Versorgung von Arduinos aus Solar power?

International Deutsch
1

Hallo Makers,
wer von euch hat Erfahrung mit der Versorgung von Arduinos aus Solar power?

Für diesen Zweck habe ich mir ein 6-8V 5W Solar Panel zugelegt.
Die Batterie ist eine 18650 Lithiumszelle mit 2300 mAh, die -voll geladen- eigentlich genügen sollte, um die komplette Messeinrichtung etwas länger als 24 h am Leben zu halten.

Als Laderegler kommt ein Lithium Charger aus Akkupacks zum Einsatz, der eigentlich 5 V am Eingang erwartet.

Wenn die Zelle noch nicht geladen ist, bei voller Sonneneinstrahlung, liefert das Solar Paneel 4,7V und bis zu 800 mA Strom.
Das passt perfekt. Nach ein paar Stunden ist die Zelle komplett geladen.

Nur wenn die Zelle voll geladen ist liegt am Eingang des Ladereglers bis zu 8,5 V. Das liegt weit über die Spezifikation des Ladereglers.
Hier müsste ich eigentlich das Paneel abschalten. Ich werde wahrscheinlich die überschüssige Energie an einem Lüfter weiterleiten, immerhin könnte man unter diesen Umständen auch gut Kühlung brauchen.

Andersherum, wenn das Wetter stark bewölkt ist -in NRW keine Seltenheit-, liefert das Solarpaneel kaum 40mA bei 4,4V was nicht genug ist, um die Zelle zu laden, noch nicht einmal die komplette Messeinrichtung zu versorgen. Sie verbraucht etwa 70 mA.

Wie habt ihr das Dilemma gelöst?
Danke

2

Konkret kenne ich mich damit nicht aus, vermute aber mal, daß es Probleme mit der Lade-Schaltung des Akkus geben könnte, wenn der gleichzeitig geladen und zur Versorgung benutzt (entladen) wird. Eine einfache Ladeschaltung reicht dann nicht, ein geeigneter Regler müßte nämlich wissen, ob der Akku geladen, entladen oder als voll abgehängt werden soll. Ich denke, daß es für diese Standard-Anwendung bereits geeignete Regler gibt, und Du jetzt sowas selbst nachbauen möchtest?

Im Eigenbau müßte man den Stromfluß vom Panel aufteilen, in einen Laststrom direkt zum Verbraucher, und einen Ladestrom zum Akku. Auf der anderen Seite müßte man die Versorgung der Last wieder zusammenführen, aus dem Panel und aus dem Akku. Die (reine) Ladeschaltung dürfte nur aktiv werden, wenn der Verbraucher vollständig vom Panel versorgt wird, und dann noch Saft zum Laden des Akkus übrigbleibt, und der Akku nicht schon voll ist. Das sollte möglich sein mit ein paar Dioden vom Panel zum Ladregler und zum Verbraucher, und noch eine vom Akku zum Verbraucher. Wobei hier "Verbraucher" der Spannungsregler vor dem eigentlichen Verbraucher ist.

Eine Überspannung vor dem Laderegler kann von einem weiteren Spannungsregler abgefangen werden.

3

Solar bringt dir 1KWh pro W peak im Jahr wenn alles gut ausgerichtet ist. Aber man muss ca 4 Wochen überbrücken können in denen wenig bis garnichts erzeugt wird.

Deine Schaltung, sagst du, braucht 70mA bei 5V. Also 0,35W. Am Tag damit 8,4Wh, im Monat (30 Tage) 252 Wh. So groß sollte dein Akku sein, um relativ sicher deutsches Wetter zu überbücken. 3,7V Lithium wären das also 69Ah. Das ist ziemlich viel, aber nicht unmöglich. In den Elektronik-Billigläden bekommt man 15Ah Akkupack für 20Euro. 100Euro sollten also bereit stehen.

Im Jahr brauchst du nach obiger Rechnung ca 2700Wh. Ein Solarpanel mit 3Wh Peak sollte theoretisch ausreichen. Zu Sicherheit wäre 5Wh angesagt. Dein Panel benötigt einen speziellen Solarregler. Normale Akkuladeschaltungen können mit den starken Spannungsschwankungen nicht umgehen.

Soweit zum Peak, den du gerne erreichen möchtest. Um nun eine reale Schaltung aufzubauen, musst dir überlegen, ob dir das finanziell drin ist oder du Abstriche machst. Wenn ja, dann wo. Akku-Kapazität dürfte amn teuersten sein. Wenn es stationär ist, wäre auch ein Blei-Gel-Akku möglich. 250Wh sind bei 12V 20Ah. Das ist eine kleinere Autobatterie. Oder 2 7Ah Motorradbatterien. Kosten ca 20Euro/st als Gel.

Laderegelung mit Akkuladeregler wie du ihn gerne willst, funktioniert nicht sauber mit Solarzellen und den starken Spannungsschwankungen. Sich da etwas selbst zu bauen, ist unsinn und meist zu teuer. Weil es ja fertige Laderegler gibt. Und Bleiakkus sind auch viel toleranter was Laden angeht. Auch wenn die Zyklenzahl kleiner ist, 2000 Zyklen schaffen die auch, wenn sie so wie du es beschreibst nur abends mit kleinem Strom entladen werden. Heist so ca 6-8 Jahre Lebensdauer.

Entscheiden musst du wie weit du es treibst. Und welche Dimensionen du anstrebst. Alternativ wäre möglich, 30W Solarpanel, damit an trüben Tagen trotzdem etwas mehr bringt als der Tag verbraucht. Du musst dann in ca 6 Std Helligkeit Anlage betreiben + 18 Std Akkupufferung zusammen bringen. Also ca 2Wh Ladung im worstcase. Dann reicht ein Akku der die Nacht durchhält. An trüben Tagen sind 10% der Nessleistung beim Panel schon viel. Naja...und den Überschüss musst du nicht verbraten, wenn nichts anfordert, weil abgeschaltet, passiert am Solarpanel nichts. Es liegt einfach Spannung an und sonst passiert nichts. Sonst würde man die Tagsüber garnicht montieren können. Man braucht nur einen Solarregler, weil der eben genau da drauf ausgelegt ist und die hohe Leerlaufspannung aushält.

4

chefin:
Deine Schaltung, sagst du, braucht 70mA bei 5V. Also 0,35W [1]...

...Dein Panel benötigt einen speziellen Solarregler[2]...

...Normale Akkuladeschaltungen können mit den starken Spannungsschwankungen nicht umgehen[3]...

...Bleiakkus sind auch viel toleranter was Laden angeht[4]...

[1] Bei der karge Energieversorgung im Winter, werde ich wohl die Schaltung noch differenzierter betrachten müssen.

Die Schaltung besteht aus drei Teilen:
a) das Messinstrument, das unbedingt >=5V und 15mA dauerhaft benötigt.
b) die Auswerte- und Übertragungseinheit (Arduino+Sender), die auch mit 3,3V betrieben werden können.
c) ggf. die Spannungskonverter.

Bei LiPo wäre jetzt die erste Entscheidung: welche Akkuspannung wäre am besten geeignet?
3,7V;
7,4V;
oder gar eine Mischung von beide?

Wenn ich mit 3,7 V Akkuspannung arbeite, benötige ich ein Step-up Spannungskonverter, der wiederum nur für sich schon 7mA im Leerlauf beansprucht und ca 80% Wirkungsgrad hat. Da braucht das Messinstrument am Akku schon das Dreifache an Strom!
Die Auswerte- und Übertragungseinheit kann direkt am Akku betrieben werden.

Wenn ich mit 7,4V Akkuspannung arbeite, kann ich das Messinstrument direkt anschließen.
Für die Auswerte- und Übertragungseinheit (die ständig arbeiten und im Sekundentakt senden muss) brauche ich dann ein geeigneter Spannungsregler, um die 3,3V zu erzeugen. Beim Verbrauch von ca. 50mA dürfte ein Bucket-Regler verglichen mit einem lineare Regler die bessere Lösung sein, aber auch hier, ist es das Wirkungsgrad nicht besonders gut.
Wer kennt günstige, für Micropower geeignete Step-Down module?

Eine Alternative wäre dann mit einer Mischung aus 3,7V und 7,4V zu arbeiten, da ich sowieso mehreren 18650 Akuzellen brauchen werde.
Als Solarzellen würde ich dann 16 Stück der sehr günstigen 6V, 1W Solarmodule verwenden.

12 parallel geschaltete Solarmodule versorgen die "unteren" gemeinsam genutzten 3,7V 2900mA LiIon (12 Stück) und 4 parallel geschalteten Solarmodule versorgen die oberen 3,7 LiIon (4 Stück)
So könnte ich ganz ohne Spannungskonverter auskommen und die karg gemessene Winterenergie am besten ausnutzen.

[2] was wäre denn ein geeigneten Solarregler für LiPos 3,7V?
In der Bucht und bei Amazon habe ich nichts gescheites gefunden!
Man beachte: es sollte für den Worst-Case, nicht für die prallende Sonne optimiert werden.

[3] im Ladebetrieb schwankt die Spannung gar nicht so viel! Die liegt bei den Solarmodule die ich bis jetzt habe, immer ca 0,6V über die Akkuspannung, was eigentlich bedeutet, dass alles, was die Module abliefern, ans Akku geht. Nur am Ende, wenn nichts mehr abgerufen wird, steigt die Spannung deutlich.

[4] die Variante mit den Bleigelakkus 6V müsste ich noch durch rechnen, jedoch kann bei Bleitechnologie die Selbstentladung des Akkus leicht im Verbrauchsbereich der Messschaltung liegen.
Das Gewicht und die 6V Spannung wären allerdings von Vorteil...

5

kulturbereicherer:
Das die 3,7V Dinger ziemlich gefährlich werden können, solltest auch nicht vergessen. [1]

Den Strombedarf kannst schon stark senken wenn z.B. den Chip eine halbe Sekunde schlafen schickst [2]

[1] die Zellen bekommen eine parallele Schutzschaltung, daran wird nicht gespart.
[2] vorgesehen ist ein Arduino Pro Mini 3,3V 8MHz, dem die Power Led wegkastriert wurde. Leider darf er nicht schlafen, alle 25mS soll ein Messwert erfasst werden, jede Sekunde erfolgt eine Übertragung des Minimums, Mittelwert, Maximums. Natürlich wird das Radiomodul dazwischen zu Schlafen geschickt. Ich kann noch ein Paar mA herauskitzeln, aber viel ist nicht mehr drin.

6

Naja, explodierende Akkus habe ich noch nicht gehört, allerdings brennen die gut. Und mehrere Zellen in reihe haben dann ein problem, wenn man sie absolut bis an die 100% lädt (4,25V max bzw 2 zellen dann 8,5V) und eine Zelle durch Toleranzen dann 4,3V abbekommt oder mehr. Es sich also nicht genau genug verteilt. Das beschädigt diese Zelle und irgendwann brennt die dann auch.

Du willst da ja nicht sparen, das passt schon. Andere schalten 100Zellen in reihe und nichts passiert. Porsche demnächste sogar über 200Zellen (800V Systeme). Ist nicht so das es nicht geht, man muss nur passenden Laderegler benutzen.

Naja und dann musst du wie ich oben demonstriert habe, die Leistung ausrechnen, denke 4 Wochen sind genug. Du kannst dir ja einen Alarm übertragen lassen, wenn mal der Akkuladestand unter 20% rutscht um dann zu reagieren und den Akku seperat nachzuladen. Dafür vieleicht einen extra Anschluss vorsehen, statt Solarpanel dann Extra Akku der eingespeist wird.

Die Formel ist

P=U*I

Damit kann man alles ausrechnen. zB 10Wh bei 12V sind dann P/U = I in Ah.

7

chefin:
...Und mehrere Zellen in Reihe haben dann ein Problem...

Eigentlich mit eine parallele Schutzelektronik nicht! Dafür ist die Schutzschaltung konzipiert.

Aber ich will sie noch nicht einmal in Serienschaltung laden!
Da ich auch mehere kleine 1W Solarzellen nutze, kann ich für jede parallelgeschaltete Akkugruppe eine eigene Ladeschaltung vorsehen. Die kosten ja fast nix.

Ich habe aber noch an die Bleigel Variante gedacht.
Evtl. wäre diese doch die bessere Alternative:

Für 50€ bekomme ich bei Pollin 4 x 6V/10Ah also 40Ah, schön schwer, so dass die Messeinrichtung stabil sitzt. :slight_smile:
Das dürfte für 20Tage ganz ohne Sonnenbeitrag reichen, mit 70mA Schlechtwetterbeitrag*6Stunden/Tag tagsüber wären noch 4 Tage mehr drin.

Ich kann als Quelle 2x10 Solarzellen (je 6V/1W) in Serie/Parallel schalten. Bei Wintersonne könnte ich ca 1000-700 mA @4 Stunden Ladestrom erwarten, so dass die Batterie nach ca 60 Ladestunden ~ 15Tage wieder voll wäre.
Wenn es nicht genug ist, kann ich immer noch ein Akkupaar für 25€ und 10 Solarzellen mehr für 10€ hinzufügen.

8

Jo, so hört sich das durchaus Vernüftig an. 10Ah Bleiakku liefert das bei 0,5A Belastung. Du belastest viel weniger, dürfte also noch etwas länger reichen. Bleiakkus sind da etwas anders gestrickt. Achte auf die Entladeschlussspannung. Am besten mit Arduino selbst überwachen und Meldung machen. Wenn das zu unsicher ist, vieleicht weil auch mal tagelang unbeaufsichtigt mach dir ein Relais mit Selbsthaltung via Arduinoausgang und wenn unterspannung erreicht, schaltet dr Arduino sich selbst ab und man muss per Taster wieder aufschalten, nachdem man kontrolliert hat, wieso Akkus leer oder sie mal nachlädt ausser der Reihe.

Dürfte ja nur im Worstcase passieren, aber dann schade wenn durch sowas dann Akkus tot sind.