{"id":318,"date":"2019-02-25T00:04:14","date_gmt":"2019-02-24T23:04:14","guid":{"rendered":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/?p=318"},"modified":"2024-02-01T08:28:12","modified_gmt":"2024-02-01T07:28:12","slug":"solares-energiemanagement-raspberry-pi-und-esp8266","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/solares-energiemanagement-raspberry-pi-und-esp8266\/","title":{"rendered":"Raspberry Pi und ESP8266 mobil betreiben – solares Energiemanagement"},"content":{"rendered":"

Der Raspberry Pi mit 120mA Strombedarf in der Zero W Variante und der ESP8266 mit 40mA stellen solares Energiemanagement bei Dauerbetrieb vor Herausforderungen. Wenn nur alle paar Minuten z.B. Messwerte erfasst werden m\u00fcssen, kann es sinnvoll sein, einen geringen Solarstrom mit Akkus zu puffern und den Messrechner nur kurz einzuschalten. Mit ein paar Elektronikkomponenten unter 10 \u20ac kann das gelingen. Im Folgenden ist der Aufbau und die Programmierung gezeigt. Im weiteren wurden zwei Konzepte mit 12 Volt Campingtechnik untersucht, mit denen der Beitrag startet.<\/em><\/p>\n

Ersterstellung 2019, Update 20.01.2024<\/p>\n

Anwendungsbeispiel f\u00fcr solares Energiemanagement<\/h2>\n

Die konkrete Herausforderung war die Messung der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit in einem Hummelnistkasten. Da der Kasten spontan im Garten umziehen soll, w\u00e4re die Verlegung eines Stromkabels ung\u00fcnstig. Eine L\u00f6sung mit einem gro\u00dfen (20W) Solarpanel und einem Bleigelakku steht bereits aus einem Vogelnistkastenprojekt zur Verf\u00fcgung, allerdings sollte hier auch ein schlankerer Aufbau besprochen werden.<\/p>\n

Solares Energiemanagement mit 12 Volt Campingtechnik<\/h2>\n

Die Solare Energieversorgung gelingt mit wenigen Komponenten aus dem Elektronik-Versandhandel und einem preiswerten 12-Volt Bleigel-Akku z.B. f\u00fcr Motorr\u00e4der. Der Bleigel-Akku liefert 5 Ah und einen hohen Maximalstrom. Durch einen 5 V DC-DC-Wandler wird der Strom noch einmal heraufgesetzt, so dass 120 mA f\u00fcr den Raspberry den Akku mit lediglich 80 mA belasten – entscheiden ist die Energiemenge pro Zeit.<\/p>\n

Anmerkung: mit einem L\u00e4ngsregler z.B. aus der 7805-Serie funktioniert die Stromumsetzung nicht, hier wird die \u00fcbersch\u00fcssige Energie schlicht in W\u00e4rme „verbraten“. Daher wurde eine solche L\u00f6sung, wenn auch einfach, verworfen.<\/p>\n

Testszenarien f\u00fcr solares Energiemanagement mit 12 V-Technik<\/h3>\n

Zwei Aufbauten kommen f\u00fcr den Test zum Einsatz:<\/p>\n

    \n
  1. Einmal ein Fertigger\u00e4t, das vielen China-Solarmodulen beiliegt: Ein „Solar Charge Controller“ von Allpowers.<\/li>\n
  2. Zum\u00a0 anderen eine Kombination aus\u00a0 einem Solar-Laderegler (H-Tronic), einem Tiefentladungsschutz aus Deutschland (Kemo #148 Battery Guard) und ein einfacher 5 V DC-DC-Konverter.<\/li>\n<\/ol>\n

    Messwerte f\u00fcr Str\u00f6me und Spannung liefert ein Digitalmultimeter Voltcraft VC404.<\/p>\n

    Die Vergleichbarkeit der Tests erfordert, dass das Solarpanel immer gleiche Leistung bringt. Das ist aber bei wechselnden Umweltbedingungen kaum zu gew\u00e4hrleisten. Daher ersetzt f\u00fcr die Tests ein Steckernetzteil (Universelles Netzger\u00e4t Modell MW79GS) mit 12 V Spannung und einem Maximalstrom von 850 mA die solare Energieversorgung, was in etwa dem bevorzugten 20-Watt-Solarpanel entspricht.<\/p>\n

    Erster Test: Anlaufladung eines tiefentladenen Akkus<\/h3>\n

    Ein auf 5 V tiefentladener Akku wurde zun\u00e4chst mit dem Solar Charge Controler verbunden. Da der Solar Charge Controler anscheinend etwas Akkuspannung zum funktionieren ben\u00f6tigt, zeigte der Solar Charge Controler keine Funktion, das Display blieb aus.<\/p>\n

    Mit Hilfe des H-TRONIC Solar Ladereglers startete das Akku-Laden mit den Messwerten in Tab. 1 (etwa 10 Minuten nach Ladebeginn):<\/p>\n

    Solarspannung: 12,02<\/p>\n

    Akkuspannung: 11,91<\/p>\n

    Ladestrom zwischen Laderegler und Akku: 0,67 A<\/p>\n

    Ladestrom zwischen Solarmodul und Laderegler: 0,67 A<\/p>\n

    Tab. 1: Ladeparameter H-TRONIC Laderegler nach Tiefentladung<\/em><\/p>\n

    Fazit: F\u00fcr das Szenario „Notbetrieb mit tiefentladenem Akku“ scheint die L\u00f6sung mit einem einfacheren Laderegler die bessere L\u00f6sung.<\/p>\n

    Zweiter Test: Messung des Eigenverbrauchs\u00a0 der Laderegelungen<\/h3>\n

    Mit einem teilgeladenen Akku funktionieren beide Varianten. Die Messwerte im Vergleich zeigt Tab. 2. Zu beobachten ist, dass sowohl der DC-DC-Wandler als auch der Spannungsw\u00e4chter die Funktion mit einer LED anzeigt. Das ist praktisch, braucht aber Strom.<\/p>\n

     <\/p>\n\n\n\n\n\n
    Messwert<\/th>\nH-TRONIK<\/th>\nBattery Guard<\/th>\nBattery Guard und 5V Konverter<\/th>\nAllpowers<\/th>\n<\/tr>\n
    Spannungsdifferenz Laderegler – Akku<\/td>\n60 mV<\/td>\n–<\/td>\n–<\/td>\n40 mV<\/td>\n<\/tr>\n
    Eigenverbrauch ohne Solarspannung<\/td>\n3 mA<\/td>\n0,3 mA<\/td>\n18,9 mA<\/td>\n13,4 mA<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

    Tab 2: Ladeparameter bei teilgeladenem Akku im Vergleich<\/p>\n

    Fazit: Etwa ein f\u00fcnftel des Stroms f\u00fcr den Betrieb eines Raspberry Pi Zero ben\u00f6tigen die Laderegelungs- und Schutzkomponenten bei der Einzelkomponentenl\u00f6sung. Das Komplettmodul von Allpowers scheint f\u00fcr dieses Szenario geeigneter zu sein.<\/p>\n

    Dritter Test: Abschalten des Solarladestroms<\/h3>\n

    Aus nach erreichen der auf 14 V eingestellten Schlussspannung flie\u00dfen durch den Allpowers noch dauerhaft 0,34 A zum Akku Der H-TRONIC Laderegler schaltet den Strom zum Akku ab auf 0 A, kurze Strompeaks werden durchgeschaltet. Damit verh\u00e4lt sich der H-TRONIC Laderegler wie ein Batterieladeger\u00e4t mit Regenerationsfunktion (z. B. Erhaltungsladeger\u00e4t von Merzedes oder von Aldi).<\/p>\n

    Fazit: F\u00fcr das Szenario „Schutz des Akkus vor \u00dcberladen“ scheint die Einzelkomponentenl\u00f6sung mit dem H-TRONIC Laderegler die bessere Variante zu sein.<\/p>\n

    Vierter Test: Schutz des Akkus bei niedriger Spannung und Abschalten der Last<\/h3>\n

    Als Last dient ein Raspberry Pi 3B mit Tastatur, Maus und Display \u00fcber HDMI. Der vom Akku bereitgestellte Strom betr\u00e4gt um die 0,35 A.<\/p>\n

    Die Kombination aus Kemo Battery Guard und 5 V DC-DC-Konverter schaltet zuverl\u00e4ssig bei 11,67 V ab, danach entnimmt der Aufbau nur noch einen Reststrom von 0,5 mA.<\/p>\n

    Der Allpowers Solar Charge Controler schaltet den Verbraucher auch bei 11,7 V ab und braucht dann selbst noch 10,5 mA.<\/p>\n

    F\u00fcr den Schutz vor Tiefentladung scheint die Kombination Kemo Battery Guard und 5V DC-DC-Adapter besser geeignet.<\/p>\n

    Konzept f\u00fcr eine stromsparende Betriebsweise mit NiMH-Akkus<\/h2>\n

    Die grunds\u00e4tzliche Idee ist, einen stromsparenden einfachen Mikrorozessor zu verwenden, um zeitgesteuert die „Stromfresser“ – in diesem fall ein ESP8266 oder ein Raspberry Pi Zero W – einzuschalten und nach einer festgelegten Zeit wieder auszuschalten. F\u00fcr das Ein- und Ausschalten soll ein verschlei\u00dffreier MOSFET eingesetzt werden.<\/p>\n

    Materialliste<\/h3>\n

    Ben\u00f6tigt werden nur wenige Bauteile:<\/p>\n

      \n
    1. Ein Mikroprozessor ATtiny85. Wer einen Programmer daf\u00fcr hat, kann einen „nackten“ ATtiny85 f\u00fcr 1\u20ac kaufen. Hier kam eine komplettes Board Olimex85 f\u00fcr 6\u20ac . Das Olimex85 hat einen ATtiny85 in einem Sockel an Board. Nach dem Programmieren kann der ATtiny entnommen und auf einem Breadboard montiert werden. In dem hier verwendeten Aufbau ben\u00f6tigt der ATtiny nur 2mA. Es funktioniert auch mit einem Digisparc, allerdings ist der ATtiny dort fest verl\u00f6tet und das Board braucht mehr Strom (20 mA)<\/li>\n
    2. Ein MOSFET z.B. IRLB3034PBF f\u00fcr 2,30\u20ac. Es k\u00f6nnen auch kleinere und leistungsschw\u00e4chere MOSFET verwendet werden.<\/li>\n
    3. Vier Dioden 1N4148. Zwei Dioden dienen dazu, die Betriebsspannung f\u00fcr den ATtiny85 und damit den Stromverbrauch zu senken. Zwei Dioden sperren die Solarpanels gegen die Akkuspannung, wenn nicht gen\u00fcgend Licht vorhanden ist.<\/li>\n
    4. Vier AA Akkus ab 1900 mAh und ein Batteriehalter. Getestet wurden Eneloop und Aldi Akkus.<\/li>\n
    5. Zwei Widerst\u00e4nde, etwa 10 kOhm und 100 Ohm. 10 kOhm sorgen daf\u00fcr, dass das Gate des MOSFET auf negativem Potenzial liegt. 100 Ohm unterdr\u00fccken die Schwingneigung durch die Kapazit\u00e4t der Gate-Source-Strecke des MOSFET.<\/li>\n
    6. Zwei kleine Solarpanels 6 Volt, z.B.<\/li>\n
    7. Ein paar Kabel<\/li>\n
    8. Der eigentliche „Verbraucher“. In diesem Projekt war das ein ESP8266 in der Ausf\u00fchrung als NodeMCU und zwei DHT22, um au\u00dfen und innen Temperatur und Luftfeuchte messen zu k\u00f6nnen. Die Schaltung wurde ebenfalls mit einem Raspberry Pi Zero W erfolgreich getestet.<\/li>\n<\/ol>\n

      Tests verschiedener kleiner Solarpanels f\u00fcr solares Energiemanagement mit NiMH-Akkus<\/h3>\n

      Vorgesehen ist eine Stromversorgung \u00fcber vier AA-Akkus. \u00dcber Solarzellen sollen die Akkus nachgeladen werden. F\u00fcr die Vorauswahl wurden drei Kandidaten getestet. Gemessen wurde der Ladestrom eines Panels an zwei in Reihe geschalteten AA-Akkus (f\u00fcr vier Akkus werden dann zwei identische Panels ben\u00f6tigt) unter zwei Bestrahlungsbedingungen: Schatten unter einem Glasdach und Morgensonne Ende Februar um 10:00. Die Ergebnisse zeigt Tab. 1. Den Messaufbau k\u00f6nnen Sie Abb. 1 entnehmen.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n
      Solarpanel<\/th>\nGr\u00f6\u00dfe (cm x cm)<\/th>\nStrom im Schatten (mA)<\/th>\nStrom in der Sonne (mA)<\/th>\n<\/tr>\n
      gro\u00df<\/td>\n16 x 11,5<\/td>\n6,2<\/td>\n119,0<\/td>\n<\/tr>\n
      mittel<\/td>\n5 x 11<\/td>\n2,2<\/td>\n41,0<\/td>\n<\/tr>\n
      klein<\/td>\n5 x 7<\/td>\n1,2<\/td>\n19,7<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

      Tab. 1: Ergebnis der Messung an drei Solarpanels unter zwei Belichtungsbedingungen<\/em><\/p>\n

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

      Abb. 1: Aufbau der Messung an drei Solarpanels<\/em><\/p>\n

      Aufbau<\/h2>\n

      Der einfache Aufbau kann dem Prinzipschaltbild in Abb. 1 entnommen werden. Das Titelbild der Beitrags zeigt die Schaltung auf dem Breadboard, Abb. 2 zeigt die Schaltung als Fritzing.<\/p>\n

      Der ATtiny wird mit Pin 4 an GND und mit Pin 8 \u00fcber zwei Dioden an Plus angeschlossen. Die zwei Dioden vermindern die Betriebsspannung um 1,4V. Pin5 des ATtiny ist der Ausgang 0, der \u00fcber den 100 Ohm Widerstand das Gate des MOSFEET steuert. Zwischen Gate und Source sorgt der 10 kOhm Widerstand f\u00fcr die negative Vorspannung und damit daf\u00fcr, dass der MOSFET sperrt. Erst wenn der Ausgang des ATtiny85 positiv wird, schattet der MOSFET durch und versorgt den Verbraucher mit Strom.<\/p>\n

      Die Solarpanels erhalten jeweils eine Diode in Reihe. Eine Solarpanel-Dioden-Kombination versorgt je zwei Akkus. Die Leerlaufspannung ist etwa 6V, sie bricht jedoch wegen des geringen Innenwiderstandes der Akkus sofort auf die Betriebsspannung der Akkus zusammen. Der Ladestrom kann bis zu 30 mA betragen. Ggf. werden damit die Akkus \u00fcberladen, da der Ladestrom jedoch sehr viel kleiner ist als der m\u00f6gliche Ladestrom, werden die Akkus trotzdem l\u00e4nger halten als das gesamte Projekt. Ein separates Management der Ladespannung ist daher nicht erforderlich.<\/p>\n

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

      Abb. 2: Prinzipskizze<\/em><\/p>\n

      In der Prinzipskizze bedeuten:<\/p>\n