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ICARUS: Der analoge Heliostat

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ICARUS: Der analoge Heliostat

Haben Sie schon einmal im Schatten gesessen und dachte : "Ich wünschte , die Sonne zu mir kommen könnte"? Nun, jetzt kann es.

Ich wollte etwas mehr Sonnenlicht in mein Leben zu quetschen einige freie Wärme sowie verringern das Risiko der zu bieten Mürrisch-McNasties . Es gibt eine wundervolle Vorrichtung, die Heliostat genannt wird, der die starken Sonnestrahlen genau dort reflektieren kann, wo Sie sie wünschen; Wie in "Pew Pew Pew".

UPDATE 18. Juli 2013: Ich wurde von einem echten Profi (siehe "redrok" in den Link und Kommentare unten) beraten mit mir in Verbindung , dass ich die Geometriefehler stark vereinfacht haben in dem Ziel zu verursachen. Ich habe nicht die Kalibrierung und Verschärfung bis zu erkennen, dass ich dieses Problem hatte, bevor Ikarus starb an einem geblasenen Motor. Bitte lesen Sie den nächsten Schritt für weitere Details, wo ich ging falsch (Rectilinear vs Spherical Geometry).

Ein Heliostat ist im Grunde ein Spiegel, der dreht, um Sonnenlicht an einem festen Punkt den ganzen Tag zu reflektieren: in meinen Speisesaal im Winter oder auf eine Solar-Pool-Heizung im Sommer. Das scheint ein sehr einfaches Projekt zu sein, bis man bedenkt, dass es zwei Rotationsachsen gibt und dass sich die Sonnenposition im Himmel mit den Jahreszeiten ändert (umarmt den Horizont im Winter). Ich wollte schon seit einigen Jahren einen Heliostaten bauen, obwohl ich noch nie einen gesehen habe (bis heute!). Heliostate sind im Handel erhältlich, obwohl sie noch nicht ganz Mainstream sind. Es gibt viele Hobbyisten, die neue und innovative Wege der Ausarbeitung der geometrischen und mechanischen Herausforderung der Aufspaltung der Winkel zwischen der Sonne und Ziel:

Verwenden von Uhrwerk: http://www.instructables.com/id/HELIOSTAT/
Mit Arduino zu berechnen , wo Sie darauf hinweisen müssen: cerebralmeltdown.com
Eine vollständige Geschichte von Heliostats: http://www.redrok.com/main.htm#mechanical
Im Handel erhältliche: http://lightmanufacturingsystems.com/order/

Ich bin ganz sicher, dass die beste Lösung ist, irgendeine Form von Computer, der die erforderliche Position des Spiegels berechnet und überträgt Anweisungen, um präzise Stellglieder oder Schrittmotoren, um es in Echtzeit zu haben. Arduino scheint ausreichend leistungsfähig zu sein, und der notwendige Code ist meistens in irgendeiner Form verfügbar. Dies ist, wo der "ANALOG" kommt aus meinem Titel: Ich war auf der Suche nach Umgehung des Computers und präzise Motoren auf A) reduzieren die Kosten, B) machen es mehr wetterfest und C) machen es mühelos schießen (für eine geringe Geologe wie ich). Also, obwohl ich mit Elektrizität und Elektronik, das ist mehr wie Ihre Großmütter Radio (analog), als Sie vielleicht denken. Ich erwarte nicht, dass dieser Entwurf in der westlichen Welt ausgerollt werden würde, aber die relativ einfache Mechanik bedeutet, dass es eine Nische Hobbyisten und in Entwicklungsländern zu finden. In der Tat, viel von dem Körper und Mechanismus würde eignet sich gut für 3D-Druck (Zukunft Update?).

Ich war von den vielen Arduino Solar Tracker-Projekten inspiriert, die handlich einen Vektor für die Sonne scheinen. Der zweite interessierende Vektor ist einfach: er zeigt direkt auf das Ziel (Fenster, Poolheizung). Um die Sonne spiegeln, wo Sie es wollen, muss der Spiegel senkrecht zur Bisektor (genau halb oder normal) zwischen diesen beiden Vektoren positioniert werden. Das scheint einfach, nicht wahr? Ein einfacher Computer oder ein Kind kann Ihnen sagen, wo diese Winkelhalbierende ist; Von denen ich nicht weiß, wie man Anweisungen in einer Form anbietet, die ausgeführt werden würde. Der Punkt ist: Ich versuche, Computerverarbeitung aus der Gleichung zu beseitigen, also wie genau teilen Sie einen Winkel in drei Dimensionen "mechanisch"? Sehen Sie den nächsten Schritt, um meine Low-Tech-Lösung zu sehen. Wenn ich gerade das Äquivalent zu einem "quadratischen Rad" (wie in, eine elegantere Lösung existiert) erfunden habe (oder nicht), lass es mich bitte wissen in den Kommentaren unten.

Schritt 1: SCHRITT 1: Skizzieren und Prototypen

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UPDATE 18. Juli 2013: " . Die meisten von dem, was unten beschrieben wird , ist falsch ... Meine einfache Geologe Gehirn verleitet mich in einfache Geometrie zu glaube , ich habe einen Teil der Erklärung kopiert Redrok unten angegeben:

ME: Wollen Sie damit sagen , dass die "Gesamt bisector" in 3D zwischen der Sonne und dem Ziel zu erhalten kann man nicht einfach erhalten werden , indem die Alt - Achse zu zwingen (die gesamte vertikale Rhomboid in der Tat) Strom AZ bisector (in Draufsicht) zu folgen?

REDROK: Das ist genau das, was ich sage. Sie denken in Bezug auf "Rectilinear Geometry", wo Breite und Länge Linien sind alle 90 Grad zueinander. Als wäre die Erde ein Würfel. Allerdings ist die Erde eine Kugel kein Würfel. Man soll "Sphärische Geometrie" verwenden. Sehen Sie sich einen Globus der Erde an. Die Längenlinien sind gekrümmt, so dass sie sich an den Polen treffen. Die Breiten- und Längenlinien sind nicht zueinander 90 Grad (außer am Äquator). Zeichnen Sie einen Bogen auf dem Globus, (eigentlich ein großer Kreis), dann mit einem Maßband finden Zentrum des Bogens. Nun lesen Sie sorgfältig die Länge und Breite der Endpunkte und der Mitte des Bogens. Sie werden feststellen, dass dies nicht korrekt ist, indem nur die Endpunkte des Bogens gemittelt werden. (Tatsächlich führt der Rhombus eine Mittelung durch). OK, je nach gewähltem Bogen kann der Fehler klein sein, aber bei anderen Bögen nähert sich der Fehler unendlich.

Lektion gelernt; Gibt es Tonnen von Informationen über das Internet über den Bau Heliostaten. Was weiter unten beschrieben wird , sollte auch nicht als Richtwert betrachtet werden , um eine erfolgreiche heliostat zu bauen: - /

Ich habe herausgefunden, wie ich die Winkel in 2 Dimensionen teilen könnte, indem ich einen "Scharnierrhombus" verwende. Grundsätzlich wird der Vektor, der die entgegengesetzte Seite eines gleichseitigen Rhombus (Diamant- oder Lutschträgerform) verbindet, die Winkel gleichmäßig teilen. Also, indem Sie zwei dieser Rhombi kombinieren, können Sie den Winkel in zwei Ausrichtungen teilen und einen einzelnen Vektor, der genau den Unterschied in 3D unterteilt. Haken Sie einen Spiegel, der senkrecht zu diesem Vektor ist, und Sie sind auf die Rennen.

Dies alles funktionierte in meinem Kopf, aber es muss tatsächlich in der physischen Welt zu arbeiten. Also begann ich Skizzieren es in der Android SketchBook App auf meinem übergroßen Smartphone und Taster (Hinweis 2). Ich Upgrade auf die Vollversion, um gerade Linien und zusätzliche Schichten zu ermöglichen. Die Skizze rettete mir einiges an Kopfschmerzen, weil es mich dazu zwang, darüber nachzudenken, wie ich die Rhombi verknüpfen sollte und ermöglichte es mir, den Leuten zu zeigen, was ich zu tun versuchte. Den Menschen zu erklären, wie es funktionieren würde, zwang mich zu erkennen, dass ich besser einen Prototyp zusammenstellen musste, um so viele der Kinks herauszuholen, bevor ich mit dem Schneiden und Schweißen von Stücken begann. Ich beschloss, einige Zedernscheiben, Nüsse und Bolzen und eine alte Zaubernuss zu verwenden. Das Ergebnis war zufriedenstellend, obwohl die Reibung zwischen den verschiedenen Komponenten und den maximalen und minimalen Winkeln einige Überlegungen erforderte.

Ein weiteres Problem war der Befestigungsmechanismus des Spiegels selbst. Einige Aus der Lektüre cerebralmeltdown Foren habe ich gelernt , dass ich kein Gewicht auf die Richtungskomponenten (und einen Nachlauf als ein Universalgelenk verwendet werden ) hängen sollte. Ich importierte ein Foto von meinem hölzernen Prototyp in Sketchbook wieder und arbeitete mehrere mögliche Szenarien. Der, der am meisten Sinn machte, hat zwei Spiegel, die an einer Achse befestigt sind, die durch das Loch läuft, wo das Rad befestigt wurde. Durch diese Auslegung wurde sichergestellt, dass das Gewicht über die Gießrolle zentriert wurde, und es wurde ein Bereich im Zentrum für den senkrecht zur Achse verschweißten "normalen Vektorstab" (siehe Skizze oben) bereitgestellt.

Schritt 2: Schritt 2: Material

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Im Mittelpunkt dieses Projektes stehen der Zaubernde, die Solarmotoren und ein Rohrbündel. Viel von den Schläuchen und flachen Stahlstücken kann durch Komponenten ersetzt werden, die 3D gedruckt würden.

Ursprünglich inspiriert von der Einfachheit des Solar-Speeder - Kit (Solarpanel, Energiespeicherung mit intermittierender platzt, Motor, Räder) ich , dass das schwache Drehmoment des Motors schließlich akzeptiert wurde nicht mich überall in Gang zu bringen. I als realisiert, dass Schrittmotoren sind ziemlich teuer und wesentlich komplexer in Bezug auf die Energieversorgung; Ich entdeckte dann Getriebemotoren. Diese würden das Drehmoment liefern, das ich brauchte, sie sind billig und nicht wählerisch, welche Art von Elektrizität sie erhielt, ich habe ihre Ungenauigkeit durch gleiche und konkurrierende Solarmotoren überwunden (später ausführlich erklärt).

Der Überblick über Teile , die Sie benötigen sind:

  1. "Tür" Spiegel (Walmart 8 $)
  2. Caster, je größer desto besser (Canadian Tire 15 $).
  3. 100cm flaches (0,2cm x 3cm) steifes Material für die vertikale Raute (Stücke von einem Ikea Trockengestell). Potenziell druckfähig.
  4. 100cm des quadratischen Schlauchmaterials (3cm durch 3cm) für die horizontale Raute. Potenziell druckfähig.
  5. 100cm sehr steifer zylindrischer Schlauch (0.8cm). Dies wird die Spiegel unterstützen, so dass seitliche Belastbarkeit ist ein Muss.
  6. 100cm der steifen zylindrischen Schläuche (0.8cm). Diese werden als "normale" Vektoren wirken. Potenziell druckfähig.
  7. 40cm Schlauch, der einen etwas höheren Innendurchmesser hat als der Schlauch oben. Potenziell druckfähig.
  8. 4 Solarmotor Kits ( https://solarbotics.com/product/bscc3733a-mse-1/ )
  9. 4 größere Kondensatoren (6,5 V, 2200 MF)
  10. 2 MS21 Getriebemotoren ( https://solarbotics.com/product/gm21/ )
  11. 1 Pololu Rad ( https://solarbotics.com/product/rw70x08/ )
  12. 15 Muttern und Schrauben, um Ihre Rhomboiden zusammen zu halten.
  13. Blech, um Gehäuse für die Solarmotoren zu machen. Gehäuse sind möglicherweise druckfähig.
  14. Silikon zum Abdichten der Elektronik.
  15. Sprühfarbe

WERKZEUGE

  1. Schweißer (Flußkern MIG).
  2. Löten von Eisen und Draht.
  3. Bohrer (Bohrmaschine ist besser).
  4. Kappsäge mit Metallklinge.
  5. Blechbremse.
  6. Verschiedene Handwerkzeuge

Schritt 3: Schritt 3 - Ändern des Cachers

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Der Zaubernde wird die beiden Achsen der Rotation für den Heliostaten liefern, und wir müssen die Komponenten dazu passen.

Schrauben Sie das Rad und bohren Sie die Löcher, um den breiten Durchmesser Schläuche passen. Pass 15cm des Schlauches in Loch, das Sie gerade gebohrt und schweißen es an Ort und Stelle. Sie werden schließlich schneiden Sie den Mittelteil aus dem Schlauch, um eine Lücke von etwa 2 cm zu schaffen.

Zur Herstellung der Stange, auf die die Spiegel aufgehängt werden, habe ich zunächst die Schrauben aus dem Ikea-Gestell auf eine der Spindeln geschweißt (ich konnte die Spiegeldrehspindeln an beiden Seiten leicht einfädeln, das schien zu dünn). Ich wählte schließlich einen einzigen festen Stab zu verwenden, aber ich musste sorgfältig schweißen die "normale Vektor-Spindel" innerhalb der 2cm Lücke alle während sicherzustellen, dass es perfekt senkrecht war. Sie haben jetzt die grundlegende Unterstützung Mechanismus für die Spiegel. Die Spindel aus der Vorderseite ist Ihre Bisektor in 3D und die Spiegel werden senkrecht (in beiden Achsen) auf dieser Spindel installiert werden.

Schritt 4: SCHRITT 4: Gebäude Rhombi

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Das Konzept ist, dass Sie den Winkel zwischen Ihrem Ziel und der Sonne gleichmäßig teilen wollen. Es kann eine elegantere Lösung für dieses Problem, aber Google war keine Hilfe für mich (bitte hinterlassen Sie einen Kommentar, wenn es eine verfeinerte Ansatz dieses Problem gibt).

Grundsätzlich gilt: Je größer Sie den Rhombus aufbauen, desto genauer wird die Winkelteilung (hohes Verhältnis von "suntracker motion" / "Graddrehung"). Je weiter du von deinem Ziel bist, desto genauer musst du sein. Stellen Sie sich zum Beispiel vor: Sie können einen Spiegel flach neben Ihrem Haus und Sie reflektieren Sonne auf sie für einen großen Teil des Tages. Wir wollen nicht zu groß gehen, denn es wird unhandlich und erfordert zu viel Energie zu bewegen.

Ich wählte, um Längen von 10,5cm zu verwenden, nur um den ganzen Satz relativ kompakt zu halten. Du solltest darüber nachdenken, ob deine Lieben es dir erlauben, diese ungöttliche Empfängnis zu installieren, wo du sie haben willst. Sie sollten auch berücksichtigen, die Quadratmeterzahl benötigt, um diese schwenkbare, kippen Gerät unterzubringen.

Wir können mit dem Aufbau der vertikal ausgerichteten Raute beginnen:

  1. Hacken Sie Ihre Flachstangen in gleiche Längen (Ich verwende die Ikea Wäscheständer Endstücke).
  2. Richten Sie die flachen Stangen aus und verwenden Sie C-Klammern, um sie aufzurichten.
  3. Verwenden Sie eine Bohrmaschine oder Bohrer mit dem Bohrer passend zu den Schrauben, die Sie verwenden werden. In meinem Fall waren diese 3/8 Zoll
  4. Schneiden Sie eine Länge von 2 cm Länge, die etwas breiter als die Spindeln ist
  5. Schweißen Sie zwei Bolzen, perfekt gegenüber dem Schlauch.
  6. Bolt sie zusammen.

Schritt 5: SCHRITT 5: Solarmotoren

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Ich bestellte die Solarmotoren und Motoren von Solarbotics , ich war sehr zufrieden mit dem Service und klare Anweisungen , die mit den Kits kam. Ich hatte keine Vorkenntnisse beim Löten und konnte die Kits ohne größere Probleme zusammenstellen (sie sind für pädagogische Zwecke gedacht). Das folgende Video zeigt, wie die konkurrierenden Solarmotoren funktionieren. Grundsätzlich führe ich die Solarmotoren zum Drehen des Motors in entgegengesetzte Richtungen, der Motor bewegt den ganzen Satz (zwei Platten) in Richtung auf das Licht (eine Rolle für die Vertikale und ein Rad für die Horizontale). Wenn das Licht meistens auf einer Seite ist, dann dreht sich der Motor öfter zu und bewegt das Bausatz dazu, wenn das Licht genau zwischen den Tafeln geteilt wird, bekommen wir gleich große Gegenbewegungen (wir zeigen direkt auf die Sonne, also Wir wollen dort bleiben !!).

Die Platine ist auf der Rückseite des Solarmoduls gedruckt, was eine sehr elegante und kompakte Bauweise ist. Das einzige Problem war, dass alle gelöteten Bits an den Seiten haften, was es schwieriger machte, die Elektronik vor den Elementen zu schützen. Sobald Sie die Motoren zusammengebaut haben, testen Sie es aus, um zu sehen, wenn Sie erfolgreich waren. Ich war zunächst enttäuscht, weil unter künstlichen Lichter, sie würden nur eine Bewegung alle 5-10 Minuten. Seine jene verdammten energieeffizienten Birnen zwar, weil unter direktem Tageslicht, einige von ihnen liefen ständig, während andere alle 2 Sekunden platzen! Ich schaltete die Kondensatoren auf eine höhere Kapazität, um weniger häufig und mehr Power Bursts geben, hätte ich wahrscheinlich den Trigger und C2-Kondensator geändert haben, um auch die Leistung zu optimieren.

Schritt 6: SCHRITT 6: Gehäuse für Solarmodule

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Ich schaute auf einige Gehäuse in der lokalen Elektronik-Shop, aber keiner wirklich erfüllt meine Kriterien. Ich brauchte ein Fenster, um Sonnenlicht hereinzulassen und idealerweise hätte ich die Flexibilität, mit der Geometrie zu spielen. Ich fand einen blauen getönten klaren Fall, aber ich war besorgt über die "Gewächshaus" -Effekt Überhitzung und Beschädigung der Elektronik.

Ich entschloß mich, meine eigenen Gehäuse aus Blech zu machen; Abdichtung und Kurzschluss aufgrund der Leitfähigkeit benötigt, um ausgearbeitet werden, aber nichts Silikon und Elektroband konnte nicht lösen.

Immer wenn Sie mit Blech arbeiten, ist es eine gute Idee, ein Muster aus einer dünnen Pappe (Müslis) zu machen. Blech ist ziemlich teuer, so dass Sie vermeiden wollen Ausschneiden ein Dutzend ausgefallene Prototypen. Auch Blech hat eine Dicke; Wenn Sie Druckerpapier verwenden, unterschätzen Sie die "Verluste", die an den Falten auftreten werden.

Diese Gehäuse wäre sehr cool wie 3D-gedruckte Teile (zukünftige Update?).

LERNEN LEARNED: Denken Sie an die Reihenfolge, in der Sie Ihre Falten machen müssen. In einigen Fällen hatte ich eine große Falte mit der Bremse früh zu machen, bringen Sie es zurück, um eine kleinere Falte zu bekommen. Die Falten neigen dazu, geschmeidig bleiben.

Schritt 7: STEP 7: Montage der Motoren

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Die Getriebemotoren haben eine lange, zylindrische Form mit zwei abgeflachten Seiten für die meiste Länge. Ich habe diese Geometrie verwendet, um die Motoren zu verkeilen. Für den vertikalen Antrieb bohrte ich ein Loch in den quadratischen Schlauch und verbreitete es durch Ziehen auf dem Schlauch mit dem Bohrer, der noch durch das Stück geführt wurde. Diese Methode bedeutete eine ganze Menge von Hantieren und Versuch und Irrtum, aber führte zu einer Passform.

Für den horizontalen Antrieb verwendete ich quadratischen Schlauch wieder, indem ich den Motor in das Ende einsetzte und ihn mit einer hölzernen Unterlegscheibe verkeilte. Ich flach die Scheibe etwas mit einem Schraubstock, um eine gute Passform zu gewährleisten.

Nachdem die Verdrahtung abgeschlossen war, habe ich mein Bestes getan, um das Setup mit Elektroband und gefaltetem Blech zu dichten.

Schritt 8: SCHRITT 8: Spiegel

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Ich hatte ein paar riesige dekorative Spiegel von einem Nachbarn, der in den Papierkorb gelegt hatte; Aber diese waren sehr schwer und schwer zu montieren. Ich betrachtete einige Plastikspiegel, die ich bei Ikea gesehen hatte, (leichte und gebohrte Mulden zur Befestigung). Schließlich setzte ich mich auf einen dekorativen Spiegel von Walmart (Türhängestil). Diese sind verrückt billig (8 $), sehr leicht und gerahmt in Kunststoff. Die Dimension war auch recht gut: Ich dachte, ich würde den Spiegel in die Hälfte (eine für jede Seite) schneiden. Eine saubere Pause zu bekommen war nicht zu einfach ... Ich habe nicht den Spiegel vor dem Sägen der Kunststoff-Rahmen (mit einer Hand Holzsäge). Ein Riss, der sich diagonal durch den Spiegel ausbreitet, im wesentlichen die Hälfte davon. Ich ging zurück in den Laden und dieses Mal schoss ich den Spiegel entlang der Mitte, so dass, wenn ich versehentlich geknackt, der Spiegel würde hoffentlich folgen dem Weg, den ich zur Verfügung gestellt hatte. FEHLSCHLAGEN. Dieses Mal dachte der Riss war nicht zu weit weg vom Zentrum und ich beschloss, es zu benutzen, wie es ist.

Um die Spiegel auf die Querlatte zu montieren, verbrachte ich viel Zeit Kopfkratzen, bevor ich mich auf die endgültige Lösung legte. Ich schneide zwei Lagen Flachstahl auf die Breite der Spiegelrahmen. Ich bohrte Löcher in die vier Ecken von jedem, durch die ich schmale Schrauben gehen würde. Ich hob den "normalen Vektor" Balken auf genau vertikale und klemmte die Stücke von Flachstahl auf die Querstangen zum Schweißen. Nach dem Schweißen kratzte ich die Lochmuster von Flachstahl auf die Spiegelrahmen. Die "Bisector Spindel" sorgt dafür, dass das Gerät "Bottom Heavy" ist, da die Riemenscheibe auf die konstante leichte Spannung angewiesen ist.

Schritt 9: SCHRITT 9: Lackieren und Fertigstellen

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Nichts Besonderes hier. Kleben Sie einfach die Bits, die Sie nicht malen wollen (Muttern, Bolzen, rostfreie Bits). Ich fand diese Farbe in der Schnäppchen-Sektion (2 $), es endete immer grüner als erwartet.

Ich brauchte auch, um das Rad mit einer grippy Oberfläche zu reisen, so dass ich einige übrig gebliebene Dachbedeckung (eine riesige Rolle der Schindel). Dieses erlaubte mir auch, die Höhe der Spur einzustellen, während das Rad auf einigen Teilen und auf der Schiene schwebte. Ich schneide und falte Paprikaschoten und stecke sie unter das "Fertigteil".

Schritt 10: FINALES ERGEBNIS

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Dies war ein wirklich lustiges Projekt, viel gelernt wurde. Es sind noch einige Anpassungen vorzunehmen (zB Ausrichtung der Spiegel, so dass sie an der gleichen Stelle zeigen und die Platzierung der Solarmotoren entscheiden und dauerhaft installieren). Aber so weit bin ich mit dem Ergebnis sehr zufrieden, auch wenn ich nicht davon überzeugt bin, dass ich jemals konsistente Ergebnisse bekommen werde, werde ich Sie wissen lassen.

Update: Ich habe ein paar Tage gute Ergebnisse vor einem der Motoren konked out. Ich bin nicht sicher, dass ich bezweifle, dass ich in einem anderen Motor zu investieren, da es wahrscheinlich fehlgeschlagen aufgrund der Tatsache, es war nicht für extreme Temperaturen und Feuchtigkeit konzipiert. Dieses Projekt war eine Explosion zu bauen und am Ende zeigte, dass ein analoges, nicht-Uhrwerk Heliostat möglich ist.

Ich hoffe, dass Sie etwas von diesem Instructable gelernt haben, dass Sie sich für Ihr eigenes Projekt bewerben können.

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