Show HN: Selbstgebauter automatisierter Solar-Konzentrator

 (github.com/remipch)
2 Punkte von GN⁺ 2024-08-31 | 1 Kommentare | Auf WhatsApp teilen
  • Solar Concentrator ist ein selbstgebauter automatisierter Solar-Konzentrator, bestehend aus einem ausrichtbaren Spiegelpanel, einem festen Ziel und einer elektronischen Steuereinheit. Aktuell nutzt er 48 Sammelspiegel mit einer Gesamtfläche von 1 m²
  • Am 26. Juni 2024 stieg die Ofentemperatur auf 210 °C nach 30 Minuten, nachdem die Isolierung durch das Hinzufügen von Aluminiumfolie im Inneren des Ofens verbessert worden war
  • Das Gerät kann bei einem Stromverbrauch von 3,8 W bis zu etwa 1000 W Wärme erzeugen und lässt sich aus günstigen, leicht erhältlichen Standardteilen und -materialien bauen
  • Die aktuelle Version hat keine Sicherheitsebene, erfordert vor dem automatischen Tracking eine manuelle Ausrichtung des Panels, steuert nur ein einzelnes Panel und funktioniert nicht an bewölkten Tagen
  • Der nächste Schritt ist die Steuerung einer beliebigen Anzahl von Panels, um mehrere kW Leistung zu erreichen; mögliche Anwendungen sind das Erhitzen großer Flüssigkeitsmengen, Entsalzung und Sterilisation, Kochen und Sterilisation, das Schmelzen von Materialien sowie die Steigerung der Leistung konzentrierender Photovoltaik

Projektaufbau und Funktionsweise

  • Solar Concentrator ist ein selbstgebautes Projekt für einen automatisierten Solar-Konzentrator
  • Die aktuelle Konstruktion ist in drei Teile gegliedert
    • Ausrichtbares Spiegelpanel: derzeit 48 Sammelspiegel, insgesamt 1 m²
    • Festes Ziel: derzeit ein einfacher Betonofen mit schwarzer Metallplatte und gehärtetem Glas
    • Supervisor: eine elektronische Steuereinheit, die das Ziel misst sowie Motorbefehle berechnet und sendet
  • Das Video vom 8. Juli 2024 besteht aus zwei Teilen
    • Der erste Teil zeigt den Zusammenbau in 10-facher Geschwindigkeit
    • Der zweite Teil zeigt automatisches Solar-Tracking über etwa 7 Stunden in 600-facher Geschwindigkeit

Leistung und Bauprinzipien

  • Am 26. Juni 2024 stieg die Ofentemperatur auf 210 °C nach 30 Minuten, nachdem die Isolierung durch das Hinzufügen von Aluminiumfolie im Inneren des Ofens verbessert worden war
  • Die wichtigsten Merkmale sind:
    • Kann bei einem Stromverbrauch von 3,8 W bis zu etwa 1000 W Wärme erzeugen
    • Verwendet standardmäßige, günstige und leicht erhältliche Teile und Materialien
    • Erfordert keine hochpräzise Fertigung und kann mit gewöhnlichen Werkzeugen von Hand gebaut werden
    • Leicht zu montieren und zu demontieren
    • Leicht zu verstehen und zu modifizieren
    • Als Open Source veröffentlicht

Sicherheitswarnungen und aktuelle Grenzen

  • Dieses Projekt kann bei Menschen oder Tieren in der Umgebung dauerhafte Erblindung, Hautverbrennungen und das Entzünden von Gegenständen verursachen
  • Selbst wenn die Stromversorgung ausgeschaltet ist, wird das Sonnenlicht in einem kleinen Bereich 48-fach konzentriert
  • Der Brennpunkt bewegt sich kontinuierlich auf einer schwer vorhersehbaren Bahn
  • Im aktuellen Zustand muss das Gerät ständig überwacht werden; bei Problemen müssen die Spiegel schnell abgedeckt werden
  • Die aktuellen Einschränkungen sind:
    • Es ist keine Sicherheitsebene implementiert
    • Vor dem automatischen Sonnen-Tracking ist ein anfänglicher manueller Schritt zur Ausrichtung des Panels erforderlich
    • Es kann nur ein Panel gesteuert werden
    • Funktioniert nicht an bewölkten Tagen
    • Durch die Implementierung verschiedener Low-Power-Modi ließe sich der Stromverbrauch deutlich senken

Verwendete Teile und wiederverwendete Produkte

Technischer Aufbau

  • Die Projektstruktur spiegelt den technischen Aufbau wider
  • Die wichtigsten Unterkomponenten sind:
    • Mechanics: 3D-Modelle der im Solarpanel verwendeten Teile
    • Electronics: Schaltplan und Layout der kundenspezifischen Supervisor-Platine
    • Simulator: Bewertet die theoretische Leistung, die das Ziel bei einer gegebenen Hardwarekonfiguration erhält
    • Supervisor controller: ESP32-CAM-Firmware auf Basis des Espressif ESP32 framework
    • Motors controller: Arduino-Pro-Mini-Firmware zur Motorsteuerung

Nächste Ziele und Lizenz

  • Der nächste Schritt besteht darin, eine beliebige Anzahl von Panels zu steuern, um mehrere kW Leistung zu erzielen
  • Mögliche Anwendungen sind:
    • Schnelles Kochen großer Flüssigkeitsmengen
    • Entsalzung oder Sterilisation großer Wassermengen
    • Kochen oder Sterilisation großer Lebensmittelmengen
    • Schmelzen von Kunststoff, Metall und Glas
    • Steigerung der Leistung von Solarpanels durch konzentrierende Photovoltaik
  • Die Lizenzierung ist je nach Komponente aufgeteilt
    • Software: GNU GPL v3
    • Elektronik- und Mechanik-Hardwaredesigns werden unter der CERN Open Hardware Licence v2 Strongly Reciprocal veröffentlicht

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1 Kommentare

 
GN⁺ 2024-08-31
Hacker-News-Kommentare

  • Tolle Arbeit. Ich forsche an Nonimaging Optics, also Optiken für Solarkonzentratoren, die hohe Konzentrationsverhältnisse oder große Fehlertoleranzen ermöglichen.
    Es ist gut, dass hier eine Closed-Loop-Regelung umgesetzt wurde. Das ist auch in großen Heliostatenfeldern derzeit ein Kernthema. Traditionelle Heliostaten arbeiten meist mit Open-Loop-Regelung, was sehr strenge Anforderungen an Mechanik, Antriebe und kinematische Modelle stellt; dadurch braucht man teure und sehr steife Anlagen.
    Deshalb geht der Trend zu günstigeren Heliostaten, die ihre Nachführgenauigkeit über Closed-Loop-Regelung erreichen. Wenn sich die Brennpunkte von Tausenden Spiegeln überlagern, wird es schwieriger, aber es werden Ansätze entwickelt, bei denen etwa Kameras in Zielnähe auf das Heliostatenfeld zurückblicken; auch Heliogen arbeitet mit solchen Verfahren.
    Es wurde auch die Schwierigkeit erwähnt, dass das Licht pro Tag nur einige Stunden lang konzentriert ist; dasselbe Problem gibt es in großen Heliostatenfeldern und es ist ein aktives Forschungsgebiet. Die Gruppe von Professor Roger Angel an der University of Arizona entwickelt Heliostaten, die sich im Tagesverlauf aktiv verformen, um ihre optimale Form zu halten, und das australische Unternehmen Heliosystems baut Heliostaten, die sich durch die Schwerkraft passiv verformen und so möglichst die richtige Form beibehalten.
    Wenn man wie in diesem Projekt nur einen einzelnen Heliostaten verwendet, könnte man auch einen Scheffler-Reflektor in Betracht ziehen, bei dem das Ziel auf einer polausgerichteten Nachführachse mit nur einer Achse liegt. Dann wäre tagsüber nur eine einachsige Nachführung nötig, und saisonale Anpassungen könnten teilweise manuell erfolgen.
    Es ist auch begrüßenswert, dass die inhärenten Gefahren von konzentriertem Sonnenlicht betont wurden. Es gibt ziemlich viele Berichte darüber, dass Dinge Feuer gefangen haben, wenn die Nachführung nicht richtig funktionierte.

    • Danke für die freundliche und ausführliche Antwort. Die Closed-Loop-Regelung war eine frühe Idee, die mir Zuversicht gegeben hat, dass man mechanische Teile mit gewöhnlichen Werkzeugen von Hand fertigen kann.
      Vereinfacht gesagt ist es eine Struktur, in der die „Klugheit“ der Software die mechanische „Grobheit“ ausgleicht.
      Eine weitere frühe Idee war, mit mehreren ausrichtbaren Panels und einer Kamera, die auf das Ziel schaut, ein Multi-Panel-System zu bauen. In der Praxis war das nicht einfach, deshalb bin ich schließlich dazu zurückgekehrt, erst einmal ein einzelnes Panel fertigzustellen und zu veröffentlichen.
      Trotzdem habe ich noch die Idee, mit ein paar zusätzlichen Kameras ein Multi-Panel-System umzusetzen, und ich würde das gern in naher Zukunft ausprobieren. Ich werde mir auch die Referenzen mit etwas Zeit ansehen.
      Es gibt auch Unternehmen, die Vakuum zur Anpassung der Spiegelform einsetzen; ich suche das heraus und poste es hier.
      Dieses Projekt ist kein fertiges Produkt, sondern ein laufender Proof of Concept, daher wollte ich die inhärenten Gefahren betonen.
    • Wo gerade über Risiken und Feuer gesprochen wird: Mich würde interessieren, ob es bekannte Grenzen für die mit Konzentration erreichbare Temperatur gibt. Ich habe mich gefragt, ob man auf diese Weise ein Stück Wolfram schmelzen könnte.
    • In Bezug auf den Teil „saisonale Anpassungen könnten teilweise manuell erfolgen“: Gibt es Material, das man als Referenz für eine saisonale Anpassung bei schwimmender Solartechnik heranziehen könnte?
      Wenn man an einem 5 m hohen Prisma entlang einer Seite Panels anbringen würde, wie könnte man dann die saisonale Anpassung des Neigungswinkels der Panels umsetzen?
      Verstellbarer oder aufblasbarer Ballast scheint am einfachsten zu sein.

  • Tolles Projekt. Besonders der Leistungsvergleich war gut. Wer hätte gedacht, dass man aus 1m² 1kW Energie gewinnen kann.
    Eine Frage in ähnlicher Richtung: Wäre es möglich, einen Schmelzsalzreaktor, der eine Turbinenmaschine antreibt, mit einem Solarkonzentrator zu erhitzen? Und zwar in einem relativ kleinen Maßstab, den man noch im eigenen Garten bauen könnte.
    Die obige Beschreibung beruhte auf meinem Gedächtnis und meinem Verständnis; eigentlich meinte ich eher das hier: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_tower
    Als ich etwas tiefer eingestiegen bin, habe ich am Ende so etwas zur kleinen Stromerzeugung mit Solarkonzentration gefunden:
    https://en.wikipedia.org/wiki/Solar-powered_Stirling_engine
    [https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dish-stirling-at-odeillo....](https://en.wikipedia.org/wiki/File:Dish-stirling-at-odeillo.jpg)
    Das könnte vielleicht eine halbwegs viable Alternative zu Solarpanels sein. Allerdings sind Solarpanels und die zugehörige Zusatzhardware inzwischen so stark standardisiert, dass das aktuell kostenseitig wohl ziemlich teuer wäre.

    • 1kW/m² ist eine gängige Faustregel für die aus der Sonnenstrahlung gewonnene Wärmeenergie. Ich weiß nicht, ob der Autor des Originalposts das selbst berechnet oder einfach einen Standardwert zitiert hat. Falls er es selbst berechnet hat, verdient das Anerkennung, weil es auf ein gut gebautes System hindeutet.
      Es gibt auch große Stirlingmotoren, die mit heißem Öl arbeiten. Wenn der Kolbendurchmesser groß ist, kann man selbst mit kleinen Temperaturdifferenzen recht hohes Drehmoment erzeugen. Öl lässt sich wie bei herkömmlichen Solarthermie-Warmwasserbereitern auch ohne Konzentration erhitzen, und zusätzliche Konzentration schadet dabei nicht.
    • Es gibt mehrere industrielle Anwendungen, bei denen Solarkonzentratoren Turbinen oder Stirlingmotoren antreiben.
      Ich bin mir aber nicht sicher, ob das als Methode der kleinen Stromerzeugung viable ist. Für einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad braucht man große Temperaturunterschiede, während Solarpanels in Massenproduktion hergestellt werden und ihr Wirkungsgrad weiter steigt.
      Persönlich halte ich kleine solarthermische Konzentration für am nützlichsten bei Anwendungen, die direkt Wärme brauchen, etwa Kochen, Entsalzung oder Gießen. In solchen Fällen ist Photovoltaik weniger effizient und hat auch eine kürzere Lebensdauer.
    • Genau das habe ich 2011 als Bachelor-Abschlussprojekt gemacht. Ich habe Stromerzeugung mit einem Solarkonzentrator ausprobiert.
      Als ich das Projekt begann, dachte ich, es wäre wirtschaftlicher als Photovoltaik, aber gegen Ende des Studienjahres waren die Preise für Solarpanels bereits auf die Hälfte gefallen. Das war die Zeit, als Deutschland und China sich mit Solarsubventionen überboten.
      Inzwischen dürfte solarthermische Stromerzeugung im Vergleich zu Solarpanels extrem teuer sein.
    • Stirlingmotoren könnten sich gegenüber Solarpanels wegen des hohen Wartungsaufwands nicht rechnen.
      Motoren laufen nicht einfach jahrelang ohne Teileaustausch.
    • Solarpanels sind wirklich billig. Billig genug, um preislich mit gleich großen Spiegeln vergleichbar zu sein.

  • Gebündeltes Sonnenlicht ist viel stärker, als es aussieht. Die meisten haben wohl schon einmal mit einer kleinen Lupe die Sonne auf einen winzigen Punkt fokussiert und damit Papier oder ein kleines Stück Holz angebrannt.
    Als Kind hatte ich einmal so eine Fresnel-Linse mit ungefähr 2 Fuß Durchmesser aus etwas wie einem alten Projektor, und damit konnte man Asphalt fast sofort entzünden. Nicht besonders praktisch, aber wahrscheinlich könnte man mit Sonnenlicht sogar Stahl schweißen.

    • Vor ein paar Jahren gab es ein Demo-Projekt zum 3D-Drucken von Wüstensand mittels Solarsintern: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S09596... wirklich eine sehr coole Idee.
    • Man kann Sand auch zu 3D-Strukturen sintern.
      https://www.youtube.com/watch?v=ptUj8JRAYu8
      Theoretisch könnte man, wenn man Linsen und Glasfasern herstellen kann, überall dort Strukturen per 3D-Druck erzeugen, die mit Solarenergie arbeiten, wo es genug Sonnenlicht gibt. Man kann sich vorstellen, auf dem Mars kleine Flaschengärten per 3D-Druck herzustellen, mit Wassersammlern, die erhitztes Silikagel vor Ort zirkulieren lassen. Der Luftdruck wäre immer noch niedrig, aber es wäre wärmer und feuchter.
    • Es gibt riesige Solarkonzentratoren, die dicken Stahl in wenigen Sekunden schmelzen.
      https://youtu.be/8tt7RG3UR4c
      Sehenswert ab etwa 1:25.
    • Ich habe tatsächlich mit verschiedenen Konzentrationsmethoden und der Projektion von Sonnenbildern mit Linsen herumexperimentiert. Selbst mit einer Fresnel-Linse im US-Letter-Format kann man Zunder in wenigen Sekunden entzünden, und ich habe auch schon versehentlich einiges geschmolzen, nachdem ich eine Linse ein paar Sekunden lang ohne Sonnenfilter zur Sonne ausgerichtet hatte.

  • Hier gibt es viele interessante Experimente zur Nutzung von Solarwärme: https://www.youtube.com/@sergiyyurko8668/videos

    • Danke für den Link. Wirklich interessant.
      Einige Projekte folgen derselben Idee einer Gitterstruktur aus kleinen quadratischen Spiegeln.
      Dort wurden die Spiegel allerdings auf dem Boden platziert, was einfacher ist. Stattdessen wird das Ziel an die Fokusposition bewegt, was weniger einfach ist.
      Gute Inspirationsquelle, ich sollte mir die Videos ansehen.

  • Wenn man mit nassem Sand einen großen gekrümmten Körper von mehr als 1 m Durchmesser formt, könnte man darauf eine Glasfaser-Parabolschale abformen und nach dem Aushärten die Innenseite der Parabel verchromen, lackieren oder anders beschichten.
    Damit ließe sich das Sonnenlicht stärker konzentrieren als mit der aktuellen Beschränkung auf das 48-Fache.

    • Gute Idee, danke.
      Für manche Anwendungen könnte jedoch ein quadratischer Fokus von 20 cm x 20 cm besser sein.
      Wenn man etwas kochen will, ist es für gleichmäßiges Garen besser, die Wärme über das ganze Backblech zu verteilen.
    • Vor Jahrzehnten hat mein Bruder einmal die Innenseite eines großen Regenschirms mit Alufolie ausgekleidet. Er befestigte einen kleinen Grill am Griff und briet Hotdogs.
      Ich weiß nicht genau, wie er das in die richtige Richtung fixiert hat. In diesem Fall könnte es sogar hilfreich gewesen sein, dass die Form der Oberfläche nicht perfekt war.

  • Danke fürs Teilen. Wirklich cool. Wenn ich einen Garten oder Platz zum Bauen hätte, würde ich gern eines zusammenbauen, um damit eine kleine Wärmekraftmaschine anzutreiben.

    • Danke für den netten Kommentar.
      Es macht definitiv Spaß, etwas selbst zu bauen und die kostenlose Energie der Sonne zu nutzen.
      Besonders gefreut habe ich mich, als ich mein erstes Solargratin gegessen habe.
    • Eine solarbetriebene Espressomaschine, bei der die Sonne das Brühwasser und die Dampflanze erhitzt und sogar den Boiler für eine Dampfmaschine antreibt, die wiederum die Espressopumpe betreibt.
      Eigentlich suche ich nur nach einer Ausrede, um bei schlechtem Wetter länger im Bett zu bleiben.

  • Sehr cool. Ich frage mich, ob du dir einmal nichtabbildende Kollektoren (anidolic solar collector) angesehen hast. Soweit ich es verstehe, sind sie in der Praxis effizienter als spiegel- oder linsenbasierte Kollektoren, weil sie keine präzise Ausrichtung benötigen und auch indirektes Sonnenlicht sammeln können.

    • Von solchen Systemen wusste ich nichts.
      Wenn ich es richtig verstanden habe, ist das wesentliche Merkmal, dass das Licht nicht in einem Fokus gebündelt, sondern diffus verteilt wird.
      Deshalb bin ich mir nicht sicher, ob sich das auf mein Projekt anwenden lässt.
      Ich muss mich tiefer einarbeiten, um genau zu verstehen, wie das funktioniert. Danke für den Hinweis.

  • Verstehe ich richtig, dass der Winkel zwischen jedem Spiegelsegment und der Rückplatte bei der Herstellung einmal festgelegt wird und sich danach nicht mehr dynamisch ändert?

    • Genau.
      Der Vorteil dieser Methode ist, dass man statt zwei Motoren pro Spiegel nur zwei Motoren für das gesamte Panel braucht.
      Der Nachteil ist, dass das Licht nur für einige Stunden am Tag konzentriert wird.

  • Ich erinnere mich an etwas Ähnliches um das Jahr 2000, gebaut aus einer Directv-Satellitenschüssel.
    Es war sehr simpel. Man machte die Parabelform der Satellitenschüssel spiegelnd, bohrte ein Loch in die Schüssel und verfolgte dann mit einem Lichtsensor den Lichtstrahl, der durch dieses Loch auf das Dach fiel. Mit ein paar Motoren und ICs wurde die Schüssel dann entsprechend der Sonnenposition bewegt.