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Single axis adjustment for my solar panel

Astronomisch geführte Sonnenstand-Nachführung für ein einzelnes PV-Modul auf einem Gartenhaus-Dach. Basierend auf ESP8266 (ESP12F-Relay-X4), MPU-6050-Beschleunigungssensor und einem 12 V Linear-Aktuator – mit MQTT-Anbindung an Home Assistant inkl. Sturm-Notfallmodus.

Gesamtansicht – Gartenhaus mit aufgestelltem PV-Panel

Was macht das Ding?

Ein einzelnes PV-Modul auf dem 32°-Dach eines Gartenhauses wird durch einen 12 V Linear-Aktuator zwischen 32° (flach auf dem Dach) und ca. 59° (Aktuator voll ausgefahren) verstellt. Ein MicroPython-Programm auf einem ESP12F berechnet aus Datum, Uhrzeit und Standort den optimalen Panel-Winkel zur Sonne, misst per MPU-6050-Beschleunigungssensor den aktuellen Ist-Winkel und steuert über zwei Relais die Polarität am Aktuator.

Alle Werte werden per MQTT an einen Broker geschickt – damit baut sich in Home Assistant ein Live-Dashboard. Über ein Command-Topic (cmnd/solar/EMERGENCY = on) lässt sich das Panel bei Unwetterwarnung sofort flach auf das Dach fahren.

Features

Astronomische Sonnenstand-Berechnung für jeden Tag des Jahres und jede Tageszeit
MPU-6050-Regelung mit asymmetrischer Hysterese (Start ab 2° Abweichung, Stopp ab 0,5° + Overshoot-Erkennung)
MQTT mit JSON-Vollpayload + einzelnen Topics für Home-Assistant-Sensoren
Notfallmodus über MQTT (cmnd/solar/EMERGENCY) – Panel sofort in Schutzposition
Hardware-Watchdog (~3 s) gegen ESP-Hänger
WebREPL zur Wartung übers WLAN (kein USB nötig nach Einbau)
Mini-Webserver zur manuellen Steuerung im Browser
Kalibrierungs-Layer mit Offset/Sign – Sensor-Achsenrichtung muss nicht physisch perfekt sitzen

Hardware

Bauteil	Funktion
ESP12F-Relay-X4 v1.2	ESP8266 + 4 Relais, davon 2 genutzt
MPU-6050 (GY-521)	Beschleunigungssensor zur Winkelmessung
Linear-Aktuator 12 V mit Endschaltern	Verstellt das Panel-Gestell
DC/DC-Stepdown-Wandler	12 V → 5 V Versorgung des ESP
CAT5-Kabel ~2,5 m	Verlängert I2C-Bus vom Controller zum Sensor am Panel

Steuerung im Gartenhaus

ESP12F-Relay-X4 Controller im Gehäuse

Der Controller hängt geschützt unter der Dachschräge. Die zwei roten LEDs zeigen, welches Relais gerade aktiv ist.

Stromversorgung

DC/DC-Stepdown-Wandler 12V→5V

Ein einstellbarer Stepdown-Wandler erzeugt die 5 V für den ESP aus der 12 V Aktuator-Versorgung – ein Netzteil reicht für alles.

MPU-Sensor am Panel

MPU-6050 am Panel-Rahmen

Der MPU-6050 sitzt in einem 3D-gedruckten Gehäuse direkt am PV-Rahmen und misst die Neigung gegen die Schwerkraft. Verkabelt mit CAT5 zum Controller.

Schnellstart

Hardware nach Pinbelegung verdrahten (siehe docs/hardware.md)
MicroPython auf ESP12F flashen (docs/installation.md)
src/env.example.py → env.py kopieren und Werte einfüllen (WLAN, MQTT, Sensor-Achsen)
Code als .mpy kompilieren (sonst MemoryError beim Parsen):
```
python -m mpy_cross solar_main.py
```
Dateien hochladen (USB oder WebREPL): boot.py, main.py, env.py, mpu6050.mpy, solar_main.mpy
Strom an – fertig. Webseite unter http://<esp-ip>/, MQTT-Topics unter tele/solar/...

Detaillierte Anleitung: docs/installation.md

Migration auf ESP32 mit externer Antenne: Wenn ihr das Setup an einem WLAN-schwachen Standort betreibt (z. B. Gartenhaus / Schuppen), gibt es eine ausführliche Umbau-Doku vom ESP12F-Relay-X4 auf den Olimex ESP32-EVB-EA Rev.L mit IPEX-Externantenne: docs/hardware-migration-esp32-evb.md — inkl. Mermaid-Diagrammen für IST- und SOLL-Verkabelung sowie dem korrekten 12 V-Split über einen Mini-360-Buck (das neue Board ist strikt 5 V!).

3D-Druck-Gehäuse für den Olimex-Controller

Olimex ESP32-EVB-EA Rev.L Gehäuse v0.3

Für die Überkopfmontage des neuen Controllers im Schuppen unter dem Dach gibt es jetzt ein eigenes parametrisches Gehäuse in v0.3. Es bietet Zugang zu den sechs Aktuator-Schraubklemmen, Micro-USB, PWR1, UEXT/Dupont, externer WLAN-Antenne und RST1; der nicht benötigte CAN-Anschluss bleibt geschlossen.

Gehäuse-Dokumentation – Maße, Anschlussöffnungen, Explosionsansicht, Druckhinweise und Fit-Test
OpenSCAD-Quelle + Build-Script – erzeugt Base, Lid, Reset-Button, Fit-Test und ZIP reproduzierbar

MQTT-Topics für Home Assistant

Topic	Richtung	Beispiel	Beschreibung
`tele/solar/SENSOR`	ESP→	JSON	Vollpayload mit allen Werten
`tele/solar/SENSOR/PanelAngle`	ESP→	`35.4`	Aktueller Panel-Winkel (kalibriert)
`tele/solar/SENSOR/TargetAngle`	ESP→	`42.1`	Soll-Winkel
`tele/solar/SENSOR/SunAngle`	ESP→	`45.0`	Berechneter optimaler Winkel
`tele/solar/SENSOR/MotionText`	ESP→	`Hoch`	`Stopp` / `Hoch` / `Runter`
`tele/solar/SENSOR/MinAngle`	ESP→	`32.0`	Mechanisches Untermass
`tele/solar/SENSOR/MaxAngle`	ESP→	`58.7`	Mechanisches Obermass
`tele/solar/SENSOR/Emergency`	ESP→	`false`	Notfall-Status
`cmnd/solar/EMERGENCY`	→ESP	`on` / `off`	Notfall an/aus (retained!)

Vollständig: docs/mqtt.md · NodeRED-Sturm-Automatik: docs/nodered-stormwatch.md

Notfall-Modus für Sturmwarnung

Aus Node-RED bei Unwetterwarnung:

msg.topic = 'cmnd/solar/EMERGENCY';
msg.payload = 'on';
msg.retain = true;   // wichtig: ueberlebt ESP-Reboot
return msg;

Der ESP fährt das Panel sofort auf MIN_ANGLE (Dachneigung, flach) und ignoriert Auto-Modus + manuelle Web-Befehle. Bei off wechselt er zurück in den Astro-Modus.

Repo-Struktur

followmysun/
├── README.md
├── src/                       # Tracker-Firmware
├── docs/                      # Detail-Dokumentation
│   ├── hardware.md
│   ├── installation.md
│   ├── mqtt.md
│   ├── calibration.md
│   ├── tracker-debugging.md
│   ├── hardware-migration-esp32-evb.md
│   ├── housing-esp32-evb.md   # 3D-Druck-Gehäuse Olimex v0.3
│   └── img/
├── hardware/
│   └── enclosure/
│       └── olimex-esp32-evb-ea-v0.3/  # SCAD, Build, Rev-L-Koordinaten, QA
└── _config.yml

Tech-Stack

MicroPython 1.28 auf ESP8266 (ESP12F)
mpy-cross für Bytecode-Kompilierung (sonst RAM-Limit)
paho-mqtt / mosquitto als Broker
MPU-6050 mit atan2-basierter Roll-Berechnung
SoftI2C @ 100 kHz (wegen 2,5 m CAT5-Strecke)

Details siehe docs/software.md.

Lessons Learned

Drei Sachen, die mich am meisten Zeit gekostet haben:

mqtt.ping() darf nicht in jeder Loop-Iteration aufgerufen werden – sonst stempelt der Broker dich als misbehaving und schmeißt dich mit ECONNRESET raus. Throttling auf 1×/30 s.
ESP8266 WLAN braucht aktiven Outbound-Traffic, sonst lernen Router/Switches die MAC nicht zuverlässig zurück – ein UDP-Keepalive pro Sekunde an die Gateway-IP löst’s.
solar_main.py ist mit 33 KB zu groß zum Parsen auf dem ESP8266 (Heap ~35 KB). Lösung: vorher mit mpy-cross zu .mpy (10 KB) kompilieren.

Lizenz

MIT – siehe LICENSE.