zu Ground gesetzt werden muss. Dies wurde mit dem Tausch auch so umgesetzt. Zudem wurden die zwei Spannungsteiler-Widerstände auf drei Widerstände erweitert, weil wie bereits im Kapitel beschrieben, wurde der zweite Widerstand in zwei Widerstände aufgeteilt. Abbildung 77: Schaltbild des Ladereglers mit ATmega Probleme Da der Laderegler nicht die ganze Zeit arbeiten sollte, wurde auf hier mittels des Watchdog-Timers das Schlafenlegen des Mikrocontrollers realisiert. Es wurde zusätzlich ein Verbraucher mit angeschlossen. Eine kleine 12 V, 10 W Halogenlampe, dessen Versorgung über die Batterie realisiert worden ist, diente als Übersetzung. Nachdem der Aufbau fertig gestellt wurde, ist bei den Tests aufgefallen, dass die Lampe geflackert hatte, sobald der Mikrocontroller wieder aufgewachte. Dies hätte fatale Folgen, wenn z.b. der Mikrocontroller gerade durch ein Mosfet abgeschaltet ist und er bekommt kurz Energie und sofort wieder nicht. Dadurch können interne Bausteine kaputt gehen oder das Steuerungsprogramm funktioniert nicht mehr einwand- 85

91 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG frei. Nach Recherchen ist heraus gekommen, dass der ATMega8 kein Wachtdog-Interrupt besitzt, womit man den Programmablauf besser steuern hätte können. Daher ist der Mikrocontroller immer wieder ganz vorne wieder angefangen und hat alles neu initialisiert. Um dieses Problem zu lösen, war die einzige Möglichkeit, einen neuen Mikrocontroller zu besorgen, der genug Pins zur Verfügung hat und zudem ein Watchdog-Timer und -Interrupt besitzt. Nach Recherchen und Anregungen fiel die Wahl auf den ATtiny24 als neuer Mikrocontroller Eigenbau - 3.Versuch Durch den Umbau auf einen anderen Mikrocontroller mussten auch wieder die einzelnen Komponenten getestet werden. Die Tests waren die gleichen, wie bei dem ATtiny13 und dem ATMega8 (vergleiche hierzu Kapitel 6.3). Abbildung?? zeigt das neu entwickelte Schaltbild. Zum einem wurde der Mikrocontroller ausgetauscht und es ist ein neues Bauteil (JP1) hinzugekommen. Das Bauteil JP1 ist ein Anschluss nach außen, wodurch eine Verbindung mit der MCU aufgebaut werden kann. Über dieses Bauteil soll später der Interrupt gesendet werden. Zudem wurde auch ein weiterer Transistor (T3) hinzugefügt, der den Mikrocontroller der Steuerung bei Bedarf von der Batterie abschotten kann. Außerdem wurde die LEDs nun zu Ground geschaltet, d.h. sie bekommen die 5 V nicht mehr von dem Mikrocontroller, sondern vom Spannungsregler und gehen dann in den Mikrocontroller. Der Sinn dahinter ist, dass ein Gruppenmitglied gesagt hat, dass es schonender für die LEDs sind und die dadurch länger halten. Abbildung 78: Schaltbild des Ladereglers mit ATtiny Entwicklung des Interrupts Wie am Ende des vorherigen Kapitels schon erklärt worden ist, sollte der Laderegler ein Interrupt senden. Es wurde daher ein freier Pin gewählt, der dann abwechselnd auf High und dann wieder auf Low gesetzt wird. Der Test zu der Interrupt-Entwicklung wird im Kapitel beschrieben. 86

92 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Probleme Es wurde die Bitte geäußert den Strom zu messen, der in die Anlage fließt, da es für eine Effizienzbetrachtung sehr wichtig erschien. Dazu musste eine weitere Schaltung integriert werden, die den Strom aus der Photovoltaikanlage und dem Generator misst Eigenbau - 4.Versuch Arten zur Messung von Strom Da wie es bei der Entwicklung des Ladereglers keine Vorkenntnisse über das Messen von Strom mit Hilfe von Bauteilen bestand, mussten auch hier erstmal Recherchen durchgeführt werden. Es stand aber von vornherein fest, dass dies mit Hilfe des Mikrocontroller geschehen soll, da dieser bereits im Laderegler fest verbaut ist. Eine Anfangsidee war, da der Strom mit der Spannung nach dem ohmschen Gesetz in Verbindung steht, sollte es doch eine Möglichkeit geben, die Spannung einzulesen und dann den Stromwert mathematisch zu ermitteln. Aus den Recherchen haben sich zwei Arten heraus kristallisiert, die sich für das Problem eignen Messung über Shunt und einem Operationsverstärker Die erste Art ist die Strommessung mittels eines Shunts und einem Operationsverstärker. Alles wird mittels des ADCs des Mikrocontrollers ausgewertet. Ein Shunt ist ein niedrig ohmiger Widerstand. Fließt ein Strom über den Shunt, so entsteht nach dem ohmschen Gesetz ein Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall ist natürlich sehr gering. U = R I (8) mit R = 0, 1Ω (9) und I = 1A (10) folgt für den Spannungsabfall U = 0, 1V (11) Der 1A Strom I ist hier als Beispielwert genommen worden. Dieser orientiert sich aber stark an der Stromerzeugung des Solarmoduls. Da der Analog-Digital-Wandler eine maximale Spannung von 5 V am Eingang vertragen kann und eine Spannung von 0,1 V ggf. am Eingang des ADC ankommen, so würden 4,9 V verschenkt werden. Bei einer Auflösung von 10-Bit würden daher nur ungefähr 20 ADC-Werte von 1024 ADC-Werten genutzt werden. Mit Hilfe eines Operationsverstärker kann dieser Spannungsabfall verstärkt werden und an die maximale Eingangsspannung des ADCs von 5 V angepasst werden. 87

93 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Wie man mit Hilfe der beiden Bauteile den Strom messen kann, ist auf einer Internetseite [93] sehr gut beschrieben. Abbildung 79 zeigt den Aufbau zu dieser Art von Messung. Abbildung 79: Strom messen mit Hilfe eines Shunts und einem Operationsverstärker [93] Dieser Aufbau wurde genau nachgebaut. Als Operationsverstärker diente ein lm392n. Die beiden Widerstände R2 und R3 wurden so gewählt, dass es insgesamt einen Verstärkungsfaktor von ungefähr 50 ergeben hat. Leider ist die Spannung, die in 79 bei ADC-OUT herauskommen sollte, eine ganz andere gewesen, als vorher ausgerechnet worden ist. Auch weiteres Experimentieren hat keine besseren Ergebnisse geliefert. Daraufhin wurde das zweite Ergebnis der Recherche ausprobiert Messung über Shunt und einem INA138 Bei dieser Möglichkeit wurde der Operationsverstärker durch ein INA138, einen Shuntmonitor, ersetzt. Ein Shuntmonitor ist auch in gewisser Weise ein Operationsverstärker. Der Verstärkungsfaktor wird aber bei diesem Bauteil nur mit einem Widerstand bestimmt. Abbildung 80: Schaltbild des INA138 [122] Abbildung 80 zeigt ein Schaltbild des INA138. Die verstärkte Spannung, die am Ende heraus kommen soll, lässt sich ganz leicht durch die folgenden Formeln berechnen. I 0 = g m (V in+ V in ) (12) 88

94 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG mit g m = 200µA/V (13) Die Eingangsspannung (V in+ V in ) ist gleich der Formel I S R S und die Ausgangsspannung V out ist gleich der Formel I O R L. Dadurch ergibt sich als gesamte Transformationsfunktion. I S ist dabei der Strom, der von der Erzeugungsanlage kommt. R S ist der Shuntwiderstand und R L ist der Verstärkungswiderstand g m ist die Transkonduktanz [122]. V out = I S R S (200µA/V ) R L (14) Berechnung des Widerstandes für den INA138 Im Kapitel wurde das Übersetzungsverhältnis erläutert und damit auch, wie groß der maximale Strom ist, der zu der Batterie fließen kann. Dieses ist laut den Messungen 4,2A. Das Solarmodul erzeugt einen maximalen Strom von 1,11 A und liegt somit innerhalb der 4,2 A. Um den Verstärkungswiderstand R L auszurechnen, muss die Gleichung 14 nach R L umgestellt werden. R L = V out I S R S (200µA/V ) (15) Als maximalen Strom wird nun der Wert 4,5 A genommen, um ein kleines Polster zu haben. Der Widerstand R S beträgt 0,1 Ω. Daraus ergibt sich nur folgender Widerstand als Verstärkung: R L = 5V 4, 5A 0, 1Ω (200µA/V ) (16) R L = 55555, 55Ω (17) Der Testaufbau und die Testauswertung wird im Kapitel beschrieben Finaler Schaltplan und Platinenlayout Abbildung 81 zeigt den finalen Schaltplan. In diesem Schaltplan wurde der INA138 mitaufgenommen und über einen ADC-Pin mit dem Mikrocontroller verbunden. Zudem wurden die Anschlüsse zu dem Erzeuger, zur der Batterie, zu dem Verbraucher und zu dem Mikrocontroller der Steuerung mit Stiften versehen, wodurch ein leichter Anschluss garantiert ist. Außerdem wurde eine ISP-Schnittstelle eingerichtet, wodurch Programme auf den Mikrocontroller gespielt werden können. Des Weiteren gibt es Anschlüsse für externe LEDs nach außen (JP6 und JP7) und für die Kommunikation (Bauteil: I2C/Interrupt) mit dem anderen Mikrocontroller, einmal der Interrupt und das Lademanagement (vergleiche hierzu Kapitel ). Abbildung 82 zeigt das finale Platinenlayout dazu. 89

95 5.1 Energiesystem 5 ENTWICKLUNG Abbildung 81: Finaler Schaltplan des Ladereglers Abbildung 82: Finaler Platinenlayout des Ladereglers Die Platine konnte bis zu diesem Zeitpunkt nicht fertiggestellt werden, da durch Probleme die Platine nicht rechtzeitig fertig wurde. 90

96 5.2 Verbraucher 5 ENTWICKLUNG 5.2 Verbraucher Beschreibung und Aufbau Durch das Gesamtgruppentreffen wurde der Entschluss gefasst, dem Benutzer der Plattform eine Schnittstelle nach außen anzubieten, wodurch er die gewonnene Energie auch nutzen kann. Es wurde beschlossen, einen 5 V-Anschluss anzubieten. Dadurch können z.b. Handys geladen werden. Dieser 5 V-Anschluss wurde als USB-Port umgesetzt. Dadurch könnten theoretisch auch anderen Sachen angeschlossen werden. aber in erster Linie ist dieser Anschluss für Handys gedacht. Als Beschreibung des Systems wurde die USB-Spezifikation gewählt. Diese besagt, dass die Ausgangsspannung zu dem Benutzer der Schnittstelle 5 V ± 5 % betragen muss und der zuliefernde Strom minimal bei 100 ma liegt [40]. Als maximaler Ausgangsstrom wurde 1 A festgelegt. Die Bauteile und der Schaltplan wurden uns zur Verfügung gestellt. Abbildung 83: Schaltplan für das Anschlussgerät zum Verbraucher Abbildung 83 zeigt das Schaltbild für den Verbraucher. Das wichtigste Bauteil bei der Schaltung ist der RECOM R Der Recom besitzt folgende Eigenschaften: Eingangsspannungsbereich: 6,5 V - 18 V Ausgangsspannung: 5 V Ausgangsstromstärke: maximal 1 A Effizienz bei minimaler Eingangsspannung: 94 % Effizienz bei maximaler Eingangsspannung: 89 % Durch die Strom- und Spannungsbegrenzung ist ein sicherer Anschluss für den Verbraucher gewährleistet Test Wie der Verbraucher getestet worden ist, steht im Kapitel

97 5.2 Verbraucher 5 ENTWICKLUNG fertiger Aufbau Die folgenden Bilder zeigen den fertigen Aufbau. Abbildung 84 und Abbildung 85 zeigen den Aufbau, der für die Tests verwendet worden ist. Abbildung 86 zeigt den Aufbau, wie er nachher mit der MSPP verbunden wird. Abbildung 84: 5 V-Verbraucher-Gerät (Seitenansicht) Abbildung 85: 5 V-Verbraucher-Gerät (Draufsicht) Abbildung 86: 5 V-Verbraucher-Gerät vor dem Anschluss an die MSPP 92

98 5.2 Verbraucher 5 ENTWICKLUNG Abbildung 87 zeigt den Zusammenschluss mit der MSPP. Abbildung 87: 5 V-Verbraucher-Gerät mit der MSPP verbunden Standortabhängigkeit Der Energieertrag des Prototypen hängt von der Intensität der Sonneneinstrahlung, aber auch von dem Standort des Prototypen ab. Die Sonneneinstrahlung ist je nach Regionen unterschiedlich intensiv. In Abbildung 88 ist eine globale Strahlungskarte dargestellt. Daraus kann abgelesen werden, dass die Sonnenenergie in der Nähe des Äquators am höchsten ist. Je weiter von Äquator entfernt, desto weniger Sonnenenergie hat die Sonneneinstrahlung. Die Farben auf der Karte zeigen die örtliche Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche an. Die Werte ergeben sich aus dem Durchschnitt der Jahre 1991 bis 1993, 24 Stunden am Tag und unter Berücksichtigung der von Wettersatelliten ermittelten Wolkenabdeckung. Abbildung 88: Globale Strahlungskarte der Sonnenenergie [76] Die sechs Punkte bzw. schwarzen Flächen auf der globalen Strahlungskarte (Abbildung 88) könnten genügend Strom liefern, um den derzeitigen Weltbedarf an Strom mit Hilfe von Photovoltaikanlagen, 93

99 5.2 Verbraucher 5 ENTWICKLUNG bei einem Wirkungsgrad von acht Prozent, zu decken. Zum Testen wird der Prototyp durch die Projektgruppe in Norddeutschland in Betrieb genommen. Die Abbildung 89 zeigt eine Strahlungskarte von Deutschland, in welcher der Durchschnitt der jährlichen Sonneneinstrahlung in dem Zeitraum 4/2004 bis 3/2010 dargestellt ist. Aus Abbildung 89 ist erkennbar, dass im Norden Deutschlands eine geringere Sonneneinstrahlung herrscht als im Süden Deutschlands. D.h. würde der Prototyp in Süddeutschland eingesetzt werden, wäre der Energieertrag höher als in Norddeutschland. Abbildung 89: Strahlungskarte der Sonnenenergie für Deutschland [106] Weitere aktuelle Strahlungskarten von Deutschland sind in [108] zu finden. Der Energieertrag ist nicht nur vom Standort anhängig, sondern auch von der Jahreszeit. Die Solarkonstante, welche im Jahr 1982 von der Weltorganisation für Meteorologie in Genf festgelegt wurde, beträgt: E 0 = 1367 W m 2 = 1367 J m 2 s = 1367kg s 3 (18) Die Solarkonstante ist ein langjähriger Durchschnitt extraterrestrischer Sonnenbestrahlungsstärke, die bei mittlerem Abstand zwischen der Erde und der Sonne ohne den Einfluss der Atmosphäre senkrecht zur Strahlrichtung auf die Erde auftrifft. Aufgrund der Umlaufbahn der Erde um die Sonne, welche in Abbildung 90 dargestellt ist, schwankt der Abstand zwischen der Sonne und der Erde jahresperiodisch. 94

100 5.2 Verbraucher 5 ENTWICKLUNG Abbildung 90: Jahreszeiten [130] Die Solarkonstante schwankt mit dem Abstand der Erde zur Sonne zwischen 1325 W/m 2 und 1420 W/m 2. Ansonsten ist die Strahlungsleistung der Sonne selbst nahezu konstant. Mit Hilfe der Informationen, die in diesem Abschnitt gegeben wurden, kann ungefähr abgeschätzt werden, welche Standorte einen höheren und welche einen niedrigeren Energieertrag haben. Wenn Messwerte für den Prototypen für Norddeutschland verfügbar sind, kann mit Hilfe der Strahlungskarte ungefähr berechnet werden, wie der Ertrag in Süddeutschland ist. Laut Abbildung 89 hat Norddeutschland etwa maximal 1100 kw h/m 2, Süddeutschland dagegen liegt bei maximal 1300 kw h/m 2. Bei optimalen Bedingungen könnte ein Mehrertrag von bis zu 18 Prozent erzielt werden (118 Prozent = 1300 kwh/m 2 / 1100 kwh/m 2 * 100). Weitere Ertragsabhängigkeiten bestehen in der Außentemperatur. Je näher am Äquator, desto wärmer wird die Außentemperatur. Für eine Photovoltaikanlage bedeutet Wärme Verlust von Wirkungsgrad und somit einen geringeren Energieertrag. Je wärmer eine Photovoltaikanlage ist, desto geringer ist der Wirkungsgrad (siehe ). Bei einem Stirlingmotor ist der Wirkungsgrad unter anderem abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der kalten und der heißen Zone (siehe ). Deshalb wäre ein optimaler Standort für die MSPP in beiden Varianten auf einem hohen Berg in Nähe des Äquators. Je höher der Berg ist, desto niedriger ist die Außentemperatur. Dadurch wird die Photovoltaikanlage durch die Umgebungsluft abgekühlt. Und je näher am Äquator, desto intensiver ist die Sonneneinstrahlung. Ein Nachteil könnte im Winter der Schneefall sein, welcher je nach Berghöhe stärker oder schwächer ist. Jedoch erhöht Schnee die indirekte Strahlung, was einen Ertragszuwachs bei der MSPP-Variante mit der Photovoltaikanlage bedeuten könnte, sofern die Photovoltaikanlage frei von Schnee ist [130, 131, 132, 51, 96] Linear- und Schaltregler Bei Linear- sowie Schaltreglern handelt es sich um Komponenten, welche eine Versorgungsspannung herabsenken. Dieser Transformationsvorgang ist Verlusten unterworfen, die je nach Technologie von der Stromstärke und der Höhe des gewünschten Spannungsabfalls abhängig sein können. Für eine energieeffiziente Stromversorgung ist je nach spezifischen Strombedarf der Komponenten eine Entscheidung zwischen Linear- und Schaltreglern erforderlich. Nachfolgend werden die beiden Reglerarten vorgestellt und im Anschluss eine Entscheidung über den Einsatz von bestimmten Technologien zur Versorgung einzelner Komponenten gefällt. Hierbei kommen aus später erläuterten Effizienzgründen verschiedene Regler für unterschiedliche Komponenten zum Einsatz. 95

101 5.2 Verbraucher 5 ENTWICKLUNG Linearregler Bei einer Transformation von einer hohen zu einer niedrigen Spannung verbrennt der Linearregler die Spannungsdifferenz. Die genauere Funktionsweise wird nachfolgend erklärt: Der Linearregler verfügt über eine intern erzeugte Referenzspannung und vergleicht diese mit der Eingangsspannung. Ist die Ausgangsspannung zu niedrig, wird ein interner Transistor, durch welchen der Strom fließt, stärker angesteuert. Es kann somit ein höherer Strom fließen, bis eine gewünschte Ausgangsspannung erzeugt wurde. Ist die Ausgangsspannung zu hoch, wird über den Transistor der Strom reduziert, bis eine gewünschte Ausgangsspannung erzeugt wurde. Der Linearregler ist somit ein variabler Widerstand, an dem die überschüssige Spannung abfällt. Dies führt insbesondere bei einer großen Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung zu hohen Verlusten bzw. zu einem niedrigen Wirkungsgrad. η Linearregler = U Eingang U Ausgang 100% (19) In Gleichung 19 ist die Formel für Wirkungsgrade eines Linearreglers zu entnehmen. Nachfolgend zwei Rechenbeispiele, um eine Aussage über den Linearregler treffen zu können: η Linearregler = 5V 12V 100% = 41, 6% (20) Im Fall einer 12 V Batterie und 5 V Verbraucherkomponenten ergibt sich nach Gleichung 19 der Wirkungsgrad von 41,6 % (siehe Gleichung 20). Dies entspräche einem Verlust von 58,4 %. Im Fall einer 6 Volt Batterie (kleinste Dimensionierung eines Blei-Akkus mit hoher Energiekapazität) und 5 Volt Verbraucherkomponenten ergibt sich ein Wirkungsgrad von 83,3 % bzw. ein Verlust von 16,7 %. Um jedoch eine Aussage über die Energieeffizienz treffen zu können, muss zudem die erforderliche Stromstärke eines Verbrauchers betrachtet werden. Bei einer 12 V Spannungsquelle und einem 5 V, 10 ma Verbraucher liegt exemplarisch der Leistungsverlust bei 7 V * 10 ma = 70 mw. Mit ansteigender, benötigter Stromstärke des Verbrauchers nimmt somit der Leistungsverlust zu. Der Leistungsverlust wird nachfolgend im Abschnitt als Entscheidungskriterium für die jeweilige Reglerwahl verwendet Schaltregler Bei der Transformation von einer hohen zu einer niedrigen Spannung mit Hilfe eines Schaltreglers wird die Selbstinduktionseigenschaft von Spulen ausgenutzt. Zum besseren Verständnis wird zunächst die Selbstinduktion an einem kleinen Beispiel erläutert Selbstinduktion In Abbildung 91 ist ein Schaltbild dargestellt, mit Hilfe dessen man die Selbstinduktionseigenschaft einer Spule zeigen kann. Objekt L ist eine Spule und Objekt R ein in Reihe geschalteter Widerstand - in diesem Fall ein Verbraucher. An den Polen A und B wird eine Spannungsquelle angeschlossen. Es kann somit zu jedem Zeitpunkt t die Ausgangsspannung an der Spannungsquelle (U bat ), die Spannung an der Spule (U L ) und die Spannung an dem Verbraucher (U R ) gemessen werden. 96

102 5.2 Verbraucher 5 ENTWICKLUNG A L R B Abbildung 91: Spule und Verbraucher in Reihe geschaltet In den Abbildungen 92, 93 und 94 werden die jeweiligen Spannungen bei einem Einschalt- und Ausschaltvorgang der Batterie aufgezeigt Der Einschaltvorgang Wird die Spannungsquelle zugeschaltet (t=0) befindet sich die Ausgangsspannung U bat konstant bei 12 V (Abb. 92, t=[0,169]). Die Stromstärke steigt allmählich auf seinen Endwert an. Der Stromanstieg führt zu einer Zunahme des magnetischen Flusses. Die magnetische Flussänderung ruft eine induzierte Spannung (-U ind ) hervor, welche nach dem Einschaltvorgang langsam von 12 Volt auf 0 Volt abklingt (Abbildung 93, t=[0,169]). Da die induzierte Spannung der Ausgangsspannung der Spannungsquelle entgegen gerichtet ist, lässt sich die Verbraucherspannung durch U verbr = U bat U ind bestimmen. Die Spannung am Verbraucher (U verbr ) steigt somit langsam von 0 Volt auf den Endwert 12 Volt an (Abb. 94, t=[0,169]) Der Ausschaltvorgang Wird die Spannungsquelle ausgeschaltet (t=170) befindet sich die Ausgangsspannung U bat konstant bei 0 Volt (Abb. 92, t=[170,330]). Die Stromstärke sinkt allmählich auf seinen Endwert ab. Der Stromabfall führt zu einer Abnahme des magnetischen Flusses. Die magnetische Flussänderung ruft eine induzierte Spannung (-U ind ) hervor, welche nach dem Ausschaltvorgang langsam von -12 Volt auf 0 Volt abklingt (Abbildung 93, t=[170,330]). Da die induzierte Spannung der Ausgangsspannung der Spannungsquelle entgegengerichtet ist, lässt sich die Verbraucherspannung erneut durch U verbr = U bat U ind bestimmen. Die Spannung am Verbraucher (U verbr ) sinkt somit langsam von 12 Volt auf den Endwert 0 Volt ab (Abbildung 94, t=[170,330]). Spannung (V bat ) Abbildung 92: Spannung an der Batterie (V bat ) t 97

103 5.2 Verbraucher 5 ENTWICKLUNG Spannung ( U ind ) Abbildung 93: Spannung an der Spule ( U ind ) t Spannung (V verbr ) Abbildung 94: Spannung am Verbraucher (V verbr ) t Das Schaltregler-Prinzip In dem vorgestellten Beispiel der Selbstinduktion wurde ein Ein- bzw. Ausschaltvorgang der Spannungsquelle gezeigt, bei der die Spannung am Verbraucher langsam auf den Zielwert 12 Volt ansteigt bzw. auf den Zielwert 0 Volt abfällt. Wird mit einer anderen Frequenz an- bzw. abgeschaltet, steigt bzw. fällt die Spannung am Verbraucher niemals auf den Zielwert an bzw. ab. Diese Eigenschaft nutzt der Schaltregler aus. A S L R B Abbildung 95: Schalter, Spule und Verbraucher in Reihe geschaltet. In Abbildung 95 wurde das Schaltbild um einen Schalter ergänzt. Dieser ist in den Schaltregler integriert. Der Schaltregler misst die Spannung am Verbraucher (U R ). Ist die Spannung niedriger als die untere Schwelle U zielwert X wird der Schalter geschlossen. Ist die Spannung höher als die obere Schwelle U zielwert + X wird der Schalter geöffnet. In Abbildung 96 wird dies beispielhaft mit einem Zielwert U zielwert = 6 V und einem Schaltwert X=1 skizziert. Nachdem zum ersten Mal die obere Schwelle der 98

104 5.2 Verbraucher 5 ENTWICKLUNG Verbraucherspannung überschritten wurde, schaltet der Schaltregler den Schalter in einer bestimmten Frequenz an und aus. Es kommt zu einer Fluktuation um den Zielwert 6 Volt. Spannung (V verbr ) Abbildung 96: Spannung am Verbraucher (V verbr ). t Um die Fluktuation am Verbraucher zu verhindern wird zusätzlich ein Kondensator parallelgeschaltet. Dieser puffert überschüssige Energie bei einer höheren Spannung als dem Zielwert zwischen und gibt sie bei einer niedrigeren Spannung als dem Zielwert frei. Das Ergebnis wäre eine glatte Kurve bei 6 Volt Wirkungsgrad des Schaltreglers Die Wirkungsgrade von Schaltreglern liegen ungefähr zwischen % und werden immer bei ihrem maximalen Durchlassstrom gemessen. Verluste treten durch geringfügig durch Widerstände in Spule und Kondensator, sowie maßgeblich durch den Eigenverbrauch im Schaltregler auf. Als Entscheidungskriterium wird daher der Eigenverbrauch des Schaltreglers - verrechnet zu einem Leistungsverlust - herangezogen Entscheidung der Spannungregler Für die abschließende Entscheidungsfindung spezifischer Spannungsregler sind die Leistungsangaben der Verbraucher (siehe Tabelle ) sowie deren Aktivität zu betrachten. Komponente Spannung (V) Stromstärke (A) Mikrocontroller 5 V 16,5 ma Magnetometer 5 V 0,83 ma GPS 3,3 V 50 ma SD-Karte 3,3 V max 150 ma Neigungsmotor 6 V 1,47 A (max. Last) Rotationsmotor 6 V 1,47 A (max. Last) Da drei verschiedene Zielspannungen erforderlich sind, werden drei verschiedene Regler benötigt. Um sich addierende Verluste zu vermeiden, werden die Regler parallel an die Spannungsquelle verschaltet. Die Motoren haben von allen Komponenten den höchsten Leistungsbedarf. Aufgrund der hohen benötigten Leistung würde im Betrieb ein Linearregler 6 V 1, 47 A = 8, 82 W verbrennen. Bei einem Schaltregler hingegen kommt lediglich sein Eigenverbrauch zum Tragen. Dieser entspricht bei Aktivität 5mA (12 V 5 ma = 60 mw ), bei Inaktivität 80 µa (12 V 80 µa = 0, 96 mw ) (laut Datenblatt P3596 L-ADJ). Somit hat selbst unter der Annahme der permanenter Aktivität des Schaltreglers der Linearregler einen 8820 mw 60 mw = 147-Fach höheren Verbrauch als der Schaltregler. Da zur Entwurfsphase festgestellt wurde, dass der Neigungsmotor für eine komplette Ausrichtung von niedrigster zu höchster Einstellung 30 min benötigt, fällt die Wahl daher aus Sicherheitsgründen auf den Schaltregler. 99

105 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Der Mikrocontroller, das Magnetometer, das GPS und die SD Karte haben im Vergleich zu den Motoren sehr geringe Stromverbräuche. Da diese Komponenten auch zum Großteil der Zeit inaktiv sind und noch einen weit geringeren oder sogar gar keinen Stromverbrauch zu diesem Zeitpunkt haben, fiel die Wahl auf Linearregler. Somit werden für die Motoren ein 6 V Schaltregler, für den Mikrocontroller und das Magnetometer ein 5 V Linearregler und für die SD-Karte sowie das GPS ein 3,3 V Linearregler benötigt Auswahl der Spannungsregler Bei der Auswahl der Spannungsregler wurde auf möglichst hoher Effizienz geachtet. Neben den Reglern selbst nehmen auch die zusätzlich benötigten Komponenten wie Dioden, Spulen und Kondensatoren Einfluss auf die Effizienz. Nach ausgiebiger Recherche und auf Rat eines Experten wurden folgende Spannungsregler für die Komponenten ausgewählt: Mikrocontroller Magnetometer GPS SD-Karte Neigungsmotor Rotationsmotor LP 2950 ACZ5,0 LP 2950 ACZ3,3 P3596L-ADJ 5.3 Plattform In diesem Abschnitt soll auf den konkreten Aufbau der Plattform eingegangen werden und anhand von technischen Konstruktionszeichnungen detailliert verdeutlicht werden, wie der Prototyp aufgebaut ist und wie die einzelnen Module ineinandergreifen. Dazu wird nach dem Top-Down-Prinzip jedes der Module einzeln beschrieben und die wesentlichen Merkmale und Sachverhalte, welche einer Erläuterung bedürfen, noch einmal separat beleuchtet. Da die Konstruktionszeichnungen detaillierten Aufschluss über den Aufbau des Prototypen geben sollen, werden diese separat zu den hier gezeigten Abbildungen in einem zusätzlichen Dokument dieser Abgabe beigefügt, so dass bei undeutlich erkennbaren Sachverhalten auf diese zurückgegriffen werden kann Stirlinggehäuse Das Stirlinggehäuse ist der Teil der Plattform, welcher im Betrieb der Sonne nachgeführt werden soll. Daher wurde, wie schon im Abschnitt bereits beschrieben wurde, bei der Konstruktion auf eine leichte Bauweise geachtet, um die Energieeffizienz möglichst hoch zu halten. Des Weiteren ist das Stirlinggehäuse ein tragendes Element für den Betrieb essentielle Energiekomponenten. So müssen in der Konstruktion der Stirlingmotor, die Fresnel-Linse, die PV-Anlage, der Generator, sowie die Hebevorrichtung inkl. Neigungsmotor Platz finden. Da das Gewicht und die Anordnung der Komponenten die Gewichtsverteilung des Stirlinggehäuses beeinflussen wird im weiteren Verlauf dieses Abschnittes detailliert auf den Massenschwerpunkt eingegangen, welcher an dieser Stelle auch mathematisch exakt bestimmt werden soll. Des Weiteren müssen Berechnungen angestellt werden, um festzustellen, welche Kräfte beim Neigungsmotor wirken und wie die Hebevorrichtung konstruiert sein muss um das gesamte Gewicht des Stirlinggehäuses heben zu können 100

106 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Technische Zeichnung Die Abbildungen dieses Abschnittes zeigen den final entworfenen Aufbau des Stirlinggehäuses. Im Folgenden sollen die technischen Zeichnungen und einzelne spezifische Konstruktionsentscheidungen näher erläutert werden. Dabei sind sämtliche Zeichnungen sind maßstabsgetreu im Millimetermaß abgebildet und eine genaue Legende für die gezeichneten Linien befindet sich im Anhang. Die Zeichnungen 97, 98, 99 und 100 illustrieren die Außenansicht des Stirlinggehäuse. Das eigentliche Gehäuse beziehungsweise die Gerüstkonstruktion ist anhand der schwarzen Linien zu erkennen. Die roten Linien hingegen symbolisieren die Gehäusebodenplatte. Um einen Einblick in das Innere des Gehäuses zu ermöglichen wurden Stegplatten in dieses integriert, deren Position anhand der inneren schwarzen Rechtecke (siehe Abbildung 99, 97 und 100) zu sehen ist. Weiterhin befinden sich an der Außenseite des Gehäuses drei Schrauben die als Notöffnungsmittel gedacht sind. Der Stirlingmotor (grüne Linien) befindet sich zentral am äußeren hinteren Rand der Gehäusekonstruktion und wird auf der oberen Platte mittels dreier Schrauben und Unterlegscheiben (gelbe Kreise) fixiert (siehe Abbildung 98). Neben der zentralen Position des Stirlingmotors sind auf der Zeichnung der äußeren Draufsicht (Abbildung 98) die Halterungskomponenten, bestehen aus Kofferschnappern (dunkelblaue Rechtecke), Teleskopstangen (türkisfarbene Rechtecke) sowie jeweils zwei Befestigung und Drehbolzen (schwarze Kreise) zu erkennen. Die Teleskopstangen sind an drehbaren Bolzen befestigt und besitzen jeweils für die Fresnel-Linse und Solarzelle Fixierungspunkte zu denen sie ausgefahren werden können. Mit den Kofferschnappern und den Befestigungsbolzen gewährleistet die Halterungskonstruktion eine korrekte Ausrichtung sowie einen stabilen Halt der Fresnel-Linse beziehungsweise der Solarzelle. Auf der Abbildung 100 ist weiterhin ein türkisfarbener Kreis zu sehen der ein Durchführungsloch für die Verkabelung symbolisiert. Abbildung 97: Außenansicht Stirlinggehäuse (linke Seite) 101

107 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Abbildung 98: Außenansicht Stirlinggehäuse (Oben) Abbildung 99: Außenansicht Stirlinggehäuse (Vorne) 102

108 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Abbildung 100: Außenansicht Stirlinggehäuse (Hinten) Die Nachfolgenden Abbildungen 101, 102 und refpic:stirlinginnendeckelbottom skizzieren den inneren Aufbau des Stirlinggehäuses. Dabei ist in der Zeichnung 97 zu erkennen, dass ein Teil der Komponenten im Stirlingdeckel (schwarze Linien) und der andere Teil auf der Bodenplatte (rote Linien) montiert ist. Im Deckel befindet sich zum einen die Halterung inklusive der Haltestangen mit der Potentiometerhalterung (grüne Linien siehe Abbildung 103), die an einem Holzpaneel (dunkelblaues Rechteck) befestigt sind. Weiterhin ist die Konstruktion zur Energieerzeugung an dem besagten Holzpaneel befestigt. Diese wird durch Abbildung 103 verdeutlicht und besteht von links nach rechts aus dem Stirlingmotor und seinem Schwungrad (ockerfarben), einem Zahnradverbund (schwarz) und dem Generator (türkis). An dieser Stelle ist noch zu erwähnen, dass die Haltestange, welche den Deckel und die Wagenheberkonstruktion verbindet in dieser Zeichnung nur angedeutet wurde und nicht Maßstabsgetreu ist. Zur Veranschaulichung und der Übersicht halber wurde das Stirlinggehäuse in dieser Konstruktionszeichnung im offenen Zustand modelliert, so dass die Haltestange an dieser Stelle lediglich zum besseren Verständnis beitragen soll. Auf der Bodenplatte ist neben dem Klavierscharnier (gelbe Linien) mit Schrauben auch die Konstruktion für den Neigungsmotor befestigt (siehe Abbildung 102). Die vier in den Ecken der Bodenplatten befindlichen Kreise (gelb R3) repräsentieren die Verbindungsanker zum Elektronikgehäuse. Über diese wird die Bodenplatte des Stirlinggehäuses mit der Lastplatte des Elektronikgehäuses verschraubt. Die braunen Linien kennzeichnen die Position des Führungsschlittens des Wagenhebers inkl. der Gewindestange über welche der Deckel des Stirlinggehäuses mit Hilfe des Neigungsmotors (grünes Rechteck) angehoben wird. 103

109 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Abbildung 101: Innenansicht Stirlinggehäuse (Seite) Abbildung 102: Innenansicht Stirlinggehäuse (Oben) 104

110 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Abbildung 103: Innenansicht des Deckels, Stirlinggehäuse (Unten) Insgesamt sind die Abstände zwischen den Komponenten so gewählt und positioniert, dass ein gute Gewichtsverteilung erreicht wird, was in einem relativ zentralen Massenschwerpunkt resultiert. Die exakte Position des Massenschwerpunktes soll in nächsten Abschnitt untersucht und bestimmt werden, wobei auch auf die Verschiebung des Massenschwerpunktes bei einer Änderung des Neigungswinkels eingegangen wird Massenschwerpunkt Abbildung 104: Massenschwerpunkt Die vorangegangene Abbildung 104 veranschaulicht die Verteilung der hier anfallenden Gewichte, welche durch die einzelnen Komponenten verursacht werden. Der Massenschwerpunkt oder auch Massenmittelpunkt ist für unseren Aufbau in Hinblick auf die resultierende Energieeffizienz ein essentieller Faktor. Für einige Komponenten wurde der Massenmittelpunkt bereits errechnet und in der Abbildung an dem zugehörigen Punkt dargestellt. Hierfür wird bei den vorhandenen Komponenten eine Gleichverteilung der Masse angenommen, so dass sich im geometrischen Mittelpunkt der Objekte ebenfalls der Schwerpunkt befindet. Die hier eingetragenen Werte von 0,42 kg und 0,7 kg ganz links repräsentieren den Generator und den Stirlingmotor. Bei 25,5 cm ist mit 0,58 kg der Massenmittelpunkt der Aluminiumstangen markiert. 2,54 kg bei 45 cm stellt den Massenmittelpunkt des kompletten Stirling-Gehäuses dar, ohne zusätzliche Energiekomponenten. Die Frensel-Linse ist bei 70,5 cm mit 3,74 kg eingetragen. Mit der hellblauen ver- 105

111 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG tikalen Linie ist der Punkt markiert wo sich Haltestangen und Fresnel-Linse treffen. Die Formel für die Berechnung des Massenmittelpunktes lautet wie folgt, wobei m die Masse und p die Position beschreibt. Daraus ergibt sich folgende Rechnung: n i=1 m i p i n i=1 m i (0.7kg 5cm) + (0.42kg 6.5cm) + (0.58kg 25.5cm) + (3.74kg 70.5cm) + (2.54kg 45cm) 0.7kg kg kg kg kg = 49.99cm Das Ergebnis der Berechnung zeigt, dass der Massenmittelpunkt des Stirlinggehäuses sich bei ca. 50 cm befindet. Er ist dem Massenmittelpunkt der Plattform relativ nahe gelegen. Dieser Wert muss aus zwei verschiedenen Sichtweisen näher betrachtet werden. Grund hierfür ist ein Zielkonflikt bei dem vorhandenen Aufbau zwischen dem Neigungsmotor und dem Rotationsmotor. Ein Massenschwerpunkt, welcher sich direkt auf dem Rotationsmittelpunkt der eigentlichen Plattform befindet führt zu einer minimalen Belastung der Rotationsachse des Rotationsmotors. Durch ein ausgeglichenen Massenschwerpunkt im Rotationsmittelpunkt kommt es zu einer minimalen Auslenkung der Rotationsachse aus diesem Rotationsmittelpunkt, die durch die Drehmomente der einzelnen Massen entsteht. Hierdurch kann die benötigte Kraft, welche zur Drehung der Achse benötigt wird, höher ausfallen als gewünscht. Weiterhin ist ein Verschleiß der Rotationsachse im Motor bei zu starker Belastung möglich. Bei dem hier vorhandenen ist dies jedoch nicht der Fall, da die Rotationsachse der Plattform durch einen Drehkranz genau im Rotationsmittelpunkt fixiert wird. Weiterhin besitzt das Gehäuse des Motors ebenfalls eine Übersetzung, welche durch zwei verschiedene Achsen realisiert wird. Zum einen die Motorachse und zum anderen die eigentliche Rotationsachse, die eine zusätzliche Lagerung besitzt. Durch diese Übersetzung und Lagerung werden die anfallenden horizontalen Kräfte abgefangen und Lasten nicht auf der Motorachse. Die vorhandenen vertikalen Kräfte werden durch den Drehkranz abgefangen, welcher ebenfalls eine zusätzliche Lagerung besitzt und das anfallende Gewicht des Stirlinggehäuses trägt. Bei dem hier verwendeten Neigungsmotor bzw. der hier verwendeten Vorrichtung, die als Neigungsmotor fungiert, ist das Verhalten, welches sich aus dem resultierenden Aufbau ergibt, in Bezug auf dem Massenschwerpunkt im Zusammenhang mit den Rotationsmotor unterschiedlich. Im Gegensatz zum Fall des Rotationsmotors ist ein zentraler Massenschwerpunkt beim Neigungsmotor nicht die optimale Basis für eine minimale Belastung beim Anheben des Stirlinggehäuses Kräfteberechnung Neigungsmotor Nachfolgend wird die Berechnung für den benötigten Drehmoment des Neigungsmotors durchgeführt. Da im zugeklappten Zustand der Winkel zwischen Hebestange und Gewindestange minimal bei 8, 65 liegt ist in diesem Fall die notwendige Hebekraft größer als in allen anderen Stellungen. Es handelt sich somit um den Worst Case. In der Endstellung von 62 wirkt die resultierende Kraft aller Kräfte der Bauelemente hinter dem Drehpunkt, so dass der Neigungsmotor lediglich die obere Apparatur halten muss. Berechnungen von Kräften beziehen sich nicht auf den Richtungsvektor der jeweiligen Kraft, sondern lediglich auf die Vektorlänge. In Abbildung 105 ist der Aufbau der Anlage sowie zugehörig wirkende Kräfte des Neigungsmotors skiz- 106

112 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG ziert. In Tabelle 106 sind die zugehörigen Hebelarmlängen und Gewichte sowie Bezeichnungen zu entnehmen. Die Hebelarmlängen l 1 l 5 beziehen sich auf den Hauptdrehpunkt der Gesamtapparatur - den Kipppunkt des Stirlinggehäuses - und wirken orthogonal zur Erdanziehungskraft. In dem Fall, dass sämtliche Gewichte exakt über dem Kipppunkt liegen würden, entspräche die Hebelarmlänge l=0. Es würde kein Drehmoment auf den Kipppunkt wirken und die obere Apparatur würde ohne Gegenkraft in ihrer Position bleiben (Balance). F 1 F 5 bezeichnen die einwirkenden Kräfte einzelner Bauelemente, welche durch die Längen l 1 l 5 Bezug zum Kipppunkt der oberen Apparatur nehmen. Die Kraft F G (rot) wirkt auf den Haltepunkt im Stirlinggehäuse und muss vollständig durch den Neigungsmotor kompensiert werden, um die Position halten zu können (blau). Da die obere Apparatur angehoben werden soll, muss später auf dem Haltepunkt aus entgegengesetzter Richtung eine größere Kraft als F G aufgewendet werden. Über ein Kräfteparallelogramm (rot gestrichelt) wird die Verteilung der wirkenden Kraft auf die Hub-/Haltestange und den Kipppunkt der oberen Apparatur (Hilfslinie) dargestellt. F Z entspricht somit der wirkenden Kraft auf die Hubstange. Eine identische Kraft F Z muss durch den Motor aus entgegengesetzter Richtung auf die Haltestange einwirken, um die Apparatur halten zu können. F M2 beschreibt die Kraft für das Halten des oberen Aufbaus, welche vom Motor in Richtung der Gewindestange wirken muss. F M ist die entsprechend entgegengerichtete Kraft, welche aufgrund der Gewichte der Bauelemente entlang der Gewindestange wirkt. Haltepunkt l G F G F Z Haltestange F Z FG F M F M2 Kipppunkt l 3 l 5 Hilfslinie für F auf Kipppunkt l 2 l4 Gewindestange l 1 F 3 F 5 F 2 F 4 F 1 Abbildung 105: Aufbau Neigungsmotor Indize Objektname Kraft Hebelarm Gewichte i=1 Fresnellinse F 1 71,25 cm 3,5 Kg i=2 Haltestange F 2 26 cm 0,3 Kg i=3 Stirlingmotor F 3 6 cm 0,6 Kg i=4 Stirlinggehäuse F 4 45 cm 4,3 Kg i=5 Generator F 5 20 cm 0,442 Kg i=g Haltepunkt F G 36,5 cm Abbildung 106: Kräfte und Maße des Neigungsmotors, Aufbau heruntergeklappt. 107

113 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Nachfolgend werden die Kräfte der Bauelemente bestimmt: F 1 = 3, 5kg 9, 81 m = 34, 335N s2 F 2 = 0, 3kg 9, 81 m = 2, 943N s2 F 3 = 0, 6kg 9, 81 m = 5, 886N s2 F 4 = 4, 3kg 9, 81 m = 42, 183N s2 F 5 = 0, 442kg 9, 81 m = 4, 336N s2 Der Kipppunkt, über den das Stirlingmotorgehäuse geneigt werden kann beschreibt die Hauptdrehpunktachse des Neigungsmotoraufbaus. Im betrachteten zugeklappten Zustand wirken durch die obere Apparatur rechtsdrehende Drehmomente (im Uhrzeigersinn) auf den Kipppunkt (M R ), die durch Motorkraft in Form eines linksdrehenden Drehmomentes im Kipppunkt (M L ) kompensiert werden müssen. Somit gilt: ML = M R Nachfolgend wird mit Hilfe der einzelnen Momente der Bauelemente bezogen auf die Hauptdrehpunktachse des Stirlinggehäuses - dem Kipppunkt - die einwirkende Kraft auf den fixen Haltepunkt im Stirlinggehäuse F G berechnet: F G = F 1 l 1 + F 2 l 2 + F 3 l 3 + F 4 l 4 + F 5 l 5 = l G 34, 335N 0, 7125m + 2, 943N 0, 26m + 5, 886N 0, 06m + 42, 183N 0, 45m + 4, 336N 0, 20m 0, 365m = 124, 47N Um nun die Kraft F Z, welche auf der Haltestange lastet, zu bestimmen, muss zunächst eine Hilfskraft h errechnet werden. Hierzu ist in Abbildung 107 eine Detailansicht des Kräfteparallelogramms zu entnehmen. Winkel α und β wurden mit Hilfe von Winkelfunktionen auf Basis der Längenmaße aus den Konstruktionszeichnungen bestimmt. β F Z F M h α Abbildung 107: Detailansicht des Kräfteparallelogramms aus Abbildung

114 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Gemäß dem Kräfteparallelogramm in Abbildung 107 ist h somit: h = F G 1 tan(67,66 ) + 1 tan(81,35 ) Mit Hilfe von h lässt sich F Z bestimmen: F Z = = 124, 47N 1 tan(67,66 ) + 1 tan(81,35 ) h sin(81, 35 ) = 221, 054N sin(81, 35 = 223, 597N ) = 221, 054N Die Kraft F Z lastet durch einen Winkel von 8, 65 auf die Gewindestange. Durch nachfolgende Gleichung wird die Kraft F M bestimmt, die entlang der Gewindestange auf den Motor einwirkt: F M = cos(8, 65 ) F Z = cos(8, 65 ) 223, 597N = 221, 054N Da die Kraft F M 2, welche ebenfalls noch zu berechnen ist, in Richtung der Gewindestange durch eine rotierende Kraft vom Motor auf das Gewinde ausgeübt wird, wird nachfolgend die Steigung des Gewindes näher betrachtet. In Abbildung 108 wird der Zusammenhang zwischen Steigung und Steigungswinkel der Gewindestange bzw. Mutter dargestellt. Bei einer Drehung der Mutter um 360 (U = d π) legt die Mutter auf der Gewindestange eine Strecke von 1,5mm zurück. Der entsprechende Steigungswinkel der Gewindestange und Mutter ist α. Bei der verwendeten Gewindestange handelt es sich um Typ M10, Steigung 1,5mm mit einem Flankendurchmesser von 9,026 mm. Steigung = 1,5 α U=d*pi Abbildung 108: Gewindesteigung Mutter/Gewindestange Gemäß Abbildung 108 ist α somit: tan(α) = Steigung d π = 1, 5mm = 0, , 026mm π α = 3, 0281 In Abbildung 109 werden nun die einwirkenden Kräfte auf die Mutter und Gewindestange näher betrachtet. Dieses Gewindestangen/Mutter Kräfte Diagramm wurde aus [64] entnommen. Ziel nachfolgender Erläuterungen und Rechnungen ist die Ermittlung der benötigten Rotationskraft F U, die der Motor zum Halten des oberen Aufbaus aufwenden muss. Das Steigungsdreieck stellt die Mutter auf der Gewindestange, der kleinere abgeschrägte Kasten die Gewindestange aus seitlicher Ansicht dar. Die Schräge ist eine Veranschaulichung des Steigungswinkels, wie 109

115 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Mutter und Gewindestange ineinander greifen. F M entspricht der Kraft, die bedingt durch die Gewichte der Bauelemente auf die Gewindestange entlang ihrer Ausrichtung in Richtung des Motors wirkt. Orthogonal zur Steigung verläuft eine Normalkraft F N, welche ebenfalls durch die Gewichte der Bauelemente auf die Gewindestange in Richtung des Motors wirkt. Da diese Kraft unabhängig von der Steigung der Gewindestange/Mutter wirkt, kann diese in die Gegenrichtung gespiegelt werden. Diese neue Normalkraft F N2 hat somit die selbe Vektorlänge wie F N, wirkt jedoch nun aus Richtung des Motors zur Kompensation der Gewichte der Bauelemente, um die Position halten zu können. Da zwischen Gewindestange und Mutter eine Reibung auftritt, wird entsprechend eine Reibkraft orthogonal zur Normalkraft F N2 benötigt. Diese lässt sich aus F N2 und dem Reibfaktor für trockene metrische M10 Gewindestangen bestimmen. Mit Hilfe dieser Reibkraft lässt sich wiederum eine Gesamtkraft F E bestimmen, welche aufgrund der Reibung größer ist als F N2. Die Rotationskraft F U, die der Motor zum Halten des oberen Aufbaus aufwenden muss, liegt orthogonal zur Motorkraft F M2 und somit auch orthogonal zur Gewindestangenrichtung und wird zwischen F E und F M2 aufgespannt. F R F U F E F N2 α1 α FM2 Steigung = 1,5 α F N F M Abbildung 109: Kräfte an Mutter/Gewindestange Nachfolgend wird F N gemäß Abbildung 109 berechnet: F N = cos(3, 0281 ) F M = cos(3, 0281 ) 221, 054N = 220, 745N Es handelt sich um ein metrisches Gewinde ohne Nachbehandlung, trocken. Somit entspricht der Reibwert nach [64]: µ = 0, 16. F R lässt sich somit unter zu Hilfenahme von µ bestimmen: 110

116 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG F R = F N µ = 220, 745N 0, 16 = 35, 3192N Nachfolgend wird der Winkel α1 zwischen der Hilfskraft F E und F N mit Hilfe der Kräfte F R und F N bestimmt: tan(α 1 ) = F R 35, 3192N = F N 220, 745N α 1 = 9, 09 = 0, 16 Die Hilfskraft F E lässt sich nun über den Winkel α1 und F R bestimmen: F E = F R 35, 3192N sin(9, 09 = ) sin(9, 09 = 223, 559N ) Die Kraft F M2, welche der Motor entlang der Gewindestange aufbringen muss entspricht somit: F M2 = cos(α + α1) F E = cos(12, 118 ) 223, 559N = 218, 578N Nachfolgend wird die Kraft F U bestimmt, die der Motor in seiner Rotationsbewegung über die Gewindestange aufwenden muss: F U = tan(α + α 1 ) F M2 = tan(12, 118 ) 218, 578N = 46, 9309N Der wirkende Hebelarm bei der Motorrotation entspricht dem halben Flankendurchmesser der Gewindestange. Somit lässt sich der erforderliche Drehmoment des Motors bestimmen, welcher Notwendig ist, um die gesamte Apparatur halten zu können: M Gewindestange = M Motor = F U df lankendurchmesser 2 = 46, 9309N 0, m 2 = 0, Nm Um zusätzlich das Stirlinggehäuse anheben zu können wird aus Sicherheitsgründen der benötigte Drehmoment doppelt so hoch ausgelegt, wie der erforderliche Drehmoment zum Halten der Position: M Motor_real = 0, Nm 2 = 0, Nm Gegenüber der Berechnung im Feinentwurf hat sich der benötigte Drehmoment um 16 % von ursprünglich 0,3666 Nm auf 0, Nm verändert. Das erforderliche Moment für den Antriebsmotor ist mit 0, Nm wesentlich kleiner, als der Drehmoment des ausgewählten Antriebsmotors (M A ntriebsmotor = 4,9 Nm). Der ausgewählte Antriebsmotor für den konstruierten Neigungsmotor kann auf jeden Fall das Stirlinggehäuse inklusive aller enthaltenen bzw. darauf befindlichen Elemente anheben. 111

117 Plattform 5 ENTWICKLUNG Elektronikgehäuse Das Elektronikgehäuse ist das Herzstück der MSPP hier laufen alle Kabel zusammen. Das Eletronikgehäuse, wurde aus sechs Millimeter dickem Multiplexholz (vgl. Abschitt ) gefertigt und ist trotz der geringen Holzdicke sehr stabil. Diese Stabilität wird benötigt, da das gesamte Gewicht des Stirlinggehäuses hierauf lastet. Im Elektronikgehäuse zum Schutz vor Witterungsverhältnissen sind folgende Komponenten verbaut: Batterie, Laderegler, Mikrocontroller, Rotationsmotor und die Verbraucherschaltung. An der linken Seite des Gehäuses sind zwei USB-Buchsen verbaut. An diesen kann ein Verbraucher auf 5 V Basis betrieben oder auch geladen werden. Zudem gibt es an dieser Seite fünf Status-LEDs, die den aktuellen Zustand der MSPP anzeigen. Ein Betriebsschalter sowie auch ein Reset-Schalter sind ebenso vorhanden. Die rechte Seite hingegen wird nur mit Magneten gehalten und kann bei Bedarf ohne die Verwendung von Werkzeugen geöffnet werden, um einen Blick ins innere zu bekommen. Auf dem quadratischen Gehäuse ist der Drehkranz befestigt, auf welchem wiederum die Lastplatte verschraubt ist. Auf dieser kann das Stirlinggehäuse verschraubt werden, um die MSPP nach einem Transport einsatzbereit zu machen Technische Zeichnung In den folgenden Abbildungen sind die Konstruktionszeichnungen des Elektronikgehäuses dargestellt. Die Ansicht von links zeigt zum einen die Innenansicht, zum anderen ist das Anschlussfeld für den Verbraucher, sowie die Bohrungen für die Status-LEDs zu erkennen , ,5 31, Abbildung 110: Elektronikgehäuse (Seite, links) Auf der rechten Seite des Elektronikgehäuses wurde eine Möglichkeit geschaffen einen Blick in das Innere zu werfen. Hierzu wurden eine Magnetbefestigung verschraubt. Durch die Stützen (gelb dargestellt) Lastet das Gewicht des Deckels nicht auf den Seiten. Daher kann die Seite geöffnet werden, ohne das Gefahr eines Zusammenbrechens besteht. Um das öffnen zu erleichtern, ist mittig in der Seitenplatte ein Griff konstruiert worden. 112

118 Plattform 5 ENTWICKLUNG , , ,5 24, Abbildung 111: Elektronikgehäuse (Seite, rechts) In der Draufsicht ist besonders gut zu erkennen, wo die Kabeldurchführungen eingeplant wurden. Das blaue Rechteck ist eine sechs Millimeter tiefe Versenkung in der Unterseite der Lastplatte. Diese Senke liegt genau über dem Drehkranz und bildet so eine Durchführungsmöglichkeit über den Drehkranz hinweg , , ,39 1,5 1,5 1, , ,5 1,5 1, ,39 103, , , , ,5 13 1,5 Abbildung 112: Elektronikgehäuse (Oben) Kräfteberechnung Rotationsmotor Zunächst werden für den benötigten Drehmoment alle Massenschwerpunkte bestimmt, die über eine jeweilige Hebelarmlänge Einfluss auf den Drehmoment des Motors nehmen. Die Vorhergehensweise zur Bestimmung der Massenschwerpunkte im zugeklappten Zustand wird in Abbildung 114 und im komplett hochgeklappten Zustand in Abbildung 116 skizziert. m i und l i geben hierbei die Masse m i und Hebelarmlänge von l i des Objektes i zum Rotationsmittelpunkt (RMP) an. Für den Massenschwerpunkt der Objekte wird eine Gleichverteilung der Masse angenommen, sodass sich im geometrischen Mittelpunkt der Objekte ebenfalls der Schwerpunkt befindet. Die Position in vertikaler Richtung des Schwerpunktes stellt die Hebelarmlänge dar. Die resultierenden Hebelarmlängen und zugehörigen Massen sind in Tabelle 113 und 115 je nach Zustand nachzulesen. Objekte, bei denen sich der Rotationsmittelpunkt im Objekt befindet, werden in einen linken und rechten Hebelarm unterteilt. Aus den Abbildungen 114 und 116 kann zudem erschlossen werden, dass sich die Schwerpunkte der einzelnen Objekte mit ansteigendem Winkel α bis zum Endwinkel α = 62 nach links verschieben. Somit 113

119 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG ist lediglich eine Betrachtung im zugeklappten und komplett aufgeklappten Zustand erforderlich, da einer dieser beiden Zustände den maximal möglichen Drehmoment darstellt. Indize Objektname Masse Hebelarmlänge i=0 Stirlingmotor 0,6 kg 39 cm i=1 Platte auf Drehkranz, linker Hebelarm 2,43 kg 22,625 cm i=2 Stirlinggehäuse, linker Hebelarm 2,15 kg 22,625 cm i=3 Haltestangen, linker Hebelarm 0,28 kg 22,625 cm i=4 Haltestangen, rechter Hebelarm 0,02 kg 1,3 cm i=5 Platte auf dem Drehkranz, rechter Hebelarm 2,43 kg 22,625 cm i=6 Stirlinggehäuse, rechter Hebelarm 2,15 kg 22,625 cm i=7 Fresnellinse 3,5 kg 25,5 cm i=8 Generator 0,442 kg 25,75 cm i=9 Rotationsmotor 0,8 kg 21,25 cm Abbildung 113: Massenschwerpunkte und Hebelarmlängen: Neigungsmotor komplett heruntergeklappt. l 7 l 3 l 4 l 0 l 8 l 9 l 1,2 l 5,6 m 9 m 0 m 8 m 1,2 m 3 m m 4 5,6 m 7 RMP Abbildung 114: Massenschwerpunkte: Neigungsmotor komplett heruntergeklappt. 114

120 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Indize Objektname Masse Hebelarmlänge i=0 Stirlingmotor 0,6 kg 53,75 cm i=1 Platte auf Drehkranz, linker Hebelarm 2,43 kg 22,625 cm i=2 Stirlinggehäuse 4,3 kg 30,55 cm i=3 Haltestangen 0,3 kg 78,69 cm i=4 Platte auf dem Drehkranz, rechter Hebelarm 2,43 kg 22,625 cm i=5 Fresnellinse 3,5 kg 58,74 cm i=6 Generator 0,442 kg 51,35 cm i=7 Rotationsmotor 0,8 kg 21,25 cm Abbildung 115: Massenschwerpunkte und Hebelarmlängen: Neigungsmotor komplett hochgeklappt (α = 62 ). l 2 l 5 l 3 l 6 l 0 α l 7 l 1 l 4 m 6 m 3 m 5 m 0 m 2 m 7 m 1 m 4 RMP Abbildung 116: Massenschwerpunkte: Neigungsmotor komplett hochgeklappt (α = 62 ). Der gesamte, benötigte Drehmoment ergibt sich aus der Summe der Teildrehmomente der einzelnen Objekte i, die auf den Motor einwirken: M ges = Für einen einzelnen Drehmoment wird einerseits ein Drehmoment benötigt, um eine Rotationsgeschwindigkeit konstant aufrecht zu erhalten (M i a). Ebenso wird ein Drehmoment benötigt, um die Geschwindigkeit zu steigern, also eine Beschleunigung vorzunehmen (Mb i ). Zweiteres dient dazu den Motor aus der Ruheposition auf eine Zielgeschwindigkeit zu beschleunigen. n i=0 M i 115

121 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG M i = Ma i + Mb i In Ma i nehmen die Masse m i, die Hebelarmlänge l i des Objektes i sowie die Erdbeschleunigung g und ein Rollwiderstand c R Einfluss. Für den Rollwiderstand wird der Worst Case Wert eines Kugellagers c R = 0, 001 angenommen. M i a = m i g c R l i Für die Beschleunigung der Objekte wird der Drehmoment Mb i benötigt. Dieser setzt sich aus dem Trägheitsmoment J und der Winkelbeschleunigung α zusammen. Für den Trägheitsmoment wird eine Punktmasse angenommen, die in einem Radius r i (r i = l i [Massenschwerpunkt]) um eine Drehachse rotiert. Somit ergibt sich für den Trägheitsmoment J i = m i ri 2. Die Winkelbeschleunigung lässt sich über α = Drehzahl s (2π)rad 1 sek beschl bestimmen, wobei rad der Einheit Rad (360 = (2π)rad) und sek beschl der Zeit in Sekunden entspricht, die benötigt wird, um auf die Zielgeschwindigkeit zu beschleunigen. Für die Gesamtgleichung M i b ergibt sich somit: M i b = J i α = (m i r 2 i ) ( Drehzahl s (2π)rad 1 sek beschl ) Für den zugeklappten Zustand der MSPP in Abbildung 114 ergibt sich somit mit Hilfe der in Tabelle angegeben Werte: M zugeklappt ges = 7 i=0 M i = (M 0 a + M 0 b ) + (M 1 a + M 1 b ) + (M 2 a + M 2 b ) + (M 3 a + M 3 b ) + (M 4 a + M 4 b ) + (M 5 a + M 5 b ) + (M 6 a + M 6 b ) + (M 7 a + M 7 b ) = (m 0 g c R l 0 + (m 0 l 2 0) ( Drehzahl s (m 7 g c R l 7 + (m 7 l 2 7) ( Drehzahl s (2π)rad 1rad 1 sek beschl )) 1 sek beschl )) = (0, 6kg 9, 81 m s 2 0, 001 0, 39m + (0, 6kg (0, 39m)2 8 ) ( s (2π) 1 1s )) (0, 8kg 9, 81 m 1 s 2 0, 001 0, 2125m + (0, 8kg (0, 2125m)2 8 ) ( s (2π) 1 1s )) = 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm = 0, N m Gegenüber der Berechnung im Feinentwurf hat sich der benötigte Drehmoment um 72 % von ursprünglich 0, Nm auf 0, Nm verändert

122 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Für den komplett aufgeklappten Zustand der MSPP in Abbildung 116 ergibt sich somit mit Hilfe der in Tabelle angegeben Werte (Rechnung analog zum obigen Beispiel): M aufgeklappt ges = 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm + 0, Nm = 1, N m Gegenüber der Berechnung im Feinentwurf hat sich der benötigte Drehmoment um 32 % von ursprünglich 1, Nm auf 1, Nm verändert. Der höchste Drehmoment, der auf der Rotationsachse lastet, liegt somit bei 1, Nm im komplett aufgeklappten Zustand. Nach Empfehlung eines Experten sollte der Motor einen doppelten Antriebs-Drehmoment besitzen, wie der Drehmoment, der auf ihm lastet. Somit wäre bei einem Direktantrieb in der Rotationsachse ein Antriebs-Drehmoment M DirektantriebMotor = 2 Mges aufgeklappt = 2 1, N m = N m notwendig. Der von uns ausgewählte Servomotor besitzt einen Halte-Drehmoment von 50 kg cm = 490, 5Ncm = 4, 9Nm. Der Servomotor ist somit in der Lage den oberen Aufbau über einen Direktantrieb in der Rotationsachse anzutreiben. Der Motor treibt jedoch die obere Plattform über einen innen verzahnten Drehkranz an. Da neben der Übersetzung im Motor über den Drehkranz ebenfalls eine weitere Übersetzung zum Einsatz kommt, verfügt der Motor über einen höheren Antriebs-Drehmoment als 4,9 Nm. Der Antriebs-Drehmoment des Motors ist somit in jedem Fall ausreichend Stativ Das Stativ soll die Anforderung erfüllen, welche den Betrieb der MSPP auf unebenen Boden vorsieht. Durch die Nutzung eines Stativs wird der Einsatz von verstellbaren Standfüßen möglich um so Unebenheiten ausgleichen zu können. Zusätzlich bietet das Stativ der MSPP einen sicheren Stand um auch bei maximaler Neigung einen Betrieb zu ermöglichen Technische Zeichnung Die folgenden Abbildungen 117 und 118 zeigen die Konstruktionszeichnungen des Stativs, so wie es aus den Anforderungen hervorgegangen ist. Die drei tragenden Beine sind in einem 120 Grad Winkel angeordnet und laufen in der Mitte zusammen. Jedes Bein ist von oben mit der tragenden Platte und von unten durch eine runde Platte miteinander verschraubt, so dass ein stabiler Halt für das Elektronikgehäuse inkl. Stirlinggehäuse gewährleistet werden kann. Jedes Bein verfügt am äußeren Ende über eine höhenverstellbare Aluminiumstütze, welche der Kompensation von Unebenheiten im Untergrund dienen. 117

123 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Abbildung 117: Stativ (Oben) Abbildung 118: Stativ (Seite) Realisierung Das zuvor vorgestellte Stativ findet keinen praktischen Anteil in dieser Projektgruppe, denn der Bau ist aus Zeit- und Ressourcengründen nicht zu Stande gekommen. Dennoch ist ein sicherer Stand ohne das Stativ nicht in allen Fällen möglich. Der Schwerpunkt des gesamten Aufbaus lagert sich bei einer maximalen Neigung über die Grenzen der Plattform aus und verursacht somit einen Umsturz. Drüber hinaus ist ohne ein Stativ der Einsatz auf unebenen Boden nicht möglich, da die benötigen verstellbaren Standfüße nicht vorhanden sind. 118

124 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Kabelverlaufsplan Im Abschnitt wurde bereits auf die Art der zu verwendeten Kabel und auf die notwendigen Querschnitte eingegangen. Da nun in diesem Kapitel anhand der Konstruktionszeichnungen deutlich gemacht wurde, wie der Prototyp konstruiert werden soll, kann nun ebenfalls mit Hilfe dieser Konstruktionszeichnungen gezeigt werden, wie der Verlauf der Kabel zwischen den einzelnen Modulen realisiert werden soll. Die folgenden Abbildungen 119, 120, 121 zeigen den Kabelverlaufsplan anhand der bereits bekannten Konstruktionszeichnungen. Er soll veranschaulichen, wie die Kabel in dem modularen Aufbau durch die verschiedenen Gehäuse geführt werden und somit die elektronischen Komponenten miteinander verbindet. Abbildung 119 zeigt, wie sowohl die Energiekabel, als auch die Kabel für die Sensorik nahe der Rotationsachse (Dreieck (1)) des Drehkranzes (2) durchgeführt und gelangen somit in einen Zwischenraum (3), welcher sich zwischen Elektronikgehäuse und der Lastplatte des Stirlinggehäuses befindet. Abbildung 120 zeigt, wie von dort aus beide Kabeltypen durch eine 100 mm lange Einkerbung (1) in der Lastplatte zwischen Drehkranz und Lastplatte zur Rückseite des Stirlinggehäuses geführt werden (2). Dort werden diese Kabel mit Hilfe von Steckverbindungen mit den aus dem Stirlinggehäuse kommenden Kabeln zusammengeführt (3) wie es in Abbildung 121 nochmals verdeutlicht wird. An dieser Stelle ist anzumerken, dass für die Steckverbindungen sog. SuperSeal-Stecker verwendet wurden. Diese garantieren eine ausreichende Resistenz der elektrischen Verbindungen gegenüber Feuchtigkeit o.ä. bei gleichzeitig sicherem Halt. Die Verkabelung des Prototypen ist somit auch gegen die Witterungsbedingungen geschützt, welche der Prototyp im Einsatzgebiet ausgesetzt ist. Um die Anzahl der am Stirlinggehäuse ein- und ausgehenden Leitungen möglichst gering zu halten, werden die Masseleitungen nach Möglichkeit zusammengelegt, um die Anzahl der benötigten SuperSeal-Stecker möglichst minimal zu halten. Bei der Verkabelung der SuperSeal-Stecker werden insgesamt acht Pins belegt, so dass zwei SuperSeal-Steckverbindungen für die Verkabelung der Module notwendig sind (4 verfügbare Pins/SuperSeal-Stecker). Im Hinblick auf eine Funktionsstörung durch ein fehlerhaftes Zusammenstecken beim Aufbau des Prototypen wurden diese Stecker bzw. Büchsen der SuperSeal-Stecker alternierend angeordnet um eine mögliche Fehlerquelle für Funktionsstörungen auszuschließen. Zum Schluss ist noch anzumerken, dass durch die Kabelführung an der Rückseite des Stirlinggehäuses, sowie der Kabelführung an der Unterseite der Lastplatte Möglichkeiten zur Erweiterbarkeit gegeben sind. So können beispielsweise noch weitere Kabelleitungen für weitere Sensorik o.ä. gelegt werden. Zusätzlich dazu ist somit ist auch ein zusätzlicher Spielraum gegeben, der in der Realisierungsphase evtl. Anpassungen am System ermöglichen kann. Die genaue Belegung der Stecker stellt sich wie folgt dar: SuperSeal-Stecker 1 (+) Neigungsmotor (Signal) PWM-Signal Neigungsmotor (+) Stromgewinnung PV-Anlage / Generator (-) Masseleitung (Generator / PV-Anlage / Motor) SuperSeal-Stecker 2 (+) Potentiometer 1 / 2 (Neigung) (-) Potentiometer 1 / 2 (Neigung) (Signal) Potentiometer 1 (Neigung) (Signal) Potentiometer 2 (Neigung) 119

125 5.3 Plattform 5 ENTWICKLUNG Abbildung 119: Kabeldurchführungen am Elektronikgehäuse (Oben) 120

126 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Abbildung 120: Kabelführung vom Elektronikgehäuse ins Stirlinggehäuse (Seite) Abbildung 121: Kabeldurchführung am Stirlinggehäuse (Hinten) 5.4 Steuerung Nachdem im vorherigen Abschnitt die Plattform näher spezifiziert wurde, soll in diesem Abschnitt näher auf die Steuerung des Prototyps eingegangen werden. Hierbei wird nach dem Prinzip Bottom-Up vor- 121

127 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG gegangen, sodass zunächst die vollständige Hardware- und Software-Architektur des System vorgestellt wird. Darauf folgt die Betrachtung von Highlevel-Implementierung bezüglich der Nachführung und der Auswertung des Systems bzw. des Prototyps Architektur In diesem ersten Abschnitt des Kapitels Steuerung wird die Architektur des Systems beleuchtet. Hierzu wird zunächst eine Übersicht über die Architektur vorgestellt und anschließend näher auf die Hardwareund Software-Architektur eingegangen. Gesamtsystem GPS UART I2C Magneto meter SD-Karte SPI Mikro controller I2C Laderegler Rotationsmotor PWM ADC PWM ADC Neigungs motor UART Fernsteuerung SD- Karte LED An/Aus Schalter Status LED Power LED Reset- Taster Überspannungs -LED Verbraucher - LED Mensch-Maschine Schnittstellen Abbildung 122: Architektur der MSPP In Abbildung 122 ist die Gesamtarchitektur der MSPP dargestellt. Diese untergliedert sich in das Gesamtsystem und eine Mensch-Maschine Schnittstelle an den Benutzer, über welche der Benutzer Feedback bekommt und Einfluss auf das System nehmen kann. In dieser Einleitung wird die Kommunikation einzelner Komponenten grob für einen ersten Überblick geschildert. Nähere Details, wie konkrete Bussysteme und Protokolle, werden in den nachfolgenden Kapiteln vorgestellt. Das Gesamtsystem besteht aus mehreren Hardware-Komponenten die untereinander kommunizieren. Lediglich auf dem Mikrocontroller und dem Laderegler (rot) lässt sich Software allokieren. Das GPS Modul sendet über eine UART Schnittstelle Daten an den Mikrocontroller. Die SD-Karte wird über einen SPI Bus angesprochen, um Daten über den Mikrocontroller speichern und abrufen zu können. Der Rotationsund der Neigungsmotor werden über eine Pulsweiten Modulation (PWM) ausgerichtet und die erfolgte Ausrichtung über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) kontrolliert. Das Magnetometer sowie der Laderegler können über einen I 2 C-Bus Daten mit dem Mikrocontroller austauschen. 122

128 2 1 2 I Steuerung 5 ENTWICKLUNG Das Gesamtsystem ist in der Lage Feedback in Form von LEDs auszugeben. Eine Power-LED gibt an, ob das Gesamtsystem eingeschaltet ist. Anhand der Status-LED lassen sich Fehlerzustände bzw. die korrekte Funktionalität des Systems ablesen. Die Verbraucher-LED gibt ein Feedback darüber, ob ein Verbraucher an der MSPP angeschlossen wurde. Leuchtet die Überspannung-LED, ist die Akkuspannung für den Ladeprozess zu hoch: Der Akku ist vollständig geladen. Über einen Ein/Aus Schalter lässt sich die MSPP an bzw. ausschalten und mit Hilfe eines Reset-Tasters der Mikrocontroller für die Ausrichtung resetten. Außerdem besteht die Möglichkeit über eine UART Schnittstelle mit einer Fernsteuerung zu kommunizieren. Diese gibt ebenfalls Feedback über den Zustand des Gesamtsystems aus und kann Einfluss auf den Ablauf des Systems nehmen Hardware Die Hardware-Architektur stellt den physikalischen Aufbau der einzelnen Komponenten und deren Verschaltung auf low-level-ebene dar. Eingehend wird der Schaltplan der Prototyp-Steuerung im Überblick und in seinen einzelnen Funktionsgruppen genauestens betrachtet. Im darauf folgenden Abschnitt wird aufgezeigt, wie und warum die einzelnen Hardware-Bausteine schließlich auf einer Platine integriert wurden Schaltplan +5V GND GND 1 C2 33pF C3 33pF Q1 20MHz GND GND + C5 MCU RESET 9 RESET 12 XTAL2 13 XTAL1 32 AREF 30 AVCC 100nF 10 VCC C1 11 GND 31 GND P1 P2 GND (ADC0/PCINT0)PA0 (ADC1/PCINT1)PA1 (ADC2/PCINT2)PA2 (ADC3/PCINT3)PA3 (ADC4/PCINT4)PA4 (ADC5/PCINT5)PA5 (ADC6/PCINT6)PA6 (ADC7/PCINT7)PA7 (XCK0/T0/PCINT8)PB0 (CLKO/T1/PCINT9)PB1 (INT2/AIN0/PCINT10)PB2 (OC0A/AIN1/PCINT11)PB3 (OC0B/SS/PCINT12)PB4 (MOSI/PCINT13)PB5 (MISO/PCINT14)PB6 (SCK/PCINT15)PB7 (SCL/PCINT16)PC0 (SDA/PCINT17)PC1 (TCK/PCINT18)PC2 (TMS/PCINT19)PC3 (TDO/PCINT20)PC4 (TDI/PCINT21)PC5 (TOSC1/PCINT22)PC6 (TOSC2/PCINT23)PC7 POTIS 40 1 ISP +5V 39 2 MOSI RESET SCK MISO BLUETOOTH 1 RXD V_ON/OFF TXD0 2 3 OC0A 3 4 OC0B 4 5 SD_CS 6 MOSI 7 MISO 8 SCK SCL SDA +5V INT STATUS_LED +5V D2 C11 + LP2950Z GND GND GND +5V VCC + C4 GND +5V+5V GND R3 R4 STATUS_LED 1K5 1K5 SDA INT SCL LEDS I2C GND MAGNETOMETER_ON/OFF SCL SDA VCC R1 Q2 IRFB 4212 GND GND 4K7 4K7 R2 C14 2 LP2950Z C15 GND + MAGNETOMETER V O IC5 P3 GND P4 GND GND (RXD0/PCINT24)PD0 (TXD0/PCINT25)PD1 (RXD1/INT0/PCINT26)PD2 (TXD1/INT1/PCINT27)PD3 (XCK1/OC1B/PCINT28)PD4 (OC1A/PCINT29)PD5 (OC2B/ICP/PCINT30)PD6 (OC2A/PCINT31)PD7 MEGA164P/324P/644P-PU R5 10K RESET J S1 D1 VCC GND GND JP1 GND +5V RXD0 TXD0 RXD1 GPS_ON/OFF MAGNETOMETER_ON/OFF GND 45µF OC0A OC0B + C8 R8 1 O 10nF C16 1K5 GND GND I IC4 3 GND GND L-EU L1 D3 R7 45µF 1K5 SERVO_A SERVO_B C10 6V_ON/OFF VCC A1 A2 A3 A4 A5 VCC OUT GND FB SD 6V_3A MOSI SD_CS SCK MISO IC1F N IC1E N IC1D N R6 RXD1 GPS_ON/OFF 1K GND SD_CARD GPS N 6 7 IC1C 5 GND 4050N 8 1 VSS VDD 2 3 IC1B IC1P N IC1A Abbildung 123: Schaltplan der Hardware-Komponenten In Abbildung 123 ist der Schaltplan der Hardware-Komponenten zu sehen. Die Hauptkomponenten, wie beispielsweise der Mikrocontroller oder die Servomotoren, sind klar gekennzeichnet und entsprechend ihrer Anschlussbelegung logisch miteinander verschaltet. Neben den Hauptkomponenten sind ebenfalls 123

129 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG IC1F SD_CARD MOSI der Schaltregler, die beiden Linearregler und weitere Zusatz-Komponenten 3 4 mit aufgeführt. Nachfolgend wird nochmals näher auf die 4050N einzelnen Funktionsgruppen5 innerhalb 6 des Schaltplans eingegangen. IC1B Die erste Funktionsgruppe stellt der Anschluss der Stromversorgung dar. Dieser dient dazu, IC1P 4 IC1E die gesamte 9 10 SD_CS Platine mit dem 11 Batteriestrom zu versorgen. 12 Die eingehende Spannung beträgt dabei 12 V. Um 4050N Rückströme in die Batterie zu verhindern, wurde eine Diode zum Schutz integriert. 4050N GND IC1D SCK 9 10 MISO 4050N R6 1K 4050N 6 7 IC1C 4050N 2 3 VDD 8 1 VSS IC1A Abbildung 124: Anschluss der Stromversorgung (Schaltplan) Als nächstes wird die Funktionsgruppe des 5 V-Linearreglers betrachtet. Diese IC-Komponente wandelt die eingehenden 12 V-Versorgungsspannung in 5 V um und versorgt damit weitere Hardware- Komponenten, darunter fällt auch die MCU. Die beiden zusätzlichen Kondensatoren am Linearregler sind notwendig, um die ausgehende 5 V-Spannung zu stabilisieren und den Spannungsverlauf zu glätten. Zu dem wurde aus Sicherheitsgründen vor den Linearregler eine Diode geschaltet, um mögliche Stromrückflüsse zu verhindern. +5V GND VCC D2 C11 + LP2950Z 2 GND + C4 1 O I 3 IC4 Abbildung 125: 5 V-Linearregler (Schaltplan) Eine weitere Funktionsgruppe ist die Resetschaltung. Ihre Aufgabe ist es den low-aktiven Reset-Anschluss der MCU für den normalen Betrieb auf high zu halten. Um bei der MCU einen Reset durchzuführen existiert ein Taster direkt auf der Platine, der den Reset-Anschluss währen des Betätigens auf low zieht. Zudem besteht die Möglichkeit parallel einen weiteren externen Taster anzuschließen. 124

130 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG RESET R5 10K +5V GND S1 JP1 Abbildung 126: Resetschaltung (Schaltplan) Die In System Programming (ISP)-Verbindung ist eine Funktionsgruppe, die mit der Resetschaltung zusammenspielt. Um die MCU in den Programmiermodus zu versetzen, muss der Reset-Anschluss für eine bestimmte Zahl an Takten auf low gezogen werden. Daher wird der betreffende Anschluss des ISP-Steckers mit dem Reset-Anschluss verbunden. Die weiteren Anschlüsse werden mit den entsprechenden Anschlüssen der MCU verbunden, einzige Ausnahme bilden die Spannungsversorgungs-Anschlüsse. Die benötigten 5 V-Versorgunsspannung bezieht die ISP-Verbindung über den entsprechenden 5 V-Linearregler. MOSI RESET SCK MISO ISP V GND Abbildung 127: ISP-Schnittstelle (Schaltplan) Das Magnetometer ist eine weitere Hardware-Komponenten, die eine eigene Funktionsgruppe darstellt und ebenfalls über den 5 V-Linearregler versorgt wird. Diese kann direkt an den Inter-Integrated Circuit (I 2 C)-Bus der MCU angeschlossen werden, hierbei werden jedoch grundsätzlich zwei Pull-Up-Widerstände benötigt, die im Schaltplan dieser Funktionsgruppe zu finden sind. Des weiteren ist die Spannungsversorgung des Magnetometers über einen Transistor gesteuert. Mittels eines ON/OFF-Anschlusses, der mit der MCU verbunden ist, lässt sich diese Funktionsgruppe bei Bedarf abschalten. 125 ND +

131 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG GND Q2 IRFB 4212 MAGNETOMETER_ON/OFF SCL SDA R1 4K7 4K7 R2 MAGNETOMETER R3 1 Abbildung R4 R : Magnetometer (Schaltplan) 1K5 R4 32 STATUS_LED 43 Eine kleine Funktionsgruppe ist die externe 1K5I 2 C-Verbindung. Diese ist ebenfalls direkt mit dem I 2 C-Bus STATUS_LED 4 der MCU verbunden und dient zur Kommunikation 1K5 mit der slave/secondary control unit (SCU). +5V+5V +5V+5V GND GND LEDS LEDS +5V VCC + C14 SDA INT SDA SCL INT SCL I2C I2C RXD1 GPS_ON/OFF GND GND GND GND LP2950Z C15 GPS I O 1 IC5 Abbildung 129: Externe I 2 2 C-Verbindung (Schaltplan) Die Funktionsgruppe des Bluetooth-Moduls wird ebenfalls über den 5 V-Linearregler versorgt, besitzt allerdings einen internen level-converter + und einen eigenen Spannungsregler, der die eingehende Spannung nochmals anpasst. Ansonsten kann das Bluetooth-Modul direkt über die Serielle Schnittstelle mit der MCU verbunden werden. RXD0 TXD0 RXD0 TXD0 GND GND +5V +5V BLUETOOTH BLUETOOTH IC1F SD_CARD Die letzte Funktionsgruppe, die neben der MCU und den bereits vorgestellten Funktionsgruppen ebenfalls auf einer Versorgungsspannung 3 4 von 5 V basiert, sind die Status-LEDs. Die zwei LEDs informieren den 4050N 5 6 IC1B Anwender jederzeit 7 über 8 den Zustand5 des Systems. IC1P 4 Die erste LED, die Power LED, ist direkt an die IC1E 5 V-Spannungsversorgung 9 10 angeschlossen und ermöglicht so, das ordnungsgemäße Arbeiten selbiger zu N überprüfen. Die zwei LED, die Status LED, ist an einen General Purpose Input/Output (GPIO)-Anschluss 4050N der MCU angeschlossen, und kann zu beliebigen Zeitpunkten an und aus geschaltet werden, um den GND IC1D Anwender über bestimmte Ereignisse, insbesondere Fehler zu informieren N R6 1K Abbildung 130: Bluetooth-Modul (Schaltplan) 4050N 6 7 IC1C 4050N 2 3 VDD 8 1 VSS IC1A 126

132 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG R3 R4 1K5 STATUS_LED 1K5 +5V+5V GND LEDS R3 R4 1K5 STATUS_LED 1K5 +5V+5V GND RXD0 TXD0 SDA INT SCL GND +5V Abbildung 131: Status-LEDs (Schaltplan) Als nächstes wird die große Funktionsgruppe der 3,3 V-Komponenten betrachtet. Diese umfasst den 3,3 V- SDA 1 Linearregler, sowie die beiden Hardware-Komponenten GPS-Modul und SD-Karte. Nach dem selben INT 2 Prinzip wie beim 5 V-Linearregler, ist auch der 3,3 V-Linearregler SCL 3 aufgebaut und verschaltet. Dieser LEDS 1 wandelt die eingehende Versorgungsspannung von 12 V in 3,3 V um und besitzt zusätzliche Kondensatoren GND BLUETOOTH Technologie zum Einsatz, der mitrxd0 den entsprechenden Anschlüssen 1 der SD-Karte und der MCU verschaltet wurde. TXD0 2 3 C14 4 I2C um die 4 erzeugte Ausgangsspannung zu glätten und konstant zu halten. Das GPS-Modul greift direkt auf die Ausgangsspannung des 3,3 V-Linearreglers zu. Die weiteren An- I2C schlüsse des GPS-Modul, die serielle Schnittstelle, sowie der ON/OFF-Anschluss sind direkt mit der MCU verbunden. 3 Da das GPS-Modul im Gegensatz zum Magnetometer direkt SCL über einen 2 solchen ON/OFF- Anschluss verfügt, entfällt ein zusätzlicher Transistor. Die zweite Komponente, die über den 3,3 V-Linearregler mit Spannung versorgt wird, ist die SD-Karte. Diese erfordert zur Ansteuerung einen zusätzlichen level-converter, da die Daten-Anschlüsse nicht mit 1 mehr BLUETOOTH als 3,3 V belastet werden dürfen. Da Lösungen mit einfachen Widerständen als unzuverlässig ein- 2 geschätzt wurden, kommt hierfür ein Bitpuffer in Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) VCC +5V GND I GND + 2 LP2950Z GND SDA Q2 IRFB 4212 MAGNETOMETER_ON/OFF GND + C15 3 O 1 IC5 R1 4K7 4K7 R2 MAGNETOMETER V VCC + C10 A1 A2 A3 VCC OUT GND RXD1 GPS_ON/OFF GND GPS A4 FB V_ON/OFF A5 SD 6V_3A MOSI SD_CS IC1F N IC1E 12 R6 1K SD_CARD VDD IC1B IC1P VSS 4050N SCK MISO N IC1D N 4050N 6 7 IC1C GND 4050N 2 3 IC1A RESET S1 R5 10K JP1 +5V GND L-EU 45µF + C10 Abbildung 132: Komponenten auf 3,3 V-Basis (Schaltplan) VCC Neben den 3,3 V-Komponenten und den 5 V-Komponenten, gibt es noch die Funktionsgruppe der 6 V- A1 A2 +5V VCC D2 C11 + LP2950Z OUT GND 2 GND O I 3 VCC + C4

133 IS RESET SCK MISO BLUETOOTH RXD0 TXD0 1 2 GND 5.4 Steuerung 54 ENTWICKLUNG GND +5V 3 FF +5V _LED Komponenten. Diese Funktionsgruppe umfasst den 6 V-Schaltregler und die beiden Servomotoren. Der Schaltregler selbst benötigt eigene Widerstände, Kondensatoren und eine Schottky-Diode, um die eingehenden 12 V-Versorgungsspannung stabil in die geforderten 6 V-Ausgangsspannung zu regeln. Die Servomotoren selbst sind, neben der Spannungsversorgung mit dem Schaltregler, mit der MCU verbunden, von der sie die PWM-Signale erhalten. Der verwendete Schaltreglertyp verfügt ebenfalls über eine An-/Ausschaltfunktion, so kann das komplette Versorgungsnetz der Motoren abgetrennt werden, während diese ruhen. VCC /OFF TOMETER_ON/OFF GND 45µF + C8 R8 10nF C16 1K5 GND GND L-EU L1 D3 R7 1K5 45µF + C10 6V_ON/OFF A1 A2 A3 A4 A5 VCC OUT GND FB SD 6V_3A OC0A GND SERVO_A MOSI OC0B GND SERVO_B SD_CS SCK Abbildung 133: Komponenten auf 6 V-Basis (Schaltplan) MISO J Zu den besonderen Anschlüssen der MCU gehören die Spannungsversorgung, die Referenzspannung für den Analog-Digital-Wandler und die Anschlüsse für die Clock-Signal-Erzeugung. Im folgenden Schaltbild sieht man wie alles angeschlossen wird und wie ein 20 MHz Quarz zusammen mit zwei Stabilisierungskondensatoren an den Clock-Anschlüsse angeschlossen wird. Ein weiterer Kondensator dient der galvanischen D1 GND GND VCC RESET Entkopplung der MCU von den restlichen Komponenten des Systems. S1 R5 10K JP1 +5V GND 128

134 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG GND GND +5V GND GND 33pF 33pF Q1 20MHz MCU 9 RESET (ADC0/PCINT0)PA0 (ADC1/PCINT1)PA1 12 (ADC2/PCINT2)PA2 XTAL2 (ADC3/PCINT3)PA3 13 (ADC4/PCINT4)PA4 XTAL1 (ADC5/PCINT5)PA5 (ADC6/PCINT6)PA6 32 AREF (ADC7/PCINT7)PA7 30 AVCC (XCK0/T0/PCINT8)PB0 (CLKO/T1/PCINT9)PB1 100nF 10 VCC (INT2/AIN0/PCINT10)PB2 (OC0A/AIN1/PCINT11)PB3 C1 11 GND (OC0B/SS/PCINT12)PB4 31 GND (MOSI/PCINT13)PB5 (MISO/PCINT14)PB6 Abbildung 134: Tacktgeber und Abblockkondensator (Schaltplan) (SCK/PCINT15)PB7 C2 C3 C5 RESET (SCL/PCINT16)PC0 Die letzte Funktionsgruppe besteht aus den vier angeschlossenen Potentiometern. Diese sind direkt mit (SDA/PCINT17)PC1 der MCU verschaltet und liefern ihre Sensordaten direkt an diese. (TCK/PCINT18)PC2 (TMS/PCINT19)PC3 (TDO/PCINT20)PC4 (TDI/PCINT21)PC5 (TOSC1/PCINT22)PC6 40 (TOSC2/PCINT23)PC7 (ADC0/PCINT0)PA0 (ADC1/PCINT1)PA1 (ADC2/PCINT2)PA2 (ADC3/PCINT3)PA3 (ADC4/PCINT4)PA4 (ADC5/PCINT5)PA5 (ADC6/PCINT6)PA6 (ADC7/PCINT7)PA7 (XCK0/T0/PCINT8)PB0 (CLKO/T1/PCINT9)PB1 INT2/AIN0/PCINT10)PB2 C0A/AIN1/PCINT11)PB3 (OC0B/SS/PCINT12)PB4 (MOSI/PCINT13)PB5 (MISO/PCINT14)PB6 (SCK/PCINT15)PB7 (SCL/PCINT16)PC0 (SDA/PCINT17)PC1 (TCK/PCINT18)PC V_ON/OFF OC0A OC0B SD_CS MOSI MISO SCK SCL SDA INT POTIS Abbildung 135: Potentiometer (Schaltplan) +5V (RXD0/PCINT24)PD0 (TXD0/PCINT25)PD1 (RXD1/INT0/PCINT26)PD2 (TXD1/INT1/PCINT27)PD3 (XCK1/OC1B/PCINT28)PD4 (OC1A/PCINT29)PD5 (OC2B/ICP/PCINT30)PD6 (OC2A/PCINT31)PD7 MEGA164P/324P/644P-PU Damit wurden alle Hardware-Komponenten des Schaltplans und deren Zusatz-Komponenten in Form von Funktionsgruppen vorgestellt, sowie ihre Verschaltung untereinander. Im nachfolgenden Abschnitt wird dargestellt, wie die einzelnen Komponenten auf der Platine aufgebracht sind

135 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Platinen-Layout Abbildung 136: Layout der fertigen Platine Nach der Erstellung des Schaltplans wurde nach dessen Vorlage ein Platinen-Layout kreiert, welches in Abbildung 136 zu sehen ist. Darauf sind alle Komponenten des Schaltplans enthalten, sowie der Anschluss der Versorgungsspannung, welcher sich auf der linken Kante der Platine befindet. Bei der Anordnung der Leiterbahnen wurde darauf geachtet, dass sich die Anschlüsse der Hardware-Komponenten immer am Rand der Platine befinden, um so einen leichten Zugriff und Anschluss zu gewährleisten. Aufgrund dieser Vorgehensweise fiel die Wahl für die Position des Mikrocontrollers auf die Mitte der Platine, da so zentral von diesem ausgehend die Leiterbahnen zu den Anschlüssen geführt werden konnten, ohne viele Überkreuzungen der Leiterbahnen zu verursachen. Durch die vielen verschiedenen Hardware- Komponenten, welche jeweils mit den spezifischen Pins des Mikrocontrollers verbunden werden mussten, blieb es jedoch nicht aus, dass es zu Überkreuzungen einzelner Leiterbahnen kam. Diese Überkreuzungen mussten mittels Drahtbrücken, welche in der Abbildung als rote Leiterbahnen dargestellt sind, überbrückt werden. Weiterhin wurde beim Design der Platine beachtet, dass Hardware-Komponenten einer gleichen Spannungsschiene auf der Platine zusammen mit ihrem zugehörigen Schalt- oder Linearregler lokal gebündelt werden. Demnach befinden sich die 5 V-Komponenten auf der oberen Hälfte der Platine, während die 3,3 V-Komponenten in der unteren rechten Ecke und die 6 V-Komponenten in der unteren linken Ecke der Platine angelagert sind. Speziell bei den 6 V-Komponenten wurde darauf geachtet, dass sich diese möglichst nahe der Versorgungsspannung befinden, da sie die größten Stromabnehmer sind Software Die Software-Architektur unterteilt sich im Gegensatz zur Hardware-Architektur nochmals in mehrere Unterpunkte, die zunächst jeweils einzeln präsentiert werden und aufeinander aufbauen. So werden anfangs die im Rahmen der Software-Entwicklung verwendeten Protokolle näher vorgestellt. Daraufhin wird deren Einsatz konkret auf die jeweiligen internen Hardware-Schnittstellen bezogen. Die externen Schnittstellen und die hierfür genutzten Kommunikationstechniken folgen darauf. Abschließend wird auf höherer Ebene die Struktur der Software-Architektur anhand eines Klassendiagramms verdeutlicht und der Ge- 130

136 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG samtablauf der Systemsteuerung, der auf einem high-level Algorithmus basiert und die Funktionalität aller zuvor vorgestellten Komponenten vereinigt, präsentiert Protokolle und Signale Dieser Abschnitt befasst sich mit Protokollen und Signalverarbeitung, die für die Kommunikation der einzelnen Hardware-Komponenten benötigt wurden. Hierbei sollen diese grundlegend erläutert und deren Relevanz bei der Entwicklung der Steuerung-Software deutlich gemacht werden. Die betrachteten Protokollformen sind dabei I 2 C und die UART, die Signalverarbeitung bezieht beschränkt sich auf den ADC und PWM I 2 C I 2 C steht im Englischen für Inter-Integrated Circuit und ist ein serieller Datenbus, der von Philips entwickelt wurde. I 2 C wird zumeist als interner Datenbus zur Kommunikation von Hardware-Komponenten genutzt. Das Prinzip des Datenbus von I 2 C ist ein typischer Master-Slave-Bus, welcher beliebig viele Slaves, aber auch mehrere Master erlaubt. Die Kommunikation ist bei I 2 C nicht nur auf die Kommunikation zwischen Master und Slave begrenzt, stattdessen kann ebenfalls eine Kommunikation zwischen zwei Mastern erfolgen. Die eigentliche Datenübertragung auf dem Bussystem geschieht über zwei Signalleitungen, einer Datenleitung (SDA) und einer Taktleitung (SCL). An diesen zwei Signalleitungen müssen alle Komponenten, die über den I 2 C-Bus kommunizieren sollen, angeschlossen werden. Zudem müssen beide Signalleitungen über Pull-up-Widerstände mit der Versorgungsspannung V DD verbunden sein. Vcc SDA SCL Rp Master Slave 1 Slave 2 Slave 3 GND Abbildung 137: I 2 C-Bus mit einem Master und drei Slaves Übertragungsprotokoll Der I 2 C-Bus basiert auf einer positiven Logik, so dass bei einer angelegten Spannung von ca. 0, 7 V DD ein High-Signal erkannt wird und bei einer Spannung von ca. 0, 3 V DD ein Low-Signal. Die Größe der übertragenen Datenpakete entspricht immer 8 Bit, also einem Byte. Auf ein Datenpaket von einem Byte folgt nachträglich immer ein neuntes Acknowledge-Bit (ACK-Bit). Dieses wird vom Slave gesetzt. Dabei zieht der Slave das vom Master vorgegebene High-Pegel auf der SDA-Leitung auf Low und signalisiert so ein Acknowledge (ACK). Bleibt das ACK-Bit hingegen auf High gesetzt, so wird dieses als Not Acknowledge (NACK) interpretiert. Die Adressierung bei I 2 C geschieht ebenfalls Byte-weise. Hierbei geben die ersten sieben Bit die eigentliche Adresse an, während das achte Bit angibt, ob es sich um einen Lese- oder Schreibvorgang handelt. Ist das achte Bit auf Low, so handelt es sich um einen Schreibvorgang, im Umkehrschluss handelt es sich um einen Lesevorgang, wenn das achte Bit auf High gesetzt wird. Nachfolgend soll beispielhaft eine vollständige Datenübertragung per I 2 C dargestellt werden, die sich in mehrere Einzelschritte unterteilt: 1. Start der Übertragung Um eine Kommunikation zwischen Master und Slave einleiten zu können, muss der I 2 C-Bus zunächst 131

137 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG freigegeben sein, dies ist dadurch gekennzeichnet, dass SDA und SCL zeitgleich auf einem High- Pegel sind. Ist dies der Fall, kann die Kommunikation vom Master durch ein Start-Signal eingeleitet werden, indem SDA auf Low gesetzt wird. 2. Adressierung Nach der Einleitung der Kommunikation ist der I 2 C-Bus für den entsprechenden Master reserviert und dieser kann einen Slave adressieren. Hierbei muss nun zunächst unabhängig vom nachfolgenden Lese- oder Schreibvorgang vom Master angegeben werden, auf welches Register des Speichers vom Slave zugegriffen werden soll. Das entsprechende Register wird mittels eines Schreibvorgangs vom Master an den Slave übertragen. 3. Lese-/Schreibvorgang Nachdem der entsprechende Slave adressiert und dessen gewünschtes Register gewählt wurde, kann nachfolgend der eigentliche Lese- oder Schreibvorgang durchgeführt werden. Hierzu muss wiederum der Slave adressiert werden und dabei, je nach Vorgang, das achte Bit auf High oder Low gesetzt werden. Ein erfolgreicher Lesevorgang eines Datenpakets wird dabei vom Master mittels des ACK- Bits signalisiert, ein Schreibvorgang dagegen vom Slave. Im Folgenden kann eine beliebige Menge von Datenpaketen gelesen oder geschrieben werden, dazu muss lediglich ein sogenanntes Repeated Start-Signal gesendet werden, welches wie das Start-Signal aufgebaut ist. Hierbei wird dann automatisch das nächste Register im Speicher des Slaves beschrieben oder ausgelesen. 4. Beenden der Übertragung Soll die Kommunikation zwischen Master und Slave beendet werden und der I 2 C-Bus wieder freigegeben werden, so muss vom Master ein Stop-Signal gesendet werden. Hierbei muss vom Master die SDA-Leitung von Low auf High gesetzt werden, während sich SCL auf einem High-Pegel befindet. Abbildung 138: Signalpegel-Verlauf einer typischen I 2 C-Kommunikation Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) Zur Abfrage des GPS und für die Kommunikation mit der GUI (via Bluetooth) wird der in die MCU integrierte UART verwendet. Diese Schnittstelle entspricht der vom PC bekannten seriellen Schnittstelle (RS-232). Die beiden kommunizierenden Geräte verfügen dabei jeweils über einen TxD und einen RxD-Anschluss, welche über Kreuz verschaltet werden. 132

138 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Die in die MCU integrierten UART-Komponenten müssen dabei Anhand verschiedener Parameter konfiguriert werden, damit eine Kommunikation mit dem jeweiligen externen Gerät zu Stande kommen kann. Dazu gehören: Baudrate Bitlänge (Bits per Übertragungsoperation) Paritätseinstellungen (0-2 Paritätsbits) Alle Einstellungen müssen über spezielle Steuerregister der MCU vorgenommen werden, die eigentliche Kommunikation geschieht anschließend über das Lesen und Schreiben von / in speziellen RxD bzw. TxD Registern. Um diese Vorgänge zu vereinfachen beispielsweise um mehrere Bytes mit einem einzigen Befehl übertragen zu können, anstatt selber das Register mehrfach ansteuern zu müssen und den Quellcode lesbarer und dadurch wartbarer zu machen, wurde eine Klasse entwickelt, die diese Funktionalitäten abstrahiert. Der verwendete ATMega644P verfügt über zwei UARTs, welche über unterschiedliche Register, jedoch nach dem selben Grundprinzip angesteuert werden müssen. Dies hätte durch das Verwenden von Präprozessor- Macros, oder durch objektorientierte Programmierung gelöst werden können. Beim Verwenden von Präprozessor- Macros gehen jedoch die Typ-Informationen verloren, was den Code fehleranfälliger und schwerer verständlich gemacht hätte. Der objektorientierte Ansatz hätte hingegen zur Laufzeit diverse Nachteile gehabt, da hierbei jeder Funktionsaufruf mittels Virtual Dispatcher durchgeführt werden müsste, was sowohl Laufzeit, als auch zusätzlichen Speicher kosten würde. Daher fiel die Entscheidung auf eine Umsetzung mittels Template-Metaprogrammierung [5]. Dabei wird über (explizite) template Spezialisierung für unterschiedliche Instantiierungen der UART-Klasse nur an den erforderlichen Stellen der jeweils passende Code zur Ansteuerung der Register eingesetzt, während der restliche Code für alle Instantiierungen gemeinsam genutzt werden kann [133]. Baudrate Eine weitere Herausforderung ist die korrekte Konfiguration der Baudrate. Da die UART-Komponente über das gleiche Clock-Signal gespeist wird wie die restliche MCU, muss in die Konfigurationsregister nicht die Baudrate, sondern ein in Abhängigkeit von der eingestellten Taktfrequenz zu berechnender Wert eingetragen werden. Dabei gilt, dass bestimmte Baudraten mit bestimmten Taktfrequenzen inkompatibel sind. Für jene Baudraten wäre die relative Abweichung der tatsächlichen Baudrate zu groß, da in das Konfigurationsregister nur integrale Werte eingetragen werden können. Deshalb haben wir die Klasse BaudRate entwickelt. Es lassen sich nur BaudRate Objekte anlegen, die einer gültigen Baudrate-Einstellung entsprechen. Dazu wurde der Konstruktor der BaudRate-Klasse als private-member deklariert und das Instantiieren ist stattdessen ausschließlich über die von unserem C++11 kompatiblen Kompiler unterstützten User-defined literals[78] möglich. So wird etwa die Eingabe 9600_baud bereits beim Parsen hinsichtlich der Taktfrequenz ausgewertet und führt, nur wenn diese Baudrate kompatibel ist, zur Konstruktion eines Baudrate Objektes. Anderenfalls führt sie zu einem Compiler-Fehler. Da der UART-Klasse zur Konfiguration nur BaudRate-Objekte und keine direkten Zahlen übergeben werden können, ist auf diese Weise ein Fehler sicherer Mechanismus geschaffen wurden, der keinerlei negative Auswirkungen auf die Laufzeit der Software hat. Ringpuffer Die UART-Komponente der MCU kann nur einzelne Bytes senden und empfangen. Würde man diese 133

139 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Funktionalität direkt (z.b. über eine while-schleife) nutzen, so würde der Ablauf des Programms verzögert werden, bis die UART die gesamte Übertragung abgeschlossen hätte. Ebenso würde, wenn Daten empfangen werden, die MCU jedoch beispielsweise währenddessen bereits mit dem Regeln der Servomotoren ausgelastet ist, eventuell Daten verloren gehen. Um beide Probleme zu Umgehen wurde mittels eines Ringpuffers eine asynchrone Kommunikation realisiert. In Abbildung 139 wird ein solcher Ringpuffer skizziert. Der blaue Pfeil stellt den Lesezeiger, der rote Pfeil den Schreibzeiger dar. Das Wort NOTREAD wurde noch nicht gelesen, aber bereits geschrieben, da der Lesezeiger vor dem Wort, der Schreibzeiger nach dem Wort steht. Das Wort READ wurde bereits geschrieben und gelesen; der Lesezeiger ist bereits über das Wort gewandert. Somit kann das Wort im Ringpuffer überschrieben werden, sobald der Schreibzeiger auf dem ersten Byte des Wortes steht N O T R E A D R E A D Abbildung 139: Ringpuffer Die UART-Klasse verfügt über zwei getrennte Ringpuffer-Objekte, jeweils eines für die Sende- und die Empfangsrichtung. Werden über die UART-Klasse Daten geschrieben, werden diese zunächst in den entsprechenden Ringpuffer geschrieben. Erst wenn die UART-Komponente mittels Interrupt signalisiert, dass das nächste Byte übertragen werden kann, wird dieses aus dem Ringpuffer in das entsprechende Register übertragen. Analog dazu wird in einer Interrupt-Routine jedes Empfangene Byte in den Empfangs-Ringpuffer geschrieben und dieser wird nur bei jedem expliziten Aufruf durch die weitere Programm-Logik gelesen. Ein Informationsverlust kann so jedoch immer noch auftreten, wenn die Größe des Empfangs-Ringpuffers in Relation zur Auslesefrequenz des Selbigen zu niedrig gewählt wird. Wenn hingegen der Sende- Ringpuffer voll ist, wird die MCU in den Energiesparmodus versetzt und erst durch den Interrupt der UART-Komponente wieder aktiviert. Die Größen der beiden Ringpuffer lassen sich als wichtigste Stellschrauben neben der Baudrate über die UART-Klasse zu jedem Betriebszeitpunkt (re)-konfigurieren Pulsweiten-Modulation (PWM) Rotations- und Neigungsmotor werden über PWM angesteuert. Es handelt sich um ein asynchrones Verfahren, bei dem über einen digitalen Ausgang ein bestimmtes Signal ein periodischer Wechsel zwischen 0 und 1 in einer Frequenz von 20 Hz ausgegeben und von einem Endgerät (in unserem Fall die Motorik) empfangen und interpretiert wird. Die High-Pegellänge liegt hierbei zwischen 1 ms und 2 ms. Dieses Signal kann auf zwei unterschiedliche Arten beim Empfänger verarbeitet werden. Handelt es sich um einen Servomotor mit internem Potentiometer, so wird dieses Signal je nach High-Pegellänge als eine bestimmte, proportional zum Signal liegende, Grad-Ausrichtung interpretiert. Verfügt der Motor über kein internes Potentiometer oder wird das interne Potentiometer durch einen festen Spannungsteiler ersetzt, so können über die Pulsweiten Modulation keine Grad-Ausrichtungen erfolgen. Die High-Pegellänge gibt in diesem Fall die Geschwindigkeit des Motors in beide Richtungen vor. Da die Potentiometer des Rotations- und Neigungsmotors durch ein Spannungsteiler-Prinzip ersetzt wurden, wird diese Methode nachfolgend näher betrachtet. 134

140 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Signal (U sig ) t (ms) Abbildung 140: PWM Signalbeispiel - maximale Geschwindigkeit des Motors nach rechts. Signal (U sig ) t (ms) Abbildung 141: PWM Signalbeispiel - maximale Geschwindigkeit des Motors nach links. Zwei beispielhafte Perioden sind Abbildung 140 und 141 zu entnehmen. In der Zeitspanne t=[0,1] liegt eine logische 1 an. Dies ist eine Markierung für den Start der Periode. Aus der Zeitspanne t=(1,2] ist interpretierbar, welche Geschwindigkeit der Motor ausführen soll. Die Zeitspanne t=(2,20) dient als Puffer, da ein solches gesamtes Signal periodisch wiederholt wird. In Abbildung 140 würde ein Motor mit maximaler Geschwindigkeit nach rechts drehen, da innerhalb der Zeitspanne t=(1,2] dauerhaft ein Signal mit einer logischen 1 (5 V) vorliegt. In Abbildung 141 würde ein Motor mit maximaler Geschwindigkeit nach links drehen, da innerhalb der Zeitspanne t=(1,2] dauerhaft ein Signal mit einer logischen 0 (0 V) vorliegt. Weitere Motorgeschwindigkeiten lassen sich über diese Zeitspanne linear interpolieren (z.b. die Stillstand-Situation: t=(1,1.5], Signal= 5 V ; t=(1.5,2], Signal= 0 V). Das vorgestellte Signal entspricht dem Idealfall. In der Praxis kann die Zeitspanne t(1,2] jedoch abweichen, da die Präzision abhängig von den verbauten Potentiometern, bzw. den anliegenden Spannungsteilern sind und diese maßgeblich für das Einnehmen der korrekten Position, bzw. Geschwindigkeit und Mittelstellung sind. Somit ist eine Kalibrierung der Mittelstellung von Nöten, welche in der Regel minimal von der High- Pegellänge t=(1,1.5] abweicht Analog-Digital Converter (ADC) Ein Analog-Digital Converter (ADC) ist eine elektronische Komponente, welche kontinuierliche, analoge Signale abtastet und in diskrete, digitale Datenwerte überträgt. Diese analogen Signale sind in der Regel Spannungen, die digitalisiert und anschließend weiterverarbeitet werden. Da der Wandlungsvorgang eine gewisse Zeit benötigt und in dieser Zeit das anliegende analoge Signal konstant bleiben muss, verfügt ein ADC in der Regel über eine integrierte Sample-And-Hold Schaltung, welche das Eingangssignal durch Rückkopplungen für ein gewisses Zeitfenster einfrieren kann. 135

141 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG f(t) Abbildung 142: Abtastung und Quantisierung von analogem Signal [134] t In Abbildung 142 ist der Konvertierungsvorgang graphisch dargestellt. Über die Zeit t wird zu jedem Zeitpunkt eine Signalamplitude f(t) aufgetragen. Die graue kontinuierliche Kurve stellt das analoge Eingangssignal dar. Durch senkrechte, gestrichelte Linien wird das Abtastungsintervall des ADC dargestellt. Der rote Graph entspricht dem abgetasteten und quantisierten Signal: Zu jedem Abtastzeitpunkt wird der Messwert (meist Spannungswert) bestimmt und über die Länge des Abtastintervalls als Standard- Wert des Intervalls festgehalten. Bei jeder Messwertaufnahme erfolgt zudem eine Quantisierung auf der Amplitudenhöhe: Die Amplitudenhöhe des analogen Signals liegt kontinuierlich vor und wird diskretisiert. Für die Diskretisierung wird eine bestimmte Bitmenge gewählt. Bei in Mikrocontrollern integrierten Analog-Digital Convertern beträgt die Auflösung in der Regel 10 Bit. Somit können als Amplitudenhöhe 2 10 = 1024 diskrete Werte unterschieden werden. Durch die Analog-Digital Wandlung entsteht immer ein verlustbehaftetes Signal. Die Abtastung und Quantisierung des Ursprungsignals stellen nur einen Signalverlauf da, welcher das ursprüngliche analoge Signal in seinen Grundzügen beschreibt. Je feiner die Abtastrate und je höher die Bit-Auflösung der Quantisierung gewählt wird, desto geringer ist der Fehler zwischen dem digitalen und analogen Signal. Wie fein die Abtastung und Auflösung gewählt werden muss hängt davon ab, welche Informationen aus dem Ursprungssignal relevant für die weiteren Verarbeitungsschritte sind. Ist das Signal bis zu einer bestimmten maximalen Frequenzen für den weiteren Verarbeitungsverlauf relevant, so muss die Abtastfrequenz nach dem Shannon-Theorem mindestens doppelt so hoch sein, wie die maximale relevante Frequenz des Ursprungssignals: f abtast > 2 f max. In der Praxis wird häufig zur Fehlerminimierung zwischen abgetastetem und ursprünglichem Signal eine 3-5fache Abtastrate angewendet. Die Abtastrate lässt sich über einen Prescaler des ADC-Taktes beim Analog-Digital Converter einstellen. Neben der Frequenz ist ebenso der Quantisierungsfehler der Amplitudenhöhe von Interesse. Wird zum Beispiel lediglich eine 1 Bit-Auflösung verwendet, so kann nur zwischen einem vorhandenem (1) und einem nicht vorhandenem Signalpegel (0) unterschieden werden. Nach der Quantisierung liegen Amplitudenhöhen aus dem Intervall [0 2 N_BIT ] vor. Um das analoge Ursprungssignal beschreiben zu können, muss dieses Intervall auf das Intervall der Amplitudenhöhe des analogen Signals mit einer linearen Übertragungsfunktion umgerechnet werden. Soll zum Beispiel ein Signal zwischen 0-5 V mit einer 10 Bit Auflösung digitalisiert werden, so muss der Abtastwert 0 genau 0 V und der Abtastwert 1023 genau 5 V entsprechen. Die Übertragungsfunktion F U (x) = 5 x/1024 würde dies ermöglichen. 136

142 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Interne Schnittstellen Nachdem zuletzt die verschiedenen Protokolle vorgestellt wurden, soll in diesem Kapitel deren Nutzung direkt an den jeweiligen Komponenten verdeutlicht werden. Hierzu wird auf Code-Ausschnitte eingegangen und zusätzlich Software-technisch gelöste Verarbeitungsschritte erläutert I 2 C - Magnetometer Das im vorherigen Kapitel beschriebene Kommunikationsprotokoll I 2 C wird in der Prototyp-Steuerung zur Kommunikation zwischen der MCU und dem Magnetometer verwendet. Bei der Kommunikation beider Komponenten nimmt die MCU die Rolle als Master ein, das Magnetometer die des Slaves. Dabei greift die MCU in der Rolle als Master auf die Bibliothek twimaster.hpp zurück. Bei dieser Bibliothek handelt es sich um eine Sammlung von Funktion, die eine vereinfachte Kommunikation per I 2 C speziell unter Verwendung von Mikrocontrollern von ATmel ermöglicht. Die Kommunikation von MCU und Magnetometer unter der Verwendung der Funktionen der twimaster- Bibliothek soll im nachfolgenden Code-Ausschnitt dargestellt werden: 1 void Magnetometer::getHeading(){ 2 //Adressierung des Magnetometers mit zusätzliche Einleitung eines Schreibvorgangs 3 i2c_start_wait(hmc5883l_write); 4 //Pointer wird auf das X-axis MSB-Register gesetzt 5 i2c_write(0x03); 6 //Freigabe des I2C-Bus 7 i2c_stop(); 8 9 //Neue Einleitung der Kommunikation, Auslesen der Magnetometer-Daten 10 i2c_rep_start(hmc5883l_read); //Abfrage der X-Werte 13 raw_x = ((uint8_t)i2c_readack())<<8; 14 raw_x = i2c_readack(); //Abfrage der Y-Werte 17 raw_y = ((uint8_t)i2c_readack())<<8; 18 raw_y = i2c_readack(); //Abfrage der Z-Werte 21 raw_z = ((uint8_t)i2c_readack())<<8; 22 raw_z = i2c_readnak(); //Beenden der Kommunikation, Freigabe des I2C-Bus 25 i2c_stop(); 26 } An diesem Beispiel erkennt man die zuvor beschriebene I 2 C-Kommunikation deutlich. Zunächst wird die Kommunikation über den Befehl i2c_start_wait eingeleitet. Dabei wird die fest definierte Adresse des Magnetometers angegeben und zugleich gekennzeichnet, dass es sich bei der nächsten Aktion um einen Schreibvorgang handeln wird. Anschließend wird ein Pointer auf das gewünschte Register des Magnetometers gesetzt, dies ist in diesem Fall das X-axis MSB-Register, in dem die Sensordaten für die X-Achse des Magnetometers gespeichert werden. Nachdem der Pointer gesetzt wurde, wird in diesem Fall zunächst der I 2 C-Bus mit dem Befehl i2c_stop freigegeben, um anderen Komponenten die Kommunikation zu ermöglichen. Der nächste Abschnitt des Beispielcodes ab Zeile 12 anfangend beschäftigt sich mit dem Auslesen der erforderten Sensordaten. Dabei ist zu erkennen, dass die Daten mittels des Befehls i2c_readack von der MCU ausgelesen werden und der Lesevorgang jeweils erst mit dem Senden eines ACK-Bits abgeschlossen wird. Nach jedem Lesevorgang wird hierbei der Pointer automatisch weiter gesetzt, sodass in den 137

143 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG darauffolgenden Lesevorgängen ebenfalls die Sensordaten bezüglich der Y- und Z-Achse von der MCU ausgelesen werde können, ohne diese Register jedes Mal zuvor speziell ausgewählt haben zu müssen. Im Abschluss wird die Kommunikation abermals mit dem Befehl i2c_stop beendet. Da das Magnetometer entgegen erster Entwurfsentscheidungen letztlich nur die Kompassfunktion realisieren musste, wurden nur die Daten von zwei der drei Achsen des Magnetfeldsensors benötigt. Diese waren die Daten der X- und Y-Achse, welche nach Vorgabe des Datenblatts vom LSM303DLH Sensormodul umgewandelt werden mussten, um eine konkrete Ausrichtung nach den Himmelsrichtungen in Grad zu erhalten. Die Umwandlung der Sensordaten entsprach der Verwendung der mathematischen Funktion Atan2, einer Variation der Winkelfunktion arctangens, die zwei Argumente benötigt und in der Standard- Bibliothek math.hpp enthalten ist. Die hierfür benötigten Sensordaten waren die der X- und Y-Achse. Nähere Informationen zur Funktionsweise von Atan2, sowie des mathematischen Beweises dafür, dass diese Umrechnung legitim ist, sind im Datenblatt des LSM303DLH Sensormodul zu finden [120]. Weiterhin mussten die Sensordaten des Magnetometers in den Entwicklungsphasen regelmäßig kalibriert werden, da durch äußere elektronische Felder, der Magnetfeldsensor in seiner Funktionsweise gestört wurde. Die Kalibrierung geschieht dabei händisch im Quellcode zur Ansteuerung des Magnetometers und entspricht einer Verrechnung des Sensordaten mit einem Offset. Damit diese Störung möglichst gering gehalten werden und sich im Betrieb des Prototyps nicht variieren, wurde bei der Montur des Magnetometers darauf geachtet, dass dieses möglichst weit von den übrigen Komponenten im Elektronikgehäuse fest montiert wurde I 2 C - Lademanagement Ähnlich der Kommunikation zwischen MCU und Magnetometer verläuft die Kommunikation der MCU mit der SCU. Auch in diesem Fall wird für die Kommunikation über I 2 C seitens der MCU auf die Bibliothek twimaster.hpp zurückgriffen, die bereits im letzten Kapitel vorgestellt wurde. Die MCU nimmt somit in der Kommunikation mit der SCU die Rolle des Masters ein. Auf Seiten der SCU wird die artverwandte Bibliothek usitwislave.hpp verwendet, die speziell Funktionen zur Kommunikation per I 2 C von Seiten des Slaves zur Verfügung stellt. Auch diese Bibliothek in Hinblick darauf entwickelt, dass sie für Mikrocontroller von ATmel verwendet wird, speziell für die Reihe ATtiny-Mikrocontroller. Die Kommunikation der beiden Mikrocontroller ist hierbei noch einfacher gehalten, als beim vorangehendem Beispiel zwischen MCU und Magnetometer, da in diesem Fall lediglich von der MCU der aktuelle Batterie-Ladezustand von der SCU, welche das Lademanagement reguliert, abgefragt wird. Das Prinzip soll mit folgendem Programmausschnitt veranschaulicht werden: txbuffer[0]=adcval;//adc-wert in das Register schreiben, dass der Master auslesen kann 3... Die SCU muss zunächst die Werte, die von der MCU gelesen werden sollen, in das Array txbuffer aus der usitwislave.hpp schreiben. Darauf folgt die Kommunikation der beiden Mikrocontroller seitens der MCU: 1 float Batterystatus::operator()() 2 { 3 //Adressierung der SCU mit zusätzliche Einleitung eines Schreibvorgangs 4 i2c_start_wait(0x42); 5 //Pointer wird auf das Register der SCU gesetzt, in dem der gewünschte Wert steht 6 i2c_write(0x00); 7 8 //Neue Einleitung der Kommunikation, Einleitung des Lesevorgangs der Batteriespannung 9 i2c_rep_start(0x43); 10 //Speichern der gelesenen Daten in einer lokalen Variable 138

144 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG 11 voltage = (uint8_t)i2c_readnak(); //Beenden der Kommunikation, Freigabe des I2C-Bus 14 i2c_stop(); 15 } Wie man sieht, sind Parallelen zur vorherigen I 2 C-Kommunikation zu sehen (siehe ). Der entscheidende Teil der Kommunikation wird vom Master, in diesem Fall wieder die MCU, ausgeführt. Auf Seiten der SCU muss lediglich die eigene Adresse 0x42 festgelegt werden, die im Code-Ausschnitt in Zeile 4 und 9 von der MCU angesprochen wird, und der entsprechende Wert in das Register 0x00 geschrieben werden, auf welches von der MCU in Zeile 6 der Pointer gesetzt wird. Neben der Einhaltung des I 2 C-Protokoll war bei der Verkabelung der beiden Komponenten des I 2 C-Bus zu beachten, dass diese dieselbe Spannungsversorgung und Erdung besitzen, da es ansonsten zu einer Fehlinterpretation der Signalpegel kommt UART - GPS Zur Berechnung der aktuellen Sonnenposition werden neben der Position, das Datum und die Uhrzeit benötigt. Zunächst sollten diese Daten aus zwei verschiedenen Datensätzen des NMEA-Prokolls extrahiert werden. Der $GPGLL-Datensatz enthält den Breiten- und Längengrad und der $GPZDA-Datensatz enthält die Uhrzeit und das Datum. Der verwendete GPS-Empfänger sendet jedoch keinen $GPZDA- Datensatz. Nach vielen vergeblichen Versuchen, diesen Datensatz nachträglich zu aktivieren, wurde die Anschaffung eines anderen GPS-Moduls in Erwägung gezogen, da Uhrzeit und Datum zwingend für unsere Zwecke benötigt werden. Nach weiterer Betrachtung wurde in der Ausgabe des GPS-Moduls der $GPRMC-Datensatz entdeckt. Dieser enthält alle benötigten Angaben und ist wie folgt aufgebaut. $GPRMC,130516,A, ,N, ,E,000.4,231.8,220313,004.2,W*70 $Code, Uhrzeit: 13:05:16 in Coordinated Universal Time (UTC), In-/Validität der Daten: V/A, Breitengrad mit Bogenminuten: = , Norden/Süden: N/S, Längengrad in Bogenminuten: = 8.704, Osten/Westen: E/W, Geschwindigkeit in Knoten: 0.4 Knoten = 0.74 km/h, Kurs in Grad: von Süden aus, Datum: 22. März 2013, Magnetische Abweichung: 4.2, West, Checksumme: *70 139

145 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Das Modul wird nur während der Initialisierung mit Strom versorgt. Nach der Initialisierung, also sobald korrekte Daten eindeutig festgestellt wurden, werden die empfangenen Daten gespeichert und das Modul bis zur nächsten System-Initialisierung deaktiviert. Um als korrekt zu gelten, müssen die Daten innerhalb erwarteter Wertebereiche liegen und die interne Validität des Datensatzes gegeben sein. Beim Parsen des Datensatzes werden die Bogenminuten vom Breiten- und Längengrad in Grad umgerechnet und statt den Angaben zur Himmelsrichtung ist die Zahl entweder positiv oder negativ. Dies erleichtert die interne Darstellung und ist die korrekte Form für weitere Berechnungen. Die empfangene Uhrzeit und das Datum werden an eine spezielle Uhr-Klasse auf der MCU übergeben und dort weiter gezählt PWM/ADC - Motorenregelung Auf Basis des PWM und ADC Kapitels wird nachfolgend die Umsetzung der Motorenregelung beschrieben. Hierfür wird zunächst auf die Kalibrierung der Analog-Digital-Wandlung und anschließend auf die Motorenregelung auf Basis des PWM-Signals und der AD-Wandlung eingegangen. In Abbildung 143 werden die aufgenommenen Messwerte eines der beiden Rotationsmotor-Potentiometer in Bezug zu der Gradausrichtung des Rotationsmotors dargestellt. Diese Messung wurde zudem analog für den Neigungsmotor durchgeführt. Trotz offensichtlich nahezu linearem Anstieg wurde keine Linearisierung der Messwerte vorgenommen, da der Linearisierungsfehler maximal 14 Werte im 10 Bit Potimesswert- Bereich [0,1023] einen Gradfehler von 4, 92 auslösen würde. Da ebenfalls weitere Messabweichungen wahrscheinlich sind, würde die maximale Abweichung von der Soll-Ausrichtung vermutlich über 4, 92 liegen. Um diese Abweichung zu minimieren, wurden in 10 Abständen Messwerte aufgenommen und in Form einer Hashmap implementiert. Zwischenwerte werden linear interpoliert, um den gesamten Arbeitsraum abdecken zu können. Es wurde eine weitere Messaufnahme in 5 Abständen durchgeführt und der Fehler zur linearen Interpolation berechnet. Dieser Fehler lag mit unter 1 Abweichung deutlich unter der Gesamtlinearisierung Poti1unten shape preserving Potimesswert 10bit [0,1023] Grad Abbildung 143: gemessene Potentiometer-Messwerte des Neigungsmotors 140

146 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG PID-REGLER Durch mehrfach durchgeführte Testszenarien der Motoren wurde ermittelt, dass beim Neigungsmotor T krit K krit T i T D K P trotz durchgängig maximaler Geschwindigkeit beim Anregeln an eine Zielposition kein Überschwingen Best.-Nr. erzeugt werden konnte. Dies lässt sich durch das hohe Übersetzungsverhältnis und somit die starke Seite Ge- 19 schwindigkeitsdrosselung begründen. Aufgrund der Nicht-Existenz von Überschwingung wurde somit auf kritische Periodendauer eine PID-Regelung verzichtet und eine Regelung entwickelt, welche bis zum Erreichen der Sollposition kritische Verstärkung mit maximaler Motorengeschwindigkeit arbeitet. Als Motorenregelung für den Rotationsmotor wurde aufgrund aufkommender Massenträgheit und Überschwingverhalten zunächst eine PID-Regelung in Betracht Integrationszeit gezogen. Hierfür wurde die Einregelungsmethode nach Ziegler-Nichols angewendet. Durch Abbildung 144 Differenzierzeit wird das Verfahren verdeutlicht. Bei dem PID-Regler wurde zunächst lediglich der P-Anteil aktiviert und schrittweise soweit erhöht, bis der Aufbau in einen grenzstabilen Zustand gebracht wurde, so dass Proportionalbeiwert die Ausrichtung gleichförmig um den Sollwert schwank. Dieser erzielte P-Anteil wird nachfolgend K krit genannt. Anschließend wurde die Periode des grenzstabilen Zustandes T krit gemessen. Abbildung 144: Einregelungsverfahren nach Ziegler/Nichols: Grenzstabiler Zustand, aus [59] Abb.13: Ermittlung des Wertes T krit Mit Hilfe der Periode T krit und dem P-Anteil K krit ließen sich im Anschluss die P-, I- und D-Anteile mit Selbstverständlich eignet sich das Verfahren nur für solche Regelkreise, bei denen den Gleichungen aus Abbildung 145 für einen PID-Regler bestimmen. die Strecke, wie beim Motor-Generator-Satz (Best.-Nr ), einen Ausgleich hat und die auch im Praxisgeschehen an ihre Stabilitätsgrenze gefahren werden können. In komplexen industriellen Prozessen ist dies oft nicht möglich oder sogar absolut gefährlich und riskant. Darüber hinaus eignet sich das Verfahren nur für einschleifige Regelkreise. Die Werte der Tabelle lassen sich z.b. mit Hilfe des Oszilloskops, Anzeigegerätes bzw. durch Auszählen von Potentiometerumdrehungen einstellen. 141

147 Stabilitätsgrenze erreicht. Aus dem Regelkreis ist ein Oszillator für eine feste Frequenz geworden. Er schwingt auf einer für ihn typischen Schwingfrequenz, die dann mit f krit bezeichnet wird. Aus der kritischen Schwingfrequenz ergibt sich 5.4 unmittelbar durch Inversion die zugehörige kritische Periodendauer T krit. Mit diesen Steuerung 5 ENTWICKLUNG so gewonnen kritischen Werten K krit und T krit lassen sich aus der folgenden Tabelle die Reglerparameter K P, T i, T D bestimmen: Regler Parameter K P T i T D P 0,50 K krit - - PI 0,45 K krit 0,85 T krit / K P - PD 0,80 K krit - 0,12 T krit K P PID 0,60 K krit 0,50 T krit / K P 0,12 T krit K P Abbildung 145: Einregelungsverfahren nach Ziegler/Nichols: Wertevorgabe, aus [59] Copyright 2009 by GELTEC! Fon: +49 (0) ! Fax: +49 (0) ! Alle Rechte vorbehalten. Nach Durchführung des Einregelungsverfahrens und mehrfacher versuchter Feinjustierung konnte dennoch kein stabiler Zustand erreicht werden. Dies hatte vermutlich den Grund, dass die Konstruktion des Rotationsmotors bei der Übersetzung von Servomotor auf Drehkranz zu viel Spiel aufwies. Um dieses Problem zu umgehen, wurde lediglich ein P-Regler umgesetzt, welcher kurz vor dem Erreichen der Zielposition seine Geschwindigkeit erheblich drosselt und die Zielposition mit minimaler Geschwindigkeit anfährt. Somit wirkt sich die Massenträgheit nicht mehr auf die Übersetzung aus, so dass kein weiteres Überschwingen mehr erfolgte Externe Schnittstellen Nachdem die internen Schnittstellen vollständig präsentiert wurden, folgt in diesem Abschnitt die Betrachtung der externen Schnittstellen. Unter den externen Schnittstellen sind dabei diejenigen zu verstehen, bei denen Daten bzw. Informationen aus der Prototyp-Steuerung nach außen geleitet werden und so dem Nutzer zugänglich gemacht werden. Diese externe Schnittstellen umfassen das Logging mittels einer SD- Karte, sowie die Datenübertragung zu externen Endgeräten, mittels derer letztlich eine Fernsteuerung ermöglicht wird Kommunikationstechnik Nachdem aufgezeigt wurde, für welche Funktionen des Prototyps die externen Schnittstellen genutzt werden, soll in diesem Abschnitt die Wahl der Kommunikationstechnik erläutert werden. Dafür werden zunächst verschiedene Kommunikationstechnik, die für externe Schnittstellen genutzt werden können, vorgestellt. USB Der Universal Serial Bus (USB) ist eines der bekanntesten und meistgenutzten Bus-Systeme zur Übertragung von Daten zwischen elektronischen Geräten. Aufgrund eines einfachen Übertragungsprotokoll und der hohen Übertragungsrate dient es sich vor allem für die Speicherung von Daten auf Massenspeichern, wird aber auch häufig für I/O-Geräte verwendet. Bedingt dadurch, dass es sich bei USB um einen physikalische Busleitung handelt, ist für eine Datenübertragung eine direkte Verbindung der kommunizierenden, elektronischen Geräte per Kabel notwendig. Dies macht die Datenübertragung einerseits sicherer, da es zu keinen Interferenzen mit anderen Signalen kommen kann und ein Auslesen des Datenverkehrs verhindert wird. Andererseits erfordert die Verwendung eines USB-Kabels zu dem physikalische Schnittstellen an beiden Geräten, die von Außen zugänglich sein müssen, um ein Anschluss eines USB-Kabels zu ermöglichen. 142

148 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Bluetooth Bluetooth ist eine Kommunikationstechnik, die speziell für die Kommunikation von elektronischen Geräten auf kurze Distanzen entwickelt wurde. Die Besonderheit dabei ist, dass Bluetooth auf kabelloser Funktechnik beruht und die Datenübertragung mittels eines Wireless Personal Area Networks (WPAN) geschieht. Um die Datenübertragung zu ermöglichen werden somit bei den kommunizierenden elektronischen Geräten jeweils eine Antenne benötigt, mit der sowohl Daten versendet, als auch empfangen werden können. Je nach Übertragungsfrequenz können dabei unterschiedliche Entfernungen zwischen den Geräten erreicht werden, gebräuchlich sind Reichweiten von 10 bis 50 Meter. Die Datenübertragung kann verschlüsselt oder unverschlüsselt geschehen, wobei bei unverschlüsselter Datenübertragung das Auslesen oder eine Manipulation der Daten ermöglicht wird. Des weiteren kann die Datenübertragung von Bluetooth im WPAN durch andere unbeteiligte elektronische Geräte, die im selben Frequenzbereich senden, gestört werden. Trotz alldem stellt Bluetooth aktuell eines der sichersten Methoden zur Datenübertragung dar und viele Endgeräte haben bereits eine Bluetooth-Schnittstelle integriert. ZigBee Das auf Funktechnik basierende Übertragungsmodell von ZigBee stellt eine Alternative zu Bluetooth dar. Für die Kommunikation werden zwei separate ZigBee-Module benötigt, die entweder über ein Board an ein Endgerät per USB angeschlossen werden können oder direkt in eine Schaltung über die serielle Schnittstelle in das System integriert werden kann. Der Anwender benötigt keine Kenntnisse über das kabellose Übertragungsprotokoll, sondern agiert mit den ZigBee-Modulen wie über eine serielle Schnittstelle. Die Datenübertragung erfolgt zu dem verschlüsselt. Je nach verwendeten ZigBee-Modul kann eine Datenübertragung über eine Distanz von bis zu 3,2 Kilometer realisiert werden. Für den Prototypen fiel die Wahl der Kommunikationstechnik auf Bluetooth. Die Gründe hierfür waren, dass auf diese Weise eine relativ unkomplizierte, kabellose Datenübertragung über kurze Strecken ermöglicht wird, für die lediglich eine kostengünstige Bluetooth-Schnittstelle in den Prototypen integriert werden musste. Diese ist im Elektronik-Gehäuse des Prototyps, geschützt vor äußeren Einflüssen, direkt auf der Platine angebracht und wird durch die übrigen Komponenten in ihrer Funktion nicht gestört. Eine Verschlüsselung der Datenübertragung ist im Fall des Prototyps nicht erfolgt. Gegen die Alternative ZigBee sprach außerdem, dass ein ZigBee-Modul nicht bei allen Endgeräten angeschlossen werden kann SD-Karte - Logging Um Informationen über den Zustand des Systems erhalten und auf sein Verhalten einwirken zu können, sind neben den internen Schnittstellen auch diverse externe Schnittstellen erforderlich. Das Ermitteln der Energieeffizienz ist erforderlich, um daraus entsprechende Schlüsse für einen möglicherweise veränderten Betriebsablauf ziehen zu können. Daher müssen viele Informationen permanent festgehalten werden und über geeignete Schnittstellen der Außenwelt verfügbar gemacht werden. Dies soll über einen Loggingmechanismus geschehen. Logging Das Logging hält verschiedene Informationen über das System permanent fest und wird auf mehrere Dateien aufgeteilt. Der Grundaufbau sieht folgendermaßen aus: :34:16,0,...\n 143

149 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Die aktuelle Uhrzeit: :34:16, Einstelliger Fehlercode: 0, Weitere spezifische, durch Komma getrennte Daten. Übersicht über die Logdateien: position.log: Breitengrad,Längengrad,Magnetometer-Offset orientation.log: Azimut,Höhenwinkel control.log: Energieprofil,[(partielle) De-]Aktivierung der Nachführung über Fernsteuerung battery.log: Spannung,Stromstärke servo.log: Poti1,Poti2,Poti3,Poti4,sich ergebender Winkel eines Potis zur horizontalen Ausrichtung, sich ergebender Winkel eines Potis zur vertikalen Ausrichtung Auf Grund der verhältnismäßig großen Datenmenge (im Verhältnis zur Speicherkapazität der MCU) wurde entschieden das Logging mit Hilfe einer SD-Karte zu realisieren. Somit ist es praktischerweise auch direkt möglich diese aus dem System zu entfernen und die gesammelten Daten an einem PC auszuwerten. Die SD-Karte wird mit dem FAT32 Dateisystem formatiert, da dies von praktisch jedem PC unterstützt wird. Infolgedessen kann jede Komponente des Systems ihre eigene, von den anderen Komponenten unabhängige Logdatei verwalten. So entstehen zwar gegebenenfalls einige Redundanzen hinsichtlich Zeitstempeln und aufgetretener Fehler, jedoch ist im Gegenzug das logging strukturierter und daher besser verständlich. Auch entfällt auf diese Weise ein Großteil der Koordination zwischen den Komponenten, was das Logging betrifft. Es wurde lediglich darüber verhandelt, wie die Grundstruktur jeder einzelnen Logdatei zu handhaben ist, um den späteren Anwender nicht mit einer Vielzahl unterschiedlicher Stile zu verwirren. Das Logging erfolgt in Textform, da XML einen zu großen Overhead erzeugt und auch nur bedingt menschenlesbar ist. Eine binäre Speicherform hätte zwar einen deutlich geringeren Speicherbedarf, jedoch ist so eine extreme Platzsparmaßnahme bei der gewählten SD-Karten-Größe nicht nötig. Nach einer pessimistischen Schätzung dürfte die MSPP ca. 750 Jahre benötigen um eine 4 GB große SD-Karte mit Log-Daten zu füllen. Externe Schnittstellen Wie bereits erwähnt, kann die Logging-SD-Karte aus dem System entfernt und an einem PC ausgewertet werden. Daher ist sie eine der externen Schnittstellen des Systems. Es ist jedoch mehr als unpraktisch das System zu außerhalb der Betriebszeiten und mit manuellem Eingriff warten zu können. Daher existieren vier weitere Arten externer Schnittstellen als Grundlage für das human-computer interface (HCI) der MSPP: LEDs können den Anwender einfache Informationen über den Zustand der MSPP geben, ohne das eine Kommunikation mit einem anderen technischen Gerät erforderlich ist. Zusätzlich zu einer LED, die anzeigt, dass die MSPP aktiv ist, informiert die Status-LED den Benutzer über Fehler indem die LED bei Fehlern blinkt oder leuchtet. Schalter und Taster ermöglichen das Einwirken auf zentrale Eigenschaften der MSPP, ebenfalls ohne Zuhilfenahme anderer Geräte. 144

150 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Die serielle Schnittstelle ermöglicht die direkte Verbindung mit einem anderen System (beispielsweise PC), um komplexere Informationen der MSPP auswerten zu können und präziser bestimmte Betriebsparameter ändern zu können. Über die Serielle Schnittstelle können auch die Log-Daten abgerufen werden, ohne dass die SD-Karte entfernt werden muss dabei ist allerdings mit einer erheblich reduzierten Bandbreite zu rechnen. Die serielle Schnittstelle der MSPP wird über ein Bluetoothmodul realisiert, damit keine Kabelverbindung bestehen muss. Weitere Informationen zu der seriellen Verbindung über Bluetooth folgen in Abschnitt 5.5. Die SPI Schnittstelle bietet die Grundlage für das anschließen der SD-Karte und ermöglicht das Flashen des Mikrocontrollers via ISP Klassendiagramm Das Klassendiagramm stellt die interne Software-Architektur im Überblick dar. Darin sind die einzelnen Funktionen und Attribute der einzelnen Klassen, sowie deren Sichtbarkeit und Abhängigkeiten untereinander dargestellt. Das gesamte Klassendiagramm ist auf Grund der Größe im Anhang abgebildet, siehe hierzu Abbildung Nachführung In diesem Abschnitt werden die Berechnung der Sonnenposition und der Gesamtablauf der Nachführung beschrieben Astronomische Berechnung Die Sonnenposition für eine Position auf der Erdoberfläche wird durch zwei Winkel festgelegt, Höhenwinkel und Azimut. Wie in Abb. 146 dargestellt, liegt der Höhenwinkel zwischen Horizont und Sonne und der Azimut bestimmt den horizontalen Winkel zum Süden. Mit einer vereinfachten Sammlung von Formeln zur Berechnung der Position von Himmelskörpern können diese Winkel für jeden Punkt der Erde im Zeitraum von 1950 bis 2050 mit einer Abweichung von weniger als 0, 01 approximiert werden. Zur Berechnung werden Position, Datum und Uhrzeit benötigt. Diese Daten werden vom GPS-Modul bereitgestellt. Die Position wird wie bereits in Abschnitt beschrieben in Breiten- und Längengraden angegeben. Die Erde wird in 180 Breitengrade und 360 Längengrade unterteilt. Breitengrade verlaufen parallel zum Äquator, Südpol: 90 S, Äquator: 0, Oldenburg: N, Nordpol: 90 N. Die Längengrade verlaufen von Pol zu Pol, Greenwich, England (Nullmeridian): 0, Oldenburg: E. Abbildung 146: Sonnenstandswinkel 145

151 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Datum und Uhrzeit werden von der Clock-Klasse abgefragt und müssen für die Berechnung zunächst in das Julianische Datum umgerechnet werden. Das Julianische Datum gibt die Anzahl der Tage an, die seit dem 1. Januar (4713 v. Chr.) 12:00 Uhr vergangen ist. Die Uhrzeit wird als Bruchteil eines Tages in den Nachkommastellen angegeben. Dieses Datum ist fortlaufend im Zeitraum von 7980 Jahren und wird häufig in der Astronomie für Berechnungen genutzt, es leitet sich unter anderem vom Mond- Schaltjahrzyklus ab. Mit Hilfe dieser Daten kann die nachfolgende Berechnung durchgeführt werden. Zunächst wird der Julianische Tag (JT ) berechnet. Die Einzelrechnungen sind alles reine Integer-Rechnun-gen, das heisst Nachkommastellen werden ignoriert. Dies gilt nur für die Berechnung des Julianischen Tages. a = 14 Monat 12 y = Jahr a m = Monat + 12a 3 JT = Monatstag + 153m y + y 4 y y Das vollständige Julianische Datum (JD) beinhaltet zusätzlich die Uhrzeit in UTC (Koordinierte Weltzeit) als Nachkommastellen. Die Koordinierte Weltzeit erhält man, wenn man zwei Stunden von der Mitteleuropäischen Sommerzeit subtrahiert. JD = JT + Stunde Minute Sekunde Mit diesem Wert kann man zunächst die ekliptikale Länge (Λ) der Sonne berechnen. Die ekliptikale Länge gibt die Position der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne an. Hinter der Variable J2000 verbirgt sich die Standardepoche der Astronomie, J Die Standardepoche legt den Ausgangspunkt für Berechnungen auf , 12:00 = Julianisches Datum Die Zeitvariable n gibt die Anzahl der seit J vergangenen Tage an. J2000 = Zeitvariable n = JD J2000 mittlere ekliptikale Länge L = (280, , n)%360 mittlere Anomalie g = (357, , n)%360 Λ = L + 1, 915 sin(g) + 0, 020 sin(2g) Mittels der ekliptikalen Länge lassen sich Rektaszension (α) und Deklination (δ) der Sonne berechnen. Rektaszension ist der imaginäre himmlische Längengrad und Deklination der himmlische Breitengrad, wobei diese Grade in der Astronomie nicht in Graden sondern Stunden aufgeteilt werden. Eine volle Umrundung ergibt statt 360 also 24 Stunden. Als Äquator und Meridian dient bei dieser Anschauungsweise der Frühlingspunkt. Der Zusammenhang zwischen Rektaszension, Deklination und Ekliptik eines Himmelskörpers wird in Abbildung 147 deutlich. 146

152 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Abbildung 147: Rektaszension und Deklination [135] Ekliptikale Schiefe der Sonne ɛ = 23, 439 0, n α = arctan cos ɛ sin Λ cos Λ α = α + 180, falls Nenner von arctan < 0 δ = arcsin (sin ɛ sin Λ) Für die Winkel Azimut (a) und Höhenwinkel (h) wird zusätzlich der Stundenwinkel (τ) der Sonne benötigt. Variable JD 0 ist das Julianische Datum für die Uhrzeit 00:00 des gleichen Tages. Variable T ist die Uhrzeit, für die der Sonnenstand berechnet werden soll, in Dezimalschreibweise (12.25 für 12:15). Die Variablen λ und ϕ sind die geografischen Längen-, bzw. Breitengrade der Position, für die der Sonnenstand berechnet wird. τ = (6, , JD , T ) 15 + λ α a = arctan sin τ cos τ sin ϕ tan δ cos ϕ a = a + 180, falls Nenner von arctan < 0 h = arcsin cos δ cos τ cos ϕ + sin δ sin ϕ Beispiel Sonnenstand für den :00:00 (6:00:00 in UTC) in München (ϕ = 48,1 N, λ = 11,6 O). a = 14 Monat 12 = = 0 y = Jahr a = = 6806 m = Monat + 12a 3 = = 5 JT = Monatstag + 153m y + y 4 y y JT = =

153 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG JD = JT + Stunde Minute Sekunde = = , 75 Zeitvariable n = JD J2000 = , = 2408, 75 mittlere ekliptikale Länge L = (280, , n)%360 L = (280, , , 75)%360 = 134, mittlere Anomalie g = (357, , n)%360 g = (357, , , 75)%360 = 211, Λ = L + 1, 915 sin(g) + 0, 020 sin(2g) Λ = 134, , 915 sin(211, ) + 0, 020 sin(2 211, ) = 133, Ekliptikale Schiefe der Sonne ɛ = 23, 439 0, n ɛ = 23, 439 0, , 75 = 23, α = arctan cos ɛ sin Λ cos 23,43804 sin 133, cos Λ = arctan cos 133, = 43, α = α + 180, falls Nenner von arctan < 0 = 136, δ = arcsin (sin ɛ sin Λ) = arcsin (sin 23, sin 133, ) = 16, τ = (6, , JD , T ) 15 + λ α τ = (6, , , , ) 15+11, 6 136, = 79, a = arctan sin τ cos τ sin ϕ tan δ cos ϕ = arctan sin 79,88022 cos 79,88022 sin 48,1 tan 16,72579 cos 48,1 = 85, a = a + 180, falls Nenner von arctan < 0 = 265, = 265, = -94,062 h = arcsin cos δ cos τ cos ϕ + sin δ sin ϕ h = arcsin cos 16, cos 79, cos 48, 1 + sin 16, sin 48, 1 = 19, Gesamtablauf Nachfolgend wird das Prinzip der Nachführung erläutert. Initialisierung In der Initialisierungsphase wird das GPS-Modul aktiviert und eine Verbindung zu GPS-Sateliten aufgebaut, um die aktuelle Position festzustellen. Die ermittelte Position wird gespeichert und im Allgemeinen bis zu einer erneuten Initialisierung beibehalten. Für weitere Nachführungsschritte wird das GPS-Modul nicht benötigt, da die Position gespeichert ist und als konstant angenommen wird. Zusätzlich überträgt das GPS-Modul die exakte Uhrzeit und Datum. Mittels eines Timers wird eine Uhr realisiert und damit die aktuelle Zeit zu späteren Zeitpunkten auf der MCU ermittelt, so dass das GPS-Modul nach der Initialisierung deaktiviert bleiben kann. Ein Magnetometer liefert die initiale Ausrichtung der Gesamtplattform und bestimmt damit das Basiskoordinatensystem. Die Differenz zum Süden in Grad wird in der Nachführung miteinbezogen, da dies einen direkten Einfluss auf den Azimut hat. Wenn die Abweichung einen Toleranzwert überschreitet, wird der Benutzer über das Blinken der Status-LED darüber informiert. Um strukturelle Schäden an 148

154 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG der MSPP zu vermeiden, wird der Betrieb verhindert bis eine korrekte Ausrichtung sichergestellt ist. Der Magnetometer-Wert wird ähnlich wie die GPS-Werte bis zur nächsten Initialisierung für die Nachführung gespeichert und wiederverwendet, da auch hier angenommen wird, dass die Ausrichtung während des Betriebs fix ist. Durch diese Annahme kann auch das Magnetometer nach der Initialisierung deaktiviert werden. Bei einer größeren Änderung der Ausrichtung oder Position muss das System entsprechend neu initialisiert werden. Regelparameter Die zur Nachführung benötigten Parameter sind nachfolgend aufgezählt. Längengrad Breitengrad Azimutabweichung Datum Uhrzeit Betrieb Während der Nachführung wird aus den gespeicherten Positionsdaten und der aktuellen Uhrzeit die aktuelle Sonnenposition ermittelt. Dem Höhenwinkel und Azimut (plus Magnetometer-Offset) entsprechend, werden PWM-Signale jeweils für den Hub- und Rotationsmotor generiert. Die Häufigkeit der Nachführung wird durch das aktuell aktive Energieprofil festgelegt. Zwischen den Ausrichtungsvorgängen wird die MCU in den Idle-Energiesparmodus versetzt. In diesem Modus werden Teile der MCU intern deaktiviert, so dass der Stromverbrauch deutlich sinkt. Andere, noch sparsamere Modi können nicht genutzt werden, da diese das Weiterzählen der Zeit und das Wahrnehmen der in Abschnitt 5.5 beschriebenen Fernsteuerung verhindern würden. Bei einer ungünstigen Sonnenposition morgens oder abends wird die MSPP in ihre Ausgangslage gefahren. Um dauerhaft für die Fernsteuerung erreichbar zu sein, wird die MSPP auch nachts nicht vollständig deaktiviert sondern lediglich in den Idle-Energiesparmodus versetzt Energieprofile Nahezu jedes Nachführungssystem hat bei der Justierung einen gewissen Energieverbrauch für den Betrieb der dafür benötigten Elektronik. Damit der Energieverbrauch in Relation zum generierten Energieoutput möglichst ein Minimum erreicht, ist die Nachführung hinsichtlich eines maximalen Energieertrages zu definieren. Diese Definition ist stark von der Jahreszeit und dem Standort des Prototypen abhängig. Entscheidend für eine effiziente Steuerung solcher Systeme sind sogenannte Energieprofile, die Vorlagen für die Steuerungseinheit liefern. Hierbei wird zwischen einer kontinuierlichen Nachführung und der Nachführung anhand von bestimmten Intervallen unterschieden. Parameter für diesen Zweck können Zeitdifferenzen und vordefinierte Grenzwerte aus bestimmten Messdaten sein. Aus den zu erfassenden Werten können somit automatisch möglichst optimale Entscheidungen in der Nachführung, betreffend der Energieeffizienz getroffen werden. Ziel dieses Abschnittes ist es ein konkretes Energieprofil für den Standort in Norddeutschland zu erstellen und an dieser Stelle aus den zuvor erfassten Messwerten den Verbrauch und Ertrag zu berücksichtigen. 149

155 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Energieverbrauch der Elektronik Für die Erstellung des oben genannten Energieprofils soll an dieser Stelle der exakte Energieverbrauch der Elektronikkomponenten zusammengefasst werden. Folgende Komponenten werden betrachtet. Motorik: ßTO 50KG Ultra Torque Servo Box 360". 2 identische Motoren mit gleichen Spezifikationen. Rotationsmotor und Neigungsmotor. Mikrocontroller ATmega644p. Bei nicht Benutzung einen Standy-Modus. GPS-Modul Magnetometer Um den tatsächlichen Energieverbrauch der oben genannten Komponenten ermitteln zu können, wurden Messfälle durchgeführt, welche in einem späteren Kapitel genauer betrachtet werden können. Die Ergebnisse aus diesen Messfällen sollen im Weiteren Verlauf dieses Kapitels zur Erstellung der Energieprofile genutzt werden. Der Messfall MSR-04 für den Rotationsmotor hat einen Verbrauch im Durchschnitt von 2,58 Watt ergeben. Der Messfall MSV-03 für den Neigungsmotor hat einen durchschnittlichen Verbrauch von 2,82 Watt ergeben. Die Messfälle MSM-12, MSG-13 und MSM-14 für den Mikrocontroller und zugehörige Komponenten haben insgesamt einen Verbrauch von unter 0,03 Watt ergeben Energieertrag der Photovoltaikanlage Im Abschnitt Testcases wurde die Photovoltaikanlage unter realen Bedingungen getestet und mit den Erwartungswerden aus den Datenblättern verglichen. Dieser Testfall soll nun erweitert werden, in dem der Ertrag der Photovoltaikanlage über den gesamten Tag von 09:00-18 gemessen wurde. Dabei ist zu erwähnen dass die Messung im März 2013 durchgehführt wurde und keine optimalen Bedienungen für die Photovoltaikanlage vorlagen. Dennoch sollen diese Daten nun verwertet werden um den Energieertrag der Photovoltaikanlage beispielhaft zu veranschaulichen. Abbildung 148 zeigt den Verlauf der gemessenen Leistung der Photovoltaikanlage, woraus eine durchschnittliche Leistung von 3,7 Watt und eine max. Leistung von 7,06 Watt der Photovoltaikanlage errechnet wurde. 150

156 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Abbildung 148: Messreihe PV-Anlage, März Energieertrag vom Stirlingmotor / Generator Zwar wurden der Stirlingmotor und der Generator in separaten Testfällen auf ihre Funktion und ihre tatsächlichen Messwerte hin getestet, allerdings gelang es aufgrund des zu klein dimensionierten Stirlingmotors nicht den Generator inkl. Last anzutreiben, weshalb es an dieser Stelle nicht möglich ist aus praktischen Messwerten Energieprofile abzuleiten Ableitung und Analyse Obwohl es nicht möglich war den tatsächlichen Energieertrag des Stirlingmotors zu bestimmen, kann aus diesem speziellen Test ein anderer Rückschluss gezogen werden, welcher die Frage nach den Intervallen zur Ausrichtung beantwortet. Da bei der Photovoltaikanalge aufgrund eines gewissen Spielraums beim Einfallswinkel der Sonnenstrahlung vorhanden ist, ist keine gradgenaue Nachrichtung erforderlich, da sich der Output an umgewandelter Energie nur minimal verändert und somit zu vernachlässigen ist. Anders verhält sich dies bei der Kombination aus Stirlingmotor und Fresnellinse. Aufgrund der Tatsache, dass die Sonnenstrahlen mit Hilfe der Fresnellinse in einem Punkt fokussiert werden, spielt die Ausrichtung der Linse eine signifikante Rolle. Für einen kontinuierlichen Betrieb des Stirlingmotors ist es unbedingt notwendig den Fokuspunkt zu jeder Zeit auf den Kolben des Stirlingmotors auszurichten. Wie sich in den Tests gezeigt hat, wandert der Fokuspunkt der Linse im Verlauf des Tages so schnell, dass der Prototyp im Minutenintervall nachgeführt werden musste, um kontinuierlich die Sonnenstrahlen auf dem Kolben des Stirlingmotors zu fokussieren. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass es aufgrund der kontinuierlichen Nachführung beim Stirlingmotor die Nutzung von Energieprofilen nur in Verbindung mit einer Photovoltaikanlage sinnvoll sein können. Um den Verbrauch der Elektronik zu verdeutlichen soll nun im folgenden detailliert ermittelt werden in welchem Verhältnis Verbrauch und Ertrag bei der Photovoltaikanalge stehen. Als Grundlage hierfür werden aus der Praxis ermittelte Messwerte verwendet: 151

157 5.4 Steuerung 5 ENTWICKLUNG Wie in den o.g. Messfällen der Motoren und Komponenten hervorgegangen ist, benötigen alle Komponenten im Betrieb in der Summe durchschnittlich 5,43 Watt. Der höchste Sonnenstand am Tag der Messung betrug ca. 40 Grad, sodass die Plattform zum Zeitpunkt des höchsten Sonnenstandes um 12 Grad (von 28 Grad in der Startposition bis 40 Grad in der Endposition) angehoben und schließlich wieder abgesenkt werden musste (insg. 24 Grad). Der Neigungsmotor benötigt für einen Grad Neigung exakt 30 Sekunden, sodass die gesamte Steuerungselektronik inkl. Motoren in der Summe über den Tag verteilt 12 Min in Betrieb sein muss 24Grad 30Sek. = 720Sek.(12M in.) Das bedeutet dass die gesamte Steuerungselektronik inkl. Motoren in der Summe über den Tag verteilt 3902,4 Ws an Leistung aufnehmen. 720Sek. 5, 43W att = 3902, 4W s Die Photovoltaikanalge hat an dem spezifischen Tag von 09:00-18:00 in der Summe eine Leistung von 36,66 Watt erzeugt. Umgerechnet in Wattsekunde ergibt dies: 36, 66W att 3600Sek. = W s Daraus lässt sich nun die einzuspeisende Energie errechnen, indem man den durch die Steuerungselektronik inkl. Motoren verbrauchte Energie von der durch die Photovoltaikanalge erzeugten Energie abzieht W s 3902, 4W s = , 6W s Es wird deutlich, dass die Elektronik nur minimalen Verbrauch hat, wie durch Abbildung 149 noch einmal verdeutlicht wird. Abbildung 149: Ertrag und Verbrauch in Relation Aus Abbildung 148 lassen sich ebenfalls sehr gut Intervalle für die Nachführung für diesen Standort und Jahreszeit ableiten. Während am morgen zwischen 07:00 und 12:00 weniger häufig nachgeführt werden 152

158 5 AZBDAE muss, so kann zwischen 12:00 und 16:00 öfters nachgeführt werden, da zu diesem Zeitpunkt die Sonneneinstrahlung am maximalsten ist und somit ein höherer Ertrag erzielt werden kann. Gegen Abend hingegen (ab 16:00) lässt die Sonneneinstrahlung so stark nach, dass ein häufiges Nachführen keine nennenswerten Effizienzsteigerungen mehr hervorbringt Algorithmus zur Bestimmung der aktuellen Energieeffizienz Einführung Um die Energieeffizienz des Prototypen zu einem bestimmten Zeitpunkt berechnen zu können, wurde ein Algorithmus entwickelt. Dieser Algorithmus liefert einen Energieeffizienz-Wert, welcher beispielsweise dazu genutzt werden kann, den optimalen zeitlichen Abstand der Ausrichtung des Prototypen zu bestimmen (siehe Energieprofile). Dadurch kann erstens der Gesamt-Energieverbrauch für die Ausrichtung minimiert und zweitens durch eine möglichst optimale Ausrichtung des Prototypen zur Sonne der Energieertrag maximiert werden. Mit diesem Energieeffizient-Wert kann der Prototyp aber auch mit anderen Energieerzeugern verglichen werden. Der Begriff Energieeffizienz ist im Abschnitt definiert. Es gibt zwei unterschiedliche Varianten, wie der Prototyp aus der Sonnenenergie elektrischen Strom erzeugt und in einem Akku speichert. Die beiden Varianten sind in der Abbildung 150 dargestellt. Zum einen wird die Wärme der Sonnenenergie genutzt, um den Stirlingmotor in Bewegung zu versetzen. Dieser treibt einen Generator an, welcher aus der mechanischen Energie elektrische Energie erzeugt (in Abbildung 150 in roter Farbe dargestellt). Zum anderen wird der photoelektrische Effekt (in Abbildung 150 in grüner Farbe dargestellt) ausgenutzt, um mit einer Photovoltaikanlage direkt aus der Sonnenenergie elektrischen Strom zu erzeugen. Beim photoelektrischen Effekt (Photovoltaik) wird elektromagnetische Strahlungsenergie (Licht) direkt in elektromagnetische Energie (Strom) umgewandelt. Dafür werden geeignete Energieumwandler (Solarzellen) eingesetzt. Es gibt zwei unterschiedliche Varianten, wie der Prototyp aus der Sonnenenergie elektrischen Strom erzeugt und in einem Akku speichert. Die beiden Varianten sind in der Abbildung 150 dargestellt. Zum einen wird die Wärme der Sonnenenergie genutzt, um den Stirlingmotor in Bewegung zu versetzen, der einen Generator antreibt, welcher wiederum aus der mechanischen Energie elektrische Energie erzeugt (in Abbildung 150 in roter Farbe dargestellt). Zum anderen wird der photoelektrische Effekt (in Abbildung 150 in grüner Farbe dargestellt) ausgenutzt, um mit einer Photovoltaikanlage direkt aus der Sonnenenergie elektrischen Strom zu erzeugen. Beim photoelektrischen Effekt (Photovoltaik) wird elektromagnetische Strahlungsenergie (Licht) direkt in elektromagnetische Energie (Strom) umgewandelt. Dafür werden geeignete Energieumwandler (Solarzellen) eingesetzt, welche Halbleiter mit Diodenverhalten sind. Der elektrische Strom (in Abbildung 150 in blauer Farbe dargestellt) wird in einem Akkumulator gespeichert, welcher mit einem Laderegler geladen wird. Sonne Stirling-Motor Generator Laderegler Akku Photovoltaikanlage Abbildung 150: Varianten des Prototypen: 1. Stirlingmotor mit Generator und 2. Photovoltaikanlage 153

159 5 AZBDAE Als Eingang hat der Prototyp in beiden Varianten, wie bereits beschrieben, die Sonnenenergie. Die Energieeffizienz sagt aus, wie viel von der Sonnenenergie durch einen Energieerzeuger in elektrische Energie umgewandelt wurde, oder anders ausgedrückt, wie effizient ein Energieerzeuger arbeitet [124] Definition Sonnenstrahlung Der wichtigste Energielieferant der Erde ist die Sonne. Die Sonnenstrahlen liefern Wärme und elektromagnetische Energie. Die Wärme kann, technisch gesehen, beispielsweise mit Solarthermie aufgenommen und gespeichert werden. Die elektromagnetische Energie kann mit Hilfe von Photovoltaikanlagen direkt in Strom umgewandelt werden. Die Sonnenstrahlung ist stark unterschiedlich auf der Erde. Je nach Region ist die Sonnenstrahlung stärker oder schwächer. Die Intensität der Sonnenstrahlung ist abhängig von der Länge des Strahlungsweges, dem unterschiedlichem Gehalt an Wasserdampf in der Atmosphäre sowie der wechselnden Bewölkung. Bewölkung vermindert die Direktstrahlung und Dunst erhöht die Diffusstrahlung. Diffusstrahlung ist reflektiertes, gestreutes oder gebrochenes Licht. Die Direktstrahlung und die Diffusstrahlung an einem Ort ergeben die Globalstrahlung. Die Abbildung 151 zeigt, wie die Strahlung auf die Photovoltaikanlage trifft. Abbildung 151: Strahlung auf eine Photovoltaikanlage [82] Die Intensität der Sonnenstrahlung ist auch vom Einfallswinkel der Strahlen abhängig. Fallen die Sonnenstrahlen senkrecht (90 Grad zur Erdoberfläche bzw. Absorberfläche) auf die Erdoberfläche, dann ist die Intensität der Strahlung am stärksten, da die Fläche, die durch die Sonnenstrahlen bestrahlt wird, am kleinsten ist. Mit abnehmenden Einfallswinkel verringert sich die Intensität, da die Strahlung auf eine größere Fläche verteilt werden. Dies wird in der Abbildung 152 deutlich. Dort sind beispielhaft ein Einfallswinkel von 90 Grad (a.) und von 38 Grad (b.) zur Erdoberfläche dargestellt. Bei a. ist die Erdoberfläche (in gelber Farbe) kleiner als bei b. Die Energiedichte ist bei b. kleiner (ca. 0,35 kw/m 2 ) als bei a. (ca. 1 kw/m 2 ) [82, 70, 126, 136]. 154

160 5 AZBDAE Abbildung 152: Bestrahlungsstärke abhängig vom Einfallswinkel der Strahlen [107] Definition Energieeffizienz Der Begriff Energieeffizienz kann für unterschiedliche Bereiche verwendet werden wie beispielsweise im Verkehrssektor, die industrielle Produktion oder im Wärmesektor. In dieser Ausarbeitung wird der Begriff Energieeffizienz für den Stromerzeugungssektor bzw. Umwandlungssektor benutzt. In einigen Bereichen verlangt der Begriff eine Erweiterung, z.b. den Ausbau einer Infrastruktur, und in anderen Bereichen eine Einschränkung, wie Verzicht auf Bedürfnisse. Für den Prototypen kann das bedeuten, dass effizientere Bauteile eingesetzt werden können, um die Energieeffizienz zu steigern. Der Begriff Effizienz ist von dem Begriff Effektivität abzugrenzen. Effektivität beschreibt allgemein das Verhältnis von erreichtem zu definiertem Ziel unter Einsatz aller Mittel. Während für die Effizienz ein möglichst geringer Mitteleinsatz relevant ist. Effektivität beschreibt die Wirksamkeit, Effizienz die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit. Im Alltagssprachgebrauch wird dies häufig auch so formuliert: Effektiv ist es, die richtigen Dinge zu tun; effizient ist es, die richtigen Dinge richtig zu tun. [91] Eine Definition der Europäischen Union in der sogenannten Richtlinie über Energieeffizienz und Energiedienstleistung lautet wie folgt: Energieeffizienz : das Verhältnis von Ertrag an Leistung, Dienstleistungen, Waren oder Energie zu Energieeinsatz [75] Im Bereich der Energieumwandlung, in welchen sich diese Ausarbeitung bewegt, wird unter Energie- bzw. Umwandlungseffizienz der Wirkungsgrad der Umwandlung verstanden. Also das Verhältnis von erzeugter Endenergie oder Nutzenergie zu eingesetzten Energierohstoffen (hier die Sonnenenergie). Energieeffizienz ist kurz gesagt der Vergleich von Output und Input und ist ein Wert zwischen 0, d.h. es gibt keine abgegebene Energie, und 1, d.h. die zugeführte Energie wird ohne Verluste weiter gegeben [91] Definition Wirkungsgrad und Nutzungsgrad Mit dem Begriff Wirkungsgrad wird ausgedrückt, wie effektiv Energie von einer Form in eine andere Form umgewandelt wird, z.b mechanische Energie in elektrische Energie. Eine Definition des Begriffs Wirkungsgrad vom Autor Martin Pehnt lautet wie folgt: Als Wirkungsgrad η wird der Quotient aus einer nutzbaren abgegebenen Leistung und einer zugeführten Leistung verstanden. [91] 155

161 5 AZBDAE Die dazugehörige Formel für den Wirkungsgrad sieht wie folgt aus: η = P a b P zu (21) Die Differenz von P zu P ab wird Verlustleistung genannt. Die Verlustleistung wird nicht in elektrische Energie, sondern in andere Energieformen wie bspw. Wärme-Energie umgewandelt. Verluste können durch Reibungen oder Erhitzung von Drähten / Kabeln durch Stromfluss entstehen. Der Wirkungsgrad kann als Dezimalzahl oder als Prozentzahl angegeben werden. Die abgegebene Leistung ist immer kleiner als die zugeführte Leistung (P ab < P zu ) und es gilt: 0 < η < 1 oder 0 < η < 100 (22) Energie kann nicht aus dem Nichts erzeugt oder durch Vorgänge verbraucht werden, sondern nur von einer Energieform in eine andere Energieform umgewandelt werden. Werden Umwandlungssysteme in Serie geschaltet, wie es bei dem Aufbau mit dem Stirlingmotor der Fall ist (Stirlingmotor und Generator), dann werden die Wirkungsgrade der einzelnen Systeme multipliziert. Der Wirkungsgrad kann als eine Momentaufnahme zu einem bestimmten Zeitpunkt des Umwandlungsprozesses verstanden werden. Im Gegensatz dazu wird unter dem Begriff Nutzungsgrad ein mittlerer Wirkungsgrad über längere Zeiträume [91] verstanden. Der Wirkungsgrad und der Nutzungsgrad einer Anlage können große Unterschiede aufweisen. Der Nutzungsgrad enthält Verluste durch Stillstand oder Leerlauf. Aber auch ungünstige Betriebszustände verringern den Nutzungsgrad einer Anlage. In der Abbildung 153 ist dargestellt, wie sich der Wirkungsgrad und der Nutzungsgrad verhalten. Die blaue Fläche entspricht dem Wirkungsgrad zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die rote Fläche kennzeichnet den Nutzungsgrad, also der durchschnittliche Wirkungsgrad über eine Zeitspanne. Abbildung 153: Vergleich von Wirkungsgrad (blaue Fläche) und Nutzungsgrad (rote Fläche) [88] Viele Hersteller geben nur den Wirkungsgrad zu einem günstigen Betriebszustand an, wie beispielsweise die höchste Spitze der blauen Kurve in Abbildung 153. Dieser Wirkungsgrad muss nicht unbedingt repräsentativ für die realen Betriebsverhältnisse sein [91, 117]. 156

162 5 AZBDAE Sonnenstrahlung Der Begriff Sonnenstrahlung wurde bereits im Abschnitt definiert. In diesem Abschnitt wird genauer auf die Sonnenstrahlung eingegangen, die für den Prototypen bzw. für die beiden Energieerzeugungs- Verfahren von Bedeutung sind. Die Strahlung der Sonne unterscheidet sich in sichtbares und unsichtbares Licht wie bspw. Wärme. Abhängig von der Wellenlänge wird die Sonnenstrahlung mehr oder weniger stark von der Atmosphäre absorbiert, so dass nicht die volle Strahlung auf die Erdoberfläche auftrifft. Strahlung ist der Transport von Energie mittels elektromagnetischer Wellen. Beim Prototypen wird ein Stirlingmotor und eine Photovoltaik-Zelle für die Stromerzeugung genutzt. Stirlingmotoren verwenden die Wärme der Sonnenstrahlung und wandelt diese durch physikalische Prozesse in mechanische Energie um. Für Stirlingmotoren sind hauptsächlich nur direkte Strahlen von Bedeutung. Da diese nahezu parallel sind aufgrund der weiten Entfernung zur Sonne, können direkte Strahlen mit z. B. einer Fresnellinse konzentriert werden. Diffuse Strahlen kommen aus allen Richtungen und sind nicht parallel. Diese können nicht (in dem Maße wie direkte Strahlen) konzentriert werden. Die Wärmestrahlung liegt im Wellenlängenbereich von ca. 0,1 µm bis 100 µm. In der Abbildung 154 ist das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung dargestellt. Der Bereich der Wärmestrahlung ist im unteren Abschnitt der Abbildung vergrößert dargestellt. Die Wärmestrahlung umfasst die UV-Strahlung, das sichtbare Licht sowie das nahe, mittlere und ferne Infrarotlicht. Abbildung 154: Spektrum der elektromagnetischen Strahlung mit vergrößertem Spektrum der Wärmestrahlung [128] Photovoltaikanlagen wandelt das Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom um. Dafür werden direkte und diffuse Strahlungen genutzt. In Deutschland übersteigt die Diffusstrahlung erheblich die Direktstrahlung. Deshalb sind für Photovoltaikanlagen in Deutschland die Diffusstrahlungen von großer Bedeutung. Bei vollem Sonnenschein beträgt die Diffusstrahlung zehn bis 40 Prozent der Globalstrahlung (siehe Abbildung 155). Weiterhin sind in der unteren Achse die zwölf Monate eines Jahres und auf der linken Achse die Strahlungsenergie dargestellt. Im Winter gibt es fast ausschließlich nur Diffusstrahlung. Je näher die Sommermonate kommen, desto mehr steigt die Globalstrahlung und der Anteil der Direktstrahlung an. Der Höhepunkt ist im Mai bis Juni erreicht. Anschließend nimmt die Direktstrahlung und die Globalstrahlung ab. 157

163 5 AZBDAE Abbildung 155: Globalstrahlung setzt sich zusammen aus direkte und diffuse Strahlen [82] Eine Photovoltaikanlage nutzt einen großen Teil des Sonnenspektrums. In Abbildung 156 ist ein Teil des Sonnenspektrums dargestellt. Je nach verwendetem Material in der Photovoltaikanlage werden die Lichtwellen unterschiedlich stark absorbiert. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Energie im Bereich von 0,35 bis 0,8 µm am höchsten ist. Deshalb sollten möglichst Materialien verwendet werden, welche die Strahlung in diesem Bereich besonders gut absorbieren [82, 70, 126, 128, 109, 137, 138]. Abbildung 156: Genutztes Sonnenspektrum einer Photovoltaikanlage je nach Material [109] Wirkungsgrad Stirlingmotor Der Stirlingmotor wurde bereits in Kapitel beschrieben. In diesem Abschnitt wird genauer auf den Wirkungsgrad eingegangen. Der Wirkungsgrad eines Stirlingmotors ist abhängig vom Temperaturunterschied zwischen der warmen und der kalten Seite im Stirlingmotor. Je größer der Temperaturunterschied ist, desto höher ist der Wirkungsgrad. Um eine möglichst hohe Temperatur am Absorber des Stirlingmotors zu erhalten, muss eine effiziente und möglichst große Fresnellinse vor dem Stirlingmotor montiert werden. Die gebündelten Sonnenstrahlen müssen am Absorber des Stirlingmotors ihren Fokuspunkt haben. Weiterhin ist der Wirkungsgrad eines Stirlingmotors von folgenden Faktoren abhängig: Arbeitsgas 158

164 5 AZBDAE Reibungsverluste eingesetzte Materialien für Regenerator, Kolben, Gehäuse etc. Aufbau-Typen (Alpha-, Beta- oder Gamma-Typ) Als Arbeitsgas wird häufig Luft, Helium oder Wasserstoff verwendet, wobei mit Helium und Wasserstoff höhere Wirkungsgrade erzielt werden können als mit Luft. Dafür müssen jedoch auch hochwertige Materialien eingesetzt werden, was den Stirlingmotor teuer macht. Zusammenfassend lässt sich feststellen, um einen höheren Wirkungsgrad erzielen zu können, kann eine effizientere und größere Fresnellinse und ein effizienterer Stirlingmotor eingesetzt werden. Der Stirlingmotor alleine kann noch keinen elektrischen Strom erzeugen. Dazu betreibt der Stirlingmotor einen Generator, welcher mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Der Wirkungsgrad des Stirlingmotors muss mit dem Wirkungsgrad des Generators multipliziert werden, um den Wirkungsgrad für das System, bestehend aus Stirlingmotor und Generator, zu erhalten [104, 116] Wirkungsgrad Photovoltaikanlage Der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage ist abhängig vom eingesetzten Material. Die Wirkungsgrade reichen von 6 Prozent bis 18 Prozent, je nach Art der Photovoltaikanlage. Es gibt folgende drei Solarzellentypen (in Klammern stehen die erreichbaren Wirkungsgrade): Monokristalline Solarzellen (14-18 Prozent) Polykristalline Solarzellen (12-16 Prozent) Dünnschichtzellen (6-8 Prozent) In Laborversuchen wurden auch höhere Wirkungsgrade (mit bis zu 25 Prozent) erzielt. Jedoch sind diese Solarzellen (teilweise noch) nicht auf dem Markt erhältlich. Der Wirkungsgrad einer Photovoltaikanlage sinkt mit der Zeit. So verlieren diese aus mono- und polykristallinen Siliziumzellen in den ersten Betriebsstunden zwei Prozent des Wirkungsgrades. Im weiteren Verlauf verlieren sie jährlich etwa 0 bis 0,5 Prozent an Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist aber auch von der Temperatur der Photovoltaikanlage abhängig. Je höher die Temperatur der Photovoltaikanlage ist, desto geringer ist der Wirkungsgrad. Es wird angenommen, dass der Wirkungsgrad um 0,4 Prozent (kristalline Zellen) und um 0,2 Prozent (amorphe Zellen) je Grad Celsius abnimmt. Dies muss ab einer Temperatur von 25 Grad Celsius berücksichtigt werden. Temperaturen unter 25 Grad Celsius haben zur Folge, dass der Wirkungsgrad sich erhöht. Die 25 Grad Celsius kommen aus den Standard Test Conditions (STC), bei welcher der Wirkungsgrad ermittelt wurde. Die Temperatur kann auf 45 Grad Celsius (freistehende Photovoltaikanlagen) bis 65 Grad Celsius (sonniger Sommertag) ansteigen. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, die Photovoltaikanlage mit geeigneten Maßnahmen zu Kühlen. Der Wirkungsgrad einer kalibrierten, d.h. unter STC-Bedingungen gemessenen Photovoltaikanlage, kann mit folgender Formel berechnet werden. Nur unter der Bedingung, dass die Bestrahlungsstärke genau 1000 W/m 2 beträgt [82, 24, 53, 94]: W irkungsgrad = P el /P S 100 P el = U I (23) P S = 1000W/m 2 159

165 5 AZBDAE Bestimmung der Energieeffizienz Die Energieeffizienz ist im Projekt MSPP wichtig, um die Energieprofile auswerten und vergleichen zu können. Dadurch kann ermittelt werden, mit welchem Energieprofil im Durchschnitt die MSPP am meisten Sonnenenergie in elektrischen Strom umwandeln kann. Weiterhin ist die Energieeffizienz zum Vergleich der MSPP mit anderen Energieerzeugungssystemen wichtig. Eine Definition zum Begriff Energieeffizienz wurde bereits im Abschnitt gegeben. Die Effizienz eines Systems wird als Wirkungsgrad angegeben. Der Wirkungsgrad eines Systems lässt sich mit der Formel 21 berechnen, also mit Output durch Input. Dies soll an der Abbildung 157 verdeutlicht werden. Hier ist der Input als Aufwand und der Output als Nutzen / Verlust dargestellt. Analog zur Berechnung des Wirkungsgrades lautet die Formel zu dieser Abbildung Nutzen durch Aufwand. Abbildung 157: Wirkungsgrad als Nutzen (Output) durch Aufwand (Input) [52] Der Output der MSPP ist die elektrische Energie, welche im Akkumulator gespeichert wird bzw. vom Verbraucher genutzt/verbraucht wird. Der Input der MSPP ist die Sonnenstrahlung, welche auf unterschiedliche Arten in elektrische Energie umgewandelt wird, wie bereits in der Einleitung beschrieben worden ist. Um den Wirkungsgrad der MSPP berechnen zu können, muss die Energiemenge des Outputs und des Inputs bekannt sein bzw. berechnet werden. Weiterhin müssen diese Energiemengen in der gleichen Einheit sein, damit diese ins Verhältnis gesetzt werden können. Die Messung der elektrischen Energie wird im Abschnitt , die Messung der Photovoltaikanlage in Abschnitt und die Messung des Stirlingmotors in Abschnitt beschrieben. Die Berechnung der Energieeffizienz wird im Abschnitt erläutert Energieeffizienz-Indikatoren Die Energieeffizienz des Prototypen zu messen, stellt sich als eine Herausforderung dar. Jedoch ist die Energieeffizienz für Auswertungen notwendig. Zur Bestimmung der dieser sind mehrere Indikatoren notwendig, um eine Vorher-Nachher-Situation vergleichen und somit die Energieeffizienz bzw. den Wirkungsgrad bestimmten zu können. In dieser Ausarbeitung und speziell für die Ermittlung der Energieeffizienz des Prototypen werden folgende Indikatoren genutzt: Stirlingmotor Temperaturmessung am Absorber des Stirlingmotors oder Drehmoment des Schwungrades des Stirlingmotors Intensität der Sonnenbestrahlung / Bestrahlungsstärke Stromstärke 160

166 5 AZBDAE Spannungsstärke Der Wirkungsgrad wird errechnet mit abgegebener Leistung durch die zugeführte Leistung, also Output durch Input. Die zugeführte Leistung ist in diesem Fall die Sonnenenergie. Die abgegebene Leistung ist die elektrische Energie. D.h. um den Wirkungsgrad des Prototypen ausrechnen zu können, muss die zugeführte Leistung und die abgegebene Leistung gemessen / berechnet werden. In den Abschnitten und werden die Messungen dieser Werte erläutert Messung der Sonnenenergie Die Sonnenenergie ist die zugeführte Leistung, also der Input. Für den Wirkungsgrad muss die Sonnenenergie gemessen werden, die durch die Fresnellinse gebündelt und vom Stirlingmotor genutzt wird oder durch das Solarmodul umgewandelt wird. Zunächst wurde nach Messgeräten recherchiert, mit denen im weiten Sinne die Sonne gemessen werden kann, also bspw. die Sonneneinstrahlung, Sonnenscheindauer usw. Dabei wurden folgende Messgeräte / Messmethoden ausfindig gemacht: Pyranometer Sensor zur Messung der eintreffenden Sonneneinstrahlung misst die Bestrahlungsstärke der Sonne in Watt pro Quadratmeter Sichtfeld von 180 Grad Kosten: 321,91 e [47] Pyroheliometer Strahlungsmessgerät misst die Bestrahlungsstärke in Watt pro Quadratmeter Kosten: rund 2150 e [65] Radiometer eine Art Lichtmühle mit Glaskugel Plättchen drehen sich sobald Licht darauf trifft sehr günstig, beispielsweise 14 e [112] Sonnenschein-Autograph Zur Messung der Sonnenscheindauer Kosten: rund 1300 e [66] Temperaturmessung am Stirlingmotor Temperatur am Absorber des Stirlingmotors messen dazu muss vorher die Leistung der Fresnellinse berechnet werden, um aus dem Wert der Temperatur rückschließen zu können, wie viel Sonnenenergie durch die Fresnellinse gebündelt wurde Messung der Drehzahl am Schwungrad des Stirlingmotors 161

167 5 AZBDAE Nach weiteren Recherchen wurde folgende Formel gefunden, mit der anhand der gemessenen Stromstärke an der Photovoltaikanlage die Bestrahlungsstärke der Sonne berechnet werden kann. Die Hersteller von Photovoltaikanlagen messen im Labor unter STC-Bedingungen die Photovoltaikanlagen, um den Wirkungsgrad, Kurzschlussstrom etc. bei 1000 W/m 2 Bestrahlungsstärke (dieser Wert ist eine STC- Bedingung) zu bestimmen. Die folgende Formel nutzt das aus und lässt die Bestrahlungsstärke mit der gemessenen Stromstärke ermitteln. S x = I Mess 1000 W/m 2 1,32 A in W/m 2 (24) S x = Bestrahlungsstärke I Mess = gemesse Stromstärke 1000 W/m 2 = Bestrahlungsstärke im Labor (STC-Bedingung, mit welcher die Photovoltaikanlage durch den Hersteller im Labor gemessen wurde) 1,32 A = im Labor ermittelte Stromstärke der Photovoltaikanlage bei 1000 W/m 2 Bestrahlungsstärke (Kurzschlussstrom) Somit wurde für die Photovoltaikanlage ein Referenzwert gefunden, mit dem die Input-Größe (Bestrahlungsstärke) berechnet werden kann und letztendlich die Effizienz des Prototypen bei Verwendung der Photovoltaikanlage. Allerdings konnte kein Referenzwert für die Verwendung des Stirlingmotors ermittelt werden. Der Stirlingmotor kann im Winter leider nicht mit der vorhandenen Sonnenbestrahlung angetrieben werden, da die Intensität nicht ausreicht, um den Stirlingmotor anzutreiben. Eine Idee, wie ein Referenzwert für den Stirlingmotor ermittelt werden kann, wird im Folgenden beschrieben. Die Sonnenbestrahlung muss stark genug sein, um den Stirlingmotor mit Hilfe der ausgewählten Fresnellinse anzutreiben. Sobald der Stirlingmotor läuft, wird neben der Fresnellinse die Photovoltaikanlage positioniert, in der gleichen Ausrichtung bzw. Lage, wie auch die Fresnellinse. Anschließend wird eine Strommessung an der Photovoltaikanlage durchgeführt und mit der Formel 24 die Bestrahlungsstärke berechnet. Damit hätte man die Input-Leistung. Nun kann die Drehzahl des Schwungrades am Stirlingmotor oder die Temperatur am Absorber des Stirlingmotors gemessen werden. Damit hätte man einen Referenzwert. Später kann die Bestrahlungsstärke ohne Photovoltaikanlage berechnet werden, allein durch die Messung der Drehzahl des Schwungrades oder der Temperatur des Absorbers am Stirlingmotor. Die folgende Abbildung 158 zeigt die beiden beschriebenen Messpunkte (Drehzahlmessung am Schwungrad und Temperaturmessung am Absorber des Stirlingmotors) [57, 8, 118, 60, 90]. 162

168 Energieeffizienz Referenzwert bei Stirlingmotor Drehzahlmessung 5 AZBDAE Temperaturmessung Gebündelte Sonnenenergie durch Fresnellinse Abbildung 158: Zwei Messpunkte PG MSPP am Stirlingmotor für Referenzwert 1 Der Stirlingmotor arbeitet träger als die Photovoltaikanlage. D.h. bei der Photovoltaikanlage, auf welche die Sonnenstrahlen treffen, wird die Input-Leistung sofort / ohne große Verzögerung weiter gegeben als Output. Somit kann mit einer Strommessung immer die aktuelle Bestrahlungsstärke ermittelt werden. Bei dem Stirlingmotor ist es anders. Dieser muss erstmal am Absorber erhitzt werden, bevor das Schwungrad anfängt zu drehen. D.h. auch wenn die Sonne ohne Wolken scheint, so benötigt der Stirlingmotor eine gewisse Zeit, bevor er arbeitet. Genauso ist es aber auch umgekehrt, wenn die Sonnenstrahlen plötzlich durch Wolken oder ähnliches bedeckt / blockiert werden. Dann arbeitet der Stirlingmotor erstmal noch weiter, während bei der Photovoltaikanlage die Stromstärke einbricht. Aus diesem Grund ist es aussagekräftiger, den Referenzwert am Stirlingmotor am Schwungrad festzulegen. Dann passt zeitlich gesehen die Berechnung der Bestrahlungsstärke (Input) und die Berechnung der Leistung (Output) [86] Messung der elektrischen Energie Um die Effizienz berechnen zu können, muss die Leistung vom Output und vom Input bekannt sein. Die elektrische Energie ist der Output für die Berechnung der Energieeffizienz. Der Input wurde im Abschnitt erläutert. Der Output kann durch den gemessen Strom- und Spannungswert vor dem Akku berechnet werden mit der Formel P = I U (25) wobei P die Leistung, I die Stromstärke und U die Spannung ist. Um die Werte für Stromstärke bzw. Spannung zu ermitteln kann ein digitales Messgerät eingesetzt werden oder auch automatisch mit entsprechender Messtechnik gemessen und in eine Log-Datei protokolliert werden. Diese Log-Datei kann später am Computer eingelesen und ausgewertet werden. Mehr zur Auswertung siehe Abschnitt Messung des Photovoltaikanlage In diesem Abschnitt werden die durchgeführten Messungen zur Photovoltaikanlage beschrieben. Die Messungen wurden mit Hilfe eines 500 W Halogenscheinwerfers durchgeführt. Der Halogenscheinwerfer scheint auf die Photovoltaikanlage, welche in unterschiedlichen Abständen zum Halogenscheinwerfer platziert wird. An der Photovoltaikanlage wird anschließend die Stromstärke gemessen, um die Bestrahlungsstärke zu berechnen. Der Testaufbau ist in Abbildung 159 dargestellt. 163

169 5 AZBDAE Halogenscheinwerfer (500W) Photovoltaikanlage Variabler Abstand Abbildung 159: Testaufbau zur Messung derpg Photovoltaikanlage MSPP mit Hilfe eines 500 W Halogenscheinwerfers 1 In der Tabelle sind die Abstände zum Halogenscheinwerfer, die gemessene Stromstärke und die berechnete Bestrahlungsstärke dargestellt, welche mit der Formel 24 berechnet wurde. Es wurden zwei Messreihen durchgeführt. Zu jeder Messreihe ist die aus dem gemessenen Stromwert berechnete Bestrahlungsstärke angegeben. Abstand Messung 1: Bestrahlungsstärke Messung 2: Bestrahlungsstärke 25 cm 333 W/m W/m 2 40 cm 272 W/m W/m 2 50 cm 181 W/m W/m 2 70 cm W/m 2 85 cm - 90 W/m 2 Tabelle 13: Messungen zur Photovoltaikanlage Beispielhaft soll noch der Rechenweg für die Bestrahlungsstärke und den Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage gezeigt werden. Dazu wird einmal ein Testaufbau mit einem Abstand von 25 cm zwischen Halogenscheinwerfer und Photovoltaikanlage genommen. Und einmal ein Abstand von 50 cm. An der Photovoltaikanlage wurden bei einem Abstand von 25 cm folgende Werte gemessen: Abstand = 25 cm Stromstärke: 0,44 A Spannung: 20,20 V Mit Hilfe der gegebenen Formel 24 zur Berechnung der Bestrahlungsstärke kann aus dem gemessenen Stromwert die Bestrahlungsstärke ermittelt werden: S x = 0, 44A 1000 W/m2 1,32 A = 333,33 W/m 2 (26) Mit der gegebenen Formel 23 kann nun auch der Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage berechnet werden. Da bei der Messung keine 1000 W/m 2 Bestrahlungsstärke vorhanden waren, sondern 333,33 W/m 2, muss 333,33 W/m 2 anstatt 1000 W/m 2 für die Berechnung verwendet werden: 164

170 5 AZBDAE Wirkungsgrad = P el / P S * 100 P el = U * I = 20,20 V * 0,44 A = 8,888 W P S = 333,33 W/m 2 * 0,1813 m 2 = 60,4327 W Wirkungsgrad = 8,888 W / 60,4327 W * 100 = 14,7073 Prozent Im Folgenden wird noch einmal die Berechnung der Bestrahlungsstärke und des Wirkungsgrades der Photovoltaikanlage bei einem Abstand von 50 cm gezeigt. An der Photovoltaikanlage wurden bei diesem Abstand folgende Werte gemessen: Abstand = 50 cm Stromstärke: 0,24 A Spannung: 20,1 V Mit Hilfe der gegebenen Formel 24 zur Berechnung der Bestrahlungsstärke kann aus dem gemessenen Stromwert die Bestrahlungsstärke ermittelt werden: S x = 0, 24A 1000 W/m2 1,32 A = 181,81 W/m 2 (27) Mit der gegebenen Formel 23 kann nun auch der Wirkungsgrad der Photovoltaikanlage berechnet werden. Da bei der Messung keine 1000 W/m 2 Bestrahlungsstärke vorhanden war, sondern 181,81 W/m 2, muss 181,81 W/m 2 anstatt 1000 W/m 2 für die Berechnung verwendet werden: Wirkungsgrad = P el / P S * 100 P el = U * I = 20,1 V * 0,24 A = 4,824 W P S = 181,81 W/m 2 * 0,1813 m 2 = 32,9622 W Wirkungsgrad = 4,824 W / 32,9622 W * 100 = 14,6349 Prozent Weiterhin wurden mit Hilfe der Photovoltaikanlage die Fresnellinse gemessen. Der Aufbau war hier analog zum Aufbau der Messung der Photovoltaikanlage, nur das zwischen dem Halogenscheinwerfer und der Photovoltaikanlage eine Fresnellinse platziert worden ist. Der Testaufbau ist in Abbildung 160 dargestellt. Wichtig dabei ist, dass der Fokuspunkt der Fresnellinse nicht auf der Photovoltaikanlage liegt, sonst könnte diese schaden nehmen. 165

171 5 AZBDAE Halogenscheinwerfer (500W) Fresnellinse Photovoltaikanlage Fokuspunkt der Fresnellinse 50 cm 35 cm ~ 71 cm PG MSPP 1 Abbildung 160: Testaufbau zur Messung der Fresnellinse mit Hilfe einer Photovoltaikanlage und eines Halogenscheinwerfers Links in der Abbildung 160 ist der 500 W Halogenscheinwerfer. In einem Abstand vom 50 cm ist die Fresnellinse platziert. Dieser Abstand wurde optisch ermittelt, so dass die Fresnellinse in einem möglichst kurzen Abstand komplett durch die Strahlen des Halogenscheinwerfers bestrahlt wird. Hinter der Fresnellinse ist die Photovoltaikanlage mit einem Abstand von 35 cm platziert. Dieser Abstand wurde rechnerisch ermittelt. Der Fokuspunkt der ausgewählten Fresnellinse liegt bei einem Abstand von rund 71 cm zur Fresnellinse. Damit die Photovoltaikanlage komplett bestrahlt wird, wird die längste Seite der Photovoltaikanlage genommen und die Fläche einer solchen quadratischen Photovoltaikanlage berechnet. Die längste Seite der Solarzelle beträgt rund 51 cm. Die Fläche einer Photovoltaikanlage mit 51 cm x 51 cm beträgt 0,268 m 2. Mit dieser Fläche wird der Abstand der Photovoltaikanlage zur Fresnellinse ermittelt. Die Photovoltaikanlage soll vollständig von den konzentrierten Strahlen der Fresnellinse bestrahlt werden. Gegeben: Fokuspunkt der Fresnellinse bei rund 71 mit 10 cm Größe Fläche der Fresnellinse = 0,533 m 2 (72 cm x 74 cm, Seiten der Fresnellinse, manuell ermittelt) Seiten der Photovoltaikanlage: 51,8 cm und 35 cm Fläche der Photovoltaikanlage mit längster Seite (51,8 cm x 51,8 cm): 0,1813 m 2 Gesucht: kürzester Abstand von der Fresnellinse zur Photovoltaikanlage, wobei die Photovoltaikanlage durch die konzentrierten Strahlen komplett bestrahlt werden muss. Mit folgendem Dreisatz wurde der Abstand zwischen Fresnellinse und Photovoltaikanlage ermittelt. Links ist der Abstand von der Fresnellinse zur Photovoltaikanlage, rechts ist die Fläche der konzentrierten Strahlen. 0 cm Abstand -> 0,533 m 2 Fläche (Fläche der Fresnellinse) 71 cm Abstand -> 0,01 m 2 Fläche (Fläche des Fokuspunktes) 0,533 m 2 / 71 cm = 0,0075 m 2 / cm 166

172 5 AZBDAE Gesucht: Abstand bei einer Fläche von 0,268 m 2 0,268 m 2 / 0,0075 m 2 /cm -> 35,7333 cm Abstand Der optimale Abstand zwischen Fresnellinse und Photovoltaikanlage beträgt rund 35 cm. In der Tabelle ist die Messung der Photovoltaikanlage in einem Abstand von 85 cm zum Halogenscheinwerfer mit und ohne Fresnellinse dargestellt. ohne Fresnellinse 90 W/m 2 mit Fresnellinse 121 W/m 2 Differenz 31 W/m 2 Energiegewinn 31 W/m 2-90 W/m 2 = 34,44 Prozent Tabelle 14: Messungen zur Fresnellinse mit Hilfe der Photovoltaikanlage Der Einsatz der Fresnellinse bring bei diesem Testaufbau einen Energiegewinn von rund 34 Prozent. Mit den vorhandenen Messungen kann der Wirkungsgrad der Fresnellinse berechnet werden. Bei einem Abstand von 50 cm der Fresnellinse zum Halogenscheinwerfer wird die Fresnellinse komplett bestrahlt. Bei diesem Abstand wurde eine Bestrahlungsstärke mit Hilfe der Photovoltaikanlage von 181 W/m 2 ermittelt. Die Bestrahlungsstärke ist direkt proportional abhängig von der Stromstärke und die Stromstärke ist direkt proportional abhängig von der Größe einer Photovoltaikanlage. Die berechnete Bestrahlungsstärke pro Quadratmeter kann auf die Fläche der Fresnellinse umgerechnet werden, um so die tatsächliche Bestrahlungsstärke zu berechnen. Die Fresnellinse hat eine Fläche 0,533 m 2. Die tatsächliche Bestrahlungsstärke, welche durch die Fresnellinse fokussiert wird, beträgt: 181 W/m 2 * 0,533 m 2 = 96,473 W an der Fresnellinse Erläuterung: ermittelte Bestrahlungsstärke bei einem Abstand von 50 cm zum Halogenscheinwerfer multipliziert mit der Fläche der Fresnellinse ergibt die tatsächlich aufgenommene / fokussierte Leistung der Fresnellinse An der Photovoltaikanlage, die wie in Abbildung 160 in einem Abstand von 35 cm zur Fresnellinse platziert ist, wurde eine Bestrahlungsstärke von 121 W/m 2 ermittelt. Da die Photovoltaikanlage rechteckig ist und die Fresnellinse quadratisch, muss die Bestrahlungsstärke auf eine quadratische Photovoltaikanlage mit einer Länge von 51,8 cm und einer Fläche von 0,2683 m 2 umgerechnet werden: 121 W/m 2 * 0,2683 m 2 = 32,4643 W an der Photovoltaikanlage Erläuterung: ermittelte Bestrahlungsstärke bei einem Abstand der Photovoltaikanlage von 35 cm zur Fresnellinse multipliziert mit der Fläche einer quadratischen Photovoltaikanlage mit einer Seitenlänge von 51,8 cm ergibt die tatsächlich erhaltene Leistung an der Photovoltaikanlage Daraus ergibt sich für die Fresnellinse ein Wirkungsgrad von: 32,4643 W / 96,47 W = 0,3365 oder 33,65 Prozent Erläuterung: tatsächliche Leistung an der Photovoltaikanlage bei einem Abstand von 35 cm zur Fresnellinse dividiert durch die tatsächlich fokussierte Leistung an der Fresnellinse mit einem Abstand von 50 cm zum Halogenscheinwerfer ergibt den tatsächlichen Wirkungsgrad 167

173 5 AZBDAE Die bei diesem Projekt verwendete Fresnellinse hat einen Wirkungsgrad von rund 34 Prozent, was sich durch zwei unterschiedliche Rechenwege bzw. Messungen bestätigt hat. Einmal wurde die Photovoltaikanlage mit einem Abstand von insgesamt 85 cm zum Halogenscheinwerfer einmal mit Fresnellinse und einmal ohne Fresnellinse gemessen. Dabei kam ein Energiegewinn von 34,44 Prozent. Und einmal wurde die Bestrahlungsstärke an der Photovoltaikanlage (mit einem Abstand von 35 cm zur Fresnellinse) durch die Bestrahlungsstärke an der Fresnellinse dividiert. Diese Berechnung ergab einen Wirkungsgrad von 33,65 Prozent [86, 87] Messung des Stirlingmotors Da kein Referenzwert für den Stirlingmotor gefunden werden konnte, konnte der Stirlingmotor nicht gemessen werden. Es wurden lediglich die Tests und Messungen durchgeführt, die im Abschnitt durchgeführt wurden Berechnung der aktuellen Energieeffizienz Wenn der Leistungswert für den Input (Sonnenenergie) und Output (elektrische Energie) des Prototypen vorhanden sind, kann der Energieeffizienz-Wert des Prototypen berechnet werden. Bei Energieumwandlungen gibt es Beschränkungen. So kann nicht jede Energieform ohne Verluste in jede andere Energieform umgewandelt werden. Vollständige Umwandlungen können nur von einer höherwertigen in eine niederen Energieform durchgeführt werden. So kann beispielsweise elektromagnetische Energie (Strom) vollständig in thermische Energie (Wärme) umgewandelt werden. Im umgekehrten Fall ist nur eine unvollständige Energieumwandlung möglich. Für den Prototypen bedeutet dies, dass bei der Umwandlung von Strahlungsenergie in elektromagnetische Energie (bei der Photovoltaikanlage) und bei der Umwandlung von thermischer Energie in elektromagnetische Energie (beim Stirlingmotor) mit Verlusten gerechnet werden muss. Abbildung 161: Hierarchie für Umwandlungen in verschiedene Energieformen [83] Eine Rangordnung der Energieformen ist in Abbildung 161 abgebildet. Aus dieser Abbildung geht hervor, dass Strom eine höherwertige Energieform als beispielsweise Wärme ist. Deshalb gibt es bei den Energieumwandlungen der MSPP Verluste. Die Berechnung der Energieeffizienz wird am Beispiel der Photovoltaikanlage erläutert, da bei der Photovoltaikanlage ein Referenzwert vorhanden ist, mit dem die Bestrahlungsstärke ermittelt werden kann. Für die Energieeffizienz muss der Wirkungsgrad berechnet werden. Dieser kann mit der Formel 21 berechnet werden (Output/Input). Bei der Photovoltaikanlage können Output und Input berechnet werden. Der Output ist die Leistung, welche sich aus der Stromstärke und der Spannung ergibt. Die Stromstärke und die Spannung müssen beide vor dem Akku und nach dem Laderegler gemessen werden. Korrekterweise 168

174 5 AZBDAE muss die Messung der Stromstärke zur Berechnung der Bestrahlungsstärke direkt an der Photovoltaikanlage durchgeführt werden. Die Messungen für die Berechnung der Output-Leistung, wie bereits erwähnt, sollte zwischen Laderegler und Akku durchgeführt werden. Der Input lässt sich anhand des Messwertes für die Stromstärke berechnen. Somit reicht die Messung von Stromstärke und Spannung vor dem Akku aus, um den Output und den Input und daraus den Wirkungsgrad zu berechnen. Die Berechnung des Outputs ist recht simpel und besteht aus einer Formel: Berechnung der Output-Leistung Leistung P = U * i Die Berechnung des Inputs ist etwas aufwändiger und bedingt mehrere Schritte: 1. Berechnung der Input-Leistung (a) Bestrahlungsstärke ausrechnen: Formel: S x = Imess 1000 W/m2 1,32 A = Bestrahlungsstärke (b) Bestrahlungsstärke in tatsächliche Leistung umrechnen: Fläche von 0,1813 m 2 der Photovoltaikanlage berücksichtigen tatsächliche Leistung = 0,1813 m 2 * S x (ermittelte Bestrahlungsstärke) 2. Berechnung des Wirkungsgrades: 3. Wirkungsgrad = Output / Input Es folgen zwei Rechenbeispiele, wie der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz berechnet werden kann. Die verwendeten Messwerte wurden direkt an der Photovoltaikanlage während der Messung der Photovoltaikanlage ermittelt. In der Praxis würde hinter der Photovoltaikanlage ein Laderegler sitzen, der vermutlich die Effizienz etwas runter ziehen wird, weil der Laderegler und andere Verbraucher (bspw. Mikrocontroller) Strom benötigt [83, 125]. 1. Messung Stromstärke = 0,44 A Spannung = 20,20 V Output: 0,44 A * 20,20 V = 8,888 W Input: 2. Messung A Bestrahlungsstärke ermitteln: S x = 0,44 A * 1000 W/m 2 / 1,32 A = 333,33 W/m 2 B auf tatsächliche Fläche der Photovoltaikanlage umrechnen: 333,33 W/m 2 * 0,1813 m 2 = 60,4333 W C Berechnung des Wirkungsgrades: Wirkungsgrad = 8,888 W / 60,4333 W = 0,1471 bzw. 14,71 Prozent Stromstärke = 0,24 A Spannung = 20,10 V 169

175 5 AZBDAE Output: 0,24 A * 20,10 V = 4,824 W Input: A Bestrahlungsstärke ermitteln: S x = 0,24 A * 1000 W/m 2 / 1,32 A = 181,81 W/m 2 B auf tatsächliche Fläche der Photovoltaikanlage umrechnen: 181,81 W/m 2 * 0,1813 m 2 = 32,9636 W C Berechnung des Wirkungsgrades: Wirkungsgrad = 4,824 W / 32,9636 W = 0,1463 bzw. 14,63 Prozent Programm zur Berechnung der Energieeffizienz In diesem Abschnitt wird das entwickelte Programm erläutert, welches die Energieeffizienz ausrechnet und grafisch darstellt. Das Programm wurde in JAVA entwickelt. Für die grafische Darstellung der Energieeffizienz wurde das kostenfreie / Open Source Framework JFreeChart [69] genutzt. Das sind die Funktionen des Programms: 1. Einlesen einer Log-Datei 2. Auswerten der eingelesenen Daten 3. Grafische Darstellung der Auswertung / Energieeffizienz Zuerst wird eine Log-Datei eingelesen. Diese Log-Datei wurde durch die MSPP automatisch auf eine SD-Speicherkarte geschrieben. Die SD-Karte wird in einen Computer angeschlossen, auf das Programm installiert ist. In der Log-Datei steht ein Zeitstempel, ein Status-Code sowie die Messwerte für Stromstärke und Spannung. Mit Hilfe der Messwerte wird die Energieeffizienz berechnet. Diese Energieeffizienz wird auf einer Zeit-Achse (auf der X-Achse/unteren Achse) dargestellt. Die Achsen sind wie folgt aufgebaut: X-Achse: Zeit Y-Achse links: Energieeffizienz in Prozent Y-Achse links: Leistung (für Input und Output) Die Y-Achse besteht aus zwei Achsen, links die Achse für Energieeffizienz und rechts die Achse für die Leistung des Inputs und Outputs. Der Input wird mit grünen Messpunkten auf dem Diagramm dargestellt. Der Output wird mit roten Messpunkten dargestellt. Die Messpunkte sind mit Linien der jeweiligen Farbe verbunden sind. Die Energieeffizienz wird in schwarz dargestellt. Das Programm konnte bisher leider nur mit Test-Log-Dateien getestet werden, da bis Abgabe der Dokumentation keine Log-Datei vorhanden war, welche durch die MSPP während des Einsatzes erstellt worden ist. Daher wurde eine Test-Log-Datei erstellt, welche durch das Programm eingelesen und ausgewertet wurde. In Abbildung 162 ist ein Screenshot der GUI des Programms zur Berechnung der Energieeffizienz dargestellt. 170

176 5 AZBDAE Abbildung 162: Screenshot von der GUI des Programms zur Auswertung der Energieeffizienz Die GUI besitzt ein Menü, über welches eine Log-Datei geöffnet werden kann, die Hilfe zur GUI / Benutzung der GUI aufgerufen werden kann oder das Programm beendet werden kann. Es wurden zu diesen drei Funktionen ein Tastenkürzel angelegt, um die Funktionen schneller und komfortabler erreichen zu können. Im Folgenden sind die drei Funktionen und das entsprechende Tastenkürzel dargestellt. Datei öffnen [STRG+O] Hilfe [STRG+H] Beenden [STRG+B] Wird im Menü der Punkt Hilfe aufgerufen, erscheint ein Popup, in welchen kurz erklärt ist, wie das Diagramm bedient werden kann. Darunter beispielsweise wie ein Ausschnitt vergrößert und wieder verkleinert werden kann, wie der aktuelle Ausschnitt gespeichert bzw. gedruckt werden kann. Das Hilfe-Popup ist in Abbildung 163 dargestellt. 171

177 5 AZBDAE Abbildung 163: Screenshot vom Hilfe-Popup der GUI des Programms zur Auswertung der Energieeffizienz. Wie bereits erwähnt, können auch Ausschnitte im Diagramm vergrößert und wieder verkleinert werden. Ein vergrößerter Ausschnitt ist in Abbildung 164 dargestellt. Außerdem ist in der Abbildung die zusätzlichen Informationen zu sehen, welche erscheinen, wenn mit der Maus über einen Messpunkt gezeigt wird. Als zusätzliche Informationen werden zu dem jeweiligen Messpunkt die Stromstärke und die Spannung angezeigt. Abbildung 164: Screenshot von der GUI des Programms zur Auswertung der Energieeffizienz mit vergrößertem Ausschnitt und zusätzlichen Informationen (Stromstärke und Spannung) zum Messpunkt. 172

178 5.5 Fernsteuerung 5 AZBDAE An dieser Stelle wird hier auf einen Quellcodeausschnitt verzichtet. Der Algorithmus / die Berechnung der Energieeffizienz ist Abschnitt anhand von zwei Messungen dargestellt. 5.5 Fernsteuerung Der folgende Teil des Abschlussdokuments dokumentiert die Entwicklung der graphischen Benutzungsschnittstelle. Zunächst wird eine Anforderungsanalyse durchgeführt, um festzustellen, welche qualitativen Anspruche an die Software gestellt werden. Anschließend folgt der Entwurf, eine detailierte Erläuterun der Implementierung und die Bedienunganleitung der graphischen Benutzungsschnittstelle Anforderungsanalyse und -ermittlung Dieses Unterkapitel erläutert zunächst den Zweck der Fernsteuerung um daraufhin die funktionalen und nicht funktionalen Anforderungen zu definieren. Anhand der definierten Anforderungen folgt dann die Aufstellung des Anwendungsfallmodells, das grundlegende Funktionalitäten der Benutzungsschnittstelle beschreibt. Zweck der Fernsteuerung Die Benutzungsschnittstelle ermöglicht es einem Benutzer manuelle Steuersignale via serieller Schnittstelle an den Mikrocontroller der MSPP Plattform zu propagieren. Die Steuersignale ermöglichen dabei die Plattform sowohl vertikal als auch horizontal auszurichten. Ebenso können Energieprofile konfiguriert, die aktuelle Energieaufnahme überwacht und Logdateien von der MSPP-SD-Karte ausgelesen und graphisch dargestellt werden. Funktionale Anforderungen Die Hauptaufgabe der graphischen Benutzungsschnittstelle ist es, die Kommunikation zwischen dem Benutzer und dem Mikrocontroller zu ermöglichen und zu erleichtern. Dabei werden definierte Steuersignale und Energieprofile mittels der graphischen Oberfläche an den Mikrocontroller so übermittelt, dass der Mikrocontroller diese korrekt interpretiert und ausführt. Die Steuersignal stellen hierbei eine Möglichkeit dar, die Plattform horizontal und vertikal auszurichten, während die Energieprofile ein bestimmtes definiertes Verhalten der Plattform induzieren. Nicht funktionale Anforderungen Dieser Abschnitt definiert die nicht funktionalen Anforderungen an die Benutzungsschnittstelle und somit die grundlegenden Eigenschaften bezüglich der Bedienbarkeit, Verlässlichkeit, Unterstützbarkeit, Implementierung und Schnittstellenanforderung. Bedienbarkeit (Look and Feel) Die graphische Oberfläche ist als Desktopanwendung zu gestalten. Dabei ist darauf zu achten, dass sie übersichtlich alle erwünschten Funktionen zur Verfügung stellt und eine intuitive Benutzung durch den Anwender ermöglicht. Als weitere Hilfestellung ist ein Manual sowie eine Schnellreferenz anzufertigen, um etwaige Unklarheiten bezüglich der Bedienung zu beseitigen. Eine zusätzliche Hilfestellung wird durch eine im Programm integrierte Hilfestellung bereitgestellt. 173

179 5.5 Fernsteuerung 5 AZBDAE Verlässlichkeit Beim Zugriff über die Benutzungsschnittstelle auf den Mikrocontroller ist darauf zu achten, dass diese die Steuersignale vollständig und korrekt übermittelt. Ebenso ist es notwendig vom Mikrocontroller eingehende Datenströme korrekt zu interpretieren und darzustellen. Durch Nutzer eingegebene Daten müssen auf Korrektheit geprüft und im Falle einer fehlerhaften Eingabe abgefangen werden, so dass die Software weiterhing korrekt und stabil läuft. Unterstützbarkeit In Bezug auf die Unterstützbarkeit ist besonders Wert auf die Wartbarkeit der Software zu legen. Als Grundlage hierfür bietet sich das Model-View-Controller-Pattern an, um eine hohe Modularität zu schaffen, die es ermöglicht komfortabel neue Erweiterungen und Features zu implementieren. Ebenso ist eine gründliche Dokumentation des Quellcodes nach JavaDoc-Standard erforderlich, die die Lesbarkeit und somit auch den Einstieg für Personen, die nicht an der Entwicklung der Benutzungsschnittstelle beteiligt waren, erleichtert. Implementierung Die Implementierung der graphischen Benutzungsschnittstelle erfolgt in Java 1.7 unter Einhaltung der üblichen Code-Konventionen. Die Bibliotheken RXTX, JFreeChart und JodaTime erweitern beziehungsweise ergänzen Java 1.7 um benötigte Funktionaltitäten und sind in das Projekt einzubinden. RXTX abstrahiert und stellt Funktionen für die Kommunikation über eine serielle Schnittstelle bereit. JFreeChart wird benötigt, um die vom Mikrocontroller erhaltenen Logdaten in einem dynamischen kartesischen Koordinatensystem darzustellen. Joda Time erleichtert das Arbeiten mit Timestamps der Logdateien und Java Swing hält Klassen zur Implementierung der graphischen Oberfläche bereit. Schnittstellenanforderung Die Schnittstelle ist in Absprache mit der Steuerungsgruppe definiert worden und im Kapitel einsehbar. Anwendungsfallmodel Verbindungsaufbau Nachdem der Benutzer die graphische Benutzungsschnittstelle gestartet hat, kann dieser einen Verbindungsaufbau initieren. Dazu wählt er zunächst einen Port aus einer Liste aus oder gibt diesen in einem Textfeld an. Anschließend betätigt er einen Button der die Verbindung aufbaut. Falls die Liste keinen Port anzeigt, kann mittels eines Buttons eine neue Portsuche ausgelöst werden. Sobald sich eine Verbindung erfolgreich aufgebaut hat, erhält die Benutzungsschnittstelle aktuelle Einstellungsparamter der Plattform. Neukonfiguration und Ausrichtung der Plattform Sobald die Verbindung zwischen GUI und Mikrocontroller besteht kann der Benutzer Energie- und Ausrichtungsprofile festlegen. Diese sendet der Benutzer mittels Knopfdruck an den Mikrocontroller der Plattform. Sowie diese übermittelt sind ändert sich entsprechend die interne Konfiguration. Weiterhin ist es dem Benutzer möglich die Plattform über Schieberegler und textueller Eingabe manuell auszurichten. 174

180 5.5 Fernsteuerung 5 AZBDAE Dabei übertragt die Software nach Änderung der Reglerposition die aktuellen Werte anhand derer sich die Plattform daraufhin ausrichtet. Logdateien anzeigen und auswerten Logdateien visualisiert und wertet die Benutzungsschnittstelle aus, nachdem der Benutzer über einen Menureiter zur entsprechenden Logdateien-Ansicht wechselt. Beim Aktivieren der Ansicht öffnet sich ein Dialog der es ermöglicht die für die Ansicht vorgesehene Logdatei auszuwählen. Konfiguration speichern Zur Speicherung einer aktuellen Konfiguration wählt der Benutzer Menüeintrag zum Speichern aus, woraufhin sich ein Dialog öffnet mittels dessen der Benutzer den Speicherort festlegt. Konfiguration laden Analog dazu ist das Laden einer Konfiguration über einen Menueintrag möglich. Nach der Auswahl öffnet sich ebenfalls ein Dialog. Im Gegensatz zum Speicherdialog kann mit diesem eine Konfigurationsdatei geöffnet werden. Anschließend visualisiert die Benutzungsschnittstelle diese. Fernsteuerung beenden Die Fernsteuerungsanwendung kann auf zwei Arten beendet werden. Zum einen über einen Menüreitereintrag und zum anderen über den üblichen X-Button. Dabei wird zunächst die Verbindung zum Mikrocontroller unterbrochen und anschließend die Anwendung terminiert Bibliotheken Anhand der im Unterkapitel genannten Anwendungsfällte ist lässt sich auf benötigte Funktionalitäten die durch externe Bibliotheken offerieren zu schließen. Einige dieser Funktionalitäten stellen die folgenden Bibliotheken bereit. Java Swing Java Swing ist neben SWT und AWT eine der in Java verfügbaren Grafikbibliotheken die Klassen und Funktionen zur Implementierung graphischer Oberflächen bereithält. Diese bilden die Grundlage zur oberflächen Gestaltung. RXTX RXTX stellt Klassen und Funktionen bereit die die Kommunikation über eine serielle Schnittstelle abstrahieren. Dadurch ist es möglich mit der Plattform per Bluetooth zu kommunizieren. Joda Time Joda Time ist eine Bibliothek die Funktionen und Klassen bereitstellt um mit kalendarischen und Zeitwerten zu rechnen und zu arbeiten. Ihre Klassen und Funktionen sind umfangreicher und weniger fehleranfällig als die nativen Datumsklassen Javas. Im Rahmen der Benutztungsschnittstelle wird die Bibliothek verwendet um die Timestamps der Logdateien auszuwertem und elegant weiterzuverwenden. 175

181 5.5 Fernsteuerung 5 AZBDAE JFreeChart JFreeChart ist eine Bibliothek die diverse Funktionen und Klassen zur Erzeugung von Diagrammen bereitstellt, die beispielsweise zur Visualisierung der Logdateien genutzt werden können Entwurf In diesem Abschnitt wird der Entwurf der graphischen Benutzungsschnittstelle dokumentiert. Dabei illustriert zuerst eine schematische Skizze den groben Aufbau der graphischen Benutzungsschnittstelle. Anschließend folgt eine Auflistung der daraus resultierenden Klassen in Form eines Klassendiagramms. Daraufhin werden die wichtigsten Klassen nach ihrem Typ sortiert genannt und ihre Funktionalität im Zusammenhang mit weiteren Klassen der Fernsteuerung erläutert. Zum Abschluss gibt es eine Übersicht der wichtigsten Funktionen der Fernsteuerung und ihrem generalisierten Ablauf in Form von Sequenzdiagrammen. Schematischer Aufbau der Benutzungsschnittstelle Abbildung 165: Schematischer Aufbau der Benutzungsschnittstelle Die Abbildung 165 zeigt den schematischen Aufbau der Benutzungsschnittstelle. Im Wesentlichen besteht sie aus einer Menuleiste, einem zentralen Panel und einer Statusleiste. Dabei dient die Menuleiste mit ihren Menueinträgen zum Aufruf der Funktionalitäten der entsprechenden Anwendungsfälle Konfiguration speichern, Konfiguration laden, Fernsteuerung beenden und Logdateien anzeigen und auswerten (siehe ). Die verbleibenden Funktionalitäten beziehungsweise Anwendungsfälle Verbindungsaufbau und 176

182 5.5 Fernsteuerung 5 AZBDAE Neukonfiguration und Ausrichtung der Plattform können über die Steuerungselemente im zentralen Panel ausgeführt werden. Im Bereich der Status Leiste geben die aktuellen Prozesse der Benutzungsschnittstelle Zustandsinformationen in Textform aus. Klassendiagramm und Entwurfsmuster Anhand des schematischen Aufbaus aus dem Abschnitt und weiteren Überlegungen lassen sich benötigte Klassen identifiziert und strukturiert in einem Klassendiagramm (Abbildung 166) zusammenfügen. Abbildung 166: Komprimiertes Klassendiagramm Zur Strukturierung der Klassen wird das Modell-View-Controller Entwurfsmuster verwendet. Dadurch gestaltet sich der Programmcode erweiterbar, wiederverwendbar und modular. Diese Eigenschaften führen zusätzlich zu einer verbesserten Wart- und Lesbarkeit des Programmcodes. Weitere für den Entwurf heranzuziehende Muster sind das Observer-, Kompositions- und Singleton-Entwurfsmuster. Ersteres ist für die Aktualisierung diverser graphischer Oberflächen und ihrer Komponenten zu verwenden. Das Kompositionsmuster ermöglicht ebenfalls eine Modularisierung des Entwurfs und damit eine verbesserte Wiederverwendbarkeit des Programmcodes. Als Erzeugungsmuster eignet sich das Singleton-Muster besonders für das Model des Programms um den Zustand der Fernsteuerung konsistent zu halten. Weiterhin soll nur eine einzige Verbindung zur Plattform bestehen. Hierfür eigenet sich ebenfalls das Singleton-Muster. Modell Das Modell der Fernsteuerung besteht aus der PlattfromData-Klasse die als Singleton implementiert ist. In ihr wird die aktuelle Konfiguration der Plattform gespeichert. Da sie ebenfalls einen Teil des 177

183 5.5 Fernsteuerung 5 AZBDAE bereits genannten Observer-Entwurfsmusters darstellt, können sich diverse Viewklassen-Objekte in eine interne Liste eintragen. Sämtliche eingetragenen Objekte werden dann bei Änderung der Konfiguration benachrichtig, so dass stets die aktuelle Konfiguration in den Views der Fernsteuerung zu sehen ist. View Um die Fernsteuerung graphisch darzustellen werden Klassen zur Oberflächengestaltung benötigt. Dabei ist die Viewklassen-Struktur hierachisch strukturiert, was generell dem Kompositions-Entwurfsmuster entspricht. Die zentralen View-Klassen der Fernsteuerung sind dabei zum einen die Klasse BaseFrame und zum anderen die Klasse OverviewPanel. Die BaseFrame-View ist eine Komposition die dem schematische Aufbau in der Abbildung 165 ähnelt. Der mittlere Teil der BaseFrame wird also durch andere Views wie dem OverviewPanel substituiert. Das OverviewPanel besteht genauso wie die BaseFrame-Klasse aus diversen klein granularen Viewkomponenten. Sie dient der Darstellung der Plattformkonfiguration und wird in den mittleren Teil der Fernsteuerung eingesetzt. Auch die von der Logviewer-Klasse abgeleiteten View-Klassen sind zur Substitution in den mittleren teil der Fernsteuerung intendiert, visualisieren aber hingegen die auf der SD-Karte befindlichen Log-Dateien. Controller Die Fernsteuerungslogik ist in den diversen Controller-Klassen der Benutzungsschnittstelle implementiert. Jede Controller-Klasse ist mindestens einer View-Klasse zugeordnet. Besonders hervorzuheben ist die Klasse ConnectCtrl, die die gesamte Funktionalität zur Kommunikation mit dem Mikrocontroller bereistellt. Da lediglich eine Verbindung zum Mikrocontroller bestehen soll ist dieser nach dem SingleTon- Entwurfsmuster implementiert, was zusätzlich den Zugang zur Kommunikationsfunktionalität für andere Klassen erleichtert. Die restlichen Controller-Klassen manipulieren das Modell entsprechend der an den View-Objekten vorgenommen Änderungen Sequenzdiagramme Dieser Abschnitt erläutert die wichtigsten internen Funktionellenabläufe anhand von Sequenzdiagrammen. Dabei ist es zum Teil ausreichend das Prinzip einzelner Abläufe zu erläutern, da diese durch die im Entwurf verwendeten Entwurfsmuster generalisiert werden konnten. Somit bedarf es keiner Erläuterung im Speziellen. Verbindungsaufbau Das Sequenzdiagramm in der Abbildung 167 illustriert den Verlauf eines Verbindungsaufbaus. Mit Hilfe der Controller ConnectCtrl, ReceiveCtrl und SendCtrl wird der Verbindungsaufbau initiiert. Dabei sucht die Klasse ConnectCtrl zunächst einen seriellen Port. Gelingt dies wird der Port geöffnet und die benötigten Input- und Outputstreams initialisiert, welche die durch Klassen ReceiveCtrl und SendCtrl abstrahiert werden. Entsprechend dem Kommunikationsprotokoll (siehe 5.5.5) erhält die Fernsteuerung nach dem Senden der Initialnachricht die aktuelle Plattformkonfiguration und speichert sie im Modell. Dadurch das die Funktionalität zum Empfangen und Senden von Nachrichten in eigene Thread ausgelagert sind, kann der Controller ConnectCtrl kontinuiertlich Nachrichten empfangen und senden. 178

184 5.5 Fernsteuerung 5 AZBDAE Abbildung 167: Sequenzdiagramm: Ablauf eines Verbindungsaufbau Kommunikation Das Kommunikationssequenzdiagramm (siehe Abbildung 168) skizziert den allgemeinen Austausch von Nachrichten zwischen der Fernsteuerung und dem UART des Mikrocontrollers. Identisch im Vergleich zum Verbindungsaufbau (siehe Abschnitt 5.5.4) sind die Controller SendCtrl und ReceiveCtrl veranwortlich für den Austausch der Nachrichten zwischen der Fernsteuerung und dem Mikrocontroller. Nachdem eine aus dem Kommunikationsprotokoll (siehe Kapitel 5.5.5) definierte Nachricht an den UART gesendet wurde erhält der Controller ReceiveCtrl eine Antwort, die dann von diesem interpretiert, ausgewertet und im Model PlattformData gespeichert wird. Sobald dies geschehen ist werden die Viewkomponenten durch das Model aktualisiert. Abbildung 168: Sequenzdiagramm: Allgemeiner Ablauf der Kommunikation zwichen Fernsteuerung und Mikrocontroller 179

185 5.5 Fernsteuerung 5 AZBDAE Logauswertung Die Auswertung einer Logdatei kann über die Auswahl eines LogViewers der Viewkommponente MenuPanel initiiert werden. Nach der Auswahl des LogViewers öffnet sich ein Auswahldialog der das Auswählen einer entsprechenden Logdatei gestattet. Sobald die Logdatei eingelesen wurde parsed die LogViewer- Klasse den Inhalt der Logfile und generiert aus ihr eine Datenserie die zum Erzeugen einer LogView genutzt wird. Das so ezeugt LogView-Objekt wird anschließend in die Viewkomponente BaseFrame eingesetzt. Abbildung 169: Sequenzdiagramm: Schematischer Aufbau der Benutzungsschnittstelle Konfiguration speichern und laden Die beiden folgenden Sequenzdiagramme illustrierene den Vorgang der Konfigurations speicher beziehungsweise des -ladens. Es wird jeweils über die View MenuPanel ein Event ausgelöst das an den Controller FileMenuCtrl propagiert wird. Falls eine Konfiguration gespeichert werden soll, wird das Model PlattformData ausgelesen und über einen FileOutputstream auf die Festplatte geschrieben. Soll hingegen eine bestehende Konfiguration aus einer Datei geladen werden, wird die über einen Dialog ausgewählte Textdatei geparst und im Model PlattformData gespeichert. Anschließend wird die Konfiguration mittels der aktualisierten Viewkomponenten visualisiert. 180

186 5.5 Fernsteuerung 5 AZBDAE Abbildung 170: Sequenzdiagramm: Speicherung der aktuellen Einstellung Abbildung 171: Sequenzdiagramm: Laden eines Einstellungsprofils Kommunikationprotokoll Um eine Kommunikation via Bluetooth mit dem Mikrocontroller zu ermöglichen wird im folgenden Abschnitt das Kommunikationsprotokoll definiert. Zunächst erläutert der Abschnitt den allgemeinen 181

187 5.5 Fernsteuerung 5 AZBDAE Kommunikationfluss zwischen der Fernsteuerung und dem UART des Mikrocontrollers. Anschließend folgt eine Strukturbeschreibung der definierten Befehle sowie eine Erläuterung ihrer Semantik und die Festlegung der Wertebereiche. Kommunikationsfluss In der Abbildung 172 ist der Kommunikationsfluss zwischen der Fernsteuerung und dem Mikrocontroller skizziert. Dabei sendet die Benutzungsschnittstelle nach dem Verbindungaufbau einen Befehl zur Initiierung der Kommunikation. Folglich antwortet der Mikrocontroller auf die Initiierung mit dem Senden der aktuellen Plattformkonfiguration. Neben der Konfiguration überträgt der Mikrocontroller kontinuierlich und asynchron aktuelle Batteriewerte bis es zum Verbindungsabbruch kommt. Parallel zum Empfangen von Daten und ihrer Auswertung, ist es der Benutzungsschnittstelle möglich weitere definierte Befehle asynchron zu übermitteln, die dann die Mikrocontrollerlogik umsetzt. Abbildung 172: Kommunikationsfluss zwischen Benutzungsschnittstelle und Mikrocontroller Ausgehender Datenstrom Fernsteuerung Nach dem erfolgreichen Aufbau einer Verbindung kann die graphische Benutzungsschnittstelle Befehle via Bluetooth an den Mikrocontroller propagieren. Diese haben die Form $<Befehl>, wobei <Befehl> durch ein entsprechenden Platzhalter aus der Tabelle 15 zu substituieren ist. 182

188 5.5 Fernsteuerung 5 AZBDAE Platzhalter CON CON;<EnergieProfil>;<AusrichtungsProfil> RE:<horizontal Wert>;<vertikal Wert>; RES Funktion Initiiert den Verbindungsaufbau und lässt den Mikrocontroller dauerhaft Batteriewerte senden Sendet die aktuelle GUI-Konfiguration Sendet neue Ausrichtungsdaten Löst einen Softwarereset des Mikrocontrollers aus. Tabelle 15: Kommunikationsbefehle und ihre Funktionalität Ausgehender Datenstrom Mikrocontroller (UART) Sobald eine Kommunikationinitiierung angestoßen wurde, sendet der Mikrocontroller eine Antwortnachricht. Diese ist wie folgt definiert: $<Startsymbol>,<Timestamp>,<ErrorCode>,<Werte>;. Dabei beschreibt der Platzhalter <Startsymbol> die Semantik der angehängten Werte, die in den <Werte>-Platzhalter zu substituieren sind. <Timestamp> repräsentiert den letzten gültigen Zeitpunkt der Werte und <ErrorCode> gibt an ob ein Fehler aufgetreten ist. Ausgehenden vom $<Startsymbol> zeigt die Tabelle 16 die Reihenfolge der Werte. Startsymbol CON SUN POS Reihenfolge der Platzhalter <Energieprofil>,<Ausrichtungsprofil> <horizontale Ausrichtung>,<vertikale Ausrichtung> <Breitengrad>,<Längengrad>,<MagnetoMeterwert> Tabelle 16: Reihenfolge der Platzhalter nach dem Startsymbol Wertebereiche und Ausprägungen der Platzhalter Nachdem die vorherigen Abschnitten die Struktur der gültigen Befehle definierten, können aus der Tabelle 17 für die Platzhalter festgelegten Wertebereiche entnommen werden. Platzhalter x Wertebereich <Energieprofil> x {A, B, C} <Ausrichtungsprofil> [0, 3] := {x N 0 x 3} <horizontale Ausrichtung> [ 120, 120] := {x Z 120 x 120} <vertikale Ausrichtung> [30, 90] := {x N 30 x 90} <Breitengrad> [0, 360] := {x N 0 x 360} <Längengrad> [0, 360] := {x N 0 x 360} <MagnetoMeterwert> x R <ErrorCode> x {0, 1} <Timestamp> Format: yyyy-mm-dd hh:mm:ss Tabelle 17: Wertemengen der Platzhalter Manual Umgang den Einstieg in die Benutzung der Fernsteuerung zu erleichtern bietet dieses Kapitel eine kleines Handbuch an. Zunächst wird auf die Installation zusätzlicher Bibliotheken eingegangen die für die Weiterentwicklung und das Starten der Fernsteuerung grundlegend essentiell sind. Anschließend folgt eine Beschreibung des finalen Layouts mit Erläuterungen zu den konkreten Bedienungselementen. 183

189 5.5 Fernsteuerung 5 AZBDAE Installation und Ausführung Es notwendig die Bibliothek RXTX installiert werden, dabei ist unter einem Linux-System darauf zu achten, dass sich die richtige, dem eigenen System entsprechende librxtxserial.so im Verzeichnis Java-Verzeichnis /jre/lib/ Maschinentyp befindet. Falls es sich um ein Ubuntu-System handerlt kann die installation über densynaptic Package Manager erfolgen. Im Gegensatz zu Ubuntu reicht es bei Windows aus, dass sich die dll-dateien rxtxserial.dll und rxtxparallel.dll im Verzeichnis der ausführbaren Benutzungsschnittstellen jar-datei befinden. Sind diese Anweisungen berücksichtigt worden kann die Benutzungsschnittstellen mit Java geöffnet werden. Bedienung der Fernsteuerung Die Abbildungen 173 und 174 illustrieren die typischen Ansichten der Fernsteuerung. Um die einzelnen Bedienungselemente besser beschreiben zu können sind diese in den Bildern durchnummeriert. Der Startbildschirm (siehe Abbildung 173) stellt immer die erste Ansicht dar, sobald die Fernsteuerung gestartet wurde. Die Bedienelemente bei Punkt 1 ermöglichen es einen Port auszuwählen beziehungsweise einzugeben zu dem mittels des Connect-Knopfes (Punkt3 ) eine Verbindungs aufgebaut werden kann. Falls kein Port angegeben ist gestattet der Knopf unter Punkt 4 die eine neue Portsuche zu initiieren und die gefundenen Ports in der Dropdownlist anzuzeigen. Unter Punkt 2 ist das Menupanel zusehen der die Reiter File, View und Help beinhaltet. Über den Menureiter File kann neben dem Laden und Speichern von Konfigurationen die Fernsteuerung beendet werden. Der Menureiter View ermöglicht die es mittels seiner Einträge zwischen verschiedenen Ansichten zu wechseln und Help öffnet die in die Software integrierte Hilfe. Abbildung 173: Startbildschirm der Fernsteuerung In der Abbildung 174 ist die Konfigurationsübersicht zu sehen. Das Diagramm an der Position 1 plottet empfangene Batteriedaten, während die Schieberegler an Punkt 2 ein Ausrichten der Plattform ermöglichen. Die Positionen 3 und 4 bilden die Bedienungselemente zur Festlegung der Konfigurationsprofile ab und illustrieren den aktuellen Ladezustands der Batterie. Mittels der drei Knöpfe an der Position 6 können die aktuellen Konfigurationdaten angefordert und gesendet werden sowie ein Softwarereset auf Seiten des Mikrocontrollers ausgelöst werden. 184

190 5.6 Budgetplanung 5 AZBDAE Abbildung 174: Konfigurationsansicht der Fernsteuerung 5.6 Budgetplanung Nachdem in den vorangehenden Kapiteln die Realisierung des Prototyps explizit spezifiziert wurde und alle notwendigen Komponenten und Werkmaterialien aufgezeigt wurden, wird in diesem Kapitel die genauer auf die Budgetplanung eingegangen. Für die Entwicklung der MSPP wurde der Projektgruppe insgesamt ein Budget im Umfang von maximal 2000 Euro zur Verfügung gestellt. Somit musste beim Einkauf der entsprechenden Komponenten, Baumaterialien, Kabel und jeglicher weiterer Hardware, die für den Bau der MSPP benötigt werden, darauf geachtet werden, dass dieses nicht überschritten wurde. Dies schränkte in gewisser Weise die Wahl der Komponenten ein und machte die Kostenaspekt zu einem wichtigen Entscheidungskriterium. Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht darüber, wie das Budget letztlich genutzt wurde: 185

191 5.6 Budgetplanung 5 AZBDAE Artikel Stückzahl Preis (in Euro) inkl. Versand Stirling-Motor 1 231,76 Fresnellinse 1 185,82 Generator 1 Photovoltaikanlage 1 35,14 Blei-Gel-Akku 1 38,80 Kabel-Set 1 15,45 Motoren 2 178,64 Motoren (Ersatz) 2 35,99 Mikrocontroller 4 13,70 Programmer 1 24,79 Steckboard 1 7,48 Platine-Steuerung (inkl. Fertigung) 1 8,50 GPS-Modul 1 37,69 Magnetometer 1 21,13 Bluetooth-Modul 2 15,68 SD-Karte 1 3,95 Potentiometer 4 32,07 Laderegler (Komponenten) o.a. 26,57 Hardware-Zubehörteile o.a. 30,93 Drehkranz (inkl. Zahnrad) 1 31,68 Plattform-Materialien o.a. 223,58 Gesamt 1198,35 Die in der Tabelle aufgeführten Angaben geben an, wie viele der einzelnen Artikel gekauft wurden und wie hoch deren Gesamtpreis inklusive Mehrwertsteuer und Versand war. Speziell bei den Artikeln bezüglich des Ladereglers, der Hardware-Zubehörteile und der Plattform-Materialien kann keine genaue Stückzahl genannt werden. Der Laderegler an sich ist eine selbst gebaute Komponente, die aus vielen einzelnen Elektronik-Komponenten besteht, unter anderen Transistoren, Widerständen und ähnlichen. Ähnliches trifft auf die Hardware-Zubehörteile zu. Unter diesem Oberpunkt sind alle Elektronik-Komponenten und integrated circuit (IC)-Komponenten zusammengefasst, die für die einzelnen Sensor-Module und Mikrocontroller benötigt wurden, auch die Schalt- und Linearregler fallen hierunter. Die entsprechenden Komponenten finden sich im Detail alle im Schaltplan wieder. Eine genaue Angabe zur Stückzahl der Plattform-Materialien ist ebenfalls schwierig, da in diesem Fall verschiedene Materialien gekauft wurden. Zum einem Werkstoffe wie Holz- und Stegplatten, zum anderen Konstruktionsbauteile wie beispielsweise Haltestangen, Schrauben und Gewindestangen. Nennenswert ist ebenfalls, dass während der Entwicklung des Prototyps bei Testläufen einer der ursprünglich gekauften Motoren irreparabel beschädigt wurde. Daraufhin wurden vorsorglich gleich zwei kostengünstigere Motoren zum Ersatz gekauft. Diese hatten zwar nicht denselben Drehmoment und waren somit schwächere Motoren, konnten jedoch ohne größere Performance-Verluste als Ersatz dienen, da die Leistung der ursprünglichen Motoren bewusst leicht überdimensioniert war. Insgesamt wurde beim Einkauf aller Komponenten darauf geachtet, dass diese ein gutes Preis-Leistungs- Verhältnis besitzen, da wie eingangs erwähnt, der Kostenaspekt aufgrund des begrenzten Budgets nicht vernachlässigbar war. Letztendlich wurde mit dem Budget so effizient gewirtschaftet, dass noch in etwa 800 Euro zur Verfügung stehen. Dadurch konnte bis zum Ende des Projekts gewährleistet werden, dass 186

192 5.6 Budgetplanung 5 AZBDAE im Fall eines Ausfalls von Komponenten, diese ersetzt werden konnten. 187

193 6 TEST UND MESSPLAN 6 Test und Messplan 6.1 Test der Energiekomponenten Einleitung Bei dem vorliegenden Kapitel handelt es sich um einen Testplan bzw. Überprüfungsplan. Es werden die Energiekomponenten auf Funktionsfähigkeit überprüft. Die spezifischen Anforderungen und Inhalt sind: Test / Überprüfung der Energiekomponenten auf Funktionsfähigkeit Detaillierter Testplan, Testszenarien Testen der einzelnen Komponenten vor dem Einbau Testen der einzelnen Komponenten nach dem Einbau Dokumentation und Auswertung der einzelnen Tests Es werden die zu testenden Komponenten des Energiesystems benannt und zu diesen adäquate Testfälle entworfen. Außerdem werden Anforderungen an Hardware und andere Betriebsmittel, die für die Tests benötigt werden, definiert. Zweck des Testplans ist es, ein organisiertes Testen der Energiekomponenten zu ermöglichen. Der Testplan richtet sich an die Projektgruppe, sowie insbesondere an die Tester Testplan Im Testplan werden die Energiekomponenten vor und nach dem Einbau getestet. Die Tests mit den Komponenten vor dem Einbau beziehen sich auf die Datenblätter über die einzelnen Komponenten und die Tests mit den Komponenten nach dem Einbau beziehen sich auf die Anforderungsdefinitionen, insbesondere auf die funktionalen Anforderungen Test vor dem Einbau Der Testplan vor dem Einbau dient nur zur Überprüfung auf Funktionsfähigkeit der einzelnen Energiekomponenten. Die Nenndaten aus den jeweiligen Datenblättern der Komponenten werden mit den Testdaten verglichen. Das Ergebnis der einzelnen Testpläne sieht vor, dass die Nenndaten entweder erfüllt oder nicht erfüllt worden sind. Das Energiesystem besteht hauptsächlich aus den folgenden Komponenten: Solarzelle Fresnellinse Stirlingmotor DC Generator Batterie 188

194 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Was soll getestet werden? Das Testen der einzelnen Energiekomponenten vor dem Einbau hat folgende Gründe: Ob die technischen Daten der Komponenten, die im Datenblatt angegeben sind, der Realität entsprechen Ob die Komponentenparameter den Bedürfnissen des Prototypen entsprechen. Im folgenden gibt es eine kurze Erklärung darüber, worauf die einzelnen Komponenten getestet werden. Solarzelle Fresnellinse Die Solarzelle wird auf der Plattform installiert werden. Hierbei soll geschaut werden, ob die Größe und das Gewicht der Solarzelle zu dem Entwurf der Plattform angemessen ist und ob die technischen Angaben der Solarzelle stimmen. Die Fresnellinse wird zusammen mit dem Stirlingmotor auf dem Prototypen installiert werden. Der Abstand zwischen der Fresnellinse und dem Stirlingmotor spielt dabei eine sehr wichtige Rolle, denn der Brennpunkt der Linse muss genau auf dem Stirlingmotor liegen. Deswegen werden die Größe, das Gewicht und die Brennweite der Linse überprüft. Stirlingmotor Der Stirlingmotor wird zusammen mit der Fresnellinse auf dem Prototypen installiert werden. Da der Stirlingmotor mit Sonnenenergie betrieben wird, ist es hierbei wichtig zu wissen, ab welcher Temperatur, in C, der Stirlingmotor startet. Außerdem ist es wichtig zu testen, wie hoch die maximale Drehzahl, in U min, einmal mit Last und einmal ohne Last, sowie das Drehmoment, in N m, des Stirlingmotors ist. Diese Parameter sind wichtig für die Auswahl eines passenden DC Generators. DC Generator Die Effizienz der Stromerzeugung ist abhängig von dem Gleichstrommotor und seiner Drehzahl, insbesondere die Ausgangsspannung und die Ausgangsstromstärke. Zusätzlich ist das Antriebsdrehmoment und der Zusammenhang zwischen der Drehzahl und dem Output wichtig. Batterie Zu allererst soll überprüft werden, ob ein intaktes Datenblatt auf der Batterie existiert, auf welchem steht, um welches Modell es sich handelt, wie hoch die Nennspannung und wann das Produkt gefertigt worden ist, usw.. Anschließend muss überprüft werden, ob es Brüche, Lecks, Verformungen o. Ä. gibt, da solche Probleme die Lebensdauer der Batterie und die Betriebssicherheit direkt beeinflussen. Des weiteren soll die Leerlaufspannung, bzw. die Nennspannung gemessen werden. Darüber hinaus muss die Spannung bei voller Aufladung der Batterie und bei voller Entladung gemessen werden. Hinzu kommt die Messung für die Ausgangsstromstärke. Diese Werte dienen der Festlegung der Auflade- und Entladeabschaltung. 189

195 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Deswegen werden die folgenden Parameter für jede einzelne Komponente überprüft. Komponente Solarzelle Fresnellinse Stirlingmotor DC Generator Batterie Parameter Gewicht (kg) Größe L/W/H (cm) Leerlaufspannung (V ) Max. Ausgangsstromstärke (A) Gewicht (kg) Größe L/W/H (cm) Brennweite (cm) Gewicht (kg) Größe L/W/H (cm) Drehmoment (N m) Max. Drehzahl ( U min ) Starttemperatur ( C) Gewicht (kg) Größe L/W/H (cm) Drehmoment (N m) Drehzahl ( U min ) Ausgangsspannung (V ) Ausgangsstromstärke (A) Zustand der Batterie (Säureaustritt, Lecks, Verformung) Gewicht (kg) Größe L/W/H (cm) Leerlaufspannung (V ) Abschaltspannung (V ) Kapazität (Ah) Welche Geräte werden benötigt? Die folgenden Parameter umfassen fast alle Angaben, die notwendig für das Testen der Komponenten sind. Größe L/W/H (cm) Gewicht (kg) Spannung (V ) Stromstärke (A) Brennweite (cm) Drehmoment (N m) Drehzahl ( U min ) Temperatur ( C) Zur Messung der oben genannten Parameter werden folgenden Werkzeuge benötigt: 190

196 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Elektronische Waage Zollstock/ Nonius Stromstärkenmessgerät Voltmeter Digital Multimeter Drehmomentsensor/Drehmomentmesser Elektronischer Drehzahlmesser Infrarot-Thermometer Zur Messung einiger Parameter werden zusätzliche Werkzeuge oder Hilfsmittel benötigt, die in der Liste oben nicht aufgeführt werden, da es sich um Einzelfälle handelt. Diese sind aber in den Testfällen extra markiert worden. 191

197 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Testcases In diesem Kapitel werden die Testfälle für jede einzelne Komponente präsentiert. Testfall 1 Testobjekt: Solarzelle Die zu messenden Werte: Gewicht (kg) Größe L/W/H (cm) Leerlaufspannung (V ) Kurzschlussstrom (A) Werkzeuge: elektronische Waage Zollstock/Nonius Stromstärkenmessgerät Digital Multimeter Thermometer Testschritte: 1. Das Gewicht des Testobjekts wird durch die elektronische Waage gemessen. 2. Die Größe des Testobjekts (Länge, Breite und Höhe) wird mit Hilfe des Zollstock/ Nonius gemessen. 3. Die Solarzelle wird direkt in die Sonne platziert. Es muss solange getestet werden, bis die Messdaten konstant sind. 4. Die Leerlaufspannung des Testobjekts wird mit einem Digital Multimeter gemessen. 5. Die Kurzschlussstromstärke der Solarzelle wird durch ein Digital Multimeter gemessen. 192

198 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Testprotokoll und Datenaufzeichnung: Hinweis: Jeder Test wurde mindestens 3 mal durchgeführt. 1. Gewicht: 2,23 kg 2. Abmessung: 51,8 cm x 35,2 cm x 2,5 cm 3. Leerlaufspannung V und Kurzschlussstrom A: Versuch Versuch Versuch Leerlaufspannung V Kurzschlusstromstärke A 1.Versuch 19,62 0,17 2.Versuch 20,30 0,34 3.Versuch 21,24 0,53(0,62) 193

199 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Kommentar / Auffälligkeiten beim Testfall: Es gibt Standardbedingungen für Tests einer Solarzelle[9] AM1.5 (Mittagssonnenlicht bei klarem Himmel, 1000 W /m 2 ) 25 C (Temperatur der Testumgebung) Vergleich mit Datenblatt Wie erwartet Nicht wie erwartet X Überprüfer: Zichun Datum:

200 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Testfall 2 Testobjekt: Fresnellinse Die zu messenden Werte: Gewicht (kg) Größe L/W/H (cm) Brennweite (cm) Werkzeuge: elektronische Waage Zollstock/Nonius Herkömmliche Glühlampe/andere Lichtquelle Haltewinkel Ordentliche Platte Testschritte: 1. Das Gewicht des Testobjekts wird durch die elektronische Waage gemessen. 2. Die Größe des Testobjekts (Länge, Breite und Höhe) wird mit Hilfe des Zollstock/ Nonius gemessen. 3. Die Linse und die Platte werden durch einen Haltewinkel parallel befestigt. Von der nach außen gerichteten Seite der Linse wird im Abstand von 30 cm eine Lichtquelle platziert. An der Seite des Aufbaus, zwischen der Linse und der Platte, wird ein Zollstock befestigt (siehe Abbildung 175). 4.In der vertikalen Richtung der Linse wird die Platte nach vorne oder nach hinten verschoben, um den kleinsten Fokus zu finden und die Brennweite zu bestimmen. 5. Die Lichtquelle wird in verschiedene Richtungen bewegt. Es soll geschaut werden, ob sich der Brennpunkt verändert. Abbildung 175: Aufbau zu dem Test der Fresnellinse 195

201 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Testprotokoll und Datenaufzeichnung: Hinweis: Jeder Test wurde mindestens 3 mal durchgeführt. 1. Gewicht: 3,47 kg 2. Abmessung: 80,6 cm x 80,7 cm x 3,9 cm 3. Größe des Brennpunktes: 10,12 cm 4. Brennweite: 71,80 cm/72,25 cm Aufbau Kommentar / Auffälligkeiten beim Testfall: Auf Grund der nicht parallelen Strahlen des Halogenstrahlers lässt sich kein wirklicher Fokuspunkt finden. Die Abweichungen von den Herstellerangaben bei der hier durchgeführten Messung lässt sich durch die Verwendung des Halogenstrahlers begründen. Vergleich mit Datenblatt Wie erwartet Nicht wie erwartet X Überprüfer: Zichun Datum:

202 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Testobjekt: Stirlingmotor Die zu messenden Werte: Gewicht (kg) Größe L/W/H (cm) Drehmoment (N m) Starttemperatur ( C) Max.Drehzahl ( U min ) Werkzeuge: elektronische Waage Zollstock/Nonius Thermometer elektronischer Drehzahlmesser Testfall 3 Drehmomentsensor/Drehmomentmesser Wärmequelle Testschritte: 1. Das Gewicht des Testobjekts wird durch die elektronische Waage gemessen. 2. Die Größe des Testobjekts (Länge, Breite und Höhe) wird mit Hilfe des Zollstock/ Nonius gemessen. 3. Der Stirlingmotor wird zuerst allmählich durch einen einstellbaren Wärmeerzeuger erhitzt, bis der Motor langsam zu laufen beginnt. Dieser Test, um die Starttemperatur zu ermitteln, muss mehrmals wiederholt werden, um einen relativ genauen Wert zu erhalten. Die Starttemperatur des Motors kann mit Hilfe des Thermometers gemessen werden. 4. Das Drehmoment des Stirlingmotors wird durch einen Drehmomentsensor / Drehmomentmesser gemessen. 5. Der Stirlingmotor wird durch einen einstellbaren Wärmeerzeuger erhitzt. Dann kann die max. Geschwindigkeit / Drehzahl des Stirlingmotors durch den elektronischen Drehzahlmesser gemessen werden. Das Testen der max. Geschwindigkeit / Drehzahl muss ebenfalls mehrmals durchgeführt werden, um einen relativ genauen Wert zu erhalten. 197

203 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Testprotokoll und Datenaufzeichnung: Hinweis: Jeder Test wurde mindestens 3 mal durchgeführt. 1. Gewicht: 0,735 kg 2. Abmessung: 21,8 cm x 8,8 cm x 8,8 cm 3. Max. Drehzahl (rpm) max. Drehzahl bei 530 C Temperatur Drehzahl Bis 300 C Max. bis 900 rpm 300 bis 400 C Max bis 1500 rpm 400 bis 500 C Max bis 2100 rpm 500 bis 600 C Max bis 2700 rpm 600 bis 700 C Max bis 2700 rpm 700 bis 900 C Max bis 2700 rpm Starttemperatur ( C) 1. Versuch 660,5 C/752,2 C/887,6 C Danach war der Stirlingmotor kaputt 2. Versuch ab ca. 150 C 3. Versuch bei der Untersuchung der Zahnradverhältnisse ab ca.130 C 4. Versuch bei der Untersuchung der Zahnradverhältnisse Anfangstemperatur Starttemperatur Differenztemperatur 20,7 C 27,6 C 6,9 C 23,1 C 33,2 C 10,1 C 112 C 120 C 8 C Die Starttemperatur ist stark abhängig von der Umgebungstemperatur. Die Temperaturdifferenz muss mindestens 10 C sein. 198

204 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Kommentar / Auffälligkeiten beim Testfall: Das Drehmoment wurde aufgrund der fehlenden Messgeräte nicht gemessen Bedingungen für den Start des Stirlingmotos Erreichen der Temperaturdifferenz manuelle Initialdrehung konstante Erhitzung Vergleich mit Datenblatt Wie erwartet Nicht wie erwartet X Überprüfer: Zichun Datum:

205 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Testfall 4 Testobjekt: DC-Generator Die zu messenden Werte: Gewicht (kg) Größe L/W/H (cm) Drehmoment (N m) Ausgangsspannung (V ) Ausgangsstromstärke (A) Werkzeuge: elektronische Waage Zollstock/Nonius Digital Multimeter elektronischer Drehzahlmesser Drehmomentsensor/Drehmomentmesser zweiter Motor mit Drehzahlregelung Testschritte: 1. Das Gewicht des Testobjekts wird durch die elektronische Waage gemessen. 2. Die Größe des Testobjekts (Länge, Breite und Höhe) wird mit Hilfe des Zollstock/ Nonius gemessen. 3. Der DC-Generator wird direkt mit dem anderen Motor, mit dem sich die Drehzahl variabel einstellen lässt, mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1, verbunden. Durch den Drehzahlregler kann der zweite Motor mit verschiedenen Geschwindigkeiten betrieben werden. Bei verschiedenen Geschwindigkeiten werden die Ausgangsspannung und die Ausgangsstromstärke des DC- Generators gemessen. Hier werden der Digital Multimeter und der elektronische Drehzahlmesser zum Test benötigt. 4. Das Drehmoment des DC-Motors wird durch den Drehmomentsensor / Drehmomentmesser gemessen. 200

206 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Testprotokoll und Datenaufzeichnung: Hinweis: Jeder Test wurde mindestens 3 mal durchgeführt. 1. Gewicht: 0,42 2kg 2. Abmessung: 7,65 cm x 4,1 cm x 4,1 cm 3. Motorenwelle: 12 cm Verhältnis zwischen Spannung/Stromstärke und Drehzahl Als Motor Spannung/Strom zu Drehzahl: Anfang 12 V / 1370 rpm V rpm V rpm 12, , , , , , , , , , , , , , , , , , Messabwichung von 2 +/- rpm Die Stromstärke bleibt immer gleich in Höhe von 0,07 A im Leerlauf. als DC-Generator Drehzahl zu Spannung/Stromstärke rpm V A ca ,3-5,2 0,46-0,48 ca ,8-9,3 0,94-0,96 ca ,7-1,9 201

207 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Kommentar / Auffälligkeiten beim Testfall: Die Ausgangsspannung und -stromstärke sind stark abhängig von der Drehzahl Das Drehmoment konnte aufgrund der fehlenden Messgeräte nicht gemessen werden Vergleich mit Datenblatt Wie erwartet Nicht wie erwartet X Überprüfer: Zichun Datum:

208 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Testfall 5 Testobjekt: Batterie Die zu messenden Werte: Überprüfung des Batteriezustandes Gewicht(kg) Größe L/W/H (cm) Leerlaufspannung (V ) Kapazität (Ah) Werkzeuge: elektronische Waage Zollstock/Nonius Digital Multimeter Laderegeler für 12 V Blei-Batterie Testschritte: 1. Das Gewicht des Testobjekts wird durch die elektronische Waage gemessen. 2. Die Größe des Testobjekts (Länge, Breite und Höhe) wird mit Hilfe des Zollstock/ Nonius gemessen. 3. Die Leerlaufspannung des Testobjekts wird durch einen Digital-Multimeter gemessen. 4. Die Batterie wird mit Hilfe eines Ladereglers aufgeladen. Mit Hilfe des Digital Multimeter wird dann die Spannung an der Batterie gemessen. 5. Die Batterie wird entladen. Mit einem Digital Multimeter wird die Leerlaufspannung gemessen. 6. Die Kapazität der Batterie kann unter der Bezugnahme von der Entladungsdauer und der Lastgröße berechnet werden. 203

209 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Testprotokoll und Datenaufzeichnung: Hinweis: Jeder Test wurde mindestens 3 mal durchgeführt. 1. Gewicht: 5,4 kg 2. Abmessung: 18,1 cm x 7,1 cm x 16,65 cm 3. Batteriezustand: Batteriegehäuse ist nicht beschädigt, bzw. ohne Säureaustritt, ohne Ruptur und ohne Deformation 3. Leerlaufspannung V : werkseitiger Zustand Nach 3 Versuchen bleibt die Spannung immer bei 12,75 V 4. Auflade- und Entladetest 4.1 Aufladetest Anfang: 12,75 V dann: 12,84 V,/12,99 V /13,00 V 204

210 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN 4. Auflade- und Entladetest 4.2 Entladetest Der Motor wurde als Last an die Batterie angeschlossen Anfang: 13,00 V dann: 12,89 V,/12,76 V /12,67 V 5. Kapazitätstest: siehe 6.2 Kommentar / Auffälligkeiten beim Testfall: Der Wekrzustand und die Funktionalität der Batterie sind einwandfrei. Es besteht volle Auf- und Entladefunktionalität. Vergleich mit Datenblatt Wie erwartet Nicht wie erwartet X Überprüfer: Zichun Datum:

211 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN Diskussion/Erwartetes Ergebnis In diesem Kapitel werden die vom Hersteller angegebenen technischen Daten der Energiekomponenten noch einmal übersichtlich zusammen gestellt. Diese Übersicht wird für den Vergleich mit den in dem Test erhaltenen Daten und zur Diskussion verwendet, ob jede entsprechende Komponente und jedes Detail der Nenndaten wie im angegebenen technischen Datenblatt entsprechen. Komponente Erwartetes Ergebnis Messwerte Solarzelle Abmessung: 51,8cm x 35cm x 2,5cm Abmessung: 51,8cm x 35,2cm x 2,5cm) Gewicht: 2.18Kg Gewicht: 2.13Kg Leerlaufspannung: V Leerlaufspannung: 21.24V Spannung bei Nennleistung: 18.1V Strom bei Nennleistung: ca. 1.11A Leerlaufspannung: keine Angabe Strom bei Nennleistung: keine Angabe Fresnellinse Abmessung: 78,87cm x 76,2cm Abmessung: 82,6cm x 80,7cm x 3,9cm Gewicht: 3,6kg Brennweite 71,12cm Größe des Brennpunkts: 10,16cm Gewicht: 3,47kg Brennweite 71,8/72,25cm Größe des Brennpunkts: ca. 10,12cm Stirlingmotor Abmessung: keine Angabe Abmessung: 21,8cm x 8,8cm x 8,8cm Gewicht: keine Angabe Max. Drehzahl 3000 U min Gewicht: 0,375kg Max. Drehzahl 2700 U min bei 500 Grad Celsius DC Generator noch keine Angaben Abmessung: 7,65cm x 4,1cm x 4,1cm Motorenwelle: 12cm Gewicht: 2,18kg Batterie Leerlaufspannung 12V Leerlaufspannung 12,75V Abmessung: 18,1cm x 7,6cm x 16,6cm Kapazitaet 18Ah Abmessung: 18,1cm x 7,1cm x 16,65cm Einige Messwerte sind anders als die vom Hersteller angegeben. Die Grunde für die Differenz haben unterschiedliche Ursachen. Die Abmessungen und das Gewicht der Komponenten sind abweichend von den Herstellerangaben, da die meisten Komponenten Massprodukte sind. Die Differenz von einigen elektronischen Parameter sind anhand von standardisierten Messbedingungen abweichend, trotzdem ist die elektronische Funktionsfähigkeit aller Komponenten gegeben. Wegen der Testsbedingungen hat der Messwert der Brennweite eine geringe Abweichung von der Herstellerangabe. Zum Zeitpunkt des Tests war eine Messung mit Sonnestrahlen nicht möglich. Auf Grund der geringen Abweichung vom Testerergbnis haben wir die Brennweite der Herstellerangabe genutzt. Nach dem Vergleich der technischen Daten die von dem Hersteller im Datenblatt angegeben sind, wurden die Informationen der einzelnen Energiekomponenten festgestellt. Alle Ergebnisse weisen nur geringfügige Abweichungen auf. Diese Abweichungen sind auf Messungenauigkeiten zurück zu führen. Das heißt, dass die elektronische Funktionsfähigkeit aller Komponenten und die Komponentenparameter den funktionalen Anforderungen des Prototypen entsprechen Test nach dem Einbau/Gesamttest des Energiesystems Der Gesamttest des Energiesystems, bzw der Testplan nach dem Einbau, dient zur Überprüfung auf Funktionsfähigkeit des gesamten Energiesystems. Das bedeutet, das gesamte Energiesystem muss die 206

212 6.1 Test der Energiekomponenten 6 TEST UND MESSPLAN folgenden funktionalen Anforderungen erreichen: A10 Der Prototyp muss sich energetisch über Sonnenkraft versorgen. A20 Der Prototyp muss zwei Wandlungsformen von solar zu elektrisch berücksichtigen (Photovoltaik und Stirling). A40 Es muss von kinetischer Energie auf elektrische Energie umgewandelt werden. A60 Wenn ausreichend Energie erzeugt wird, muss die Batterie geladen werden. Testcase Testobjekt: gesamtes Energiesystem Die zu messenden Werte: Solarzelle Spannung / Stromstärke bei Batterieaufladung Fresnellinse Brennweite Stirlingmotor und DC Generator Ausgangsspannung (V ) und Ausgangsstromstärke (A) bei ausreichender Sonnenenergie zur Batterieaufladung Batterie Ladesituation Werkzeuge: Zollstock/Nonius Digital Multimeter Thermometer Testschritte: 1. Am Anfang des Gesamttests wird die Spannung der Batterie gemessen, um die Kapazitätssituation der Batterie zu wissen. Die Brennweite wird ebenfalls gemessen. 2. Es werden die Ausgangsspannung (V ) und die Ausgangsstromstärke (A) der Energieerzeuger (Solarzelle, Stirlingmotor+ DC-Generator) gemessen. 3. Nach einiger Zeit wird die Spannung der Batterie wieder gemessen, um die Aufladefunktionalität zu überprüfen 207

213 6.2 Kapazitätstest 6 TEST UND MESSPLAN Testprotokoll und Datenaufzeichnung: Anfangsdaten: Umgebungstemperatur: 5,5 C Anfangsspannung der Batterie: 12,7 V Brennweite: 71,12 cm (wie Herstellerangabe) Gemessene Werte: Stromstärke (A) Spannung V Leerlaufspannung der Batterie nach AufladenV Stirlingmotor+DC Generator Solarzelle 0,6 A 13,4 V 12,8 V Kommentar / Auffälligkeiten beim Testfall: 1. Die Temperatur am Stirlingmotor betrug nach einer halben Stunde ca. 40 C, d.h. die Temperaturdifferenz von 35 C liegt unter der getesteten Starttemperaturdifferenz von 60 C. Da die Umgebungstemperatur sehr niedrig war und der Wind sehr stark, wurde der Stirlingmotor schneller gekühlt als erhitzt. 2. Zum Aufbau des Prototypen wird die Herstellerangabe für die Brennweite aufgrund der geringeren Abweichung von dem Testergebnis genutzt. Durch den Gesamttest wurde gezeigt, dass die Herstellerangabe korrekt ist. Überprüfer: Zichun Datum: Kapazitätstest Auf einem Gesamtgruppentreffen wurde die Frage nach einem Kapazitätstest gestellt. Dieser wird nun im Folgenden beschrieben Vorgehen beim Kapazitätstest Zur Berechnung der Kapazität muss man folgende Einheiten kennen: Stunde h Stromstärke Ampere A Amperestunde Ah Entladestromabhängige Kapazität C Entladestromabhängige Kapazität Die Kapazität eines Batterie bezeichnet man als C. Der Entladestrom, der zum Testen verwendet werden soll, wird im Verhältnis zu C gestellt. 208

214 6.2 Kapazitätstest 6 TEST UND MESSPLAN C1: C dividiert durch 1: bei 100 Ah Entladestrom 100 A C5: C dividiert durch 5: bei 100 Ah Entladestrom 20 A C20: C dividiert durch 20: bei 100 Ah Entladestrom 5 A C100: C dividiert durch 100: bei 100 Ah Entladestrom 1 A Wozu werden die Rechnungen benötigt? Die Kapazität ändert sich mit dem entnommen Strom. Daher ist es bei einer 100Ah Batterie nicht unbedeutend, ob der Batterie eine Stunde lang mit 100 A (C1) entnommen wird, 10 h lang mit 10 A (C10), 20 h lang mit 5 A (C20) oder 100 h lang mit 1 A (C100). Die Unterschiede in den ermittelten Kapazitäten sind beachtlich. Bei Herstellern von Batterien wird diese Angabe in C20 angegeben. Eine rechnerisches Umschlüsseln von z.b. von C20 auf C10, um die Betriebsdauer zu berechnen, führt immer zu falschen Ergebnissen. 1. Rechenbeispiel: 100Ah Batterie, Entnahmestrom 5A (C20), daher 20 h Betriebszeit ergibt rechnerisch ein richtiges Ergebnis, trotzdem sind es keine 20h Betriebszeit. 2. Rechenbeispiel: 100Ah Batterie, Entnahmestrom 1A (C100), daher 100h Betriebszeit ergibt schon von vornherein ein falsches Ergebnis. Es werden eher 120 bis 130h sein, die rechnerisch zur Verfügung stehen. Je geringer die Stromentnahme desto länger die mögliche Betriebszeit und je höher die Stromentnahme desto kürzer die mögliche Betriebszeit im Vergleich zu den Angaben der Batterie Warum ist die C20-Angabe nicht richtig? Weil die Tiefentladung einer Batterie die Lebensdauer reduziert und zwar nach Batterietyp je ein wenig, merklich oder stark. Daher darf ein Batterie immer nur soweit entladen werden, bis die Spannung einen bestimmten Wert nicht unterschreitet. Dieser Wert ist normalerweise im Datenblatt angeben Allgemeiner Aufbau und Durchführung Zuerst wird ein Voltmeter benötigt und eine Last, die an die Batterie angeschlossen wird, die annähernd C20 ergibt. An die Batterie darf während der Messung keine weiteren Lasten außer den Messlasten angeschlossen werden. Zuerst wird die Batterie aufgeladen. Anschließend muss ein Zeitpunkt gesucht werden, an dem man 12 bis 18 h später bei der Batterie sein kann. Wurde der Zeitpunkt gewählt, so wird die Last an die Batterie angeschlossen und die Batterie so lange entladen ohne in die Tiefentladungsbereich zu kommen. Wenn keine Angaben zu der Entladeschlussspannung vorliegen, so kann als Entladespannung 10,8 V benutzt werden, da dies die Standartentladetiefe für 12 V Batterien ist. Aus der Multiplikation des Stromes der Prüflast mit der Anzahl der Stunden errechnet sich die tatsächliche vorhandene Kapazität[68] Durchführung des Testes Der Kapazitätstest wurde am Wochenende vom durchgeführt. Die gewählten Parameter sind: 14,11 V als Ladeschlussspannung 10,8 V als Entladeschlussspannung 209

215 6.2 Kapazitätstest 6 TEST UND MESSPLAN C20 Prüflast 12 V, 10 W Halogenlampe 0,83 A Entladestrom Vorgehen Als die Batterie aufgeladen war, siehe Abbildung 176, wurde der Verbraucher an die Batterie angeschlossen. Abbildung 177 zeigt den Verbraucher, wie er nach dem Anschluss an die Batterie anfing zu leuchten. Abbildung 176: Batterie bis 14,1 V aufgeladen Abbildung 177: Anschluss des Verbrauchers an die Batterie 210

216 6.2 Kapazitätstest 6 TEST UND MESSPLAN Es wurde nun ein Zeitpunkt gewählt und notiert und die Spannung an der Batterie mit Hilfe des Multimeters abgelesen. Es wurden weitere, leider willkürliche, andere Zeitpunkte gewählt und jeweils der Zeitpunkt und die Spannung notiert. Die unterschiedlichen Zeitpunkte konnten leider nicht anders vermieden werden. Abbildung 178: Zwischenzeitliche Messung Auswertung Die Abbildung 179 zeigt die gemessenen Spannungen mit dem Multimeter an der Batterie und die dazugehörigen Zeitpunkte. Die gesamte durchgeführte Messung ist in Abbildung 180 noch mal aufgeführt. Insgesamt wurde in dem Zeitraum von 15:36 Uhr bis 10:28 Uhr die Messung durchgeführt. Der Zeitraum beträgt 18 Stunden und 52 Minuten. Abbildung 179: Die gemessenen Spannungen zu den verschiedenen Zeitpunkten 211

217 6.3 Test aller Komponenten des Ladereglers 6 TEST UND MESSPLAN Abbildung 180: Graph zu der Tabelle Rechnung 18 Stunden 52 Minuten in Stunden umrechnen 52/60 = 0,86 18, 86 h 0, 83 A = 15, 65 Ah. Es steht somit eine Kapazität von 15,65 Ah zur Verfügung. 6.3 Test aller Komponenten des Ladereglers Nachdem alle Komponenten beisammen waren, mussten die einzelnen Komponenten getestet werden. Im folgenden werden einzelne Testabläufe beschrieben, mit denen die einzelnen Komponenten getestet worden sind LED- und Mikrocontroller-Test Testbeschreibung Die LEDS werden mittels ihrer Vorwiderstände auf einem Breadboard festgemacht. Zusätzlich wird der ATtiny13 auch auf dem Breadboard eingesteckt. Es wurden nun vier Ports gewählt und je einer mit einer LED verbunden und über die LED wieder zurück zu Ground. Anschließend wird ein Beispielprogramm, dass in C++ geschrieben wurde, auf den Mikrocontroller überspielt. Um ein Programm auf den Mikrocontroller zu überspielen, wurde eine AVR-All-Progammer von Diamax verwendet. Dieser wird mit dem Mikrocontroller an bestimmten Ports verbunden und am Laptop über die USB-Schnittstelle. 212

218 6.3 Test aller Komponenten des Ladereglers 6 TEST UND MESSPLAN Abbildung 181: AVR-All-Programmer 181 zeigt den AVR-All-Programmer der benutzt worden ist, um ein geschriebenes C++-Programm auf den Mikrocontroller zu überspielen. Der Programmer musste mit den Ports MOSI, MISO, RESET, SCL, VCC und Ground verbunden werden. Abbildung 182 zeigt den Schaltplan zu diesem Test. Das Beispielprogramm, dass für diesen Test verwendet worden ist, wurde extern mitgeliefert. Abbildung 182: Schaltbild von dem LED- und Mikrocontroller-Test Testauswertung Der Mikrocontroller hat abwechselnd die Ports auf High und dann auf Low gesetzt und dadurch haben die LEDs geleuchtet. 213