Innovative und zukunftsorientierte Technik am Marianum

Schüler entwickeln ein Solarauto mit einer sich automatisch zur Sonne orientierender Solarplatte

Von T. Schepers, 09.01.2015

Die Aufgabe der Seminarfächer des 12. Jahrgangs war die Durchführung eines Projektes bzw. einer fachpraktischen Arbeit. In Gruppen sollte man sich für ein Thema entscheiden, das an den Schwerpunkt des Seminarfaches angelehnt sein musste.

So entschlossen sich Nico Jansen, Julius Klassen, Hannes Triphaus, Jonathan Hermsen und Marcel Hunfeld im Seminarfach Physik ein solarbetriebenes Auto zu bauen. Julius beschreibt dieses Projekt folgendermaßen: „Im Rahmen des Seminarfaches „Physik in Umwelt und Alltag“ bauten wir ein Holzauto, das über Funk gesteuert werden kann. Die Energie entzieht das Auto einem Akku, welcher über eine Solarplatte aufgeladen wird. Die Solarplatte ist an einer Holzkonstruktion auf dem Dach des Autos angebracht, die eine horizontale und vertikale Bewegungen der Solarplatte ermöglicht. Durch vier an der Platte angebrachte LDRs wird die Lichthelligkeit der Umgebung erkannt, die Signale werden dann von einem Mikrocontroller verarbeitet und an die Servos (das sind die Motoren für die Bewegung der Solarplatte) weitergeleitet. So wird die Solarplatte immer in die beste Position zur Sonne gebracht, sodass ein möglichst hoher Spannungsgewinn zustande kommt. Außerdem besitzt das Auto auch eine Vorder- und Hinterbelichtung, die sich der Umgebungshelligkeit anpasst.“

Marcel Hunfeld beschreibt die Aufgabenverteilung in seiner Reflexion:
„ […] Während Nico und Julius ein besonderes Interesse an der Arbeit bzw. Verarbeitung von Holz zeigten, wollte sich Jonathan an dem Bau des Getriebes versuchen, Hannes sich über die Möglichkeiten des Ladens von Akkus, und deren Schutzmöglichkeiten informieren und ich wollte mich, aufgrund meines großen Interesses an der Elektronik, mit der elektronischen Steuerung der einzelnen Baugruppen beschäftigen.“

Voller Tatendrang legten die Schüler los und stießen auf erste Probleme, die sie ausgesprochen professionell lösen sollten: Marcel schreibt „ […] Und auf diese kleine Fläche (Dach des Autos) musste eine Solarplatte platziert werden, dessen Energiestromstärke trotzdem hoch genug ist, um den Akkumulator für zwei Getriebemotoren aufzuladen. Da die meisten ferngesteuerten Autos mit 5-6V betrieben werden (so auch das, welches Julius zur Verfügung gestellt hatte), […] entschied ich mich für eine Monokristalline Solarzelle, welche bei einer Spannung von 6 V etwa 420mA leisten konnte. Dies würde zwar nicht reichen, um die Motoren direkt zum Laufen bringen zu können, doch bei der zur Verfügung stehenden Fläche war dies die höchste Leistung, die … eine Solarplatte bei einer Spannung von 6 V hatte, weshalb ich diese auch direkt bestellt hatte. Bei der Ankunft der Solarplatte begann ich zunächst einige Messreihen, wobei ich bei unterschiedlichen Lichtintensitäten die Spannung gemessen habe. Schnell zeigte sich, wie empfindlich eine Solarzelle in Bezug auf die Lichtintensität ist. Doch selbst bei normalem Tageslicht im Zimmer war lediglich eine Spannung von 4,5 Volt messbar.“

Also erkannte die Gruppe „ […], dass die Solarplatte nur dann wirklich effektiv sein kann, wenn sie sich zum hellsten Punkt ausrichten würde, wie man es von größeren Solarflächen kennt, dessen Solarplatten sich zur Sonne hin ausrichten.“ Die Schüler waren sich der schweren Aufgabe bewusst, doch an ein Aufgeben hat keiner gedacht.

Marcel schreibt: „ […] Julius erklärte sich dafür bereit, die Konstruktion zu bauen und hat auch schnell eine Idee für die Lösung des Problems gehabt und hat dafür bereits am nächsten Tag einige Konstruktionsskizzen gezeichnet. […] Nach den Herbstferien hat Julius mir dann mitgeteilt, dass er die Konstruktion fertiggestellt hatte. Somit konnte ich mich der Ansteuerung der Konstruktion widmen. Den Schaltplan dafür hatte ich bereits vor den Ferien fertiggestellt. Vom Prinzip her werden, für die Bestimmung des hellsten Punktes, 4 Lichtabhängige Widerstände (LDRs) verwendet, die jeweils mit einem konstanten Widerstand verbunden sind. Zwischen LDR und konstantem Widerstand liegt eine Spannung von 5 Volt an (Spannungsteiler). Nun kann man zwischen den beiden Widerständen und des Massepols eine Spannung messen, die ein Maß für die Lichtintensität des auf den LDR strahlenden Lichts darstellt.“ Hier zeigt Marcel seine überdurchschnittlichen Kenntnisse im Bereich Elektronik. Weiter schreibt er: „Die Daten der Lichtwiderstände, sprich die Spannung zwischen den beiden Widerständen und Masse, wird nun an einen Mikrocontroller weitergeleitet, wo dann die Analogen Daten (Spannung) in digitale Daten (Binärsystem) umgewandelt werden (Analog-Digital-Wandler). Der Mikrocontroller kann nun die 4 Werte vergleichen und weiß so, an welchem LDR sich der größte Lichteinfall befindet. Diese Daten können nun an die Servos, die in der Konstruktion von Julius integriert waren, weitergeleitet werden, und die Konstruktion dementsprechend zum hellsten Punkt ausrichten.“

Nun traten einige Probleme auf, die die Schüler z.T. mit Geschick und Know-How bewätigten. Z.B. schreibt Marcel: „ […] Ein weiteres Problem war, dass die Spannungsversorgung bei der Bewegung der Servos zusammenbrach, was zu einem Abstürzen des Programms führte. Nach einiger Zeit an Recherche erwies es sich dann als sinnvoll, eine galvanische Trennung von den Servos und dem Controllerboard vorzunehmen, da der Strom der Servos offensichtlich zu groß war. Eine galvanische Trennung durch eine zweite Spannungsquelle und dem Einfügen einiger Kondensatoren zum Glätten der Spannung konnte das Problem lösen.“

Und weiter: „ […] Ein weiteres Problem war letztlich, dass die Spannung der Solarplatte trotz der Ausrichtung der Konstruktion zum hellsten Punkt nicht ausreicht, um die verwendeten Akkumulatoren aufladen zu können. Ein Test zeigte jedoch, dass es ausreicht, um ein Smartphone aufladen zu können.“

Der Ehrgeiz der Gruppe ist ungebrochen. Denn sie planen, „ […] gerade in Hinblick auf die mögliche Anmeldung zum Bundesumweltwettbewerb eine neue Solarzelle [zu] kaufen und diese auf der Konstruktion [zu] befestigen. Diese Solarplatte sollte mindestens die doppelte (Maximal-) Spannung haben, damit die Solarplatte auch bei normalem Tageslicht eine ausreichend große Spannung liefern kann, um die Akkus auch dann laden zu können.“ Eine Anmeldung zum Bundesumweltwettbewerb im März 2015 steht somit bevor.

Das Marianum wünscht der Gruppe dazu viel Erfolg!!!