Solar Raspberry Pi

Solar Raspberry Pi (Raspberry PI unter Solarbetrieb): Für verschiedene Langzeitmessungen außerhalb der Zivilisation benötigt es eine konstante Stromquelle, um alle Messgeräte mit ausreichend Energie zu versorgen. Die Messgeräte werden durch einen Raspberry PI gesteuert, weshalb sich die Stromzufuhr auf den Raspberry beschränken kann. Ziel von diesem Projekt ist der 24 Stunden Betrieb eines Raspberry PI unter der Verwendung eines Solarmoduls.

Dieses Projekt ist eine Arbeit von Studierenden der Beuth- Hochschule Berlin im Studiengang Physikalische Technik- Medizinphysik unter der Leitung von Frau Doktor Ingeborg Beckers.

Kompletter Projektaufbau in der aktuellen Endversion

Projektbeschreibung

Für die Realisierung von dem Projekt müssen zunächst erst einmal Eckpunkte festgesetzt werden, welche für die Dimensionierung der zu beschaffenden Bauteile relevant sind.

• Betrieb ausschließlich in den Sommermonaten
• Betriebsdauer ohne personelle Betreuung: ca. 24h
• Wetterbedingungen: Sonne/leichte Bewölkung
• im ersten Versuch ohne zusätzliche Messapperraturen (d.h. nur der Raspi muss mit Energie versorgt werden)
• Möglichkeiten zur Evaluation von relevanten Systemdaten in Bezug auf den gesamten Aufbau (Batterieladung, Stromverbrauch, Leistung Solarmodul)

Der gesamte Aufbau besteht aus einem Solarmodul, einem Laderegler, einer Batterie sowieso einem Spannungswandler und dem Raspberry PI. Die Messung der systemrelevanten Daten erfolgt mit Hilfe von Analog- Digitalwandlern. Zusätzlich ist ein Lichtsensor integriert. Alle Komponenten wurden über eine Lochrasterplatine miteinander verbunden.

Konfiguration Zzgl.: Platinenelemente, Wiederstände, Kabel

Bauteile
Solarmodul	Phaesun Sun Plus 50 S
Laderegler	H- Tronic SL 53 Laderegler PWM 12 V
Batterie	EnerSys Hawker CyclonF2x3
Spannungswandler	LM2596
Raspberry PI	Raspberry Pi 4 B 2GB 4x1,5 GHz
A/D-Wandler	ADS1115
Lichtsensor	TSL2561

Komponenten

Solarmodul

PhaseSun Sun Plus 50 S

Bei dem gewählten Solarmodul handelt es sich um ein Monokristallines Solarmodul, welches eine maximale Leistung von 50 W ausgeben kann und eine Nennspannung von 12 Volt hat. Aufgrund des höheren Wirkungsgrades bei optimaler Sonneneinstrahlung kann die Energie der Sonne hier besonders effektiv ausgenutzt werden um zusätzlich zu dem Betrieb des Raspberry Pi noch das Akku ausreichende für Dunkelstunden zu laden. Die Solarzelle wurde auf die Spezifischen Werksangaben hin überprüft wodurch die Funktionalität des Solarmoduls gegeben ist. Es ist jedoch zu beachten, dass bei Monokristallinen Solarzellen der Werksspezifische Wirkungsgrad nur bei optimalen Bedingungen zu erreichen ist. Sobald das Solarmodul nicht optimal zur Sonne hin ausgerichtet ist oder es zu einer Verringerung der Sonneneinstrahlung kommt (durch Wolken, Feinstaub, etc. ) kann keine ausreichende Leistung für dieses Projekt erzeugt werden.

Kennlinie der Phasesun Sun Plus 50 S mit verschiedenen Wiederständen

Spezifikation Phaesun Sun Plus 50 S

Werksangabe		Bemerkung
Leistung	50 W	gemessen: MPP= 47,11 W
Nennspannung	12 V	k/A
Nennstrom	2840 mA	k/A
Kurzschlussstrom	3070 mA	gemessen: 2,90 mA
Leerlaufspannung	21,6 V	gemessen: 21,5 V
Wirkungsgrad	15,2 %	k/A
Solarfläche	0,3 m2	k/A
Struktur	Monokristallin	k/A
Diode	1 Schottky Diode	k/A

Laderegler

Laderegler H-Tronic SL 53

Für den ersten Prototypen wurde ein PWM- Laderegler vom Typ "H-Tronic SL 53" verwendet. Dieser Laderegler ist auf die Solarzelle abgestimmt und kann eine maximale Leistung von 53 W aushalten. Der Laderegler ist hat eine Nennspannung von 12 V, ist für geeignet für Bleiakkus, hat eine optische Ladeanzeige und schaltet die Ladespannung automatisch beim erreichen der maximalen Ladekapazität des Akkus ab.

Batterie

Blei-Geel-Akku 12V EnerSys

Aufgrund der Handhabung und Langlebigkeit wurde in diesem Projekt ein Bleiakku vom Typ "EnerSys Hawker Cyclon F2x3" verwendet. Dieses Akku hat eine Ladekapazität von 2,5 Ah bei einer Nennspannung von 12 V.

Wenn davon ausgegangen wird, dass die Solarzelle einen Nennstrom von 2,5 A liefert und der Raspberry Pi einen Strombedarf von 500 mA im Normalbetrieb hat, so kann das Akku mit einem Ladestrom von 2 A in 90 min voll aufgeladen werden. Bei einer Leistungsentnahme von ca. 4W beträgt die Entladungsdauer 450 min (7,5h). Dies würde in den Sommermonaten ausreichen um die Dunkelphase bei Nacht zu überwinden.

Spannungswandler

Spannungsregler LM 2590

Da der Raspberry Pi eine Stromaufnahme von max 3 A bei 5V gewährleistet, muss die Nennspannung von 12 V auf 5 V runter reguliert werden. Dies passiert mit Hilfe eines Spannungswandlers vom Typ "LM2596"

Rasspberry PI

In diesem Projekt wurde der Raspberry Pi 4 B mit 2 GB RAM und 4 x 1,5 GHz verwendet. Das Programm, welches für die Aufnahme und Verarbeitung der Messwerte zuständig ist, wurde in der Programmiersprache Python geschrieben. Hierfür wurde die Entwicklungsoberfläche Thonny benutzt, welche vor allem für Anfänger sehr gut geeignet ist. Für die grafische Darstellung der Daten wurde Grafana verwendet. Die Übermittlung der aufgenommenen Daten zu Grafana erfolgte über eine InfluxDB Datenbank.

Schaltplan

Nachfolgend ist der Schaltplan für die Verschaltung aller Komponenten auf einer Lochrasterplatine zu sehen.

Ergebnis

Alle Komponenten wurden über eine Lochrasterplatine miteinander verbunden und die entsprechenden Bauteile an den dafür vorgesehenen Schnittstellen verdrahtet. Im Testlauf ist aufgefallen, dass die Energieversorgung relativ knapp bemessen ist. Dies liegt zum einen an der Solarzelle, die gewissen Umwelteinflüssen, wie Bewölkung oder niedrigen Sonnenstand nur wenig Leistung ausgibt und zum anderen an dem sehr hohen Energiebedarf des Raspberry Pi. Dennoch ist es möglich, den Raspberry Pi mit vollem Akkustand und perfekt ausgerichteter Solarzelle standartgemäß zu betreiben. Jedoch ist das Booten des Raspberry Pi ein kritischer Moment, wo die Energieversorgung zusammenbrechen könnte, sofern das Akku nicht eine mindest Ladekapazität von ca. 80% vorweisen kann. Das ausschließliche Booten über die Energieversorgung der Solarzelle ist aufgrund des geringen Stroms (500 bis 600 mA) nicht möglich.

Ein Langzeitversuch zur Betriebsdauer von diesem Prototypen steht noch aus.

Ausblick & Anregungen

Es ist vorstellbar, dass die Solarzelle aufgrund der Monokristallinen Struktur weniger für dieses Projekt geeignet ist. Trotz eines höheren Wirkungsgrades wurde beobachtet, dass die Leistung erheblich abfällt, sobald die Solarzelle nicht perfekt zur Sonneneinstrahlung ausgerichtet ist. Dies bedeutet, dass bei einem Tagesbetrieb die Solarzelle dem Sonnenstand nachgeführt werden müsste. Hierfür wird weitere Energie für einen kleinen Motor benötigt. Denkbar wäre eine Umrüstung auf eine Polykristalline Solarzelle. Somit wäre kein nachführen notwendig und zum anderen hätte eine Polykristalline Solarzelle auch eine höhere Leistungsabgabe bei einem Bewölkungszustand.

Um den Energieverbrauch des kompletten Aufbaus zu reduzieren, sollte zunächst der Verbraucher analysiert werden. Der Raspberry Pi 4B ist in Technikforen auch als absoluter "Stromfresser" bekannt. Alleine zum Booten des Gerätes werden kurzzeitig bis zu 900 mA Strom gezogen. Sowohl die Batterie, als auch die Solarzelle liefern genügend Leistung um diesem Energieanspruch gerecht zu werden. Ist jedoch die Batterie nicht voll geladen und die Solarzelle nicht richtig zur Sonneneinstrahlung ausgerichtet, bricht der Bootvorgang vom Raspberry Pi ab. Eine andere Überlegung wäre, den Raspberry Pi so umzuprogrammieren, dass nicht alle Prozessorkerne in betrieb sind (in Abhängigkeit zur Anwendung). Ebenso das Ausprogrammieren

Auch die Akkudimensionierung kann optimiert werden. Da die Akkuladung bei einer Leistungsabgabe von 50 W der Solarzelle nur 90 min dauert, wenn der Raspberry Pi im Normalbetrieb läuft, kann die Kapazität auch verdoppelt werden. Dies hätte den Vorteil, dass auch ein Bewölkungsstaus in den Morgen- oder Abendstunden zu keiner Beeinträchtigung bei einem 24 h Betrieb führt.

Zusätzlich sollte darüber nachgedacht werden, ob der PWM- Laderegler durch einen MPP- Laderegler ersetzt wird. Somit würde die Solarzelle durch den Laderegler effektiver zur Stromversorgung beitragen und gute Laderegler haben zusätzlich ein Digitaldisplay, welche den Strom und die Spannung anzeigen, die von der Solarzelle ausgeht. Dadurch kann die Justage der Solarzelle besser überprüft werden.

Eine weitere wünschenswerte Möglichkeit bestünde in der Datenanalyse von extern. Hierfür müsste der Raspberry Pi in ein Netzwerk eingebunden werden und die Messdaten Online stellen. Diese Idee wurde aber aufgrund von Zeitgründen in diesem Projekt nicht mehr umgesetzt.

Programmcode

Nachfolgend ist der Programmcode für dieses Projekt als PDF-Datei hinterlegt.