Solarbetrieb Test für Raspberry Pi mit vs. ohne Akku

Der Raspberry Pi Zero W ist ein universell einsetzbarer Kleinrechner für IoT-Geräte. Wenn kein Stromanschluss vorhanden ist, kann eine Energieversorgung mit einem Solarpanel helfen. Das Mönchengladbacher Unternehmen clabremo GmbH (Sensortechnik) und die Hochschule Niederrhein (Konzeption und Programmierung) entwickeln Methoden für unterschiedliche Einsatzgebiete solarer Energieversorgung. In diesem Beitrag vergleiche ich den Solarbetrieb mit und ohne Akku.

Die Ergebnisse sollen zum einen in den Schulkooperationen der Hochschule für gemeinsame Schülerprojekte eingesetzt werden, zum anderen für die Versorgung der internet-gestützten Temperatursensoren für die Überwachung von Bienenstöcken.

Problemstellung – Strom ist nicht überall

Der Raspi mit einem durchschnittlichen Strombedarf von 110 mA ist als IoT-Gerät anspruchsvoll, und i.d.R. erfordert die Stromversorgung einen 220-Volt-Anschluss in der Nähe. Steht dies nicht zur Verfügung, denkt man schnell über Solarbetrieb nach.

Vergleichende Untersuchung

Zwei Versuchsaufbauten

In dieser Untersuchung sehen Sie das erste Ergebnis eines Vergleichs von zwei Aufbauten. In beiden Aufbauten kommt als Verbraucher ein Raspberry Pi Zero W zu Einsatz, der mit vier Sensoren jede Minute Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswerte an einen Webservice sendet. Diesen Aufbau bezeichne ich im Folgenden mit „Temperatur-Raspi“. Die grafische Darstellung der Temperaturverläufe über die Zeit zeigt unmittelbar an, wann die Stromversorgung für den Temperatur-Raspi genügt und wann nicht.

Abb. 1: zwei Versuchsaufbauten

Aufbau 1 Solarpanel und Akku

Ein 12 Volt 10 Watt Solarpanel ist ohne Lademanagement, lediglich über eine Schutzdiode, an einen 6 Volt Bleigel-Akku mit einer Kapazität von 10Ah angeschlossen. Durch den geringen Innenwiderstand des Alkus gegenüber dem Solarpanel steigt die Spannung an Akku nicht über 7,2 Volt.  Das 12 Volt Solarpanel hat den Nachteil einer schlechten Leistungsanpassung, hat aber den Vorteil, dass schon bei niedrigem Sonnenstand die Spannung ausreicht, um zumindest einen kleinen Ladestrom zur Verfügung zu stellen. Trotzdem kann bei einer Sonnenscheindauer im September nicht vermieden werden, dass der Akku bei Last recht tief entladen wird.

Über zwei weitere Schutzdioden, die die Spannung auf unter 6,5 Volt absenken, ist der Temperatur-Raspi angeschlossen.

Aufbau 2 Solarpanel mit 5 Volt DC-DC-Konverter

Ein 12 Volt 10 Watt Solarpanel speist einen effizienten 5-Volt-DC-DC-Konverter. An dem Konverter ist der Temperatur-Raspi angeschlossen. Parallel zu Temperatur-Raspi arbeitet ein Superkondensator mit 2,5 F. Der Superkondensator verhindert, dass der Raspberry bei einer kurzen Beschattung durch z.B. Vogelflug Versorgungsprobleme kommt. In Vorverrsuchen waren ohne Kondensator häufige Neustarts zu beobachten.

Sonstige Untersuchungsbedingungen

Der Aufbau 1 war mehrere Wochen vor der Messkampagne in Betrieb, um den Akku in einen Steady-State zu bringen . Vor dem eigentlichen Test war eine Schönwetterperiode mit zuverlässigem Sonnenschein. Die eigentliche Messung erfolgte nun über vier Tage.

An zwei Tagen hintereinander vom 17.09.2020 und 18.09.2020 versorgte der Akku den Raspberry (Aufbau 1), an den folgenden zwei Tagen am 19.09.2020 und 20.09.2020 das Solarpanel ohne Akku (Aufbau 2). An allen vier Tagen schien unterbrechungsfrei die Sonne.

Testergebnisse für den Solarbetrieb

Abb. 2 zeigt den Log der Temperaturdaten, die der Temperatur-Raspi ins Internet überträgt, wenn er mit ausreichend Strom versorgt wird. Aus Abb. 2 kann also direkt die Betriebsdauer abgelesen werden.

Abb.2: Messung über vier Tage. Der dicke senkrechte Strich kennzeichnet den Tageswechsel um 0 Uhr. Die dünnen senkrechten Striche sind um 6 Uhr, 12 Uhr und 18 Uhr. Am 17.09. und 18.09. Betrieb mit Pufferakku, am 19.09.und 20.09. Betrieb ohne Akku mit Goldcap.

Zu sehen ist, dass der Start des Temperatur-Raspi morgens etwa gleich um 9:30 liegt. Während mit Puffer-Akku die tagsüber eingefangene Energiemenge bis fast 3 Uhr des nächsten Morgens reicht, ist bei niedrigen Sonnenstand im September um 18:00 ohne Akku kein Betrieb mehr möglich.

Fazit Solarbetrieb für Raspberry Pi

In besonderen Fällen, wenn Messwerte nur bei Sonnenschein benötigt werden, ist ein Betrieb des Raspberry Pi als IoT-Gerät mit einem Solarpanel möglich. Die Beschaltung mit einem DC-DC-Wandler und einem Superkondensator arbeitet zuverlässig. Wenn Sie auch bei Dunkelheit einen Betrieb wünschen, ist eine Pufferung mit Akku unerlässlich (was nicht verwundert).

Dabei zeigt sich, dass ein 10 Watt Solarpanel nicht ausreicht, um einen 7*24 Sunden Betrieb zu gewährleisten. Weitere Versuche in 2019 zeigten, dass – zumindest im Winter bei wenig Sonnenstunden – hierfür deutlich mehr als ein 20 Watt Panel erforderlich ist.
Update 2021: Ein Test im November 2020 mit einem 50 Watt Panel zeigte, dass selbst das nicht genügt.

Mit einem Akku können Sie die Laufzeit verlängern. Wenn Sie mit geringer Solarpanelfläche (und damit mit geringer Leistung, z.B. 5 Watt) arbeiten wollen, ist ein Energiemanagement für den Raspberry erforderlich [1]. Die Kernidee eines Energiemanagements ist, den Raspberry zwischen den Messaufgaben auszuschalten.

Quellen (und weiterlesen)

[1]  Energiemanagement für den Raspberry Pi mit dem Timer IC NE555

[2] Superkondensatoren z. B. bei Reichelt