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Thema: Heliostat auf 2000m

  1. #1
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    Heliostat auf 2000m

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    Hallo Roboternetzler(innen),

    Ich habe mir zwar schon ein paar Gedanken über mein kleines Projekt gemacht,
    bin mir allerdings noch nicht ganz sicher ob das dann alles so werden kann, wie es werden soll


    Es geht um ein Tal in Ost-West Ausrichtung.
    Am Nordhang (schattig 1100m üNN) steht eine Anlage die mit drei Photovoltaikplatten, einer
    Methanol Brennstoffzelle (www.sfc.com) und zwei 230Ah Bleigelakkus zur Pufferung betrieben wird.
    Die Anlage läuft 24/7.

    Im Sommer klappt das alles wunderbar.
    Die nach norden ausgerichteten Platten liefern über die Umgebungsstrahlung soviel Energie,
    dass die Brennstoffzelle (MFC) nur selten nachhelfen muss.

    Im Winter sieht das schon schlechter aus.

    Nun habe ich vor einen Heliostaten auf dem gegenüberliegenden Südhang zu installieren.
    Dieser soll die vorhandenen Photovoltaikplatten der Anlage in ca. 2000m Entfernung besonnen.
    Möchte ich die Platten mit einer Genauigkeit von +/- 1m treffen dann....
    (tan(a)=1m/2000m)
    ... muss der Spiegel +/- 0,03Grad genau gestellt werden. ... :-/ ... sportlich.


    Der Plan:

    >>Die Sichtline zwischen den beiden Punkten beschreibt das Koordinatensystem

    >>Der aktuelle Sonnenstand wird vorab berechnet.
    Quelle(http://pvcdrom.pveducation.org/SUNLIGHT/sunPSA.HTM)
    Quelle(http://www.psa.es/sdg/sunpos.htm)
    Namit habe ich die Winkel zwischen Sonnenstand und Ziel

    >>Die Ausrichtung des Spiegels ergibt sich aus den Winkelhalbierenden


    Hardware:

    >>Der Spiegel
    soll aus einem normalen Termofenster (doppeltverglast) bestehen,
    welches mit einer Spiegelfolie beklebt wird.
    :Quelle (http://solutions.3m.com/wps/portal/3...beL4S7689SR8gl)

    >>Um das Gestell
    muss sich mein befreundeter Mechaniker kümmern.
    Es läuft wohl auf Spindeltriebe oder Schneckenradgetriebe raus.

    >>Die Hardware
    Ich hab mir bei robotikhardware.de folgendes zusammengesucht.
    RN-Control 1.4 Mega32
    Intelligenter I2C und RS232 Dual-Motortreiber 12V/6A MD25
    2*Getriebemotor EMG30 mit eingebautem Drehgeber und Motorhalterungen
    Bascom USB-ISP-Programmer
    Neue 3. Auflage: Programmieren der AVR-Risc Controller mit Bascom


    >>Genauigkeiten
    Ich brauche eine Stellgenauigkeit von ca. +/-0,03Grad.
    Der Geriebemotor gibt 360 Impulse/Umdrehung, 1 Impuls/Grad
    Wenn mein Schneckenradgetriebe 1/100 untersetzt komm ich auf 0,01Grad/Impuls
    und mein Drehmoment geht von 15N/cm auf 15N/


    Fragen:
    Was haltet Ihr von dem Ansatz?
    Ist der Controller geeignet den Sonnenstand mit der geforderten Genauigkeit zu bestimmen?
    Ich sehe im C-Code (http://www.psa.es/sdg/sunpos.htm) Winkelfunktionen und Variablen vom Typ double :-/
    Ich bestell mir das Bascom Buch. Ist das auch über Bascom zu realisieren?

    Ich würde mich sehr über eure Meinungen freuen.


    Viele Grüße
    mateng

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Ein paar erste Ideen:

    1. Ich würde die geforderte Genauigkeit nicht durch eine Steuerung, sondern durch eine Regelung zu erreichen versuchen. Man könnte z.B. mehrere Reflektoren ("Katzenaugen") um die Solarpanel installieren und vom Spiegel aus mit einer Kamera auswerten. Die Grobeinstellung des Spiegels würde dann nach den Bahndaten der Sonne errechnet und als Führungsgröße dem Regler vorgegeben. Die Feinjustage nach Reflektion der Katzenaugen. Das setzt natürlich voraus, dass die Grobeinstellung wenigstens den Bereich mit den Reflektoren trifft (was anspruchsvoll genug sein dürfte).

    2. Wenn Doppelverglasung (warum willst Du zwei Glasscheiben auf den Berg schleppen?), dann sollte man den Scheibenzwischenraum belüften, weil sich sonst je nach Temperatur/Luftdruck der Spiegel konvex oder konkav verformt.

    3. Bürstenmotoren haben wahrscheinlich nicht die ausreichende Lebensdauer für die Daueranwendung, es muß ja wahrscheinlich minütlich (oder sogar öfter?) nachgestellt werden. Ich würde eher Schrittmotoren vorschlagen. Bei den Motortreibern sollte man darauf achten, dass sie den Strom reduzieren können, wenn nur das Haltemoment aufzubringen ist.

    4. Deine Rechnerei bezüglich Drehmoment ist idealisiert, die Getriebeverluste bei Spindel/Schnecke sind erheblich. Stirnradgetriebe wären da günstiger. Die sind aber nicht selbsthemmend. Man sollte sich also überlegen, ob von außen aufgebrachte Lasten (Schnee, Wind) nicht das Haltemoment überwinden können. Man wird auch wegen den recht geringen Stellgeschwindigkeiten eher eine hohe mechanische Übersetzung anstreben.

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von robocat
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    Nur so als Idee: Vielleicht könnte man einen kleinen Laser benutzen (der von der Solaranlage zum Spiegel rüberstrahlt), um genau ausrichten zu können?

    Und hm: Wie bekommen die Spiegelmotoren ihren Strom?

  4. #4
    Neuer Benutzer Öfters hier
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    Hallo,

    @ranke
    Dein Regelungstipp ist ein guter Hinweis. Auch wenn ich mir die Erstellung und Auswertung
    der Katzenaugenbilder sehr schwierig vorstelle.
    Ich hätte die Möglichkeit einer TCP/IP Verbindung beider Standorte.
    Vielleicht kann mann damit was anfangen.

    Das doppeltverglaste Fenster habe ich mir eigentlich nur wegen der guten
    Montierbarkeit und der Steifigkeit ausgesucht.
    Der Tip, den Scheibenzwischenraum zu belüften ist sicherlich hilfreich.

    Welche Schrittmotoren würdes Du mir denn empfehlen?
    Bei robotikhardware.de habe ich diesen hier gefunden
    Typ: Sanyo Denki 103H7123-5010
    Nennspannung ab 1,6V
    Bipolarer Strom max. 2,0 A
    Widerstand 0,8 Ohm
    Induktivität 3,8 mH
    Haltemoment 85 Ncm
    Schrittwinkel 1,8 Grad
    200 Schritte pro Umdrehung (400 bei Halbschritt)
    Gewicht 650 g
    Maße: 56x56mm
    Achsdurchmesser 6,35mm
    Achslänge 20,6mm und 15,5

    Und zur Ansteuerung RN-Schrittmotor-Steuert Schrittmotoren per I2C,RS232,Takt

    Würde das so passen?

    Wegen Schnee- und Windlasten muss ich mir wohl noch Gedanken machen.
    Generell währe eine teiweise Einhausung denkbar.


    @robocat
    Momentan habe ich zwei Standorte für den Heliostat im Auge.
    Einer davon vefügt über Netzspannung.
    Beide haben TCP/IP über Funk.

    Vielen Dank für eure Antworten
    Grüße aus der Jachenau
    mateng

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Zitat Zitat von mateng Beitrag anzeigen
    Hallo,

    @ranke
    Dein Regelungstipp ist ein guter Hinweis. Auch wenn ich mir die Erstellung und Auswertung
    der Katzenaugenbilder sehr schwierig vorstelle.
    Ich schließe mich Ranke an. Die Kazenaugen/Kamera Lösung halte ich allerdings auch für etwas schwierig. Das sollte auch einfacher gehen z.B. https://storage.driveonweb.de/dowdoc...e5e5e4617b.pdf das natürlich 2 x für Horizontal/Vertikal. Zum Thema Antrieb http://de.nanotec.com/linearaktuatoren.html . Die Idee am Empfänger einen Laser zu setzen ist auch nicht verkehrt, auf Empfänger (Spiegel) Seite dann z.b. einen CCD Sensor oder einen so genannten...
    http://www.silicon-sensor.com/prod_t...p=psd&globloc= Diese Teile sind allerdings sündhaft teuer. Aber mit passender Sammellinse "unschlagbar". Da es nicht auf 1/1000 s ankommt ist ein CCD sicherlich günstiger, die Sammellinse wird in beiden Fällen gebraucht.

    Mit der Methode werden auch Lichtschranken/Rauchmelder justiert, allerdings kenne (ich) nur welche die so ca bis 80 m reichen.

    Gruß Richard

  6. #6
    Neuer Benutzer Öfters hier
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    Hallo,
    ich verstehe die Antwort von Richard und robocat nicht ganz.
    Wie soll mir ein Laser auf der Zielseite helfen den Spiegel auf der Sonnenseite des Tales zu justieren?

    Beide Standorte stehen fest.
    Die werden sich nicht bewegen!

    Scheinbar stehe ich auf dem Schlauch :-/


    Ich denke eher an eine quadratische Anordnung von Fotowiderständen auf der Schattseite (3X3 Meter).
    Jeder Widerstand befindet sich in einem geschwärztem Rohr welches in Richtung Spiegel schaut.
    Trifft der Spiegel, dann sind alle Widerstände gleich.
    Wenn nicht, sendet z.B ein Net IO von Pollin per TCP/IP die Daten an den Spiegelstandort.

    Wir haben unser Tal komplett per Richtfunk vernetzt. Das Problem der Datenübermittlung währe also bereits gelöst.

    Bilder und infos zu unserem Netz gibt es unter jachenau-online.de
    Der Standort um den es geht ist der Staffel.

    Vielen Dank für eure Hilfe
    mateng
    Geändert von mateng (16.06.2011 um 18:37 Uhr) Grund: Typo

  7. #7
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Na ja, der Spiegel soll ja mit der Sonne wandern und ändert dadurch zwangsläufig auch seine Position zum Empfänger und damit der Spiegel der Sonne folgen kann, sollte auch die Sonnen Folge Schaltung am Spiegel sitzen b.z.w. diesen Ausrichten.

    Wie jetzt der Spiegel ausgerichtet werden muss damit er einerseits möglichst viel Sonnenlicht sammelt und andererseits dieses gleichzeitig genau auf dem Empfänger abgibt...Ehrlich gesagt, bin ich jetzt zu faul oder auch zu unbedarft das näher zu überdenken.

    Eine am Empfänger angebrachte "Bake" kann jedenfalls den Spiegel (selbständig) darauf ausrichten ohne großartige Funk Hart und Software, so jedenfalls mein Gedankengang. Aber es führen sicher mehrere "Wege nach Rom"....

    Die Nanotec Linear Aktoren erscheinen mir jedenfalls recht gut, was die Genauigkeit und auch den Preis betrifft. Da ist einen RB35 Bastellösung weit von entfernt. Bei komplizierten Berechnungen sollte man auch einmal an ARM Prozessoren denken.

    Gruß Richard

  8. #8
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von robocat
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    Meine Idee war undurchdacht, sorry für den Schnellschuss. Mit dem Laser könnte der Spiegel die Solarstation anpeilen, soweit mein Gedanke. Aber das soll der Spiegel ja gar nicht, das reflektierte Licht soll treffen, da ist dein Ansatz mit den Fotowiderständen besser - soweit zu dem Zeitpunkt genug Licht da ist; nicht dass er bei schlechtem Wetter endlos herumkorrigiert. Der Laser wäre höchstens gut als Referenzpunkt, den der Spiegel anfährt, um sich neu zu orientieren.

    0,03° wären (weiss nicht ob ich das richtig gerechnet habe) bei einem Spiegel von 1x1m eine Genauigkeit von 0,5mm (eine Seite als starr angenommen).. das ist schon sehr anspruchsvoll, vor allem weil es weit verfahren können soll und du Wind und sowas hast.

    Würde es (von den Verlusten abgesehen) die Sache erleichtern, wenn du einen fest montierten (sehr starren) 2ten Spiegel als Zwischenglied in der Nähe des Heliostaten aufstellen würdest?
    Geändert von robocat (16.06.2011 um 20:10 Uhr)

  9. #9
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Wegen Doppelverglasung:
    Die Steifigkeit wird man durch einen zu konstruierenden Metallrahmen herstellen, auf den die (Einzel-) Glasscheibe aufgeklebt wird. Ein üblicher Fensterflügel mit Rahmen hat alleine vermutlich nicht die nötige Steifigkeit.

    Wegen Motorwahl:
    Du zäumst das Roß von hinten auf. Richtige Vorgehensweise: mechanische Konstruktion soweit fertigstellen, dass die Stellkräfte (verursacht durch Gewicht, Trägheit, Reibung, äußere Kräfte wie Wind, Schnee) festliegen bzw. abgeschätzt werden können. Dann ein Getriebe für den mutmaßlichen Motor aussuchen und dessen Leistungsbedarf ermitteln. Dann kennt man die Drehzahlen und Momente, die an der Getriebeeingangsseite vom Motor aufgebracht werden müssen. Danach richtet sich die Auswahl des Motors. Wenn man den Motor ausgewählt hat weiss man auch ungefähr den elektrischen Leistungsbedarf der Anlage und kann die Solarpanelfläche für den Betrieb des Heliostaten rechnen.

    Zur Regelung:
    Wenn Du die Möglichkeit der Kommunikation zwischen den beiden Standorten hast, kannst Du statt der Reflektoren natürlich auch Fotowiderstände an der Schattenseite nehmen und das Ergebnis zum Heliostaten übermitteln. Möglicherweise ist es auch hilfreich den Output der Solaranlage zu übermitteln und zur Regelung zu verwenden.

  10. #10
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    Lohnt sich der Aufwand?

    a)
    In meiner Vorstellung ist die Solaranlage ca. 10x10m=100qm groß. (Hast Du was zur Größe geschrieben?) Der Spiegel ist ca. 1x1m=1qm groß. Das heißt - im besten Reflexionsfall - verteilt sich das Sonnenlicht von 1qm auf 100qm.

    Ist 1/100 ausreichend?

    Sollen es später mehr Spiegel werden?

    b)
    Falls die Solaranlage auch ca. 1x1m=1qm groß ist. Dann kann man nur hoffen, dass der simple Fensterspiegel über 2000m das Licht nicht über die Maßen streut. So, dass man wieder bei Fall a) landet.

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