Solar Raspberry Pi

Kompletter Projektaufbau in der aktuellen Endversion

Das Projekt „Solar Raspberry Pi“ ist eine Arbeit von Studierenden der Beuth- Hochschule für Technik Berlin im Studiengang Physikalische Technik/ Medizinphysik. Im Rahmen einer Laborveranstaltung wurde ein Prototypenaufbau entworfen, welcher den Betrieb eines Raspberry Pi mittels Solarenergie in den Sommermonaten ermöglichen soll. Diese Arbeit erfolgte unter Betreuung von Frau Prof. Dr. Ingeborg Beckers, sowie Dipl. Ing. Jürgen Landskron.

Nachfolgend werden die Ideen zum Konzept, zur Dimensionierung und zum Aufbau erläutert.

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Wichtig: Das Experimentieren mit Solarzellen, der hier verwendeten Größenordnung, bedarf besonderer Sorgfalt. Unter günstigen Bedingungen liefert die Solarzelle einen Strom von 2,8 Ampere Gleichstrom, sowie eine Spannung von 21,5 Volt. Beim Hantieren mit dem Solarmodul ist auf Spannungsfreiheit zu achten- z.B. durch das Bedecken der Solarzellen. ___________________________________________________________________________________________________________

>>Bitte das Kapitel "Hinweise und Anmerkungen beachten<<

Konzeption

Das Solarmodul kann nicht direkt als Stromversorgung an den Raspberry Pi angeschlossen werden. Dies geht aus diversen Gründen nicht. Die Solarzelle liefert zum einen, abhängig von den Umwelteinflüssen keinen konstanten Strom und keine konstante Spannung. Die erzeugte Spannung oder der erzeugte Strom des Solarmoduls ist zum anderen in der Regel nicht kompatibel mit der Strom-Spannungsaufnahme des Endgeräts. Aus diesen Gründen müssen Überlegungen angestellt werden, wie der Raspberry Pi konstant mit dem des Herstellers angegebenen Strom bzw. der Spannung gespeist werden kann.

In der nebenstehenden Darstellung wird ein Planschema gezeigt, wie das Projekt per Theorie realisiert werden kann.

Das Solarmodul und der Raspberry Pi müssen mittels elektrischer Zusatzkomponenten miteinander verschaltet werden. Zusätzlich dient eine Batterie als Energiespeicher um ein Leistungsdefizit des Solarmoduls auszugleichen. Damit die Batterie von dem Solarmodul geladen werden kann wird ein Laderegler benötigt. Dieser begrenzt den Ladestrom auf die von der Batterie charakteristische Ladeschlussspannung. Somit wird ein Überladen der Batterie verhindert. Gleichzeitig regelt der Laderegler die Betriebsspannung für den elektrischen Aufbau, angepasst an die Batteriespannung herunter. Um die maximale Strom- und Spannungsaufnahme des Raspberry Pi nicht zu überschreiten wird ein Spannungswandler vor den Raspberry Pi geschaltet. Dieser regelt Bauteilabhängig die Eingangsspannung auf den Herstellerspezifischen Spannungswert des Raspberry Pi.

Grundsätzlich ist somit der Betrieb theoretisch möglich. Jedoch ist es von Vorteil Systemparameter im Betrieb messen zu können. Der Ladestand der Batterie oder die Energie, die vom Solarmodul erzeugt wird, sind wichtige Kenngrößen, welche den Betrieb des Raspberry Pi beeinflussen können.

Zusätzlich kann ein Helligkeitssensor in den Aufbau integriert werden. Mit Hilfe von diesem Sensor kann die korrekte Ausrichtung von dem Solarmodul überprüft werden bzw. liefert dieser Sensor Daten, die in Abhängigkeit zur erzeugten Energie des Solarmoduls stehen, sofern der Helligkeitssensor an der Sonnenseite des Solarmoduls installiert wird.

Dimensionierung

Tägliche Sonnenstunden im Durchschnitt-DE2020

Zur Dimensionierung aller Bauteile ist es von Vorteil, zunächst den Verbraucher zu betrachten. Die Kenndaten laut Hersteller vom Raspberry Pi geben einen Stromverbrauch von +/- 500 mA bei maximalen 5 Volt an. Die Leistung beträgt somit nach P= I*U= 2,5 Watt. Da die Stromaufnahme bei hoher Rechenleistung auch durchaus kurzzeitig bis zu 900 mA betragen kann und in der Konzeptionierung keine weiteren Endverbraucher berücksichtigt werden, die am Raspberry Pi angeschlossen sind (Tastatur, USB-Stick, Kartenleser, Kamera, etc.) wird die Leistung großzügig mit 5 Watt bemessen. Tendenziell sollte auch die Sonnenscheindauer analysiert werden. Nebenstehend ist ein Diagramm gezeigt, welches die durchschnittlichen Sonnenstunden pro Monat in Deutschland zeigt. Für die Dimensionierung aller weiteren Komponenten ist diese Betrachtung außerordentlich wichtig. Die durchschnittliche Sonnenscheindauer ist in den Wintermonaten deutlich geringer als in den Sommermonaten. Somit ist ein Betrieb im Winter fast ausschließlich nur mit der Batterie möglich und das Solarmodul muss eine enorme Leistungsabgabe gewähren, wo in kürzester Zeit eine sehr große Batterie geladen werden kann. Andersrum kann im Sommer der Betrieb zu einem großen Teil über die Sonnenenergie erfolgen. Die Batterie müsste nur die Dunkelstunden in der Nacht oder die Wolkenphasen überbrücken, womit diese natürlich deutlich kleiner ausfallen kann und die Dimensionierung des Projektes wesentlich erleichtert wird.

Die Batterie sollte ausreichend Energie zur Verfügung stellen, dass der Raspberry Pi in der Nacht zu mindestens nicht komplett stromlos ist (Standby Modus) oder bei ausreichend Sonnenschein alleine starten kann. Auch eine kurzweilige Wolkendecke sollte zu keinem Systemausfall führen. Jedoch muss die Batterie so dimensioniert sein, dass auch ein Aufladen, während dem Messbetrieb mit Raspberry Pi möglich ist. Für dieses Projekt wird ein Blei Akku verwendet, welches eine maximale Ladekapazität von 2,5 Ah hat. Die angegebenen 2,5 Ah reichen bei einer Leistungsentnahme von 4 Watt etwa 7,5h. Dies bedeutet, der Raspberry Pi kann theoretisch eine Sommernacht komplett aus dem Akku überbrücken. Die Ladezeit beträgt 90 min, sofern 2 A Ladestrom zur Verfügung stehen. Bei geringerem Ladestrom erhöht sich die Ladezeit. Die gewählte Batterie hat eine Nennspannung von 12 Volt.

Für die Dimensionierung des Solarmoduls sollte die Verbraucherleistung bekannt sein. Zum einen ergibt diese sich jetzt aus dem Verbrauch des Raspberry Pi (5 Watt) und dem Akku, welches Zeitgleich noch geladen werden sollte. Die Ladespannung liegt immer 1,5 Volt höher als die Nennspannung eines Akkus. Bei einer Ladespannung von 13,5 Volt und einem Ladestrom von 2 Ampere ergibt sich ein Leistungsbezug von 27 Watt. Im gesamten beträgt der Leistungsverbrauch somit 32 Watt in der Spitze. Ist dieser Wert bekannt, kann ein geeignetes Solarmodul gesucht werden. In der Regel bietet sich hier ein Solarmodul an, welches laut Hersteller 50 Watt Leistung erzeugen kann. Zudem sollten auch mindestens 2,5 Ampere Strom geliefert werden, womit ein Laden der Batterie und der Betrieb des Raspberry Pi gleichzeitig möglich ist. Auch die Nennspannung von dem Solarmodul sollte mindestens 2 bis 3 Volt über der Ladespannung der Batterie liegen, da noch kleine Verluste mit eingerechnet werden müssen. Das in diesem Projekt gewählte Solarmodul hat eine maximale Leistung von 50 Watt bei 2,84 Ampere und einer Leerlaufspannung von 21,6 Volt.

Der Laderegler sollte nun den spezifischen Gegebenheiten der Batterie und des Solarmoduls entsprechen. In der Regel gibt es die Laderegler direkt erhältlich, passend zum Solarmodul. So auch in diesem Projekt. Der Laderegler ist für Solarmodule bis 53 Watt ausgelegt und auf eine Systemspannung von 12 Volt angepasst. Dies bedeutet, dass eine 12 Volt Batterie von dem Laderegler mit den geforderten 13,5 Volt Spannung versorgt wird und den Ladezyklus automatisch beendet, sobald die Ladeschlussspannung erreicht ist. Es besteht die Möglichkeit zwischen zwei Typen von Ladereglern zu wählen. Ein PWM- Laderegler arbeitet nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation und ist in der Regel günstiger im Anschaffungspreis. Ein MPP- Laderegler steuert den Maximum-Power-Point des Solarmoduls an und ist etwas effizienter in seiner Leistungsausbeute. Hat jedoch einen höheren Anschaffungspreis und ist aufgrund der verbauten Technik anfälliger gegen Temperaturschwankungen oder ähnlichen äußeren Umwelteinflüssen.

Für die Spannungsreduzierung der Systemspannung von 12 Volt auf die Verbraucherspannung von 5 Volt kann ein handelsüblicher Spannungswandler genutzt werden. Wichtig ist nur zu beachten, dass genügend Strom am Ausgang des Spannungswandlers zur Verfügung steht. In diesem Projekt sollten mindestens 1 Ampere Strom fließen, damit der Raspberry Pi ausreichend versorgt ist.

Bauteile und Funktion

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

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. 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. Bei der Ausrichtung des Solarmoduls ist auf das Lambertsche Kosinusgesetz zu achten.

Kennlinie der Phasesun Sun Plus 50 S

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 hat eine Nennspannung von 12 V, ist für Blei-Akkus geeignet und hat eine optische Ladeanzeige. Sobald die rote LED für "Laden" leuchtet, ist genügend Spannung vorhanden um die Batterie zu laden. Leuchtet die grüne LED "Batterie voll" ist der Ladeprozess ausgesetzt, da die Batterie ihre Ladeschlussspannung erreicht hat. Es ist auf die angegebene Polung des Herstellers zu achten.

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. Es ist darauf zu achten, dass dieses Akku nicht Tiefenentladen wird, da sonst Schäden an dem Akku auftreten können. Ebenso darf das Akku nicht Überladen werden. Es sind die Angaben des Herstellers zu beachten.

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. Je nach belieben kann aber auch ein anderes Model genutzt werden. Jedoch sind die Herstellerangaben bezüglich der Strom- und Spannungsversorgung zu beachten.

Aufbau

Lochrasterplatine

Der prinzipielle Aufbau des Systems ist oben im Planschema aufgeführt. Die von uns entwickelte Lochrasterplatine ist rechts zu sehen. Um Ströme messen zu können, wurden sehr kleine Widerstände (blau), sogenannte Shunts, verwendet. Diese benötigt man, da sich eine durchgängige direkte Messung des Stromes als schwierig erweist. Es wird die an diesen Widerständen abfallende Spannung mit einem Analog-Digital-Wandler (AD) gemessen und anschließend in unserem Programm so umgerechnet, dass der tatsächliche Stromwert angezeigt wird. Um Spannungen zu messen, haben wir ebenfalls Widerstände (braun) verwendet. Allerdings haben wir sicherheitshalber einen Spannungsteiler aufgebaut, da die ADs nur für eine bestimmte Spannung ausgelegt sind, die nicht überschritten werden darf. Wir haben insgesamt 2 ADs verwendet mit denen wir den Strom vom Laderegler zur Batterie, den Strom von der Batterie zum Spannungswandler, die Spannung des Raspberry Pi messen können. Zudem messen wir die Spannung am Ausgang des Ladereglers, die der Spannung der Batterie entspricht, wenn der Laderegler keinen Strom liefert. Wir können mit diesen Messwerten dann Rückschlüsse auf den Ladezustand der Batterie und den Verbrauch des Raspberry Pis ziehen. Zudem haben wir zusätzlich einen Lichtsensor verwendet, der für die Abschätzung der aktuellen Sonneneinstrahlung nützlich ist. 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.

Funktion

Da die Dimensionierung für die Sommermonate ausgelegt ist und die Bearbeitung von dem Projekt in den Wintermonaten erfolgte, war ein ausgiebiger Funktionstest leider nicht möglich. Jedoch kann gesagt werden, dass der komplette Aufbau, so wie beschrieben, funktioniert. Der Raspberry Pi kann sowohl nur mit der Batterieleistung oder der Leistung aus dem Solarmodul betreiben werden als auch in Kombination mit beiden, wo die Batterie neben dem Betrieb des Raspberry Pi geladen wird. Getestet wurde dies mit einer Regelbaren Spannungsquelle, welche das Solarmodul mit seinen spezifischen Kenndaten simuliert hat.

Was jedoch erheblich aufgefallen ist, ist der deutliche Leistungsverlust des Solarmoduls bei Verunreinigungen in der Atmosphäre durch bspw. Feinstaub. Auch auf die Ausrichtung des Solarmoduls gegenüber der Sonne ist penibel zu achten. Im Rahmen des Funktionstests wurde bei winterlichen Bedingungen ohne Bewölkung immer eine minimale Stromstärke von 500 mA geliefert. Dies reicht für den minimalen Betrieb des Raspberry Pi aus, ein Laden der Batterie war zeitgleich jedoch nicht möglich.

Grundsätzlich ist sowieso zu bedenken, dass dieser Aufbau als Prototyp nur auf eine Schönwetterlage im Sommer dimensioniert ist. Ohne die erforderlichen Sonnenstunden, mit den im Durchschnitt kalkuliert wurde, ist die Betriebsdauer einzig und alleine an die Ladekapazität der Batterie gebunden.

Hinweise und Anmerkungen

Allgemein:

• Der elektrische Aufbau sollte vor direkter Sonneneinstrahlung und nässe geschützt werden, lediglich das Solarmodul ist laut Hersteller nach IP67 Wasserfest.

• Der komplette elektrische Aufbau benötigt einen Schutzschalter, auf welchen im Prototypenaufbau verzichtet wurde. Dieser verhindert Beschädigungen an elektrischen Bauteilen durch Überspannung oder Kurzschluss.

Batterie:

Die Batterie darf keinesfalls Tiefenentladen werden. Um eine Beschädigung der Batterie zu vermeiden sollte zusätzlich ein Tiefenentladungsschutz implementiert werden. Sollte die Batterie trotzdem zu tief entladen worden sein, muss eine Aufladung zunächst manuell erfolgen, da der Laderegler aufgrund der niedrigen Spannung die Batterie nicht als solche erkennt.

Solarmodul:

Das Solarmodul erzielt seine maximale Leistung nur bei korrekter Ausrichtung zur Sonne. Eine Nachführung des Solarmoduls zum Sonnenstand ist wünschenswert. Andernfalls können die durchschnittlichen Sonnenstunden im Sommer nicht effizient genutzt werden, was Auswirkungen auf den kompletten Betrieb des Systems hat.

Schaltplan und Programmcode können durch das Klicken auf das Bild als PDF-Datei gedownloadet werden.