SolarBox

SolarBox

Einführung:

Das OpenHardware-Projekt SolarBox befasst sich mit den Grundlagen einer unabhängigen Photovoltaik-Stromversorgung und -Speicherung mittels LiFePo4-Akkus. Ein besonderer Stellenwert liegt auch auf der grafischen Visualisierung der Solardaten zur Effizienz-Kontrolle, aber auch als Grundlage für zukünftige Weiterentwicklungen des Systems.

Anwendungen

Das Konzept beinhaltet Referenzimplementierungen auf drei unterschiedlichen Komplexitätsstufen, für jeweils drei verschiedene Anwendungsbereiche und Leistungsanforderungen:

1. Stufe: PowerBank - für mobile device Anwendungen

2. Stufe: eBike - für Pedelec

3. Stufe: BaseLoad - für autonome Stromversorgung eines Hauses

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  LibreSolarBox Baseload, monolithische Version mit Inverter und Gridswitch (nicht im Bild), für stationäre Anwendungen (Haus-PV, mit einer Kapazität von 0.9 bis zu 2,4 KWh)

Solarbox Powerbank

Die Powerbank dient zur Versorgung mobiler Devices wie Laptop, Tablet oder iPhone, oder auch Beleuchtung bei Outdoor Aktivitäten. Die (zum derzeitigen Stand d. Technik) angestrebte Speichergröße liegt im Bereich von bis zu 72 Ah bei 12 Volt Systemspannung (= 0,9 KWh Kapazität). Dabei kommen Solarpanels von 100 bis 200 Wp Nennleistung zum Einsatz.

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  LibreSolarBox V.02. Für Messen und Vorführungen erlaubt eine Seitenwand aus Plexiglas Einblicke ins Innere, man kann aber auch eine massive Wand einsetzen.

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  LibreSolarBox V.02 Der Rahmen basiert auf der UniProKit Bauteile Library.

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  LibreSolarBox V.02-Anschlüsse: v.o.n.u: Powerswitch, CAN-Interface, USB 5V, DC 12V, MC4-Connector für Photovoltaik-Panel.

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  LibreSolarBox V.02 Akku: CAM72-Zellen von CALB mit 72Ah, Gesamt-Kapazität ca. 0.92 KWh

Die Solarbox Powerbank ist mittlerweile Teil eines größeren Projektes namens [LibreSolarBox V.02] ,in Zusammenarbeit mit LibreSolar und der COS(H)-Arbeitsgruppe und basiert auf dem LibreSolar_BMS. Das Rahmenwerk der Box basiert auf dem Universal Prototyping Kit, einem OpenHardware-Baukasten-System, welches bei der Entwicklung höchste Flexibiliät ermöglicht.

Eine ältere von uns entwickelte Version wird damit abgelöst und ist hier archiviert: Solarbox PowerBank (frühere Version), sowie hier: SolarBox Grundlagenwissen.

Solarbox eBike

Hierbei handelt es sich um eine Art solaren Range-Extender für Pedelecs und e-Bikes. Typische Akkugrößen liegen im Bereich zwischen 360 und 540 Wh bei 36V Betriebsspannung. Damit allein kann man schon 40 bis 60Km weit fahren (mit 25 Kmh Tempo), aber wenn die Sonne scheint sollten noch größere Reichweiten möglich sein. Dies herauszufinden ist Gegenstand dieses Teilprojekts, wobei die Enwicklung eines geeigneten Ladereglers und BMS im Vordergrund steht.

Die Panelgrößen können hier variieren, zwischen kleineren Panels ab 40Wp, welche direkt am Rad befestigt werden, wie etwa am Gepäckträger, und größeren Panels bis 100Wp oder mehr, die auf einem separaten Fahradanhänger montiert sind - welcher somit auch noch Platz für einen zweiten Akku und damit noch größere Reichweiten garantiert.

Da hier eine Spannung von min. 36V erforderlich ist, benötigt man auch ein BMS, welches entsprechend viele Akkuzellen balancieren kann. Das LibreSolar_BMS in der 48V ist optimal dafür und würde natürlich auch 48V liefern können.

• LibreSolar BMS
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  LibreSolar BMS48V - ermöglicht das Balancieren von bis zu 15 LiFePO4 Zellen. Rechts die Hauptplatine mit integriertem Balancer und rechts das Switch-N-Sense, ein Mosfet-Modul zum schalten von Strömen bis 60A (!!!)

SolarBox Baseload

Hierbei handelt es sich um ein Energie-Management- und Speichersystem für eine kleine Haus-Inselanlage, welches ca. 100 bis 300 W Leistung für BaseLoad-Anwendungen bereitstellten kann mit Panelleistungen bis etwa 1.2KWp und Akkukapazitäten bis 2.4 KWh (8 x 100Ah-Akkus bei 24V).

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  LibreSolarBox Monolith

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  LibreSolarBox V.01 auf der MakerFaire 2017 in Kiel

Damit erreicht man zwar noch keine absolute, aber immerhin eine kleine Teilautonomie und gleichzeitig ist diese Anlagen-Klasse als System für den Einstieg hervoragend geeignet. Der Ansatz einer solaren Steckdose als "all-out-of-the-box"-Lösung stellt einen alternativen Entwurf zu den sogenannten "Guerilla-Photovoltaik"-Anlagen dar, welche in punkto Storage die Akku-Speicherung mehr oder weniger aussenvor lassen und stattdessen auf eine Grid-Connection setzen. Dies ist problematisch, weil die Gridverträglichkeit der Microinverter, oder zumindest deren Zulässigkeit erhebliche Reglementierungen beinhaltet und man sich derzeit insgesamt noch in einer rechtlichen Grauzone befindet [1] und dieser Zustand im Hinblick auf Großwirtschaftliche Partikularinteressen möglicherweise noch länger anhalten könnte.

Bei der Solarbox hingegen hat man einfach eine separate, solare Steckdose, an die man eine wohldosierte Menge an "Grundlast"-Geräten anstöpselt, also zB. sowas wie die Tiefkühltruhe im Keller. Damit hat man eine Teilversorgung während der sonnenreichen Stunden, und täglich noch ein bischen darüberhinaus aufgrund der Akkukapazität. Dass der Akku dadurch belastet wird ist aufgrund der zu erwartenden hohen Zyklenzahl der LiFePo4-Technologie gut zu verkraften und ausserdem kann man die Zyklenzahl noch weiter erhöhen, im Abgleich mit (bzw. auf Kosten von) der Menge an täglicher Grundlast-Leistung. Wichtig hierbei ist, das eine Netz-Vorrangschaltung automatisch wieder auf Grid-Betrieb umschaltet, sobald die Akkus erschöpft sind und keine Sonne scheint.

Daher ist das umfangreiche sammeln und visualisieren von Daten zur Laufzeit und natürlich eine Benutzerschnittstelle zur detaillierten Systemsteuerung und -Konfiguration ein zentraler Aspekt sowohl von diesem als auch von den beiden anderen Teilprojekten. Es sollte damit jederzeit möglich sein, nicht nur den reinen Ertrag zu messen, also wieviel nutzbare Energie herauskommt, sondern auch den Roh-Input, also wieviel Energie, die vom Solarpanel kommt, kann am Ende dann auch tatsächlich genutzt werden. Damit wird der Wirkungsgrad des Systems transparent, der von vielen Faktoren wie Inverter, Akkus und dem Nutzerverhalten bzw. den situativen Rahmenbedingungen abhängig ist. Dies ist nicht nur für die Auswahl der Komponenten und damit die Systemkonfiguration wichtig, sondern auch, um für Weiterentwicklungen und Optimierungen eine Erfolgskontrolle zu haben.

Die erste Version einer völlig funktionsfähigen Solarbox basierte auf dem OpenHardware Projekt SBMS4080 und wurde auf der Makerfaire 2015 in Berlin und Hannover erstmalig der Öffentlichkeit vorgestellt [2]. Das SBMS4080 erfüllte alle Anforderungen ideal und seine Weiterentwicklung wurde deswegen von OSE mit unterstützt. Wir haben dazu ein kleines SBMS4080-User-Manual verfasst, welches bei der Inbetriebnahme hilfreich sein sollte.

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  Die allererste SolarBox

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  SBMS4080 Solar Battery Management System

Hier ein Link zu einem Artikel dazu im makeable.de-Blog: SolarBox Baseload mit SBMS4080.

Das SBMS4080 wurde inzwischen durch das LibreSolar_BMS abgelöst. Letzteres orientiert sich in manchen Aspekten (zb. Verwendung der Mosfets) am Vorgänger, bietet aber darüberhinaus noch weitere features, wie zB. die 48V-Version, einen stärker modularen Aufbau und einen integrierten MPPT-Solarladeregler. Es stellt somit die nächste BMS-Generation dar und wird aktiv weiterentwickelt.

OpenNanoGrid

Ein weitläufigeres Ziel dabei ist auch die Schaffung eines dezentralen Niedervolt-Hausversorgungssystems auf OpenHardware-Basis. Darin können mehrere solcher SolarBoxen bzw. weitere Stromquellen und Verbraucher dezentral in das System eingegliedert und vernetzt werden.

Die Datenkommunikation erfolgt dabei über eine OpenCAN-Schnittstelle unter einem eigens dafür neuentwickelten EnergyManagement-Protokoll-Standard (auf OpenSource-Basis), siehe OpenNanoGrid. Im Gegensatz zum obigen Diagramm bezieht sich das Wort "Gateway" hier auf die Kommunikation via OpenCAN. Dazu kann in einzelnen Knoten (wie z.B. einer Solarbox) eine intelligente CAN-Schnittstelle implementiert werden, welche auf einem RaspiZero basiert. Dadurch wird einerseits der CAN-Bus für die Steuersignale zwischen den einzelnen Knoten etabliert, aber gleichzeitig stellt es auch ein Gateway ins lokale WLAN dar, welches genutzt werden kann für Visualisierung von Kontroll- und Statistik-Daten, die von einem Desktop-PC oder mittels einer mobile-app dargestellt werden können und somit ein weiteres Userinterface im lokalen Netzwerk bilden.

Desweiteren erlaubt eine definierte Bus-Spannung und auf den Power-Leitungen eine aktive Anpassung (per Wandler) der einzelnen Komponenten daran ein intelligentes Ressourcenmanagement .

Rahmenbedingungen

OK, ein maximaler Ertrag aufgrund optimaler Systemkontrolle an sich ist natürlich auf jeder der drei Ebenen wünschenswert. Es ist aber ohnehin ein Ziel des Solarbox-Projektes, die Gemeinsamkeiten aller drei Skalierungslevel zu identifzieren, um daraus ein abstraktes und übergeordnetes Modell zu erstellen, welches die grundlegenden Komponenten einer Solarbox darstellt und dokumentiert.

Konzeptuelle Gemeinsamkeiten aller drei Level sind z.B:

- Lademodus CCCV

- Balancing und BMS

- Grundkomponenten wie Panels, Akku, Laderegler

- LiFePo4, 2000 Zyklen, hochstrom- und schnellladefähig

- Netzvorrangschaltung

- Daten-Visualisierung

Die Skalierung hingegen bietet die Möglichkeit den Arbeitsansatz so zu gestalten, dass man zunächst auf dem niedrigschwelligen Level der Powerbank mit der Entwicklung beginnt und die daraus gewonnen Erfahrungen dann soweit möglich auf die beiden höheren Level überträgt oder aber sich eben auf die Höherskalierung konzentriert.

Im Mittelpunkt der Entwicklung steht auf jeder Ebene die Ladereglertechnik (Hardware) und Datenvisualisierung (Software), aber auch Dinge wie die Komponentenauswahl stellt gerade für Einsteiger aufgrund eines unüberschaubaren Angebotes eine schwer zu überwindende Hürde dar. Das Internet kann ist dabei nicht unbedingt hilfreich, weil in einschlägigen Foren jeder eine andere Meinung hat, welches das beste System sei ;) .

Die Solarbox hingegen bietet Referenz-Implentierungen mit erprobten Komponenten und Bezugsquellenangaben (BOMs) und Bauplänen. Daher werden die Komponenten auch als fester Bestandteil des UniProKit Baukasten-Standards in Form eines Solar-Sets in den UniProKit-Bauteilekatalog eingegliedert und etwaigen Nachbauern verfügbar gemacht.

Orientierung; ähnliche Technologien

Ladregler-Technik an sich ist nichts Neues, aber ein Grossteil davon bezieht sich auf Blei-Säure- oder NiCad/NiMh-Akkus. Im Bereich Lithium gibt es Einiges für LiPO-Akkus, das wäre theoretisch auch für LiFePO4 verwendbar, allerdings setzt das voraus, das Schwellen-Werte wie Lade- und Entlade-Schlussspannung frei prograqmmiert werden können. Bei den vielen Hersteller-Lösungen in diesem Bereich handelt es sich jedoch oft um hochintegrierte Chips, welche autonom, d.h. Nicht-uC-gesteuert, arbeiten und feste Werte sozusagen hardverdrahtet haben. D.h., man ist davon abhängig, was der Hersteller glaubt, welche Parameter sinnvoll wären. Das hängt aber wiederum von der Art der Anwendung ab, also z.B. ob man die Akku-Kapazität unbedingt bis zum letzten Quentchen ausnutzen möchte (z.B. Modellflug-Anwendung, oder Mobile-Devices) oder aber gezielt darauf verzichtet, etwa zugunsten einer Verfielfachung der Zyklenzahl (Inselanlage-Storage). Ausserdem ist die LiFePO4-Technologie noch relativ jung, so das teilweise noch gar nicht so richtig klar ist, welche Parameter tatsächlich optimal sind und was die Anzahl an bereits verfügbaren Lösungen deutlich einschränkt.

Weitere Einschränkung ergibt sich dadurch, dass der Laderegler auch "solarfähig" sein soll und dadurch, dass Laden und Entladen quasi gleichzeitig möglich sein müssen. D.h., z.B. für Pedelecs oder Modellflug verfügbare Laderegler gehen davon aus, dass der Akku während der Ladephase vom Pedelec abgeklemmt ist und nicht gleichzeitig auch genutzt wird.

Dadurch bedingt, und durch die LiFePO4-spezifischen Anforderungen an Balancing/Equalizing und BMS ergibt sich, das ein passender Laderegler keineswegs eine triviale Sache ist. Sofern hier überhaupt bereits verfügbare Lösungen existieren (was aber eher nicht der Fall ist), sind sie sehr teuer, was eine Eigenentwicklung erforderlich macht.

Organisatorisches

Entwickler-Team

Oliver Schlüter (Hauptverantwortlicher Ansprechpartner)

Desweiteren Zusammenarbeit mit LibreSolar und der COS(H)-Arbeitsgruppe

Roadmap, Milestones, Development-Log

02.09.2014 Projektstart, RFC im OSEG-Blog

13.09.2014 Projekt-Seite im Wiki erstellt

13.09.2014 Das Projekt befindet sich noch in der Planungs- und Evaluierungs-Phase. Als Einstieg wird zunächst versucht, einen einfachen Solar-Laderregler für LiFePo4-Akkus im Sinne der ersten Stufe "Solarbox Powerbank" zu entwickeln, als Grundlage und um sich der LiFePO4-Technologie überhaupt erstmal anzunähern.

03.10.2015 Eine auf dem SBMS4080 basierte SolarBox wird auf der Makerfaire in Berlin vorgestellt.

11.11.2016 Vorstellung des Projekts auf dem BAC21-Workshop in Brüssel. Seitdem Zusammenarbeit und BMS-Entwicklung mit dem LibreSolar Projekt.

01.02.2017 Das Projekt wird jetzt gemeinsam mit der COS(H)-Arbeitsgruppe der HAW Hamburg weiterentwickelt. Ein Prototyp namens LibreSolarBox V.01 Monolith entsteht, welcher in etwa der SolarBox Baseload entspricht.

15.01.2018 Mit der LibreSolarBox V.02 ensteht eine neue, abgespeckte Variante, welche besonders gut geeignet ist für mobile Anwendungen und der Solarbox Powerbank entspricht.

20.02.2018 Erstmalig wird ein größerer Batch von 50 MPPT-Platinen in Auftragsfertigung hergestellt und maschinell bestückt. Damit kann die Platine einem größeren Publikum zum testen zugänglich gemacht werden.

ToDo next

• SolarBox-PowerBank als Proof-of-Concept entwickeln - Done
• Untergeordnete WIKI-Seiten für die drei Teilprojekte erstellen - Done
• Weiterentwicklung der Monolith und der V.02-Version. CAN-Bus Integration mittels RaspiZero-basiertem Gateway.
• Entwicklung eines Direct-User-Interfaces
• Software: Benutzeroberfläche als Live-Monitoring- und Visualization-System
• Backplane-Version zur Integration mehrerer MPPT-Laderegler-Module (==> größere Leistung)
• OpenNanoGrid (Intelligentes Niedervolt-Hausbus System mit dezentrallen Quellen und Verbrauchern)
• Prototyp testen, Meßdaten, Optimierung
• Wiki-Projektseite: Bill of Materials, Dokumentation
• GitHub: Sources

Spenden

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Kontakt

• Oliver Schlüter - persönliche Nachricht
• Forum - Diskussion

Literatur und Links

Referenz	Beschreibung
[3]	Wikipedia zum Thema LiFePO4-Akkus
opensource-solar.org	Präsentation zu OpenHardware Solar-Charger für LiFePO4-Akkus
[4]	Beispiel für ein nano-grid system in Dhaka