Windenergie

Windenergie is energie die door de wind, met behulp van een windmolen, omgezet wordt in elektriciteit.

Ken je die grap van die windmolen die 'op hol' sloeg?

Nee

Ik kon het niet laten. ;-(

Het kan echter ook heel anders gaan..

Training Windenergie ontdekken (Dit is een onderdeel van SchoolupdateAcademie)

Tijdens deze training voor basisschoolleerlingen groep 8, ontwerpen en maken ze zelf wieken voor een windmolen. Na het monteren daarvan kan met behulp van een blower de molen getest worden. Er zijn vier molens en blowers beschikbaar.

Tot heden werd of...

• met een Voltmeter de maximaal behaalde spanning gemeten als maat voor de efficiëntie van de wieken.
• een ledje in een huisje aangesloten en werd gekeken of het brandde, (niet het huisje ;-) wat nogal eens lastig waar te nemen bleek.

Om een zekere vorm van competitie te creëren is bedacht dat de gemeten waarden van twee of meerdere molens gelijktijdig op een groot scherm getoond zouden moeten kunnen worden.

De basis hiervoor zijn twee eerder door mij geschreven programma's...

• U&I meter
  Hierin wordt uitgelegd wat er allemaal komt 'kijken' bij het aflezen van analoge meetinstrumenten .
• Arduino Nano Voltmeters.
  Hiervan worden twee gelijktijdig op een scherm getoond, waarbij de op de Arduino aangeloten spanningen (A0 en A1) op het beeldscherm weergegeven worden.
  Dat had ik al eens ontwikkeld voor PSO lessen elektrotechniek welke ik zelf niet meer geef en daardoor een beetje in de kast bleef liggen.

Bij het presenteren van de mogelijkheden van de interface en software, is besloten verder uit te zoeken of het in de 'Training Windenergie ontdekken' opgenomen zal/kan worden. Wanneer mijn 'school' aan deze ontwikkelingen¹ goedkeuring verleent, zal ik dit de komende tijd verder uitwerken en een aantal demo modellen maken. Deze kunnen dan door meerdere personen (scholen) gebruikt/getest worden. De dan opgedane ervaringen en suggesties kunnen ook 'meegenomen' worden in de verdere ontwikkelingen.

¹ Daar is inmiddels toestemming voor gegeven.

Op deze site wordt het bovenstaande idee uitgewerkt. Het lesmateriaal Training Windenergie ontdekken wordt hier verder niet besproken.

12-7-2024
Het lijkt er momenteel trouwens op, dat dit project behoorlijk veel tegenwind ondervindt. Alle ontwikkelingen mijnerzijds (voor wat ontwikkeluren betreft) zijn door de directie stopgezet. Er is trouwens hunnerzijds nooit enige belangstelling voor de ontwikkeling van al mijn projecten getoond, maar dat is niets nieuws.

Over het meten van spanning en stroom met behulp van een Arduino is op internet veel te vinden. Een aantal zaken zijn speciaal van toepassing voor dit project.

Ingangen

De Arduino Nano heeft meerdere analoge ingangen, welke een gelijkspanning van 0-5 Volt kunnen omzetten in decimale waarden van 0 tot 1023.

De door ons gebruikte windmolen levert een spanning van ongeveer 13 Volt en deze wordt via een spanningsdeler (serieweerstanden) aangesloten op de 'Arduino Voltmeter'. Het is een pulserende gelijkspanning. Met een elcootje zou dat wel iets afgevlakt kunnen worden waardoor de wijzer minder wappert. Omdat de windmolen, afhankelijk van de wieken, links of rechtsom kan draaien, moet dat elcootje bipolair (polariteitsvrij) zijn.
Het lijkt wel een beetje op de oude VU meters, welke in de volksmond ook wel WAPPERS genoemd worden..

Spannings deler

De spanning van de windmolen is groter dan ingang van de Arduino kan verwerken. Dat is met een weerstandsnetwerkje op te lossen. In de interface, welke ik in eerste instantie gebruikte, zitten per ingang twee weerstanden. (10 kΩ en 22 kΩ, deze had ik namelijk zelf nog op voorraad,) Deze combinatie zorgt voor een behoorlijk nauwkeurige meting, i.i.g. nauwkeurig genoeg voor de huidige doelstelling.

Mocht de spanning toch hoger uitvallen, dan kan dat eenvoudig door een andere combinatie van weerstanden opgevangen worden. Momenteel gebruik ik 3 x 10kΩ 1% metaalfilm weerstanden.

Gelijkwaardigheid

Vanwege het competitief element moeten de schakelingen voor de gebruikte ingangen zoveel mogelijk gelijkwaardig zijn. In de huidige schakeling zijn 5% koolfilm weerstanden gebruikt. Om het gelijkwaardiger te maken, heb ik afgelopen zaterdag (30-9-2023) een aantal 1% metaalfilm weerstanden besteld.

Precisie

De Arduino Nano wordt gevoed met een USB kabel, wat betekent dat de spanning 5 Volt is/zou moeten zijn. Deze spanning wordt als referentie voor de meting gebruikt, maar het blijkt dat deze in de praktijk lager is.

Op andere modellen van de Arduino is er de mogelijkheid zelf een referentie spanning aan te bieden, waardoor de precisie toeneemt. Omdat we op zich 'gelijkheid' van beide Voltmeters nodig hebben, hoeven we dit in principe niet toe te passen.

Mochten we later de software ook willen gebruiken om bij het project elektrotechniek nauwkeurig spanningen te kunnen meten, dan heeft een andere Arduino (Uno, Mega, Leonardo, etc.) de voorkeur. Deze hebben een speciale aansluiting voor een referentiespanning AREF analogReference(EXTERNAL), maar kunnen ook op een 12 Volt voeding aangeloten worden, waardoor de referentiespanning automatisch 5,00 Volt wordt.

Beeldscherm

Op internet wordt bij de meeste projecten de waarde op een kleine display getoond. Door het koppelen van de Arduino met een (Windows) computer, kunnen daar de gemeten waarden van de Arduino ingelezen en door software op de PC verwerkt worden.

Het is de bedoeling dat de gemeten spanningen 'live' op een groot scherm getoond worden. In eerste instantie door middel van twee analoge en twee digitale beeldscherm Voltmeters. Mocht het nodig zijn, dan kunnen er ook vier meters aangsloten en op het scherm getoond worden. Dat vergt wel een behoorlijke update van de software.

Momenteel lijkt mij 2 voldoende waarbij dan eerst twee groepen tegen elkaar spelen. Daarna kunnen de winnaars een 'finale' spelen. Een en ander is natuurlijk wel afhankelijk van de beschikbare tijd. Kan er maar één keer 'gespeeld' worden, dan zouden 4 Voltmeters op het scherm een oplossing kunnen zijn.

Grapje, prijzen voor de...
- winnaar, een windmolen met drie wieken
- verliezer, een windmolen met één wiek

Analoge Voltmeters

De afbeeldingen van de analoge meters komen uit een heel oud project dat ik eens geschreven heb om op een beamer (klassikaal dus) uit te leggen hoe je deze correct afleest.

In één oogopslag zijn de 'waarden' van analoge meters makkelijker met elkaar te vergelijken dan die van digitale meters, wat de eventuele spanning (haha) van de competitie laat oplopen.

Het aflezen daarvan is trouwens een heel ander verhaal. Kunt u ze nog correct aflezen?

De tekening van de Voltmeter is vector based, wat duidelijk te zien is wanneer je de onderstaande afbeelding vergroot.

Zo te zien heeft een leerling de laptop per ongeluk laten vallen en is de wijzer afgebroken. ;-)
Op een I-pad zijn zelfs de cijfers er af gevallen. :-(

De software kan met een setup programma op de computer geïnstalleerd worden. Daarbij wordt het bestand MSCOMM32.OCX automatisch in de juiste map geplaatst en geregistreerd. MSCOMM32.OCX is een bestand dat gebruikt wordt voor de communicatie tussen de computer en Arduino.

Wanneer voor de eerste keer een Arduino op een Windows computer aangesloten wordt, zal normaal gesproken geprobeerd worden een driver voor de communicatie te installeren. Het betreft de CH340 driver. Op de Arduino site en hier is daar meer over te lezen.

Na het installeren kan de software meteen gestart worden. Op het scherm worden 2 analoge en 2 digitale Voltmeters getekend. Met de schuifbalk onder de meters kan de waarde ingesteld worden.

De onderstaande afbeelding geeft een indruk van het startscherm.

Omdat uit de windmolen een pulserende gelijkspanning komt zal, zonder gebruik van elektronica, de wijzer niet echt stil komen te staan. (Letterlijk gezien is dat natuurlijk ook niet de bedoeling.) Met een bipolair elcootje is het pulserende gedrag van de wijzer waarschijnlijk wel af te vlakken.

Momenteel kan echter eenvoudig de maximaal gemeten (piek) waarde bepaald worden door op 'Toon de piek waarde' in het programma te klikken. In de onderstaande afbeelding is te zien dat dan de Voltmeter twee wijzers heeft. De groene wijzer en groene digitale meter geven de piekwaarde van de betreffende ingang aan. De behaalde piek waarde (groene wijzer) blijft dus op die piek waarde staan tot een andere hogere waarde gemeten wordt. De piekwaarde wordt gewist door op de bijbehorende digitale meter te klikken.

Voor alle duidelijkheid, bij de linker meter is de
- piek waarde 6,22 Volt
- huidige waarde 3,78 Volt

Op het scherm staan onder de meters de volgende instellingen...

Meetfrequentie
De ingestelde tijd bepaalt hoe snel achterelkaar de ingangen van de Arduino in de computer gelezen worden. Wanneer deze op nul gezet wordt, is de timeruitgeschakeld.

Meetgevoeligheid
Bij het meten van gelijkspanningen komen door gebruik van potmeters en invloeden van buitenaf onbedoeld wel eens kleine wijzigingen in de gemeten spanning voor. Deze instelling bepaalt dat bij de ingestelde waarde de waarde niet verandert wanneer deze binnen de ingestelde valt. Het voorkomt dus kleine bewegingen van de wijzers. Deze berekening wordt in de Arduino uitgevoerd.

Animaties uitgangen
In de eerste versie van dit project was het de bedoeling dat leerlingen lampjes konden aansluiten, welke dan met de muis bediend konden worden. De speelse gedachte was dat het dan ook leuk kan zijn de lampjes automatisch te laten knipperen.
Voor het huidige project hoeft dit niet toegepast te worden. Wel zouden op deze manier bijvoorbeeld de blowers of wat dan ook met de computer aan- en uitgezet kunnen worden.

Vertraging animaties uitgangen
In mSec de tijd tussen het uitvoeren van de volgende animatie. Hoe groter de waarde hoe trager de animatie.

Uitgangen
Door op de lampjes te klikken wordt de bijbehorende uitgang bediend/onbediend. Deze functie wordt momenteel niet door de interface ondersteund.

Verbindingen
Bij het starten van het programma wordt gezocht naar eventueel aanwezige com-poorten. Wanneer deze gevonden worden, verschijnen de nummers van deze poorten in de lijst. (List box) Wanneer de Arduino na het starten van de software aangesloten wordt, zal door op Find Com te klikken opnieuw naar aangesloten apparaten gezocht worden. Wanneer er BlueTooth apparatuur aangesloten en verbonden is, dan worden er meerdere com poorten getoond. Wanneer per ongeluk een BlueTooth poort gekozen is, kan het programma wel eens vastlopen. Het wordt aanbevolen BlueTooth uit te schakelen.

Door op Connect te klikken wordt gezocht naar een aangesloten apparaat. De Arduino moet wel van de juiste software (Schoolupdate Academie.ino) voorzien zijn, anders wordt geen verbinding gemaakt.

Binnenkort zal ik ook een .HEX bestand plaatsen. Met het programma XLOADER kan het dan eenvoudiger in de Arduino geplaatst worden

Kleur Team A-B
Om duidelijk te maken welke meter bij welk(e) molen/team hoort.

Algemeen
   Help... Korte beschrijving van het programma
   Over... Informatie over de maker/uitgever
   Afsluiten... Stop het programma. Wel eerst een eventuele verbinding verbreken.

In de Arduino moet de onderstaande code geplaatst worden. Omdat er geen bijzondere libraries gebruikt worden, kunt u deze gewoon knippen en daarna plakken in de Arduino IDE. (Ook beschikbaar voor macOS)

De onderstaande code is nog niet geoptimaliseerd voor dit project. Het is de code welke bij meerdere projecten van mij gebruikt wordt.

//Code voor analoge Voltmeters op een Windows computer.
//https://www.edutechsoft.nl/Schoolupdate%20Academie/

unsigned int Teken;
int TotSlash;
int AnaInNow;
int stap=-1;
int binair;
int decimaal;
//Een array maken met oude waarde van de analoge ingang
int AnaInOud[5];
int Tolerance=2;

void setup()
{
  //// hier staat de code voor instellingen, deze wordt eenmalig uitgevoerd:
  for (int x=1; x<6; x++)
  {
    AnaInOud[x] = -1;
  }
  for (int x=2; x<10; x++)
  {
    pinMode(x, OUTPUT);
  }
  //digitalWrite(3,HIGH);
  //digitalWrite(8,HIGH);
  Serial.begin(115200);
}

void loop()
{
  //Hier staat de uit te voeren code, deze wordt herhaald uitgevoerd:
  //autoupdate();
  leesdata();
  switch(Teken)  
  {
    case 1:
      //i.v.m. snelheid, interne decimale naar binaire omzetting
      leesdata();
      stap= 0;
      while(stap<8){
        //Test voor true of false
        if (Teken & round(pow(2,stap))){
          //True set led
          digitalWrite(stap+2, HIGH);
        }
        else
        {
          //False reset led
          digitalWrite(stap+2, LOW);
        }
        stap++;
      }
      break;  
    case 3:
      //Serial.print (Teken);
      //Serial.print (" Analoog lezen ");
      leesdata();
      //Serial.println (Teken);
      if (Teken>0 && Teken <6);
      {
        //Gevraagde analoge ingang vergelijken met oude waarde +/- 2
        //AnaInNow = analogRead(Teken);
        //if (AnaInNow>(AnaInOud[Teken]+2) || AnaInNow<(AnaInOud[Teken]-2))
        Serial.print("A");
        Serial.print(Teken);
        Serial.println(analogRead(Teken));
        delay(5);
        //AnaInOud[Teken]=AnaInNow;
      }  
      break;
   case 5:
      // was autoupdate inputwaarde is update als deze veranderd
      for(int x = 0; x < 5; x++){
        AnaInNow = analogRead(x);
        if (AnaInNow>(AnaInOud[x]+Tolerance) || AnaInNow<(AnaInOud[x]-Tolerance)){
          Serial.print("A");
          Serial.print(x);
          Serial.println(analogRead(x));
          delay(5);
          AnaInOud[x]=AnaInNow; 
        }
      } 
      break;
    case 6:
      //Haal de 'nieuwe' tolerantie waarde op
      leesdata();
      Tolerance=(Teken);
      break;
    case 7:
      // was autoupdate inputwaarde is update als deze veranderd
      decimaal = 0;
      for(int x = 0; x < 5; x++){
        AnaInNow = analogRead(x);
        if (AnaInNow>512){
          decimaal = decimaal + round(pow(2,x));
        }
      } 
          Serial.print("DI");
          Serial.print(decimaal);
          delay(5);
      break;
    case 90:
     //Check correct .ino
     Serial.println ("ETS");
     break;
    case 99:
    //Version info
     Serial.println ("Test Arduino versie 1.05");
     break;         
  }
}

long leesdata()
{
  Teken = 0;
  while (TotSlash != '/')
  {
    TotSlash = Serial.read();
    if (TotSlash >0 && TotSlash != '/')
    {
      Teken = Teken * 10 + TotSlash - '0';
    }
   } 
  TotSlash = 0;
  return Teken;
}

Met het programma Fritzing kunnen 'eenvoudig' elektronische schakelingen gemaakt worden. Van een gemaakte schakeling kan een PCB getekend en geproduceerd worden.

Voordat we overgaan tot productie daarvan, wordt eerst op een universeel PCB de schakeling opgebouwd en getest. Er zullen binnenkort een aantal daarvan beschikbaar worden gesteld om te testen en te bepalen wat we er eventueel nog meer mee kunnen doen.

Onder download is de onderstaande schakeling beschikbaar gesteld. Voor het inlezen en bewerken daarvan moet natuurlijk wel Fritzing geïnstalleerd zijn.

Er zijn meerdere weergavemodi.

Windows software 4-2-2024 (versie 1.0.5)

Arduino Voltmeter Setup.exe
Arduino Voltmeter Setup.zip

Let op. Wanneer de wijzer niet uitslaat verwissel dan de aansluitingen (+ en -) of pas de wieken zo aan dat de molen de andere kant op draait.

Arduino software 2 oktober 2023

Voor gebruik in de Arduino IDE moet dit bestand in een map met dezelfde naam Schoolupdate Academie (dus zonder .ino) opgeslogen worden.
Schoolupdate Academie.ino

Fritzing 14 december 2023

Arduino Voltmeter Basis 01.fzz

Om een beeld te kunnen vormen van wat de bedoeling is/kan zijn, heb ik het onderstaande filmpje gemaakt waarin e.e.a. verduidelijkt wordt.

1. De wijzer staat tijdens de meting niet stil.
   Er zou met een condensatortje op de uitgang iets afgevlakt kunnen worden..
2. Wanneer drie krukken gebruikt worden om de windmolen op te stellen...
   - staat deze op de gewenste hoogte tegenover de blower
   - waait deze niet zomaar om
3. De snoertjes van de windmolen naar de interface mogen best wel iets langer zijn.
   Een paar lange meetsnoeren bestellen en aansluitbussen op de windmolen monteren.
4. De interface kan ook met een lange USB kabel of USB verlengkabel op de computer aangesloten worden.
   Dat is niet op het filmpje te zien.
   

De interface kan ook uitgelezen worden met het programma Snap4Arduino. Hieronder staat een klein voorbeeldje betreffende het lezen van de ingangen A0 en A1 en het berekenen van de spanning.

Het is mij bekend dat deze manier van programmeren veel gebruikt wordt. Zelf heb ik daar nagenoeg geen ervaring mee. Het kostte mij bijvoorbeeld best wel even tijd voordat ik het bovenstaande geprogrammeerd had.

Het is zelfs mogelijk om, afhankelijk van de spanning, een wijzer te laten draaien, waarbij ook een andere achtergrond voor de meter gekozen kan worden.

Nou ja, je kunt er ook .svg (vector afbeeldingen) bestanden in plaatsen. Het was alleen wel even uitzoeken hoe je het draaipunt van de wijzer moet vastleggen.

In het hieronder staande programma wordt ingang A0 van de aangesloten Arduino ingelezen en omgerekend naar de hoek van de wijzer. De waarde geeft de afgeronde spanning weer.

Dit zou dus ook op Apple, Chromebook enz. moeten kunnen werken. Een I-pad kan ook, maar die heeft dan bluetooth nodig voor de verbinding met de Arduino. Opvallend is wel dat in Snap4Arduino (schermafdruk I-pad) de letters wel zichtbaar zijn. In de browser (Safari) is dat wel anders. (schermafdruk I-pad)

Ik vind het wel opmerkelijk dat het een heel gedoe is om, zonder I-cloud, bestanden van je I-pad naar je PC te kopiëren.

Zouden wij er een opdracht van kunnen maken welke de leerlingen, ondermeer als voorbereiding op de les bij ons op school, zelf kunnen programmeren in Snap4Arduino? De software hoeft niet geïnstalleerd te worden en kan direct via een website uitgevoerd worden.

Er is ook een versie voor

• Windows 64 (of de portable optie)
• GNU/Linux 64
• MacOSX
• Windows32 (of de portable optie) of
• GNU/Linux 32 beschikbaar

Chromebooks
Install Snap4Arduino connector and then, just play Snap4Arduino online (you can install it as an app from the browser to run it offline).

Download Pekly Voltmeter.xml (Arduino en pijltoets besturing.) Dit bestand kunt u als volgt in Snap4Arduino laden.

• Kopieer de deze link
  klik er met de rechtermuistoets op en kies koppeling kopiëren
• Start Snap4Arduino
• Kies File / Import (zie afbeelding hiernaast)
  
• Plak de link in het vak bestandsnaam
• Klik openen

Dit zou voor alle versies moeten werken.

• Wanneer een Arduino verbonden is kan de wijzer de spanning van ingang A0 weergeven.
• Wanneer er geen Arduino verbonden is, kan de wijzer met de pijltoetsen links- en rechtsom verdraaid worden.

Bij het gebruik van de online versie kan de Arduino niet gebruikt worden. Zo even uit mijn hoofd moeten daarvoor wat bestanden gekopieerd worden. Dat heeft te maken met rechten om vanuit een browser een USB poort te mogen openen. In de portabele versie werkt het wel.

Hoe dat met de pijltoetsen op een I-pad werkt moet ik nog wel ff uitzoeken. Ook de link kan niet direct in Snap4Arduino geladen worden. U moet het .xml bestand eerst downloaden en dan importeren.

Het doel van dit project is dat leerlingen zelf (onderdelen van) een windmolen maken en testen. De doelgroep is groep 8 basisschool leerlingen. (Soms gecombineerd met groep 7)

Dat is dus, voor wat het lesmateriaal betreft, de basis! Een aantal afbeeldingen op deze site moet mij daar aan blijven herinneren, vandaar!

29 september 2024

• Inhoudsopgave aangepast.

4 februari 2024

• Software update. De software liep vast wanneer er een Arduino met verkeerd .ino bestand aangesloten was.

19 januari 2024

• Omdat het installeren van het programma misschien tot 'gedoe' leidt, overweeg ik de software dusdanig aan te passen dat installatie niet meer nodig is.

7 januari 2024

• Nieuwe achtergrond voor de Voltmeters. Door op de meter(s) te klikken kan tussen de oude en nieuwe weergave gekozen worden. Bekijk voorbeeld
  Waar zou eigenlijk de wind vandaan moeten komen om deze Voltmeterstanden te verkrijgen?
  
  In principe kan elke afbeelding als achtergrond gekozen worden. Deze staan in de map /Pictures en u kunt deze bijvoorbeeld met Corel Draw aanpassen. Hopelijk geen minions toch?
  
  Vanzelfsprekend is de download ook aangepast.

14 december 2023

• De printjes zijn geleverd maar helaas had ik per ongeluk een oude versie geupload. De bevestigingsgaten waren daarin nog niet aangebracht en er zat sluiting in een van de printsporen. De bevestigingsgaten heb ik handmatig geboord en het probleem van de sluiting verholpen. De printjes kunnen gelukkig gewoon gebruikt worden.
• Het aangepaste Fritzing bestand staat onder download op de site.
  

13 december 2023

• Houder voor het aansluiten van de molen op de interface (33,6 mm.)

11 november 2023

• Outside the Box

6 november 2023

• Snap4Arduino code met pijltoetsen en Arduino interface
• Deze code is te downloaden met uitleg how to:

3 november 2023

• Verdieping, aflezen van een Pekly V/A meter toegevoegd.

2 november 2023

• Doelgroep toegevoegd.
• Aanvulling Snap4Arduino
• Kleurverloop vergelijkbaar aan de kleuren van het logo SCHOOLupdate toegevoegd.
• Tekst toevoeging.

28 oktober 2023

• BB Toegevoegd
• 26 oktober 2023
• PCB toegevoegd, een aantal teksten aangepast.

25 oktober 2023

• Getoond dat in een alternatieve programmeeromgeving de ingangen ingelezen en naar de bijbehordende ingangsspanning omgerekend kunnen worden.

20 oktober 2023

• Voorbereidingen betreffende de behuizing.

17 oktober 2023

• Universele print layout met toelichting toegevoegd.

13 oktober 2023

• Er kunnen (team) kleuren in gesteld worden door op de button Kleur team A/B te klikken en dan een kleur uit het palet te kiezen. Ik denk dat dit verduidelijkt welke meter bij welk team hoort. Eventueel zou ook de schoolnaam, nickname o.i.d. gebruikt of toegevoegd kunnen worden.
• Zou het toevoegen van een HALL OF FAME nog leuk/zinvol zijn?

11 oktober 2023

• Filmpje toegevoegd met opmerkingen betreffende soort spanning en het aansluiten van de windmolen op de interface

8 oktober 2023

• Fritzing bestand en afbeeldingen van breadboard, schema en PCB toegevoegd.
  Het Fritzing bestand is ook te downloaden.

2 oktober 2023

• Eerste versie van deze site.