Heliostat auf 2000m

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

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.

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?

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

Zitat:

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Zitat von mateng

Hallo,

@ranke
Dein Regelungstipp ist ein guter Hinweis. Auch wenn ich mir die Erstellung und Auswertung
der Katzenaugenbilder sehr schwierig vorstelle.

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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

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

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

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?

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.

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.

Die Einwände von rossir scheinen nicht unberechtigt, deshalb habe ich ein wenig gerechnet.

Auf Fotos von der Station Staffel (siehe: www.jachenau-online.de ) kann man zwei in den Nordhimmel ausgerichtete Solarpanels sehen, Größe geschätzt etwa 0,5 x 0,7 m (jeweils). Sie sind nebeneinander mit einem lichten Abstand von ca. 70 cm am Mast montiert.

Weitere Annahmen: Der Spiegel des Heliostaten hat eine Fläche von 1qm, kann also ca. 1200W Solarstrahlung einfangen. Aus dem Datenblatt der Spiegelfolie entnimmt man eine Gesamtreflektion von 95%, sowie eine Spekularität von > 95% in einem Konuswinkel von 15mrad (entsprechend 0,86 Winkelgrad).

Aus der Gesamtreflektion ergibt sich eine gespiegelte Strahlungsleistung von 1200 W * 0,95 = 1140 W. (1200 W/qm wäre etwa die maximale Strahlungsleistung der Sonne, bei tiefstehender Wintersonne ist das vielleicht etwas optimistisch)

Aus dem Konuswinkel der Spekularität und der Entfernung von 2000 m ergibt sich eine Verteilung von 95% dieser Leistung auf eine Fläche mit einem Durchmesser von d = 2000 * sin 0.86° = 30 m. Die zugehörige Fläche A = 900/4*pi = 700 qm.
Es rechnet sich also eine Strahlungsintensität von 1140 * 0.95 / 700 qm = 1,55 W / qm beim Umsetzer Staffel

Bei einer geschätzten Solarpanelfläche von 0.7 qm ergibt sich eine nutzbare Strahlungsleistung von etwa 1 Watt. Bei einem Wirkungsgrad des Solarmoduls von 10% bleiben noch etwa 100 mW elektrisch über.

Das Ergebnis ist einigermaßen enttäuschend.

Was kann man tun?

Die Angaben zur Spekularität im Datenblatt sind nicht sehr genau, es ist nur der 95% Wert angegeben. Vielleicht kann der Hersteller einen Winkel für 50% der Reflektion angeben, mit dem man sicherlich sinnvoller rechnen könnte. Außerdem könnte man über eine alternative Verspiegelung von Glas mit höherer Qualität nachdenken (Silberspiegel, Aluminiumbedampfung oder die Verwendung von beschichtetem Solarglas). Mit einfachen Spiegeln neben dem Kollektor könnte man dessen wirksame Fläche noch vergrößern (allerdings eventuell auf Kosten der Abschattung von diffus einfallender Strahlung).

Die Spiegelfolie wird vermutlich nicht eben genug sein und relativ viel Streuverluste haben. Aus der Entfernung das Ziel zu treffen ist anspruchsvoll, und viel wird auch daneben gehen - der kaum ganz ebene Spiegel wird dafür sorgen das eine größere Fläche schwach beleuchtet wird - was immerhin das Zielen etwas vereinfacht.

Ich vermute es wäre einfach noch ein paar zusätzliche Module anzubringen, und die in eine andere ggf. bessere Richtung (z.B. West oder Südwest) auszurichten. Eine Alternative wäre ggf. auch ein kleines Windrad als 2te Stromquelle. Für Segelbote gibt es solche kleinen Anlagen auch fertig zu kaufen.

Hallo ranke,
vielen Dank für Deine Überlegungen zum Thema Spiegelwirkungsgrad.

Das Ergebnis ist wirklich niederschmetternd.
Ich habe Deine Rechnung mal nachvollzogen und bin dennoch guter Dinge.

Ich komme auf 1,53 W/qm Strahlunsintensität
Die Platten auf den Fotos entsprechen nicht dem Istzustand

Momentan sind Drei Platten 0,9*1,54m verbaut.
Für eine vierte ist noch Platz.
Dann hätte ich dort oben 5,54qm Fläche.
Der Wirkungsgrad laut Hersteller bei 14%

So komme ich bei 1,53W/mq auf insgesamt 8,49W.
Plattenwirkungsgrad mit eingerechnet sind es dann nur noch 1,19W

Bei 5 Stunden Sonneneinstrahlung immerhin knappe 6Wh täglich
Verdoppel ich die Spiegelfläche bin ich bei mageren 12Wh


#########Andersherum betrachet:
In den sechs Wintermonaten ( wir haben wirklich solange Winter) verbrennt meine MFC 30 Liter.
Aus 0,9Liter werden laut Hersteller 1KWh.
Daraus ergibt sich, dass ich durschnittlich 185Wh Täglich von der Brennstoffzelle brauche.
Eine Steigerung von 12Wh/185Wh=6% (jämmerlich)
Neuanschaffung MFC :=6000€
Ersparnis:=6%
Ergibt Buget= 385,29€
.... schlecht :-/

Drehe ich in meiner Exceltabelle an den verschiedenen Parametern wird klar,
dass an der Stellschraube Zielradius am meisten rauszuholen ist.
Schafft man es von 15M auf 10m, kommt man schon auf 27Wh täglich und eine Ersparnis von 14% sprich Buget:=866€

Zusätzliche Gewinne erhoffe ich mir dadurch, dass dann alle vier Platten leicht nach unten geneigt
in eine Richtung sehen.
In den letzten Wintern waren die Platten so montiert, dass dort Monatelang der Schnee drauf liegenbleiben konnte.

Zugegeben, das wird wohl eher ein akademisches Projekt.
Sei's drum.
Der Lerneffekt ist nicht in Euro zu messen.

Die Bestellung für einen Prototypen ist raus.
Artikel
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2 x Schrittmotor 1,6V/2,0A 1,8 Grad (Stepp5010) = 75.60EUR
1 x RS232 PC-Anschlusskabel für alle Boards (rs232kabl) = 6.80EUR
1 x Neue 3. Auflage: Programmieren der AVR-Risc Controller mit Basco (KUEH2BUCH) = 34.95EUR
1 x Bascom USB-ISP-Programmer (Programmierkabel) (usb_isp) = 47.80EUR
1 x RN-Control 1.4 Mega32 (fertig aufgebaut) (FEctrl32) = 52.89EUR
1 x RN-Schrittmotor-Steuert Schrittmotoren per I2C,RS232,Takt (Bausa (bsrnschrit) = 94.80EUR
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Damit fang ich ersteimal an :-)

Viele Grüße
mateng

Hallo Besserwessi,
am Mittwoch kommt einer von 3M bei uns vorbei und kann uns dann hoffentlich mehr über die Folie sagen.
Das mit dem Windrad haben wir schon probiert.....klappt nicht im Wald :-(
Wind währe schon da aber leider zu verwirbelt.

Gruß
mateng

Zitat:

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Das Ergebnis ist wirklich niederschmetternd.
Ich habe Deine Rechnung mal nachvollzogen und bin dennoch guter Dinge.

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Na, das nenne ich Optimismus. Noch einen Gedanken um den Optimismus zu bestärken:
Bei meiner Rechnung habe ich willkürlich angenommen, dass sich die Strahlung gleichmäßig über die 95% - Fläche verteilt. Das ist eine eher pessimistische Annahme. Vermutlich ist es so, dass im Zentrum eine deutlich höhere Intensität findet. Man kann das aber aus dem Datenblatt nicht herauslesen. Das sollte man beim Treffen mit dem Folienexperten versuchen zu klären.
Natürlich spiegelt auch eine Glasscheibe ohne Folie eine gewisse Energiemenge, beim sichtbaren Licht (je nach Winkel zum Licht) mindestens 4% pro Oberfläche, also 8% von der gesamten Energiemenge (2 Oberflächen). Bei Infrarot etwas weniger, weil da das Glas teilweise absorbiert. Rechnet man mit 6% der einfallenden Energie wären das bei 1200 W Einstrahlung immerhin noch 72 Watt reflektierte Strahlungsmenge pro Quadratmeter Spiegel. Bei dieser Methode wäre die reflektierte Strahlung wesentlich gebündelter, das hängt dann hauptsächlich davon ab, wie plan die Glasscheibe montiert ist. Beim gebündelten Licht wird aber auch die Regelung wieder anspruchsvoller.
Kombinationen wären auch denkbar, z.B. 2 Glascheiben, die hintere mit Folie beklebt (da wären wir wieder bei der Doppelverglasung angekommen!).
Ich bin jedenfalls gespannt, wie das Projekt weitergeht.

Hallo, das ist ja mal ein richtiges Männerprojekt. Berge, Masten, autonome Energieversorgung, Unimogs...

Konnte gestern kaum einschlafen, weil ich soviele Gedanken dazu hatte. Und frei nach dem Motto "es ist schon alles gesagt, aber noch nicht von jedem" möchte ich ein paar davon hier absondern.

1. Du hast sicher schon darüber nachgedacht, wie weit man an der Nordflanke hoch muß, um endlich mit den Solarpanels nach Süden schauen zu können? Die Energieübertragung über die Strecke könnte man ja über hochgespannte Gleichspannung machen, um keine 16mm2-Leitungen legen zu müssen, ist sicher auch ein schönes Bastelprojekt. Aber es sind wahrscheinlich auch Grundstücksfragen, die das verhindern.

2. Bei der Rechnung, ob es sich lohnt, muß man doch auch noch bedenken, wie oft im Winter eigentlich klarer Sonnenschein ist. Bei bedecktem Himmel bringt der Spiegel in 2km Entfernung nichts. Deshalb meine Alternativ-Vorschläge:
2a) Das mit dem Schnee kenne ich. Ich habe an einer Berghütte Panels unter ca. 20° aus der senkrechten, da ist oft Schnee drauf. Ein anderes Panel habe ich deshalb genau senkrecht montiert, das passt dann. Oft schon habe ich über automatisches Schwenken oder Abkehren nachgedacht, denn nach oben in den diffusen Himmel ausgerichtet würden die Panels gleich viel mehr bringen. Vor allem wenn die Alternative "senkrecht nach Süden schauend" nicht existiert.
2b) Wenns bei der festen senkrechten oder sogar leicht nach unten geneigten Montage bleibt, wie wäre es mit einer diffusen Reflektionsfläche direkt unterhalb der Panels? Etwaiger Schnee würde dann genauso als Reflektionsfläche wirken.

Und zum Aufbau des Spiegels muß ich auch noch was salbadern: Wenn ich sowas bauen müßte, würde mir spontan eine Gitterkonstruktion oder irgendwelche Alu-Waben-Sandwich-Platten einfallen, damit ich ein große steife ebene Fläche für die Spiegelfolie hinbekomme. Glas ist doch so schwer. Das hängt auf so einer Fläche sicher schon durch sein Eigengewicht und seine Elastizität ein bißchen durch. Auch eine Möglichkeit sind mehrere kleine Platten auf einem Träger, jede mit drei Stellschrauben zum Einstellen einer gemeinsamen Planheit...

Viele Grüße
Tom.