Windradprojekt

In der heutigen Zeit gewinnen erneuerbare Energien immer mehr an Bedeutung. Die Optimierung der Energieerzeugung durch Wind- und Solarkraft ist daher ein wichtiges Forschungsfeld. Unsere Projektgruppe, bestehend aus Anthony, Jannek, Jonas, Artur und Tillmann, entschied sich, ein Windrad zu entwickeln, das sich selbst optimal auf die Windrichtung einstellt. Die Idee, ein solches Windrad zu bauen, kam ursprünglich nicht von uns, sondern vom Projektleiter Noah. Unsere anfänglichen Ideen war ein Solarfeld, welches sich optimal nach der Sonne ausrichten kann. Nach reiflicher Überlegung entschieden wir uns jedoch, das bereits begonnene Projekt von Noah zu übernehmen, da uns das Projekt „Solarfeld“ ein wenig zu schwierig erschien und das Windrad ebenfalls die Optimierung erneuerbarer Energien zum Schwerpunkt hatte, was von uns als Hauptziel angesehen war.

Unsere ersten Laborsitzungen nutzten wir, um Gedanken und Eindrücke zur tiefgehenden Planung des Projekts auszutauschen. Ein Vorteil war, dass Noah uns bereits einige Bauteile hinterlassen hatte. So wollten wir beispielsweise alte Rotorblätter eines Spielzeughubschraubers als Propellerflügel verwenden. Diese verfügten bereits über eine Mechanik zur Steuerung der Rotorblattstellung, mit der wir die Rotorblätter je nach Windstärke einstellen konnten. Ein zentraler Aspekt unseres Projekts war die Untersuchung der optimalen Propellerstellung bei unterschiedlichen Windstärken, um eine möglichst konstante Ladespannung für die Batterie zu gewährleisten. Die Idee war, einen Generator über die Rotorwelle anzutreiben, an der ein Zahnrad befestigt war.

— Verlauf —

Die Konstruktion hat mit Abstand die meiste Zeit und en meisten Aufwand in Anspruch genommen. Die ersten 2-3 Termine haben uns leider nicht wirklich näher an unser Ziel gebracht, da wir alle Ideen / Entwürfe verwerfen mussten. letzten endes waren es diese 2-3 Termine die uns daran gehindert haben unser Projekt zu vollenden.

Nach einer wackeligen Anfangsphase und mehreren Planungsversuchen nahm unser Windrad endlich gestalt an. Die Überlegungen wurden nach und nach auf Papier gezeichnet und skizziert. Zuerst nur grob auf Papier, mit ein paar helfenden Maßen.

Anschließend präziese gemessen und in CAD konstruiert. Der großteil unserer Teile waren vorgefertigt (Generator / Rotor / Servo) oder 3D gedruckt (alles orangene). Das drucken hat während den Terminen sehr viel Zeit in Anspruch genommen und wir haben uns regelmäßig in unseren Fähigkeiten überschätzt.

Doch mit Jedem erfolgreichen Druck kamen wir dem Endprodukt einen Schritt näher. Erst wurde ein Adapter für die Taumelscheibe gebaut, damit wir diese später mit den Servos verbinen konnten. Anschließend haben wir versucht die Welle mit zwei Kugellagern zu fixieren, die 2 Servos symetrische zu montieren und den Generator weiter hinten anzubringen. Diese Aufgabe erwies sich als wesentlich schwieriger als erwartet und hat alleine fast 3 ganze Termine in anspruch genommen. Ganz abgesehen von dem Konstruieren außerhalb der Termine und den Druckaufträgen. Einer der Gründe war der Versuch einen Teil der Halterung aus Holz anzufertigen. Dies erwies sich aber als deutlich schwieriger als gedacht, da das besagt Holz mehrfach bei der Montage und verschraubung gesplittert ist.

Hier sind die ursprünglichen Pläne wie alle Teile zusammenpasseon sollen.

Die Lösung war darauf hin direkt ein großes Bauteil mit CAD zu konstruieren und Drucken zu lassen. Eigentlich handelte es sich hierbei um 2 Bauteile, die wir mit Pfeilen und Zangen verkürzt haben um sie richtig zusammen zu fügen. Um die Welle festzuhalten mussten wir auch mehr Druck mit Kabelbindern ausüben um beide Kugellager in der Konstruktion zu fixieren.

Leider ist uns zu diesem Zeitpunkt aufgefallen, dass die Zahräder nicht genau parallel waren und auch nicht groß genug. Allerdings konnte zu diesem Zeitpunkt der Großteil der Gruppe zu keine der übrigen Termine erscheinen. Somit war das vorherige Bild der letzte Stand, der Konstruktion, unseres Projekts.

— Schwierigkeiten—

Die größte Schwierigkeit war es, alle größeren Einzelteile (Servos, Rotor, Taumelscheibe, Zahnräder, Generator, Welle) dreidimensional zusammenzufügen. Außerdem war die Aufgabenteilung nicht besonders effektiv und auch die Anwesenheit der Gruppenmitglieder der Gruppenmitglieder ließ zu wünschen übrig. Der Drucker hat uns auch Probleme bereitet, da Teile nicht so exakt gedruckt wurden wie erwartet. Dadurch mussten wir großte Teile der Termine damit verbringen Teile zurecht zu feilen oder schleifen. Während den Einheiten Teile mit dem 3D-Drucker nachzudrucken war nur schwer möglich, da es sehr lange gedauert hat und auch oft fehlgeschlagen ist. Es war deswegen nötig außerhalb der Termine Teile zu konstruieren und per Mail drucken zu lassen. Die Montage der fertigen Teile hat auch meistens wesentlich länger als erwartet gedauert (teilweise lag es an der Einzelarbeit).

Liste an verwendeten Teilen:

• 2x Servomotor
• Generator
• Breadboard
• Funduino Nano
• Kabel
• externe Spannungsquelle

Der Generator wird über ein Zahnrad mit Übersetzung direkt dem Rotor des Windrades angetrieben. Die beiden Servomotoren sind dafür zuständig, den Taumelscheibenhalter des Windrades hoch und runter zu bewegen und damit die Geschwindigkeit des Windrades zu kontrollieren. Da zwei Servomotoren mehr Spannung benötigen als der Funduino betreitstellen kann, haben wir diese über eine externe Spannungsquelle mit Strom versorgt. Der Funduino soll in der Lage sein, die Spannung des Generators zu lesen und anhand dessen die Position der Servomotoren vorzugeben.

Mit diesen Überlegungen haben wir folgende Schaltung auf Fritzing erstellt:

Der Generator ist mit GND und dem anlalogen Pin A7 verbunden. Dies ermöglicht dem Fundruino einen Wert zu erhalten, dessen Größe abhängig von der Spannung des Generators ist. Die Servomotoren sind über das Breadboard mit Strom und GND der externen Spannungsquelle verbunden. Die Signalkabel der Servos sind mit den digitalen Pins D6 und D11 verbunden. Zunächst war es unsere Idee, beide Servos an einem Pin mit dem Funduino zu verbinden, jedoch sollten diese später gespiegelt zueinander am Windrad montiert werden, weshalb sie verschieden angsteuert werden müssen. Das GND des Funduino wird mit dem GND der Spannungsquelle verbunden.

Beim Zusammenbau der Schaltung kamen ein paar kleinere Schwierigkeiten auf. Zunächst wurde der eigentliche Funduino, den wir benutzen wollten vom Computer nicht erkannt, weshalb wir einen anderen nehmen mussten. Dann haben manche Kabel nicht einwandfrei funktioniert, was teilweise daran lag, dass deren Pins verbogen waren und sie deswegen nicht richtig auf dem Breadboard gehalten haben. Austauschen und erneutes Verbinden mancher Kabel hat dem jedoch Abhilfe verschaffen. Eines der Kabel am Generator ist mehrfach abgegangen, also haben wir zunächst vergeblich versucht, dieses mit Klebeband zu fixieren. Als das andere Kabel jedoch auch abgegangen ist, mussten wir die Enden beider Kabel mit den Kontakten am Generator neu verlöten.

Hier ist ein Bild von der zusammengebauten Schaltung:

Noah hatte bereits eine Idee entwickelt, wie die Mechanik der Rotorblätter angesteuert werden könnte. Er plante, die Mechanik mit einer Zahnstange zu verbinden, auf der ein Zahnrad laufen sollte, das durch einen Motor angesteuert werden konnte. Nach einigen Überlegungen verwarfen wir dieses System jedoch, da es einfachere und weniger platzraubende Alternativen gab. Stattdessen entschieden wir uns, eine Hülle aus Plastik zu drucken, die an den Endpunkten der Mechanik angebracht werden sollte. Diese Hülle sollte durch zwei kleine Stangen mit zwei Servomotoren verbunden werden. Die Servomotoren mussten dann nur noch im 90°-Winkel bewegt werden, um die Rotorblätter optimal einzustellen. Die Umsetzung dieser Ideen stellte uns vor einige Herausforderungen. Einerseits mussten wir sicherstellen, dass die Servomotoren präzise genug waren, um die Rotorblätter optimal zu justieren. Andererseits mussten wir eine geeignete Steuerungssoftware entwickeln, die die Windstärke und -richtung in Echtzeit erfasst und die Servomotoren entsprechend ansteuert.

Der Code wurde in der Arduino IDE erstellt. Zum Ansteuern der Servomotoren haben wir nach kurzer Recherche die „Servo.h“ Bibliothek gefunden. Mit der Funktiion Servomotor.write() ist es möglich, den Servomotoren einen Winkel zwischen 0° und 180° zu geben. Um die Spannung des Generators herauszufinden, wurde die Funktion analogRead(7) verwendet. Da man dadurch nur einen Wert zwischen 0 und 1023 erhält und keine Spannung in Volt, haben wir diesen Wert mit einer einfachen Formel umgerechnet und in der Variable „volt“ zwischengespeichert. Um den Winkel der Servomotoren anhand der gemessenen Spannung einzustellen, kam zuerst die Idee auf, den den Wert der Spannung mit einem bestimmten Faktor zu multiplizieren. Die benötigte Größe des Faktors hätte man dann praktisch austesten müssen, damit das Windrad die gewünschte Geschwindigkeit behält. Stattdessen haben wir uns für eine if-Bedingung in einer Schleife entschieden, die fortlaufend überprüft, ob die Spannung am Generator über oder unter 5 Volt liegt und daraufhin den Winkel um 1° hoch oder runter stellt. Da die beiden Servomotoren spiegelverkehrt sind, wird der Winkel bei dem ersten von 0° addiert und beim zweiten von von 180° subtrahiert.

Fertiger Code:

// die Bibliothek Servo.h wird eingebunden, sie steuert den Motor
#include "Servo.h"  

// der Servomotor erhält den Namen Servomotor
Servo Servomotor1;
Servo Servomotor2; 

void setup(){
  // den Servomotoren werden die Pins 6 und 11 zugeordnet
  Servomotor1.attach(11); 
  Servomotor2.attach(6); 
  Servomotor1.write(0);
  Servomotor2.write(180);
}

void loop(){ 
    // Winkel wird auf 60 Grad festgelegt
    int winkel = 60;
  
  while(true){
    // Spannung des Generators wird an Pin 7 gelesen
    float sensorValue = analogRead(7);
    float volt = sensorValue * (5.0 / 1023.0);

    // wenn Spannung über 5 Volt, wird der Winkel um 1 verringert  
    if (volt >= 5){
      winkel = winkel - 1;
      Servomotor1.write(winkel);
      Servomotor2.write(180 - winkel);
      delay(200);
    }
    // wenn Spannung unter 5 Volt, wird Winkel um 1 erhöht
    else {
      winkel = winkel + 1;
      Servomotor1.write(winkel);
      Servomotor2.write(180 - winkel);
      delay(200); 
    } 
  } 
}

Aufgabenteilung:

Code - Anthony, Tillman

Konstruktion - Jannek, Anthony

Artur -

Jonas -