{"id":1397,"date":"2020-09-20T21:24:01","date_gmt":"2020-09-20T19:24:01","guid":{"rendered":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/?p=1397"},"modified":"2021-01-07T12:09:58","modified_gmt":"2021-01-07T11:09:58","slug":"solarbetrieb-test-fuer-raspberry-pi-mit-vs-ohne-akku","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/solarbetrieb-test-fuer-raspberry-pi-mit-vs-ohne-akku\/","title":{"rendered":"Solarbetrieb Test f\u00fcr Raspberry Pi mit vs. ohne Akku"},"content":{"rendered":"

Der Raspberry Pi Zero W ist ein universell einsetzbarer Kleinrechner f\u00fcr IoT-Ger\u00e4te. Wenn kein Stromanschluss vorhanden ist, kann eine Energieversorgung mit einem Solarpanel helfen. Das M\u00f6nchengladbacher Unternehmen clabremo GmbH (Sensortechnik) und die Hochschule Niederrhein (Konzeption und Programmierung) entwickeln Methoden f\u00fcr unterschiedliche Einsatzgebiete solarer Energieversorgung. In diesem Beitrag vergleiche ich den Solarbetrieb mit und ohne Akku.<\/em><\/p>\n

Die Ergebnisse sollen zum einen in den Schulkooperationen der Hochschule f\u00fcr gemeinsame Sch\u00fclerprojekte eingesetzt werden, zum anderen f\u00fcr die Versorgung der internet-gest\u00fctzten Temperatursensoren f\u00fcr die \u00dcberwachung von Bienenst\u00f6cken.<\/em><\/p>\n

Problemstellung – Strom ist nicht \u00fcberall<\/h2>\n

Der Raspi mit einem durchschnittlichen Strombedarf von 110 mA ist als IoT-Ger\u00e4t anspruchsvoll, und i.d.R. erfordert die Stromversorgung einen 220-Volt-Anschluss in der N\u00e4he. Steht dies nicht zur Verf\u00fcgung, denkt man schnell \u00fcber Solarbetrieb nach.<\/p>\n

Vergleichende Untersuchung<\/h2>\n

Zwei Versuchsaufbauten<\/h3>\n

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 Temperaturverl\u00e4ufe \u00fcber die Zeit zeigt unmittelbar an, wann die Stromversorgung f\u00fcr den Temperatur-Raspi gen\u00fcgt und wann nicht.<\/p>\n

\"Zwei<\/a><\/p>\n

Abb. 1: zwei Versuchsaufbauten<\/p>\n

Aufbau 1 Solarpanel und Akku<\/h4>\n

Ein 12 Volt 10 Watt Solarpanel ist ohne Lademanagement, lediglich \u00fcber eine Schutzdiode, an einen 6 Volt Bleigel-Akku mit einer Kapazit\u00e4t von 10Ah angeschlossen. Durch den geringen Innenwiderstand des Alkus gegen\u00fcber dem Solarpanel steigt die Spannung an Akku nicht \u00fcber 7,2 Volt.\u00a0 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 Verf\u00fcgung zu stellen. Trotzdem kann bei einer Sonnenscheindauer im September nicht vermieden werden, dass der Akku bei Last recht tief entladen wird.<\/p>\n

\u00dcber zwei weitere Schutzdioden, die die Spannung auf unter 6,5 Volt absenken, ist der Temperatur-Raspi angeschlossen.<\/p>\n

Aufbau 2 Solarpanel mit 5 Volt DC-DC-Konverter<\/h4>\n

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 h\u00e4ufige Neustarts zu beobachten.<\/p>\n

Sonstige Untersuchungsbedingungen<\/h4>\n

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 Sch\u00f6nwetterperiode mit zuverl\u00e4ssigem Sonnenschein. Die eigentliche Messung erfolgte nun \u00fcber vier Tage.<\/p>\n

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.<\/p>\n

Testergebnisse f\u00fcr den Solarbetrieb<\/h3>\n

Abb. 2 zeigt den Log der Temperaturdaten, die der Temperatur-Raspi ins Internet \u00fcbertr\u00e4gt, wenn er mit ausreichend Strom versorgt wird. Aus Abb. 2 kann also direkt die Betriebsdauer abgelesen werden.<\/p>\n

\"Solare<\/a><\/p>\n

Abb.2: Messung \u00fcber vier Tage. Der dicke senkrechte Strich kennzeichnet den Tageswechsel um 0 Uhr. Die d\u00fcnnen 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.<\/p>\n

Zu sehen ist, dass der Start des Temperatur-Raspi morgens etwa gleich um 9:30 liegt. W\u00e4hrend mit Puffer-Akku die tags\u00fcber eingefangene Energiemenge bis fast 3 Uhr des n\u00e4chsten Morgens reicht, ist bei niedrigen Sonnenstand im September um 18:00 ohne Akku kein Betrieb mehr m\u00f6glich.<\/p>\n

Fazit Solarbetrieb f\u00fcr Raspberry Pi<\/h2>\n

In besonderen F\u00e4llen, wenn Messwerte nur bei Sonnenschein ben\u00f6tigt werden, ist ein Betrieb des Raspberry Pi als IoT-Ger\u00e4t mit einem Solarpanel m\u00f6glich. Die Beschaltung mit einem DC-DC-Wandler und einem Superkondensator arbeitet zuverl\u00e4ssig. Wenn Sie auch bei Dunkelheit einen Betrieb w\u00fcnschen, ist eine Pufferung mit Akku unerl\u00e4sslich (was nicht verwundert).<\/p>\n

Dabei zeigt sich, dass ein 10 Watt Solarpanel nicht ausreicht, um einen 7*24 Sunden Betrieb zu gew\u00e4hrleisten. Weitere Versuche in 2019 zeigten, dass – zumindest im Winter bei wenig Sonnenstunden – hierf\u00fcr deutlich mehr als ein 20 Watt Panel erforderlich ist.
\nUpdate 2021: Ein Test im November 2020 mit einem 50 Watt Panel zeigte, dass selbst das nicht gen\u00fcgt.<\/p>\n

Mit einem Akku k\u00f6nnen Sie die Laufzeit verl\u00e4ngern. Wenn Sie mit geringer Solarpanelfl\u00e4che (und damit mit geringer Leistung, z.B. 5 Watt) arbeiten wollen, ist ein Energiemanagement f\u00fcr den Raspberry erforderlich [1]. Die Kernidee eines Energiemanagements ist, den Raspberry zwischen den Messaufgaben auszuschalten.<\/p>\n

Quellen (und weiterlesen)<\/h2>\n

[1]\u00a0 Energiemanagement f\u00fcr den Raspberry Pi mit dem Timer IC NE555<\/a><\/p>\n

[2] Superkondensatoren z. B. bei Reichelt<\/a><\/p>\n

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