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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Solarzelle ->Akku -> Gerät


Autor: Marc Schroth (nexxxxxx)
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Guten Abend,

die Frage die ich stellen möchte besteht aus absolutem Grundwissen, aber 
daher bin ich mir auch sicher, dass mir jemand helfen kann. Ich bin auch 
schon für Stichwörter dankbar!

Die folgende Frage ist rein theoretisch, aber ich bekomm es einfach 
nicht vollständig hin.

Ich möchte eine Schaltung per Solarzelle betreiben. Da die Schaltung 
auch nachts betrieben werden soll, soll mit dem überschüssigen Strom der 
Solarzelle ein Akku tagsüber geladen werden. Eine Alternative wäre, dass 
die Schaltung immer von Akku gespeist wird, aber die Akkus gleichzeitig 
geladen weden, quasi "durchgeschleift". Wie sollten Solarzelle, Akku und 
Gerät angeschlossen werden?

Ich entschuldige mich vorsorglich für die Frage, aber das beschäftigt 
mich jetzt schon lange.

Vielen Dank für die Hilfe!

Marc

Autor: Hagen Re (hagen)
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einfachster Fall, wenn die Parameter der Solarzelle und Akku stimmig 
sind, ist Solarzelle Pluspol über Shottky Diode an Akku Pluspol und 
danach ein Lowdrop Spannungregler hin zum Gerät. Masse untereinander 
verbunden. Das geht zb. bei folgender Kombination ohne Probleme: 
Solarzelle liefert zb. 80mA Kurzschlußstrom und hat ca. 4.5Volt 
Leerlaufspannung, also circa 1K Innenwiderstand. Akkus sind 3 NiMH Akkus 
a 1.2V in Reihe. Die Spannung der Solarzelle wird auf Grund ihres hohen 
Innenwiderstandes dann auf Akkuspannung zusammenbrechen und die Akkus 
können nicht überladen werden.

Gruß Hagen

Autor: Marc Schroth (nexxxxxx)
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Hallo Hagen,

vielen Dank für die nützliche Antwort, allerdings habe ich noch ein 
Verständnisproblem. Warum wird bei dem von dir genannten Aufbau 
überhaupt der Akku geladen? Wenn der Strom den Weg des geringstens 
Widerstandes nimmt, müsste er dann nicht am Akku "vorbei" fließen?

Gruß

Marc

Autor: Hagen Re (hagen)
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Das hängt vom Strom ab den das Solarpanel liefert und das Gerät 
verbraucht. Angenommen es scheint die Sonne und das Solarpanel liefert 
genügend Spannung und Strom, sagen wir mal 80mA. Dein Gerät verbraucht 
aber nur 20mA. Dann bleiben 60mA übrig die in den Akku geladen werden. 
Der Akku wird also mit 60mA geladen und mit 20mA versorgt man dein 
Gerät. Nun wirds dunkel drausen und dein Solarpanel kann nicht mehr 
genügend Spannung liefern. Ab diesem Moment fließen 20mA Strom aus dem 
Akku in dein Gerät, dh. der Akku versorgt dein Gerät. Die Gesamtleistung 
des Solarpanels auf 24 Stunden bezogen sollte also minimal so viel sein 
wie dein Gerät über diesen Zeitraum benötigt. Mal angenommen das die 
Akkus/Solarpanel ewig halten so würde deine Schalung auch ewig laufen, 
wenn das Gerät eben nicht mehr Leistung verbraucht als das Solarpanel 
liefert. Das Solarpanel liefert aber Nachts eben keinen Strom, zb. 12h 
lang. Dann muß es Tags über die doppelte Menge an Strom liefern um dies 
zu kompensieren. Eigentlich logisch.

Also: Gerät verbraucht immer 20mA. Solarpanel kann nur in 8h Tageszeit 
voll Leistung bringen. Also 16h lang 0mA Strom. So muß es in diesen 8h 
minimal 24/8*20mA=60mA Strom liefern können. 40mA Strom fließt dann in 
den Akku und 20mA direkt in das Gerät.

Bei all diesen Rechnungen geht man aber vom Idealfall aus, dh. es treten 
keine Verluste zb. im Akku/Spannungsregler/Alterungserscheinungen im 
Solarpanel etc.pp. auf.

Du kannst also aus den Daten des Akkus, Solarpanels und Gerät ausrechnen 
ob dieser einfache Aufbau funktionieren wird. Sollte das Solarpanel zu 
wenig Leistung bringen wird die Schaltung nicht dauerhaft 
funktioinierern -> Solarpanel muß mit leistungsstärkerem ausgetauscht 
werden. Liefert das Solarpanel zuviel Leistung würden die Akkus 
überladen werden und diese einfache Schaltung ohne Ladestrombegrenzung 
wäre der falsche Weg da so die Akkus leiden müssen. In diesem Falle 
benötigt man eine Ladestrom-/Spannungsbegrenzung je nach Akkutyp, also 
eine Ladeschaltung. Dies wäre im einfachsten Falle eine Glühbrine nach 
Shottkydiode in Serie zum Akku. Die Glühbirne verbrennt quasi die 
überschüssige Energie. Oder man machst komplizierter und benutzt eine 
elktronische Ladeschaltung, bei Solarpanels wäre das beste dann eine 
sogennate MPT->Maximum Power Tracker Ladeschaltung. Am allerbesten ist 
es aber von vornherein das Solarpanel, Akku und Gerät so zu 
dimensionieren das die zu erwartende Energie des Solarpanels exakt 
ausreicht um Akku zu laden und Gerät dauerhaft mit Strom zu versorgen. 
Also gleiche Energiemenge rein wie raus. Dann braucht man keine 
kompilizierten MPT Ladeschaltungen mehr und eine Shottkydiode alleine 
würde reichen.

Wenn du NiMH Akkus benutzt so sind diese rel. leistungsfähig und auch 
sehr robust im Vergleich zu zb. LiPo Akkus. Das Solarpanel wird leicht 
überdimensioniert zb. so das es durchschnittlich 20mA mehr Strom liefert 
als benötigt wird. Die Akkus würden also unter ungünstigen Umständen, 
also besten Sonnenverhältnissen, mit 20mA überladen werden. Das halten 
die NiMH Akkus aber aus. Erstens haben diese Akkus eine gewisse 
Selbstentlandung die damit ausgeglichen wird und zweitens würeden sie 
bei einer so leichten Überladung die übrschüssige Energie in Wärme 
umwandeln, sie werden also leicht erwärmt.

Es ist aber schwierig nur rein theoretisch auf theoretische Szenarien 
ohne Angabe von irgendeinem Parameter wie Stromverbrauch des Gerätes 
usw. auf deine Frage zu antworten.
Wie gesagt das beste meiner Meinung nach ist es alle Teile aufeinander 
abzustimmen dann sparrt man sich einen enormen Aufwand an zusätzliche 
Elektronik. Das Sicherste ist es einen enormen Aufwand zzu treiben, 
einen MPT Laderegler zu benutzen, die Solarpanels auf kWh auszulegen und 
das Gerät im µAh Bereich zum Laufen zu bekommen. Dann hast du mit 
rießigen Kannonen auf Spatzen geschossen und kannst dir sicher sein das 
es auf Jahrzehnte funktioniert.

Gruß Hagen

Autor: Hagen Re (hagen)
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>Eine Alternative wäre, dass die Schaltung immer von Akku gespeist wird, aber
>die Akkus gleichzeitig geladen weden, quasi "durchgeschleift".

Das ist der Standard und selten die Alternative. Das Solarpanel versorgt 
fast immer den Akku und das Gerät.

> Wenn der Strom den Weg des geringstens Widerstandes nimmt, müsste er dann
> nicht am Akku "vorbei" fließen?

Wenn der Verbraucher, dein Gerät nur 20mA Strom benötigt dann fließt zu 
diesem Gerät auch nur 20mA. Liefert das Solarpanel aber 80mA so fließen 
also 60mA davon in den Akku. Sollte der Akku aber voll sein dann ist 
seine Ladeschlußspannung höher als die vom Solarpanel und es fließt 
garkein Strom vom Solarpanel in den Akku. Das Solarpanel hat einen 
höheren Innenwiderstand als der Akku und verbrät quasi in seinem Inneren 
die Sonnenenergie. Es fließen dann nur noch 20mA von Solarpanel zum 
Gerät. In diesem Falle verhindert die Shottkydiode das der Akku das 
Solarpanel mit Strom versorgt, also quasi aufheizt.

Gruß Hagen

Autor: Gast (Gast)
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Hallo,

könnte man so auch feststellen wer gerade die Versorgung übernimmt ?

Wenn die Spannung an der Solarzelle höher ist wie die Akkuspannung, dann 
sollte die Solarzelle Akku und Gerät versorgen oder ?

MfG

Autor: Hagen Re (hagen)
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Nein das geht nicht immer. Es ist so: Das Solarpanel alleine betrachtet 
liefert zb. 6V Leerlaufspannung. Die Akkus alleine betrachtet haben 4.5V 
Spannung. Schließt man nun das Solarpanel über Diode an die Akkus an so 
fällt dessen Spannung auf die 4.5V ab, weil das Solarpanel einen höheren 
Innenwiderstand hat als die des Akkus. Je nach Innenwiderstand stellt 
sich nun ein Strom ein der vom Solarpanel nach Akku fließt. Die aktuelle 
Kapazität des Akkus begrenzt also auch die Ladungsmenge die vom 
Solarpanel überhaupt aufgenommen werden kann. Es ist so als würden sich 
zwei Flüsse treffen und dann entscheidet die Wassermenge der beiden 
Flüsse im Vergleich zueinander in welche Richtung das Wasser in welchen 
Flüß reinfließt. Wir lassen aber über die Shottkydiode diesen Stromfluß 
nur in eine Richtung zu.

Man kann aber den Strom messen statt/oder und die Spannung. Durch die 
Strommessung kann man definitiv erkenne ob das Solarpenel den Akku lädt. 
Misst man nun noch über den Alkku die aktuelle Spannung dann kann man 
die Ladungsmenge/Leistung mit der der Akku geladen wird messen. Misst 
man nun noch den Strom vom Akku zum Gerät kann man die Leistung messen 
die aus dem Akku/Solarpanel aktuell in das Gerät verbraucht wird. 
Subrtahiert man nun beide Leistungen dann hat man die Energiemenge die 
gerade in den Akku fließt. Kennt man die Parameter des Akkus und 
intergiert alles über die Zeit kkann man die aktuelle Akkukapazizät eg. 
Ladungszustand des Akkus ausrechnen.

Wichtig ist aber bei all diesen Erklärungen das das Solarpanel einen 
höheren Innenwiderstand als die Akkus haben. Ist dies nicht der Fall so 
trifft alles nicht mehr zu, bzw. nur noch bedingt zu. In diesem Falle 
würde das Solarpanel bei gut Sonne den Akku definitiv überladen und 
zerstören. Dann benötogt man einen Solarladeregler. Einfachster Fall ist 
es das SOlarpanel über MOSFET kurzzuschließen. Wirst du oft im WEB so 
finden ich würde diese Methode aber nicht bevorzugen da das heist das 
man die Sonnenenergie im Solarpanel über dessen Innenwiderstand in Wärme 
umsetzt. Das soll zar keine Auswirkungen auf die Solarpanels haben, aber 
so richtig vertrau ich dieser Aussage nicht. Besser wäre es das 
Solarpanel vom Akku zu trennen, also einen MPT Solarladeregler zu 
benutzen.

Gruß Hagen

Autor: Marc Schroth (nexxxxxx)
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Hallo Hagen,

ich danke Dir vielmals für die anschauliche und umfangreiche 
Darstellung! Ich danke dir auch für die Zeit die du dir für die 
Beantwortung einer so dusseligen Frage genommen hast, die Frage hat mich 
einfach schon lange geplagt.

Beste Grüße

Marc!

Autor: Hagen Re (hagen)
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Pi*Daumen kannst du das so ausrechnen:

3x 1.2V NiMH Akkus mit 1200mAh in Serie -> sind 3.6V Nennspannung und 
wenn ich mich nicht irre bei 1.4V Ladeschlußspannung dann max. 4.2V. 
Diese Akkus können mit 1C geladen und entladen werden, also 1.2A. Das 
Solarpanel müsste also 1.2A bei 4.2V liefern können damit die Akkus 
definitiv zerstört werden. Nun misst man den Kurzschlußstrom des 
Solarpanels und die Leerlaufspannung und kann so ausrechnen, an Hand der 
Kennlinie des Solarpanels, welcher Strom maximal bei 4.2V geliefert 
werden kann. Ist die Leerlaufspannung aber nur wenig über den 4.2V der 
Ladeschlußspannung der Akkus und der Innenwiderstand der Solarpanels 
auch noch größer als die der Akkus dann kann das Solarpanel selbst bei 
besten Lichtverhältnissen die Akkus niemals überladen. Die Spannung am 
Solarpanel wird dann immer auf die Spannung der Akkus zusammenbrechnen 
um noch ausreichend Strom liefern zu können. Dieser Strom wird aber 
immer geringer sein als der max. Ladestrom der Akkus der möglich ist auf 
Grund ihrer aktuellen Ladungsmenge.

Es hängt aber auch davon ab welche Akkus du verbauen möchtest. Bei 
LiIo/LiPoly Akkus darf man deren Ladeschlußspannung niemals 
überschreiten, also ca. 4.2V pro Zelle, da sie ansonsten zerstört 
werden. Da bei diesen Akkus aber auch die Tiefenentladung sehr kritisch 
ist sollte man hier schon einen aktiven Laderegler benutzen. Dieser muß 
auf 4.2 Volt und x mA den Strom/Spannung begrenzen und sollte auch noch 
eine Tiefenentladung erkennen und das Gerät dann vom Akku trennen. 
Letzeres lässt sich aber schon dadurch verhindern das das Gerät zb. erst 
ab 3V anfängt zu arbeiten. Dieses Gerät wird meistens durch einen 
Spannungsregler versorgt und sehr oft kann man bei diesen einen LBO = 
Low Battery Detector aktivieren. Diesen würde man dann zb. auf 2.8V 
justieren und erst ab dieser Spannung am Eingang fängt der Regler an zu 
arbeiten und versorgt das Gerät mit seiner Spannnung.

Gruß Hagen

Autor: Mizur (Gast)
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Hallo,

ich hab nicht so viel ahnung von Elektrotechnik. Meine Bitte ist daher, 
dass jemand einen Schaltplan zu Hagen Re erklärung erstellen kann,
damit ich mir das besser vorstellen kann.

Wie wird der Verbrauchen in meinen fall ein Lüfter angeschlossen?

Sind die zwei Spannungsquelle Paralle oder in Reihe anzuordnen?

Danke für die Hilfe.

Autor: dotm (Gast)
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Marc Schroth schrieb:
> Wenn der Strom den Weg des geringstens
> Widerstandes nimmt, müsste er dann nicht am Akku "vorbei" fließen?

Weil man mir das in der Schule auch so beigebracht hat (Gymnasium) hab 
ich mir bis zum Anfang des Studiums einfach nicht vorstellen können wie 
das in der Elektrotechnik funktioniert.
Woher das kommt ist mir vollkommen Rätselhaft, weit verbreitet aber.
In dem speziellen Fall empfehle ich der Einfachheit halber einen Akku 
den man mit Konstantspannung laden kann z.B. einen Bleigelakku. Auch 
LiFePo kann man so Laden. Den maximal zulässigen Ladestrom entnimmt man 
aus dem Datenblatt. Der notwendige Strombegrenzungswiderstand 
(einfachste wenn auch nicht effektivste Lösung) ist R = 
Ladespannung/max_Ladestrom.
Dieser wird einfach seriell reingehängt.
Bedenken muss man noch dass eine gewisse Verlustleistung auftritt und 
daher ein normaler Widerstand eventuell nicht reicht. Auch da kann man 
mit einem 1W Widerstand nichts falsch machen ausser dass es halt nicht 
optimiert ist.

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