Solar Raspberry Pi: Unterschied zwischen den Versionen

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(Vorschauklasse=prototyping)
 
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Solar_raspi (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.  
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[[File:Gesamter Projektaufbau in der aktuellen Endversion mit Beuth Logo.png|thumb|Kompletter Projektaufbau in der aktuellen Endversion]]
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Ziel von diesem Projekt ist der 24 Stunden Betrieb eines Raspberry PI unter der Verwendung eines Solarmoduls. (Sommermonate) 
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Das Projekt „Solar Raspberry Pi“ ist eine Arbeit von Studierenden der Beuth- Hochschule für Technik Berlin <ref>https://www.beuth-hochschule.de/</ref> im Studiengang Physikalische Technik/ Medizinphysik<ref>https://studiengang.beuth-hochschule.de/ptm/</ref>. Im Rahmen einer Laborveranstaltung wurde ein Prototypenaufbau entworfen, welcher den Betrieb eines Raspberry Pi mittels Solarenergie in den Sommermonaten ermöglichen soll.
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Diese Arbeit erfolgte unter Betreuung von Frau Prof. Dr. Ingeborg Beckers<ref>https://www.beuth-hochschule.de/people/detail/215</ref>, sowie Dipl. Ing. Jürgen Landskron<ref>https://www.beuth-hochschule.de/people/detail/512</ref>.  
  
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<small>''Dieses Projekt ist eine Arbeit von Studierenden der Beuth- Hochschule Berlin im Studiengang Physikalische Technik- Medizinphysik unter der Leitung von Frau Doktor Ingeborg Beckers.''</small> 
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Nachfolgend werden die Ideen zum Konzept, zur Dimensionierung und zum Aufbau erläutert.  
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[[Datei:Raspberry PI & Solarmodul als gesamter Aufbau .jpg|mini]]
 
  
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{| class="wikitable"
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<div style="border-top:1px solid orange;border-bottom:1px solid orange;padding:1ex 0">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.</div>
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| ''Status'' || <font color=green>aktiv</font>
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''>>Bitte das Kapitel [[#Abschnitt_Hinweise_und_Anmerkungen|„Hinweise und Anmerkungen“]] beachten<<''
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| ''Phase'' || Prototyp
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<div style="clear:both"></div>
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__INHALTSVERZEICHNIS__
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| ''Kontakt'' ||
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* [mailto:m-amberg@gmx.de Marcel Amberg]
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{{Projektdaten
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|Projektname=Solar Raspberry Pi
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|Kurzbeschreibung=Das Projekt ist eine Arbeit von Studierenden der Beuth-Hochschule für Technik Berlin im Studiengang Physikalische Technik/Medizinphysik, und im Rahmen einer Laborveranstaltung wurde ein Prototypenaufbau entworfen, welcher den Strombetrieb eines <em>Raspberry Pi</em>-Kleincomputers vermittels Sonnenenergie in den Sommermonaten ermöglichen soll.
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|Stichwörter=Sonnenenergie; Solarstrom; unabhängige Stromversorgung; Kleincomputer Raspberry Pi;
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|Sortierbegriffe=Strom; Solarenergie;
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|Entwicklungsstufen=Prototyp gefertigt; Konzeption und Entwicklung;
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|Gesamtstatus=aktiv
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|Kontakt=* [mailto:m-amberg@gmx.de Marcel Amberg]
 
* Nina Thieß
 
* Nina Thieß
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<!-- Kommentar: Projekt-Vorschaubild -->
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| ''Lizenz'' ||  
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|Vorschauklasse=prototyping
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|Vorschaubild=Datei:Solarzelle.jpg
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| ''Repository'' || <font color=red>N/A</font>
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|Vorschaukurztext=Solar Raspberry Pi
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}}
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| ''OKH Meta-Data'' || <font color=red>N/A</font>
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== <big>Konzeption</big> ==
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[[File:Planschema-Solar_Rasp.jpg|thumb|Planschema zum Projekt Solar Raspberry Pi]]
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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.
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Aus diesen Gründen müssen Überlegungen angestellt werden, wie der Raspberry Pi konstant mit dem des Herstellers angegebenen Strom bzw. der Spannung gespeist werden kann.
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In der nebenstehenden Darstellung wird ein Planschema gezeigt, wie das Projekt per Theorie realisiert werden kann.
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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.
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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.
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Grundsätzlich ist somit der Betrieb theoretisch möglich. Jedoch ist es von Vorteil Systemparameter im Betrieb messen zu können. Der Ladestand der Batterie oder die Spannungsversorgung zum Raspberry Pi, sind wichtige Kenngrößen, welche den Betrieb des Raspberry Pi beeinflussen können.
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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.
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== <big>Dimensionierung</big> ==
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[[File:Sonnenstunden Deutschland 2020 pro Tag .png|thumb|Tägliche Sonnenstunden im Durchschnitt-DE2020]]
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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 V 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.
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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.
  
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== <big>Projektbeschreibung</big> ==
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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 aufsteigendem 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 dem Raspberry Pi möglich ist.
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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.
  
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Für die Realisierung von dem Projekt müssen zunächst erst einmal Eckpunkte festgesetzt werden, welche für die Dimensionierung der zu beschaffenden Bauteile relevant sind.  
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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 Spannung 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.  
  
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* Betrieb ausschließlich in den Sommermonaten
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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.
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* Betriebsdauer ohne personelle Betreuung: ca. 24h
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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.
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* Wetterbedingungen: kaum Regen
 
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* im ersten Versuch ohne zusätzliche Messapperraturen (d.h. nur der Raspi muss mit Energie versorgt werden)
 
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* Möglichkeiten zur Evaluation von relevanten Systemdaten in Bezug auf den gesamten Aufbau (Batterieladung, Stromverbrauch, Leistung Solarmodul)
 
  
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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.  
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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.  
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Alle Komponenten wurden über eine Lochrasterplatine miteinander verbunden.  
 
  
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== <big>Bauteile und Funktion</big> ==
  
 
{| class="wikitable"
 
{| class="wikitable"
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|+ align="bottom"| <small>Konfiguration Zzgl.: Platinenelemente, Wiederstände (siehe [[#See also|Schaltplan]]), Kabel</small>
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|+ align="bottom"| <small>Konfiguration Zzgl.: Platinenelemente, Wiederstände, Kabel</small>
 
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!colspan="2"| Bauteile
 
!colspan="2"| Bauteile
 
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| Solarmodul<ref>https://www.conrad.de/de/p/phaesun-sun-plus-50-s-monokristallines-solarmodul-50-wp-12-v-1485913.html
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| Solarmodul<ref>https://order.phaesun.com/index.php/solar-module-phaesun-sun-plus-50-s.html
 
</ref> || Phaesun Sun Plus 50 S  
 
</ref> || Phaesun Sun Plus 50 S  
 
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| Laderegler<ref>https://www.conrad.de/de/p/h-tronic-sl-53-laderegler-pwm-12-v-1547294.html</ref>|| H- Tronic SL 53 Laderegler PWM 12 V
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| Laderegler<ref>https://www.h-tronic.de/shop/solarladeregler-sl-53/</ref>|| H- Tronic SL 53 Laderegler PWM 12 V
 
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| Batterie<ref>https://www.conrad.de/de/p/enersys-hawker-cyclon-f2x3-0819-0020-bleiakku-12-v-2-5-ah-blei-vlies-agm-b-x-h-x-t-114-x-89-x-70-mm-flachstecker- 6-3-1593770.html
+
| Batterie<ref>https://www.conrad.de/de/p/enersys-hawker-cyclon-f2x3-0819-0020-bleiakku-12-v-2-5-ah-blei-vlies-agm-b-x-h-x-t-114-x-89-x-70-mm-flachstecker-6-3-1593770.html
 
</ref>|| EnerSys Hawker CyclonF2x3
 
</ref>|| EnerSys Hawker CyclonF2x3
 
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| Spannungswandler<ref>https://www.reichelt.de/entwicklerboards-spannungsregler-20-w-dc-dc-wandler-xl6019-debo-dcdc-20w-p233018.html?PROVID=2788&gclid=Cj0KCQjwo-aCBhC-ARIsAAkNQivbHFHcDx8B61v7ZaacmxBrxweT1f4C4k38UoFoWg2sTJtrVNDjdaQaAp-bEALw_wcB</ref>|| LM2596
 
| Spannungswandler<ref>https://www.reichelt.de/entwicklerboards-spannungsregler-20-w-dc-dc-wandler-xl6019-debo-dcdc-20w-p233018.html?PROVID=2788&gclid=Cj0KCQjwo-aCBhC-ARIsAAkNQivbHFHcDx8B61v7ZaacmxBrxweT1f4C4k38UoFoWg2sTJtrVNDjdaQaAp-bEALw_wcB</ref>|| LM2596
 
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| Raspberry PI<ref>https://www.conrad.de/de/p/raspberry-pi-essentials-kit-raspberry-pi-4-b-2-gb-4-x-1-5-ghz-inkl-netzteil-inkl-gehaeuse-2142104.html</ref>|| Raspberry Pi 4 B 2GB 4x1,5 GHz
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| Raspberry PI<ref>https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-4-model-b/</ref>|| Raspberry Pi 4 B 2GB 4x1,5 GHz
 
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| A/D-Wandler<ref>https://www.reichelt.de/de/de/entwicklerboards-a-d-verstaerker-platine-16-bit-ads1115-debo-amp-16bit-p235500.html?PROVID=2788&gclid=Cj0KCQjwo-aCBhC-ARIsAAkNQisS6Z89QoSTc_ZLk8fNhnBISGZcHQoJNffz4ZOOSH-mpZp0YlI0KmIaAiTAEALw_wcB&&r=1</ref>|| ADS1115
 
| A/D-Wandler<ref>https://www.reichelt.de/de/de/entwicklerboards-a-d-verstaerker-platine-16-bit-ads1115-debo-amp-16bit-p235500.html?PROVID=2788&gclid=Cj0KCQjwo-aCBhC-ARIsAAkNQisS6Z89QoSTc_ZLk8fNhnBISGZcHQoJNffz4ZOOSH-mpZp0YlI0KmIaAiTAEALw_wcB&&r=1</ref>|| ADS1115
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| Lichtsensor<ref>https://www.reichelt.de/entwicklerboards-digitaler-lichtsensor-bh1750-debo-bh-1750-p224217.html?PROVID=2788&gclid=Cj0KCQjwo-aCBhC-ARIsAAkNQitSnynvfX0nfaY2tUQWqFlsjJnpq_cridZkfqnHNdiNBB2WyCUjFZ0aAnsqEALw_wcB</ref>|| TSL2561
 
| Lichtsensor<ref>https://www.reichelt.de/entwicklerboards-digitaler-lichtsensor-bh1750-debo-bh-1750-p224217.html?PROVID=2788&gclid=Cj0KCQjwo-aCBhC-ARIsAAkNQitSnynvfX0nfaY2tUQWqFlsjJnpq_cridZkfqnHNdiNBB2WyCUjFZ0aAnsqEALw_wcB</ref>|| TSL2561
 
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== <big>Komponenten</big> ==
 
 
=== Solarmodul ===
 
=== Solarmodul ===
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[[Datei:Solarzelle.jpg|mini]]
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[[Datei:Solarzelle.jpg|thumb|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.  
 
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.  
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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.  
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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.  
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Bei der Ausrichtung des Solarmoduls ist auf das Lambertsche Kosinusgesetz<ref>https://de.wikipedia.org/wiki/Lambertsches_Gesetz</ref> zu achten.
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[[Datei:Bildschirmfoto 2021-03-16 um 15.28.41.png|mini]]
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[[File:MPP-Phasesun 50 Kurve.png|thumb|Kennlinie der Phasesun Sun Plus 50 S]]
  
 
{| class="wikitable"
 
{| class="wikitable"
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| Diode ||1 Schottky Diode || k/A
 
| Diode ||1 Schottky Diode || k/A
 
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=== Laderegler ===
 
=== Laderegler ===
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[[Datei:Laderegler.jpg|mini]]
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[[Datei:Laderegler.jpg|thumb|Laderegler H-Tronic SL 53]]
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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.  
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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.
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=== Batterie ===
 
=== Batterie ===
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[[Datei:Batterie schräg.jpg|mini]]
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[[Datei:BleiGeelAkku 12V.jpg|thumb|Blei-Geel-Akku 12V EnerSys]]
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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.  
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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.
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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.
 
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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.
 
  
  
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=== Spannungswandler ===
 
=== Spannungswandler ===
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[[Datei:Spannungsregler.jpg|mini]]
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[[Datei:Spannungsregler.jpg|thumb|Spannungsregler LM 2590]]
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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"  
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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". Grundsätzlich läuft der Raspberry Pi auch mit ca. 1A Stromaufnahme. Sollten am Raspberry Pi jedoch weitere Stromverbraucher angeschlossen sein, erhöht sich die Stromaufnahme bis zu maximal 3A. Dies ist in diesem Projekt jedoch nicht der Fall. 
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=== Raspberry PI ===
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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.
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== <big>Aufbau</big> ==
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[[File:Lochrasterplatine mit Kabel.jpg|thumb|Lochrasterplatine]]
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Der prinzipielle Aufbau des Systems ist oben im Planschema aufgeführt. Die entwickelte Lochrasterplatine ist rechts zu sehen. Um Ströme messen zu können, wurden sehr kleine Widerstände (blau), sogenannte Shunts, verwendet. Diese werden benötigt, 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 mit Hilfe des Programmcodes so umgerechnet, dass der tatsächliche Stromwert angezeigt wird. Um Spannungen zu messen, werden ebenfalls Widerstände (braun) verwendet. Allerdings wurde sicherheitshalber ein Spannungsteiler aufgebaut, da die ADs nur für eine bestimmte Spannung ausgelegt sind, die nicht überschritten werden darf. Insgesamt wurden 2 ADs verwendet mit denen der Strom vom Laderegler zur Batterie, der Strom von der Batterie zum Spannungswandler, die Eingangsspannung des Raspberry Pi gemessen werden kann. Zudem wird die Spannung am Ausgang des Ladereglers, die der Spannung der Batterie entspricht, wenn der Laderegler keinen Strom liefert, gemessen. Mit diesen Messwerten können dann Rückschlüsse auf den Ladezustand der Batterie und den Verbrauch des Raspberry Pis gezogen werden. Zudem wurde zusätzlich einen Lichtsensor verwendet, der für die Abschätzung der aktuellen Sonneneinstrahlung nützlich ist.
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Alle verwendeten Bauteile sind über die Lochrasterplatine mit einander verschaltet worden, gemäß dem Schaltplan, welcher unterstehend dargestellt ist. Die Stromversorgung des Raspberry Pi wird über die Werksseitig integrierte USB-C Buchse realisiert. Die ADs werden an die zur Verfügung stehenden Pins des Raspberry Pi geschaltet. Für diesen Typ des Raspberry Pi sind es die Pins: VDD-Pin 1;GND- Pin 9; SCL- Pin 5; SDA- Pin 3.
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Das Programm, welches für die Aufnahme und Verarbeitung der Messwerte zuständig ist, wurde in der Programmiersprache Python<ref>https://de.wikipedia.org/wiki/Python_(Programmiersprache)</ref> geschrieben. Hierfür wurde die Entwicklungsoberfläche Thonny<ref>https://en.wikipedia.org/wiki/Thonny</ref> benutzt, welche vor allem für Anfänger sehr gut geeignet ist. Für die grafische Darstellung der Daten wurde Grafana<ref>https://de.wikipedia.org/wiki/Grafana</ref> verwendet. Die Übermittlung der aufgenommenen Daten zu Grafana erfolgte über eine InfluxDB<ref>https://de.wikipedia.org/wiki/InfluxDB</ref> Datenbank.
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== <big>Funktion</big> ==
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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.
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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.
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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.
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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. 
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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.
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== <big>Hinweise und Anmerkungen</big><span id="Abschnitt_Hinweise_und_Anmerkungen"></span> ==
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===Allgemein===
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* Der elektrische Aufbau sollte vor direkter Sonneneinstrahlung und nässe geschützt werden, lediglich das Solarmodul ist laut Hersteller nach IP67 Wasserfest.
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* Der komplette elektrische Aufbau benötigt einen Schutzschalter, auf welchen im Prototypenaufbau verzichtet wurde. Dieser verhindert Beschädigungen an elektrischen Bauteilen durch Überspannung oder Kurzschluss.
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===Batterie===
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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.
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===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.
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=== Rasspberry PI ===
 
  
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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<ref>https://de.wikipedia.org/wiki/Python_(Programmiersprache)</ref> geschrieben. Hierfür wurde die Entwicklungsoberfläche Thonny<ref>https://en.wikipedia.org/wiki/Thonny</ref> benutzt, welche vor allem für Anfänger sehr gut geeignet ist. Für die grafische Darstellung der Daten wurde Grafana<ref>https://de.wikipedia.org/wiki/Grafana</ref> verwendet. Die Übermittlung der aufgenommenen Daten zu Grafana erfolgte über eine InfluxDB<ref>https://de.wikipedia.org/wiki/InfluxDB</ref> Datenbank.
 
  
  
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== <big>Ergebnis</big> ==
 
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Alle Komponenten wurden über eine Lochrasterplatine miteinander verbunden und die entsprechenden Bauteile an den dafür vorgesehenen Schnittstellen verdrahtet.
 
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Im Testlauf ist aufgefallen, dass die Energieversorgung relativ knapp bemessen ist. Dies liegt zum einen an der Solarzelle, die unter Umweltbedingungen nur wenig Leistung ausgibt und zum anderen an dem sehr hohen Energiebedarf des Raspberry Pi
 
  
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Ein Langzeitversuch zur Betriebsdauer von diesem Prototypen steht noch aus.
 
  
  
  
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== <big>Ausblick & Anregungen</big> ==
 
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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.
 
  
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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.
 
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Eine andere Überlegung wäre, den Raspberry Pi so umzuprogrammieren, dass nicht alle Prozessorkerne in betrieb sind (in Abhängigkeit zur Anwendung). Ebenso das Ausprogrammieren
 
  
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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.
 
  
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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.
 
  
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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.
 
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== Programmcode ==
 
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== Einzelnachweise ==
 
== Einzelnachweise ==

Aktuelle Version vom 23. August 2022, 21:17 Uhr

Kompletter Projektaufbau in der aktuellen Endversion

Das Projekt „Solar Raspberry Pi“ ist eine Arbeit von Studierenden der Beuth- Hochschule für Technik Berlin [1] im Studiengang Physikalische Technik/ Medizinphysik[2]. 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[3], sowie Dipl. Ing. Jürgen Landskron[4].

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

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<<

Beschreibung, Lizenz, Entwicklungsstand
Projekt: Solar Raspberry Pi. Beschreibung: Das Projekt ist eine Arbeit von Studierenden der Beuth-Hochschule für Technik Berlin im Studiengang Physikalische Technik/Medizinphysik, und im Rahmen einer Laborveranstaltung wurde ein Prototypenaufbau entworfen, welcher den Strombetrieb eines Raspberry Pi-Kleincomputers vermittels Sonnenenergie in den Sommermonaten ermöglichen soll.
StichwörterSonnenenergie; Solarstrom; unabhängige Stromversorgung; Kleincomputer Raspberry Pi
LizenzNamensnennung – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International (CC BY-SA 4.0)
Statusaktiv
Erreichte StufenPrototyp gefertigt; Konzeption und Entwicklung
Austausch
Kontakt
Urheber, VerfasserBitte Urheber oder Verfasser nachtragen

Konzeption

Planschema zum Projekt Solar Raspberry Pi

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 Spannungsversorgung zum Raspberry Pi, 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 V 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 aufsteigendem 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 dem 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 Spannung 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[5] Phaesun Sun Plus 50 S
Laderegler[6] H- Tronic SL 53 Laderegler PWM 12 V
Batterie[7] EnerSys Hawker CyclonF2x3
Spannungswandler[8] LM2596
Raspberry PI[9] Raspberry Pi 4 B 2GB 4x1,5 GHz
A/D-Wandler[10] ADS1115
Lichtsensor[11] 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[12] 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". Grundsätzlich läuft der Raspberry Pi auch mit ca. 1A Stromaufnahme. Sollten am Raspberry Pi jedoch weitere Stromverbraucher angeschlossen sein, erhöht sich die Stromaufnahme bis zu maximal 3A. Dies ist in diesem Projekt jedoch nicht der Fall.






Raspberry 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 entwickelte Lochrasterplatine ist rechts zu sehen. Um Ströme messen zu können, wurden sehr kleine Widerstände (blau), sogenannte Shunts, verwendet. Diese werden benötigt, 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 mit Hilfe des Programmcodes so umgerechnet, dass der tatsächliche Stromwert angezeigt wird. Um Spannungen zu messen, werden ebenfalls Widerstände (braun) verwendet. Allerdings wurde sicherheitshalber ein Spannungsteiler aufgebaut, da die ADs nur für eine bestimmte Spannung ausgelegt sind, die nicht überschritten werden darf. Insgesamt wurden 2 ADs verwendet mit denen der Strom vom Laderegler zur Batterie, der Strom von der Batterie zum Spannungswandler, die Eingangsspannung des Raspberry Pi gemessen werden kann. Zudem wird die Spannung am Ausgang des Ladereglers, die der Spannung der Batterie entspricht, wenn der Laderegler keinen Strom liefert, gemessen. Mit diesen Messwerten können dann Rückschlüsse auf den Ladezustand der Batterie und den Verbrauch des Raspberry Pis gezogen werden. Zudem wurde zusätzlich einen Lichtsensor verwendet, der für die Abschätzung der aktuellen Sonneneinstrahlung nützlich ist. Alle verwendeten Bauteile sind über die Lochrasterplatine mit einander verschaltet worden, gemäß dem Schaltplan, welcher unterstehend dargestellt ist. Die Stromversorgung des Raspberry Pi wird über die Werksseitig integrierte USB-C Buchse realisiert. Die ADs werden an die zur Verfügung stehenden Pins des Raspberry Pi geschaltet. Für diesen Typ des Raspberry Pi sind es die Pins: VDD-Pin 1;GND- Pin 9; SCL- Pin 5; SDA- Pin 3. Das Programm, welches für die Aufnahme und Verarbeitung der Messwerte zuständig ist, wurde in der Programmiersprache Python[13] geschrieben. Hierfür wurde die Entwicklungsoberfläche Thonny[14] benutzt, welche vor allem für Anfänger sehr gut geeignet ist. Für die grafische Darstellung der Daten wurde Grafana[15] verwendet. Die Übermittlung der aufgenommenen Daten zu Grafana erfolgte über eine InfluxDB[16] 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.



Programmcode für den RaspPI im Projekt-Solar Raspberry Pi-.pdf
Schaltplan Solar Raspberry Pi.pdf

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















Einzelnachweise

  1. ↑ https://www.beuth-hochschule.de/
  2. ↑ https://studiengang.beuth-hochschule.de/ptm/
  3. ↑ https://www.beuth-hochschule.de/people/detail/215
  4. ↑ https://www.beuth-hochschule.de/people/detail/512
  5. ↑ https://order.phaesun.com/index.php/solar-module-phaesun-sun-plus-50-s.html
  6. ↑ https://www.h-tronic.de/shop/solarladeregler-sl-53/
  7. ↑ https://www.conrad.de/de/p/enersys-hawker-cyclon-f2x3-0819-0020-bleiakku-12-v-2-5-ah-blei-vlies-agm-b-x-h-x-t-114-x-89-x-70-mm-flachstecker-6-3-1593770.html
  8. ↑ https://www.reichelt.de/entwicklerboards-spannungsregler-20-w-dc-dc-wandler-xl6019-debo-dcdc-20w-p233018.html?PROVID=2788&gclid=Cj0KCQjwo-aCBhC-ARIsAAkNQivbHFHcDx8B61v7ZaacmxBrxweT1f4C4k38UoFoWg2sTJtrVNDjdaQaAp-bEALw_wcB
  9. ↑ https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-4-model-b/
  10. ↑ https://www.reichelt.de/de/de/entwicklerboards-a-d-verstaerker-platine-16-bit-ads1115-debo-amp-16bit-p235500.html?PROVID=2788&gclid=Cj0KCQjwo-aCBhC-ARIsAAkNQisS6Z89QoSTc_ZLk8fNhnBISGZcHQoJNffz4ZOOSH-mpZp0YlI0KmIaAiTAEALw_wcB&&r=1
  11. ↑ https://www.reichelt.de/entwicklerboards-digitaler-lichtsensor-bh1750-debo-bh-1750-p224217.html?PROVID=2788&gclid=Cj0KCQjwo-aCBhC-ARIsAAkNQitSnynvfX0nfaY2tUQWqFlsjJnpq_cridZkfqnHNdiNBB2WyCUjFZ0aAnsqEALw_wcB
  12. ↑ https://de.wikipedia.org/wiki/Lambertsches_Gesetz
  13. ↑ https://de.wikipedia.org/wiki/Python_(Programmiersprache)
  14. ↑ https://en.wikipedia.org/wiki/Thonny
  15. ↑ https://de.wikipedia.org/wiki/Grafana
  16. ↑ https://de.wikipedia.org/wiki/InfluxDB
Abgerufen von „https://wiki.opensourceecology.de/index.php?title=Solar_Raspberry_Pi&oldid=23351“