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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Energy Harvesting - Akku laden mit unregelmässiger Energieversorgung


Autor: Manuel Schunder (eras0r2704)
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Hallo zusammen,

ich bräuchte Eure Meinung, was es im Falle meines Problems für 
eventuelle Lösungsmöglichkeiten gibt. Ich komme eher aus der 
Mechanikecke und habe  bis auf etwas Microcontrollererfahrung nicht so 
tiefe Kenntnisse in Elektronik.

Eine Schaltung bestehend aus einem Microcontroller, einem Sensor und 
einem Funkmodul (gesamt max. ca. 20mA Strom dauerhaft) soll über Energy 
Harvesting und Pufferakku mit Energie versorgt werden um "ewig" an ihrem 
Platz ihren Dienst zu verrichten. Als Energiequelle steht ein Rad zur 
Verfügung, welches sich regelmässig dreht und mehr als genug mechanische 
Energie zur Verfügung stellt.

Meine Idee ist jetzt einen Generator ähnlich eines Dynamos mit dem Rad 
zu verbinden um damit nach Gleichrichtung und Glättung eine 
Ladeelektronik zu versorgen, die den Akku auflädt.
Problematisch ist jetzt, dass sich das Rad die Hälfte der Zeit in die 
eine und die andere Hälfte der Zeit in die andere Richtung dreht, die 
Spannung sollte an der Ladeelektronik allerdings jeweils gleich gepolt 
sein. Dazu kommt die Unregelmässigkeit der Bewegung und die 
Stillstandzeiten dazwischen. Das Rad dreht vielleicht 10-30s, steht dann 
vielleicht eine Minute still und dann gehts in die andere Richtung. Der 
Akku wird also nicht dauerhaft geladen sondern immer nur Schubweise, was 
der Lebensdauer bestimmt nicht zuträglich ist.
Ich dachte auch schon an Kondensatoren als Energiespeicher, die wohl 
nicht so empfindlich sind gegenüber schlechter Behandlung beim Laden, 
allerdings sollte die Schaltung einige Stunden durchhalten ohne 
Zwischenladung. Eventuell auch eine Kombination aus Akku und 
Kondensatoren?
Wenn das Rad einige Zeit stillsteht, kann eigentlich alles aus der 
Schaltung in einen Sleep Modus versetzt werden, das würde die notwendige 
Kapazität des Akkus/Kondensators wohl so stark verkleinern, dass 
ein/mehrere Kondensatoren ausreichen?


Wie könnte eine Schaltung aussehen, die die Gleichrichtung und Glättung 
übernimmt und wie würde eine Ladeeletronik aussehen? Fertige 
Bauteile/Platinen würden da natürlich einiges an Arbeit ersparen.
Das Rad dreht dabei immer mit annähernd konstanter Geschwindigkeit, das 
ist vielleicht gut zu wissen.
Was sagt Ihr zur Speicherproblematik? Halten Akkus (NiMh?) das aus oder 
müssen Kondensatoren oder eine Kombination herhalten? Einige Monate 
Lebensdauer sollten schon dabei rausspringen. Ich denke NiCd sind wegen 
dem Memoryeffekt nicht geeignet und Lipo/LiIon wollen zu pfleglich 
behandelt werden? Wie siehts mit LiFePo aus, die sollten doch recht 
robust sein?


Ich bedanke mich schonmal im Vorraus für Eure Kommentare.


MfG
Manuel

Autor: zwieblum (Gast)
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was hältst du von solarzellen?

Autor: Klaus2 (Gast)
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also, wenn du das mechanisch hinbekommst, ist der rest eigentlich kein 
problem. solange genug energie zur verfügung steht, kann man das ja 
überschlägig selber aus lade und stillstandszeiten berechnen. ein lipofe 
akku muss man dann natürlich so auslegen, dass er mit hohem strom 
geladen wird und die totzeit locker überbrücken kann. ob der das aber 
ewig durchhält, weiß ich auch nicht...evtl erstmal mit den deutlich 
unkomplizierteren NiMH versuchen? sleepmode wäre natürlich klasse, denn 
dann ist der stromverbrauch quasi =0. und - ein dynamo liefert eh AC, 
gleichgerichtet ist die drehrichtung damit egal :)

Klaus.

Autor: Sebastian (Gast)
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Für das "Drehrichtungsproblem" gibt es doch Dioden, oder?

Autor: Klaus2 (Gast)
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"ein dynamo liefert eh AC, gleichgerichtet ist die drehrichtung damit 
egal :)"

wer lesen kann, ist klar im vorteil.

Klaus.

Autor: pfft. (Gast)
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Nur falls dieses Rad, nicht von einem Hamster, Esel, Dampfhmaschine, 
sondern elektrich angetrieben ist,  koennte man die elektrische Leistung 
grad von dort nehmen...

Autor: Manuel Schunder (eras0r2704)
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Hi,

schonmal danke für die Antworten.

Solarzellen sind keine Option, es ist recht dunkel an dem Ort. Die 
Energie soll von dem Rad kommen und zwar mechanisch.

Dass der Dynamo eh Wechselstrom liefert und damit die Drehproblematik 
keine mehr ist, das dachte ich mir schon. Danke für die Bestätigung ;)

Mechanisch ist das kein grosses Problem, ihr könnt also davon ausgehen, 
dass der Dynamo (welcher Typ auch immer) wie beschrieben dreht/nicht 
dreht.

Mein Problem ist eher die Auswahl/Anordnung der Bauteile zum 
Gleichrichten/Glätten und dann eben eine Ladeelektronik. Da bräuchte ich 
Eure Hilfe.
Der Dynamo erzeugt z.B. hohe Spannungsspitzen, wenn keine Last anliegt 
wie ich gelesen habe. Wenn also das Rad dreht und die Schaltung im 
Sleepmode ist, gehts schief. Wie man solche Sachen elektronisch löst...?

Tests werde ich mal mit NiMh Akkus vornehmen, also ist erstmal 
Gleichrichten/Glätten/Laden angesagt. Wie sich dann die Lebensdauer 
verhält, wird sich zeigen.
Der verwendete Microcontroller hat übrigens noch einige I/O Pins frei, 
falls man den für die Ladesteuerung verwendet könnte?

Welchen Teil der Zeit wir die Schaltung in einen sleep mode setzen 
können wird sich die Tage noch zeigen. Das wird je nachdem also nochmal 
viel Energie einsparen. Aber wie gesagt: mechanisch steht praktisch 
"unbegrenzt" Energie zur Verfügung, zumindest in Relation zu der Menge, 
die benötigt wird.


Freue mich auf weiteren Input.

mfg
Manuel

Autor: aaa (Gast)
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Spannungsspitzen kann man mit einem Elko unterdruecken, nimm mindestens 
1000uA pro Ampere, die der Dynamo liefern soll. Dann einen 
Festspannungsregler fuer die elektronik dahinter. Es muss ja nicht grad 
ein LM7805 sein. Fuer die 20mA wuerd ich einen LP2951 empfehlen, falls 
der nicht zuviel verheizen muss. Sonst etwas mit einm dickeren Gehaeuse.

Autor: Ulrich (Gast)
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So kompliziert sin LiIonen Akkus nicht. Wenn man sich damit zufrieden 
gibt, dass man nicht die volle kapazität ausnutzt, sondern vielleicht 
nur die Hälfte, dann sollte man mit einer obenen und unteren Schranke 
für die Spannung auskommen. Für die Lebensdauer sollte es sogar positiv 
sein, wenn man nie ganz voll oder ganz leer geht.

Wenn es wirklich nur um maximal ein paar Stunden geht, wäre eventuell 
auch ein Superkondensator ausreichend. Bei etwa 1 F und 1 V Spannungshub 
hat man 1 As oder 20 mA für 50 Sekunden. Wemm man für Längere Pausen in 
den Speep Mode gehen kann sollte man den Stromverbrauch des µC in den 
Bereich 10 µA kreigen. Mit Regler wohl unter 0.1 mA. Dann sollte man 
wohl noch alleine mit Kondensatoren auskommen.  Selbst mit 10 F wäre das 
wohl noch einfacher und günstiger als Akkus.

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