Solarzelle Blei-Gel-Akku laden und mit Arduino überwachen.

Hallo,

ich plane gerade ein System zum Steuern und überwachen eines Nano-Aquariums.
Das Projekt soll in 2 einzelne Bereiche aufgeteilt werden. Zum einen die Steuerung des Lichtes, Filters und einigen Sensoren, und zum anderen der Stromversorgung. Diese soll nämlich über Solarenergie realisiert werden.

Ich stelle mir das so vor:
Die Solarzellen, beliefern das Aquarium mit Strom, und laden mit der nicht verbrauchten Energie den Blei-Gel-Akku auf. Also Verbrauch und Laden gleichzeitig.
Wenn die Solarzelle nicht mehr ausreichend Energie liefert soll das Aquarium den Strom aus dem Akku beziehen.

Nur wie baue ich die Energieversorgung im einzelnen auf?

Wenn ich das ganze über einen Arduino steuern möchte, benötige ich dann trotzdem einen Laderegler??? Und wenn ja, benötige ich überhaupt einen Arduino, oder kann ein Laderegler das Aufteilen des Stroms und Umschalten des Verbrauchers zwischen Akku und Solarzelle schon selber?

Hier noch ein paar Daten der Solarzelle und des Akkus die ich hab:

Solarzelle:

  • Monokristallin
  • Nennleistung: 5W
  • Leerlaufspannung: 21,6V
  • Ideale Betriebsspannung: 17V
  • Kurzschlussstrom: 0,4A
  • Idealer Betriebsstrom: 0,3A

Akku:

  • Akku-Material: Blei
  • Spannung: 12 V
  • Kapazität: 4,5 Ah
  • Energieinhalt: 54Wh
  • Energiedichte: ca. 40 J/kg

Wäre für ein paar Ideen oder Denkanstöße sehr dankbar :slight_smile:

Gruß Freesh.

Hängt vom Laderegler ab. Du musst eben einen kaufen der das kann. Ich würde sagen, die Mehrheit kann heutzutage sowas. Da Du fragen musst kennst Du Dich mit dieser Materie nicht besonders aus --> dann ist es ganz erheblich einfacher sowas fertig zu kaufen als es selber zu bauen.

Zu Lernzwecken hingegen wäre es ein ganz nettes Projekt :wink:

  1. Der Laderegler dient dazu die Solarzelle im Arbeitspunkt der maximalen Leistungsabgabe zu betreiben und lädt den Akku.

Ich glaube Du hast Dich Total mit dem Leistungsbedarf und Leistungsberechnung vertan.

Ich nehme mal an Du möchtst das Aquarium autonom ohne Spannungsversorgung aus der Steckdose betreiben und Du lebst in Deutschland.

Eine 5W Solarzelle gibt bestenfalls (bei Wolkenlosen Himmel und optimaler Ausrichtung) die genannten 5W. Das sind bei 12V bis 13,8V (Ladeschlußspannung des Akkus) 420 bzw 360mA
Rechnen wir mit einem Wirkungsgrad von 80% für den Laderegler und 90% für den Akku daraus ergibt sich 300mA bzw 260mA verwertbare mA am Akkuausgang. Damit ist der 4,5Ah Akku in 15 bzw 17,3 h voll.

Welche Verbraucher hast Du an Deinem Aquarium?
Umqälzpumpe
LED-Beleuchtung
Steuerelektronik

Ich schätze um wirklich autonom zu sein brauchst Du eine 10 bis 20 mal größeren Akku um auch mal einige mehrere Regen-oder Wolken-Tage ohne Sonne auszukommen und ein 300W bis 500W Solarpannel.

Grüße Uwe

Hallo,

danke für die schnellen Antworten. Ja fertig kaufen kommt für mich nicht in Frage, da es eher ein Lernprojekt ist. Trockene Theorie ist nicht so mein Ding, daher bin ich immer dafür das lernen auch mit einer realen Problemstellung zu verbinden. (Softwareentwicklerkrankheit ^^)

Oh ja da hast du wohl recht bei der Dimensionierung. :grin: Das Nanobecken an sich bekommt nur nen kleinen Filter und LED-Beleuchtung. Den Filter werde ich dann von der Steuereung erstmal weg lassen und mich auf das Licht beschränken zur Not dann Solarpannel und Akku austauschen. Am wichtigsten ist mir dabei im Moment erstmal das Verständnis wie ich das ganze Aufbaue.

So wie ich das jetzt verstehe wird an das Solarpanel der Laderegler angeklemmt, von dem Laderegler gehen dann einmal der Akku und dann einmal die zu versorgenden Verbraucher ab. Der Laderegler versorgt dann die Verbraucher und leitet den Rest in den Akku. Wenn das Solarpanel dann zu später Stunde keine Milch mehr gibt schaltet der Laderegler die Verbraucher auf den Akku um. Sehe ich das richtig??? :slight_smile:

Gruß Freesh

So wie ich das jetzt verstehe wird an das Solarpanel der Laderegler angeklemmt, von dem Laderegler gehen dann einmal der Akku und dann einmal die zu versorgenden Verbraucher ab. Der Laderegler versorgt dann die Verbraucher und leitet den Rest in den Akku. Wenn das Solarpanel dann zu später Stunde keine Milch mehr gibt schaltet der Laderegler die Verbraucher auf den Akku um. Sehe ich das richtig???

Nein. Der Laderegler lädt den Akku. Du nimmst die Akkuspannung um den Verbraucher mit Spannung zu versorgen. ganz einfach.
Du kannst auch ein Ladegerät hinzunehmen das den Akku vom Netz lädt wenn der Arduino merkt daß der Akku entladen ist oder die Verbraucher und sich selbst abschalten damit der Akku nicht kaputtgeht durchs Tiefentladen.
Grüße Uwe

Hallo Freesh, wenn Du Softwareentwickler bist, dann hast Du vermutlich keine Angst englische Specs und Datenblätter zu lesen. Dann Google mal nach "Power Management IC" bzw. "Battery Management and Charging". Dann bei den Herstellern in den "Application Notes" schauen. Danach bist Du zu dem Thema mehr als Fit.

Davon abgesehen würde ich einen Laderegler fertig kaufen :wink:

Hallo Poster ohne Namen :wink:

Deine Ansätze haken, wie der Uwe bemerkte ("Ich glaube Du hast Dich Total mit dem Leistungsbedarf und Leistungsberechnung vertan."), ein wenig.

Energiebedarf:
ca. 30 Watt Aquariumlampe (ca. 14 Std/Tag)
ca. 10 W Pumpe (24 Std/Tag)
ca. 100 W Heizstab (ca. 3 Std/Tag(ein -aus, geschätzt)) (50-100 l Aqu.)

Spitzenlast: 140 Watt
Energie: 0,42kWh + 0,240kWh + 0,3 kWh=0,96kWh / Tag

--> Mit einem 5W Solarmodul reicht es also lediglich um den Arduino mit Spannung zu versorgen.

Um Dein Aquarium per Sonne zu betreiben brauchst Du also mindestens 1kWh Energie / Tag. Bei ~8 Stunden Sonne also 125 Watt aus dem Modul. Dies ist natürlich nicht gleichmäßig zu ernten, also brauchst Du ziemlich genau 1 monokristallines PV Modul 180W-195 Watt. Die haben typischerweise eine MPP Spannung von ca.36 V. Du solltest dir hierzu wieder über den Step down wandler Gedanken machen...

Solarladung einfach :
Da Deine 17 VZellspannung im MPP nahe der Akkuspannung liegt ist eine Lade"regelung" nicht nötig, da jede Wandlung in diesen Bereichen den Wirkungsgrad herabsetzt und de facto der Vergleich zum nebenliegenden MPP-Arbeitspunkt gleich um gleich steht.
Falls Du doch das Ganze verbessern möchtest würde ich einen Step down wandler mit dem Arduino bauen. Achtung: Um die erforderlichen Frequenzen für das PWM zu erreichen müssen die Ausgänge direkt angesprochen werden.

Akku:
Lediglich die Ladeschlussspannung solltest Du mit dem Arduino überwachen und ich würde dann mit MOSFET die Ladespannung ganz simpel abschalten und bei Bedarf wieder zuschalten (Hysterese).

--> Wie gesagt: Du brauchst WESENTLICH mehr Leistung.

Ausweg zum basteln: 10 Tage Netzbetrieb, 1 Tag aus dem Akku. Kannst hierfür ja eine Umschaltung bauen.

HIERFÜR: Akku ungefähr 20x so groß wählen, da Du ihn max. 50% entladen solltest um eine wirtschaftlich vertretbare Lebensdauer zu erhalten.

Erwähnte ich bereits, dass Starterbatterien nicht zyklenfest sind ? Ups...

Viele Grüße

Jörg

P.S.: Ich im TV über sowas:

Hi Jörg,

wenn ich den Fernsehbeitrag richtig verstanden habe schafft Ihr als Profis es im Moment bei Solaranlagen "ohne Batterien" auf eine Amortisationszeit von 20 Jahren zu kommen. Daraus würde ich folgern, daß man im Moment mit Selbstbau genau gar nichts sparen kann. D.h. entweder man macht das zum Lernen oder man nimmt besser gleich Strom aus der Steckdose. Oder habe ich das falsch verstanden?

Gruß, Udo

Ist meine etwas betagte Info mit 15 Jahre Lebensdauer für ein Solarmosdul noch aktuell?
Grüße Uwe

Naja, die Solarmodule halten oft länger, aber durch Degradation sinkt der (ohnehin schlechte) Wirkungsgrad nochmal. Dann stellt sich die Frage, ab wann der Betrieb unwirtschaftlich wird.

Nachtrag:
Lebendauer wird meist als absinken der Ausgangsgröße (Leistung, Licht ecc) auf die Hälfte des Anfangswerts.
Grüße Uwe

Hallo :slight_smile:

oje oje das sieht ja alles doch recht finster aus. :fearful:
Bei den Verbrauchern sieht es aber doch besser aus. :slight_smile: Einen Heizstab benötige ich für das winzige Becken glücklicher weise nicht und die Beleuchtung beschränkt sich auf 4 oder 5 LED-Stripes a 10cm die werden je nach LED-Anzahl und Typ wohl so bei 4W liegen hoffe ich. Den Filter lasse ich erst mal außen vor und beschränke das Ganze auf die Beleuchtung. (Akku und Solarzelle werde ich noch Aufstocken). Das Becken ist ein Fluval Edge mit ca 25l also Belechtungstechnisch recht sparsam zu realisieren und wird eh nur von Pflanzen und Garnelen bewohnt, daher keine Heizung, evtl. nicht mal Filter.

Die jetzt vorhandene Zelle und Akku sind dann erst mal meine Experimentier-Grundlage zum Laden, Arduino betreiben und wenn es eng wird auf Netzstecker um zu schalten. :slight_smile: Damit bin ich dann wohl erstmal eine Weile beschäftigt. ^^

Gruß Björn :slight_smile:

Brauchst Du die Beleuchtung damit Du was siehst oder damit die Pflanzen + Garnelen m Aquarium Licht bekommen? Im zweiten Fall sind LEDs wohl ein wenig schwach / teuer. HQI Leuchten sind da normalerweise erste Wahl.

Das geht mit entsprechenden LED's eigentlich ganz wunderbar bei der Beckengröße und gleichmäßiger als mit den teuren Strom fressenden HQI's. Bei der Beckengröße sind LED'S da vollkommen ausreichend und sollten 7000K bis 12000k haben. Damit kommt man schon ganz gut zurecht. Das Hauptproblem bei der Ausleuchtung mit einer HQI wäre, dass der Lichtkegel auf Grund des geringen Abstandes zum Bodengrund einfach nur den Mittleren Bereich ausleuchten würde und es rings herrum dunkel bleibt. Das ist so das Hauptproblem das das Fluval-EDGE hat, weshalb man da mit LED-Streifen etwas besser ausleuchten kann wenn man die Abdeckung etwas vergrößert und die Stripes entsprechend verteilt. Nebenbei kann man dann noch nen netten Sonnen Aufgang und Untergang simulieren :slight_smile:

Gruß Björn :slight_smile:

Hallo ihr Lieben... :slight_smile:

//Offtopic Mode On

Solarzellenlebensdauer
Die Lebensdauer einer Solarzelle (man redet im Größeren über Module, welche aus Zellen bestehen, es sei denn es sind Dünnschichtmodule) wird bei den heutigen Produktionsqualitäten auf mindestens 30 Jahre veranschlagt. Die Lebensdauer hat viele Faktoren, wird aber maßgeblich durch delta T, rauhe Bedingungen und mechanische Belastungen beeinflusst.
->Die meisten Hersteller geben 5-12 Jahre PRODUKTgarantie.

Die über die Laufzeit der Anlage (komme ich noch zu) stattfindenden Leistungseinbußen bedeuten bei den meisten Herstellern als Standard und auch als LEISTUNGSgarantie verbriefte Mindestleistung von 80% nach 25 Jahren Betrieb.

Laufzeit der Anlage
Die Laufzeit von 20 Jahren (zzgl. Inbetriebnahmejahr) hängt mit der gesicherten EEG Vergütung über diesen Zeitraum zusammen. Der kaufmännische Grundsatz "langfristig genutzte Güter werden langfristig abgeschrieben" gilt auch hier.
Auch die Finanzierungen laufen i.d.R. über diesen Zeitraum. Einige Banken wollen jedoch auch über 17 und 18 Jahre finanzieren, was auch machbar ist.
->De facto wird jeden Monat der Kredit abgestottert und per Abschlag vom EVU auch monatlich zzgl. 19% MwSt. vergütet. Monatlich bleibt dabei immer etwas über. Man rechnet in dieser Branche also nicht mit einem Break even point nach x Jahren. Das EEG gibt hierzu auch keine Notwendigkeit.

Batterien
Hierzu nur kurz: Das EEG gewährt für selbstgenutzten Solarstrom eine Bonusvergütung. Unglücklicherweise gibt es ab 30% Nutzung mehr Geld. Ziel ist es, die Leute zu "disziplinieren". Dies erreicht man i.d.R. gerade mal so. Ausweg: Akkupufferung. Hierdurch sind ohne Weiteres >70% Nutzung möglich. Steigende Strompreise machen dies zudem noch attraktiver.
->Hier entwickle ich selber auf Lithium Eisen Phosphat Basis und in einem BMWi geförderten Projekt ab 2012 mit dem Fraunhofer und der Hamburger HAW zzgl. 2 befreundeten Unternehmen an einem hocheffizienzsystem auf lithium Titanat Basis.

//Offtopic Mode Off

@Freesh:

Die jetzt vorhandene Zelle und Akku sind dann erst mal meine Experimentier-Grundlage zum Laden, Arduino betreiben und wenn es eng wird auf Netzstecker um zu schalten. smiley Damit bin ich dann wohl erstmal eine Weile beschäftigt.

--> Lass' denn Thread weiterleben, Björn und gib' Infos. Ich wünsche Dir viel Spaß beim experimentieren :slight_smile:

Viele Grüße

Jörg

@freesh: HQIs sind in der Regel genauso effizient wie gute LEDs. Wenn Du mit LEDs also den gleichen Lichtrom hinbekommen willst, dann sind das genauso Stromfresser. Das mit der Lichtgeometrie hingegen sehe ich ein.

Hallo und moin moin,
da bin ich wieder. Das ganze ist leider etwas eingeschlafen, da die Arbeit mich etwas eingespannt hat den Winter über... aber nun geht es los. :smiley:

Naja das stimmt schon im direkten vergleich kommen handelsübliche Hochleistungs LED's noch nicht ganz mit, allerdings denk ich das sich das in dieser Situation wieder ganz gut relativiert. Die LED's die ich verwende haben 79lm/w, die HQI's hätten wohl so um die 95lm/w. Aber da die HQI mit dem Lichtkegel sehr viel Wärme transportieren, müssen die einfach in entsprechdnem Abstand zur nach oben offenen Wasserfläche hängen um das Becken nicht zu sehr auf zu heizen. Was den lx wert am Beckengrund dann wieder etwas schmälert. Dort kann die LED dann wieder etwas aufholen, da diese bei mir sozusagen Direkt auf der Wasseroberfläche angebracht sind. Die wärme wird dort dann nach hinten abgegeben und wenn nötig über einen Kühlkörper abtransportiert. Da das Becken bis auf eine winzige Öffnung komplett von Glas umschlossen ist, wird dann im Gegensatz zu einer Konstruktion mit HQI auch die Verdunstung auf ein Minimum gesenkt und die LED's halten auch mindestens Doppelt so lange. Daher denk ich schon, dass es sich in vielerlei Hinsich rechnet. Was bei LED allerdings ein großer Nachteil ist, ist das Lichtspektrum... das ist mehr oder weniger eine Katastrophe... Aus diesem Grund werden dann verschiedene LED's verbaut um die wichtigsten bereiche abzudecken.

Da es nun ja auch wieder etwas heller draußen ist kann ich auch endlich mit der Solarzelle rumtesten. :grin: Allerdings muss ich mir um noch den Akku zu laden erstmal eine größere besorgen...

Die Anforderungen sind inzwischen auch etwas angewachsen, wesshalb der Akku warscheinlich auch noch etwas Unterdimensioniert ist. Aber erster Milestone wird nun sein, mit der Zelle den Arduino zu betreiben und den Verbraucher zwischen Netzbetrieb und Solarpladde wechseln zu können. :slight_smile:

Gruß Björn :slight_smile:

freesh:
Hallo,
ich plane gerade ein System zum Steuern und überwachen eines Nano-Aquariums.
Das Projekt soll in 2 einzelne Bereiche aufgeteilt werden. Zum einen die Steuerung des Lichtes, Filters und einigen Sensoren, und zum anderen der Stromversorgung. Diese soll nämlich über Solarenergie realisiert werden.
Ich stelle mir das so vor:
Die Solarzellen, moduli fotovoltaici beliefern das Aquarium mit Strom, und laden mit der nicht verbrauchten Energie den Blei-Gel-Akku auf. Also Verbrauch und Laden gleichzeitig.
Wenn die Solarzelle nicht mehr ausreichend Energie liefert soll das Aquarium den Strom aus dem Akku beziehen.
Nur wie baue ich die Energieversorgung im einzelnen auf?
Wenn ich das ganze über einen Arduino steuern möchte, benötige ich dann trotzdem einen Laderegler??? Und wenn ja, benötige ich überhaupt einen Arduino, oder kann ein Laderegler das Aufteilen des Stroms und Umschalten des Verbrauchers zwischen Akku und Solarzelle schon selber?
Hier noch ein paar Daten der Solarzelle und des Akkus die ich hab:
Solarzelle:
- Monokristallin
- Nennleistung: 5W
- Leerlaufspannung: 21,6V
- Ideale Betriebsspannung: 17V
- Kurzschlussstrom: 0,4A
- Idealer Betriebsstrom: 0,3A
Akku:
- Akku-Material: Blei
- Spannung: 12 V
- Kapazität: 4,5 Ah
- Energieinhalt: 54Wh
- Energiedichte: ca. 40 J/kg

Wäre für ein paar Ideen oder Denkanstöße sehr dankbar :slight_smile:

Gruß Freesh.

Can you compare nuclear energy with sunlight energy looking at current situation

Ich glaube, daß die LEDs das Wasser genauso erwärmen werden wie die HQi Lampe, wenn du es schaffst den gleichen Lichtstrom mit den LEDs zu erzeugen.
Denn wo Licht ist, ist auch Wärme.
Der einzige Unterschied liegt in der Abwärme der Systemkomponenten. DIe LEDs brauchen Kühlkörper an der Rückseite ( also direkt am Aquarium ), während das Vorschaltgerät der HQi Lampe an einem entfernteren Ort seine Wärme abstrahlen kann.

Noch eine andere Frage: Wovon ernähren sich die Garnelen? Ich dachte immer, die futtern Plankton und Algen? Da wirds schwierig mit dem Lichtspektrum, oder?

Offtopicfrage an kickboxer: Warum ist Li-Titanate besser als LiFePO4? Wegen der höheren Zyklenzahl?

Gruß
Olaf, der als Batteriemoduldesigner gearbeitet hat :wink: