Autonom fahrendes Modellauto mit Solarerenergieversorgung

 

 

ALLPOWERS 2.5W/ 5V / 500mAh Epoxy Solarzelle

Mein Projekt ist ein kleines autonomes Auto, dessen Akku sich über die beiden auf dem Dach befindlichen Solarzellen aufladen lässt.

Kenndaten der Solarzellen:

P = 2,5 Watt 
U = 5V
I = 500mA
Abmessungen 130mm x 150mm

Solarzellen sind aus einem Halbleiter aufgebaut dieser ist, meistens Silizium. Silizium ist ein 4-Wertiges Atom die Wertigkeit beschreibt die Anzahl der Elektronen, ein Halbleiter hat wie der Name schon sagt nur halb die Eigenschaften eines Leiters, er besitzt keine freien Elektronen, diese entstehen nur durch eingeführte Energie im Fall der Solarzelle ist diese Energie Licht, also Photonen. Das Silizium wird durch andere Atome so verändert, dass es entweder negativ oder Positiv geladen sein kann, dies nennt sich Dotierung. Durch die Dotierung entstehen dann zum einen eine p-Dotierung (Bohr-Atom) und eine n-Dotierung (Phosphor). Die Atome wollen eine chemische Stabilität erreichen. In reinem Silizium teilen sich vier Atome ihre acht Außenelektronen dadurch entsteht dann eine feste Gitterstruktur wird, nun in diese Struktur ein Phosphor Atom eingesetzt entsteht ein freies Elektron, wird ein Bohr Atom eingesetzt entsteht ein Loch, ein Elektron fehlt. In einer Solarzelle gibt es verschiedene schichten, die obere Schicht ist die n-Dotierte Schicht darunter liegt eine Grenzschicht(Neutral) sie ist der Übergang zwischen der n- und der p-Dotierten Schicht. Diese drei Schichten sind von zwei verbundenen Elektroden eingeschlossen. Durch unterschiedliche Potenziale entsteht über der Grenzschicht ein elektrisches Feld. Fallen nun Photonen auf die n-Dotierte Schicht werden bewegen sich die Elektronen bilden ein elektronen-, Loch-Paar das Stabile p-n Übergangsfeld hat dann die zentrale aufgebe dieses paar vom rekombinieren abzuhalten. Es entsteht ein Elektronenfluss, es entsteht elektrischer Strom dieser Elektronenfluss ist, ein ewiger Kreislauf.

Lademodul TP4056

Um die beiden 1,2V Akkus zu laden, verwende ich das Lademodul TP4056. Das Lademodul ist ein Laderegler für Konstantstrom oder Konstantspannung. Das Lademodul benötigt als Eingangsspannung Vss=4-8V, dies kann über beliebige Spannungsquellen oder eine USB-Ladebuchse erfolgen. Der Ladestrom kann maximal 1A betragen. Wenn Akkus mit geringerer Kapazität verwendet werden, kann der Widerstand ausgetauscht werden. Die Ladeschlussspannung beträgt 4,2V. Es besitzt zwei LEDs die anzeigen (rot) es wird geladen und (blau) Ladevorgang beendet.

DC-DC-Step-up-Booster Mt3608

Da das Shield mit 5-12V arbeitet benutze ich einen DC-DC Step-up-Booster, der die Spannung der Akkus auf etwa 7V hochtransformiert. Hierfür verwende ich den Baustein MT3608.

Der Gleichspannungswandler kann eine Eingangsspannung von 2-24V in eine Ausgangsspannung von 3-28V hochtransformieren, der Strom beträgt 2A. Er besteht aus einer Spule die durch eine in Reihe geschaltete Diode einen Kondensator auf die Eingangsspannung Ue auflädt, wenn der Transistor gesperrt ist. Wird der Transistor geschaltet fließt ein Strom durch die Spule und es bildet sich ein Magnetfeld. Die Spannung, die an der Spule abfällt lässt sich wie folgt berechnen: Wenn der Transistor nun wieder sperrt, steigt die Spannung an der Diode auf die Eingangsspannung, das Magnetfeld an der Spule bricht zusammen und es wird eine hohe Spannung induziert, die sich zu der Eingangsspannung addiert, die größere Spannung an der Anode hat dann zur Folge das die Diode sofort leitend wird. Dadurch lädt sich der Kondensator weiter auf und die Ausgangsspannung Ua ist größer als die Eingangsspannung.

Einen Arduino Mega verwende ich um das Motor-Shield, mit dem ich die vier 6V DC- Motoren betreibe, zu steuern. Außerdem kann über das Shield ein Servo genutzt werden, der zusammen mit einem Ultraschallsensor dafür genutzt wird, das Auto autonom fahren zu lassen. Der Servo dreht sich um 180° dadurch kann der Abstand vorne, rechts und links erfasst werden.

Zusätzlich zum Ultraschallsensor vorne nutze ich noch einen Weiteren zum Rückwärtsfahren. Das Auto verfügt außerdem noch über einen Spannungssensor, der an die Solarzellen angeschlossen ist und dessen Messwerte auf einem I2C-Display angezeigt werden. Des Weiteren verfügt das Auto über LEDs vorne mit Scheinwerfern und Blinkern sowie über Blinker, Rück- und Bremslichter hinten.