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Montageplanung und Materialwahl

Bevor ich mit dem Bau beginne, überlege ich mir zunächst, wo die Solarpanels montiert werden sollen: Eins am Gartenschuppen, zwei am Balkongeländer,  und eines am Mast der Wetterstation.

Am Gartenschuppen steht eine gerade Holzwand zur Verfügung, was einen flachen Halter erforderlich macht. Das Balkongeländer sowie der Mast hingegen haben jeweils einen Durchmesser von 30 mm – hier ist ein Halter mit Rundung notwendig. Aktuell benötige ich also zwei unterschiedliche Befestigungstypen.

Als Solarpanel verwende ich ein monokristallines 2-Watt-Modul mit etwa 6 V Ausgangsspannung (siehe Bild 1.0.1). Für den elektrischen Anschluss am Panel habe ich mich für eine Standard-Hohlbuchse mit 5,5×2,1 mm entschieden (siehe Bild 1.0.2). Kabel und Schrauben sind in der Darstellung nicht enthalten, da sie je nach Anwendung variieren können. Die Panels sind im Fünfer- oder Zehnerpack bei diversen Onlinehändlern erhältlich. Ihre Abmessungen betragen 120 × 110 mm (Länge × Breite), wobei die Höhe zwischen 1,3 mm und 1,8 mm schwanken kann.

Konstruktion des Gehäuses

Das zentrale Bauteil für die Solarpanelhalterung ist der Rahmen. Er übernimmt sowohl die Stabilität als auch die Dichtfunktion des Gehäuses. Der Rahmen muss verwindungssteif sein, alle notwendigen Gewinde aufnehmen können und dabei dennoch kompakt bleiben. Das Solarpanel wird von hinten mit Leisten in seinen Sitz gepresst, sodass es an der Vorderseite dicht abschließt.
Um einen gleichmäßigen Anpressdruck zu erzeugen, sind mehrere Schrauben notwendig (siehe Bild 2.0.1).

Auf der Rückseite befindet sich ein Deckel (Bild 2.0.2), der zur Stabilität in X-Form verstärkt ist. Dieser Deckel nimmt außerdem die Hohlbuchse (5,5 × 2,1 mm) auf, die später mit einer kleinen Brücke befestigt wird. Eine der insgesamt vier Anpressleisten, die das Panel in den Rahmen drücken, ist in Bild 2.0.3 zu sehen. Zur Befestigung an Geländern oder Wänden kommt der Gelenkhalter (Bild 2.0.4) zum Einsatz. Dieser dient als Aufnahme für den Haltehebel, der das Gehäuse sicher fixiert und eine flexible Ausrichtung ermöglicht.

Auf Bild 2.1.1 ist der Halte Arm zur Geländer Befestigung angezeigt mit einem 30mm Durchmesser am Ende. Das Gegenstück für den Halter sieht man auf Bild 2.1.2. Die Brücke (Bild 2.1.3) zum Befestigen der Hohlbuchse am Deckel.

3D-Druck der Bauteile

Für den 3D-Druck habe ich folgende Druckausrichtungen für den Prusa MK4 gewählt (siehe Bild 3.0.1 und 3.0.2).
Besonders wichtig: Die Leiste muss natürlich viermal gedruckt werden, da sie an allen vier Seiten des Solarpanels zum Einsatz kommt.

Gewindeschneiden

Kommen wir nun zu meiner Lieblingsbeschäftigung: dem Gewindeschneiden. Zugegeben – gerade im Rahmen gibt es einiges zu tun (siehe Bild 3.1.1): Die grünen Markierungen zeigen 12× M3-Gewinde, die gelben 4× M3-Gewinde an.

Für alle, die nicht zu den größten Fans des Gewindeschneidens zählen, gibt es eine alternative Variante des Rahmens. Dieser ist mit Schlitzen zur Aufnahme von normalen M3-Muttern ausgestattet. Die passende Datei trägt den Namen: Deckel110x120_V1-2.stl (siehe Bild 3.1.3).
Die Vertiefungen für die Muttern sind zusätzlich in Bild 3.1.4 und 3.1.5 gut zu erkennen.

Beim Rückendeckel (Bild 3.1.2) lässt sich das Schneiden von Gewinden allerdings kaum vermeiden: Hier sind 3× M3-Gewinde und 2× M2-Gewinde notwendig.
Alternativ können jedoch auch selbstschneidende Schrauben verwendet werden – das spart Werkzeuge und Zeit.

Verlöten und Montage

Wenn alle 3D-Druckteile gereinigt und mit Gewinden versehen sind, kann das Solarpanel angeschlossen und verlötet werden.

Elektrische Anschlüsse

Die erste Hürde besteht darin, herauszufinden, wo sich der Pluspol am Panel befindet.
Auf der Rückseite des Solarpanels befinden sich lediglich zwei Lötlaschen, aber keine Kennzeichnung – also: Plus oder Minus? Um das schnell und eindeutig festzustellen, benötigen wir ein Multimeter. Stellen wir es auf Gleichspannungsmessung (DC) ein, hilft es uns, die Polarität zu erkennen.

Im Bild 4.0.1: Die rote Leitung (Plus) des Multimeters liegt auf einer der Lötlaschen, die schwarze Leitung (Minus) auf der anderen. Erscheint nun im Display ein Minuszeichen vor dem Messwert, bedeutet das, dass die rote Leitung am Minuspol liegt – also ist die gegenüberliegende Lasche der Pluspol des Solarpanels.

Im Bild 4.0.2 sehen wir die umgekehrte Konfiguration: Die rote Leitung liegt auf dem Pluspol des Panels, die schwarze Leitung auf dem Minuspol. In diesem Fall erscheint kein Minuszeichen im Display – die Polarität stimmt,
und wir wissen nun sicher, wo der Pluspol des Solarpanels ist.

Jetzt wird die Hohlbuchse mit dem Solarpanel verlötet. Welche Anschlüsse dabei verbunden werden müssen, zeigt Bild 4.1.1 deutlich.
Im Bild 4.1.2 sieht man die fertige Verlötung im eingebauten Zustand.

Zusätzlich habe ich am Pluspol der Hohlbuchse eine Diode angelötet (siehe Bild 4.1.3).
Diese schützt vor Rückstrom: Sollte am angeschlossenen Verbraucher keine eigene Schutzdiode vorhanden sein, würde das Solarpanel im Dunkeln Energie aus dem Akku ziehen – und ungewollt als Heizung arbeiten.

Ein typisches Beispiel:
Wenn ein Laderegler keine integrierte Diode besitzt, kann der Akku das Panel bei fehlendem Sonnenlicht rückwärts entladen.

Die Einbaurichtung der Diode ist entscheidend, damit der Strom nur in eine Richtung fließen kann.

Montage der Hohlbuchse und Einsetzen des Panels

Die Montage der verlöteten Hohlbuchse an der Haltebrücke ist in Bild 4.2.1 dargestellt.
Dazu wird die Hohlbuchse in die große Öffnung der Haltebrücke geschoben, bis das Gewinde auf der anderen Seite herausragt. Anschließend wird die Mutter auf das Gewinde gesetzt und festgezogen – das Ergebnis zeigt Bild 4.2.2. Nun wird das Solarpanel in den Haltesitz des Rahmens eingesetzt (siehe Bild 4.2.3, roter Rahmen).
Wer die Dichtigkeit erhöhen möchte, kann vor dem Einsetzen des Panels etwas elastischen Kleber gleichmäßig in den Sitz auftragen. Sitzt das Solarpanel korrekt, wird die erste Leiste aufgesetzt und mit einer Schraube in der Mitte leicht angezogen (siehe Bild 4.2.4, magenta Kreis). Zur Veranschaulichung nochmal eine Seitenansicht in Bild 4.2.5.

Befestigung der Leisten und Verschraubung

Nach und nach werden die restlichen Leisten jeweils mit der Schraube in der Mitte angebracht (siehe Bild 4.3.1). Anschließend werden die restlichen Schrauben eingesetzt, aber noch nicht fest angezogen (siehe Bild 4.3.2). Wenn das Solarpanel gleichmäßig sitzt, werden zuerst die mittleren Schrauben jeder Leiste fest angezogen.
Danach werden alle übrigen Schrauben festgezogen und nach einer kurzen Zeit nochmals nachgezogen. Falls das Solarpanel noch Spiel hat, kann man zwischen Solarpanel und Leiste etwas unterlegen, bis es fest sitzt. In Bild 4.3.3 sieht man, wie die Hohlbuchse samt Haltebrücke an der Innenseite des Rückendeckels befestigt wird.
Zum Abschluss wird der Rückendeckel mit vier Schrauben auf den Rahmen geschraubt (siehe Bild 4.3.4).

Bis zur Fertigstellung des Halters sind nur noch wenige Schritte nötig:
Zuerst wird die M6-Mutter in den Gelenkhalter eingepresst (siehe Bild 4.4.1).
Anschließend wird der Halter für das Geländer mit einer M6-Schraube am Gelenkhalter befestigt (siehe Bild 4.4.2).
Der Gelenkhalter wird nun mit drei M3-Schrauben am Rückendeckel verschraubt.
Nicht zu vergessen: Die M3-Muttern müssen in den Gegenhalter eingepresst werden, der später für die Montage am Geländer verwendet wird (siehe Bild 4.4.4).

Explosionszeichnung

Zur besseren Übersicht gibt es eine Explosionszeichnung des Solarpanelhalters in Bild 4.5.1.

Anmerkung

Natürlich gibt es auch alternative Befestigungsmöglichkeiten. So könnte man das Solarpanel beispielsweise im Garten am Blumenbeet anbringen – dort besteht jedoch die Gefahr, dass wachsende Pflanzen es nach und nach verdecken. In diesem Fall bietet sich ein Halter mit Aluminiumrohr und Erdspieß an (siehe Bild 5.0.1).
Auch auf dem Balkon lässt sich das Panel befestigen, etwa an Blumenkästen, die das Geländer verdecken. Hierfür gibt es ebenfalls eine passende Halterung mit Aluminiumrohr (siehe Bild 5.0.2).
Darüber hinaus ist auch eine Montage an einer Wand oder an einem Pfosten vorgesehen (siehe Bild 5.0.3).

Des Weiteren plane ich die Konstruktion eines Solarpanelhalters mit integriertem USB-C-Ausgang.

Das Solarpanel ist eine ideale Ergänzung für meine Kleingeräte und Sensoren im Außenbereich – und das sogar im Winter! Die benötigten Kabel lassen sich je nach Anforderung entweder selbst konfektionieren oder einfach kaufen. Grundsätzlich gilt dabei: je kürzer, desto besser.

Viel Freude beim Nachbauen – oder vielleicht hat dich dieses Projekt sogar inspiriert, selbst kreativ zu werden.

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• Solarpanelhalterung Gehäuse

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Herstellung der LED-Streifen

Man muss auch wissen wie solche LED-STREIFEN hergestellt werden, der Irrglaube, dass die Streifen auf einem Endlosband bestückt werden und je nach Bedarf abgeschnitten werden ist falsch. Die Streifen werden in der Länge 500mm in eine Bestückungsmaschine gespannt und mit den LEDs bestückt. Die Anzahl der LEDs hängt davon ab wie viele LEDs pro Meter gebraucht werden. Es gibt Streifen mit 30/60/144 LEDs pro Meter. Danach werden die 500mm Streifen an den Enden auf die erforderliche Länge zusammengelötet.

Umsetzung der SMD5050 Klammer

Wie immer suche ich zuerst alle verfügbaren LED-Strefen aus meinem Sammelsurium die eine SMD5050 beinhalten. Wichtig war es alle Varianten der unterschiedlichen Hersteller zu haben. So kann man den bestmöglichen Mittelweg finden, um die Funktion (also das Klemmen) auf möglichst vielen Varianten anzuwenden.

Die Idee war es den Streifen nicht an der Rückseite zu verkleben, sondern die LED an den Außenflächen zu klammern. Im Bild 1.0 werden einige der Zahlreichen Varianten für SMD5050 dargestellt

• 1.0.1 WS2812B Streifen mit 30 LED pro Meter
• 1.0.2 WS2812B Streifen mit 60LED pro Meter
• 1.0.3 WS2812B Streifen mit 144 LED pro Meter
• 1.0.4 Sk6812 Streifen mit gleichen Unterteilungen wie oben
• 1.0.5 Kalt Weiß Streifen mit 60 LED pro Meter

Der nächste Schritt besteht darin die Außenmasse der SMD5050 auszumessen und zu vergleichen. Wie der Name SMD5050 schon beinhaltet stehen die Zahlen 5050 für die Masse 5mm an den Außenlinien (5050 ist gleich 5mm lang und 5mm breit). Zu meinem Erstaunen bewegen sich die SMDs nur im hundertstel Millimeter. Das heißt die Abweichungen sind marginal (2.0.1, 2.0.2) und für die Konstruktion zu vernachlässigen.

Anders sieht es bei der Höhe der LEDs aus, dort sind die Unterschiede etwas markanter (2.0.3, 2.0.4 und 2.0.5). Aber der größte Unterschied liegt bei den Lötungen mit mehr oder weniger Lötzinn. Die Unterschiede sind nun bekannt und können in der Konstruktion berücksichtigt werden.

Die meisten Probleme bereiten die Lötstellen und außenstehenden Widerstände. Die Lötstellen sind oft sehr unterschiedlich, manchmal etwas dicker und zuweilen ragen sie über die Seitenkante hinaus. Auch die Widerstände sind je nach Streifen an unterschiedlichen Stellen platziert.

Zuerst zeichne ich die Halteklammer (3.0.1) an der die LED später befestigt wird. Als nächstes gestalte ich den Halterahmen für die SMD5050, der später für die Klemmung der LED sorgt (3.0.2). Bei Bild 3.0.3 füge ich sogenannte Aussparungen hinzu. Diese Vertiefungen im Rahmen habe ich bei den verschiedenen LED-Streifen gemessen.

Nach diesen drei Hauptschritten drucke ich den ersten Prototyp mit meinem Lieblingsmaterial und favorisierten Drucker. Nach den ersten Versuchen die LED zu klammern war ich sehr zuversichtlich, dass es am Ende funktioniert. Natürlich muss man beim herausnehmen des Materials auch die Stabilität der Klammer im Auge behalten.

Die Entwicklung basiert auf meinen bisherigen Erfahrungen. Es ist ein Spagat zwischen Haltekraft, Stabilität und der Druckbarkeit. Die Anzahl der gedruckten Prototypen in diesem Fall fünfzehn Stück, sagt nur bedingt über die entstandene Arbeit aus. Fünfzehn Versuche ist eher wenig. Ich hatte Glück mit dem Grundkonzept und dass die Idee die Richtige war.

Im Bild 3.0.4 und 3.0.5 seht ihr noch die Veränderungen zu 3.0.3 in den Maßen und Formen wie z.B. das Anbringen von Fasen.

Herstellen der Klammer im 3D Drucker

Die CAD Entwicklung ist nun abgeschlossen. Als nächstes ist der Durckvorgang an der Reihe. Es müssen einige Faktoren berücksichtigt werden wie z.B. das richtige kalibrieren des 3D Druckers. Wenn man ein Gehäuse mit einem Deckel auf einem schlecht kalibrierten oder nicht kalibrierten 3D Drucker mit denselben Einstellungen und Material druckt, passt es immer zusammen. Es stimmen die Masse nicht aber die Bezüge von Gehäuse und Deckel sind gleich und darum passt es trotzdem.

Anders sieht es aus, wenn ein extern produziertes Bauteil wie die SMD5050 ins Spiel kommt. Dann muss die Masse in einem bestimmten Toleranzfeld übereinstimmen. Wenn man seinen 3D Drucker nicht kalibrieren will, kann man die Maße über den Slicer anpassen. Jeder Slicer bietet eine sogenannte Skalier Funktion. Der nächste Faktor hängt mit der Größe der Klammer zusammen, da die Klammer sehr klein ist muss die Düsenkühlung auf 100% eingestellt sein. Düsenkühlung ist eigentlich der falsche Begriff, da nicht die Düse, sondern das austretende Filament gekühlt werden soll. Bei kleinen Bauteilen kommt die heiße Düse schneller wieder am Werkstück vorbei, sodass dieses nicht richtig abkühlen kann. Dadurch verläuft das Filament und kann die gewünschte Form nicht halten.

Nicht zu unterschätzen ist auch die Druckrichtung. Bei unseren Klammern sollte die Druckrichtung seitlich stattfinden, also liegend gedruckt (4.0.1). Es schadet auch nicht einen BRIM vom Slicer generieren zu lassen (4.0.2).

Montage der SMD5050 Klammer

Für die Montage der Klammer ist es ratsam die einzelne LED oder den Streifen auf eine ebene Oberfläche zu legen und danach die Klammer von oben aufzudrücken. Die LEDs sind sehr stabil und können einiges aushalten. Wer Zweifel an der Haltekraft der Verbindung hat kann natürlich noch etwas Kleber hinzufügen. Man muss auch nicht jede LED am Streifen klemmen, es reicht völlig aus jede dritte oder vierte LED zu klemmen.

Ich habe unterschiedliche Varianten von Klammern konstruiert, die man verschrauben, klemmen und natürlich verkleben kann. Eine Einschränkung gibt es aber doch. Man kann die Klammer nur in zwei Richtungen anbringen. Bei der Konstruktion musste ich den Kompromiss eingehen, dass nur zwei Seiten für das Klipsen in Frage kommen. Man kann daher die Klammer nicht alle 90 Grad drehen und anbringen, sondern nur jeweils um 180 Grad. Kurz gesagt die Lötstellen müssen immer rechts und links von der Klammer stehen und nicht oben und unten. (siehe Bilder 5.0 – 5.1)

Anwendungsbeispiele

• 5.0.1, 5.0.2 WS2812B 60 LED/m
• 5.0.3 RGW auf Platine
• 5.0.4 WS2812B 144 LED/m (geht nur jede zweite LED zu Klipsen)
• 5.1.1 SK6812 verlötet auf Trägerplatte geklemmt
• 5.1.2 WS2812B verlötet drei Stück
• 5.1.3 RGW
• 5.1.4 CW mit Seitenclips rechts und links

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• Klemme für SMD5050

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