Solarstromversorgung

Konzept

Idee

Auch beim Wandern kommt heutzutage noch eine Menge Elektronik zusammen, der aber auf längeren Touren zwangsläufig mal die Puste ausgehen muss. Mindestausstattung dabei ist ein Telefon für alle Fälle und eine Kamera, um seine Eindrücke festzuhalten. In Vorbereitung auf eine vierwöchige Wanderung in Norwegen von Oslo nach Trondheim im Sommer 2011 sollte deshalb eine Stromversorgung her. Der erste Gedanke ging in Richtung eines Solarpanels mit dahinter geschaltetem Spannungsregler, der verschiedene Spannungen für die Ladegeräte von Telefon und Kamera bereitstellt. Natürlich könnte man auch einfach ein einziges Ladegerät bauen, da ja im Endeffekt sowieso nur noch Lithium Akkus in den Geräten stecken. Letztendlich habe ich mich aber dazu entschieden, in die Ladegeräte eine zusätzliche Buchse einzubauen, mit der die Sekundärspannung eingespeist wird, denn so kann ich die Geräte trotzdem an jeder normalen Steckdose laden, wenn sich die Möglichkeit ergibt.

Anforderungen

Die wichtigsten Anforderungen sind so offensichtlich wie widersprüchlich, denn zum einen ist die Stabilität und Wetterfestigkeit für ein Vorhaben wie dieses sehr wichtig. Nur leider steht es mit einem mindestens genauso wichtigen Kriterium im Konflikt, nämlich dem Gewicht. Daneben ist aber auch noch die Leistung zu berücksichtigen, denn durch die Nutzung der Originalnetzteile habe ich keinerlei Kontrolle über die Laderaten. Somit muss das Solarpanel so dimensioniert sein, dass es auch bei nicht optimalen Wetterverhältnissen genug Leistung bringt, denn immerhin wollte ich nach Norwegen. Im Endeffekt hatte ich zwei Drittel aller Tage Regen.

Designkriterien:

Natürlich wollte ich auch von den Kosten her unter den bereits verfügbaren kommerziellen Produkten bleiben, wobei das bei Eigenbau-Projekten ja immer so eine Sache ist.

Technische Umsetzung

Da ich das ganze gerne modular aufgebaut haben wollte, um jeder Anforderung am besten gerecht zu werden, besteht das System aus drei Komponenten:

Solarpanel

Für das Solarpanel besorgte ich mir B-Ware Solarzellen in Größe 3"x6" (also ungefähr 7,5cm x 15cm). Diese liefern ca. 1,8W pro Zelle. Wenn das Kameraladegerät um die vier Watt braucht und ich zur Sicherheit einen sehr niedrigen Wirkungsgrad für den Spannungsregler annehme, dann lande ich bei 6W (mit 66% Wirkungsgrad bin ich auf der sehr sicheren Seite). Das verdoppelt, um für das schlechte Wetter zu kompensieren, wären 12W, sprich 6 Zellen. Ich wollte aber ein Vielfaches von Vier, denn ich hatte ein Design mit vier "Auslegern" im Kopf, die man zur Benutzung auffächert. Deshalb verwendete ich 8 Zellen, die in Reihe geschaltet bei Sonnenschein so etwa 4,0-4,4V Spannung liefern und damit die Wahl des Step-Up ICs deutlich erleichtern.

Das ist eine der Solarzellen. Dadurch, dass die Fabrik nur tadellose Zellen weiterverarbeitet, kann man relativ günstig an hochwertige Solarzellen mit nur kleinen Mängeln kommen. Bei meinen Zellen waren viele sogar völlig unbeschädigt. Davon habe ich mir die acht Besten ausgesucht und zu meinem Solarpanel weiterverarbeitet. Die Auswahl traf ich, indem ich mit einem Voltmeter die einzelnen Solarzellen unter konstanten Lichtverhältnissen durchgemessen habe.

Um die Stabilität gewährleisten zu können, besorgte ich eine 1,5mm starke Carbonplatte und Epoxydharz, um die Zellen ohne Hohlräume auf der Carbonplatte befestigen zu können. Dann fertigte ich am Computer eine Schablone an und fräste die vier Einzelteile aus (leider nur per Hand, da meine CNC-Fräse noch nicht zuverlässig genug funktionierte). Dann klebte ich Styroporstreifen auf und um die Carbonteile, als Begrenzung für das Eingießen der Zellen. Das Zusammenlöten der einzelnen Solarzellen auf einer Glasscheibe stellte sich als überraschend einfach heraus, ich hatte erwartet an dieser Stelle mehr Ausschuss zu generieren. Es ist aber nicht eine Solarzelle zu Bruch gegangen.

Dafür sollte sich das Eingießen als schwieriger als gedacht gestalten, denn bei einem der vier Module wollte das Harz einfach nicht richtig fest werden, da musste ich mich wohl bei der Dosierung der einzelnen Komponenten des Epoxydharzes vertan haben. Ich hatte zwei 5ml Spritzen verwendet und dann wahrscheinlich eine Komponente um 5ml falsch dosiert. Leider war das Harz aber auch nicht mehr flüssig genug, um das ganze in einen Behälter zurückzugießen, somit ließen sich die Solarzellen auch nicht mehr retten. Beim zweiten Anlauf ging dann aber alles gut. Dann kramte ich aus altem Spielzeug eine Kunststoffschraube mit 10mm Durchmesser hervor, klebte die passende Mutter in einen Teil eines Festplattenmotors (bzw. eigentlich ist das der "Festplattenmitnehmer" mit dem die einzelnen Scheiben am Motor befestigt werden) ein, um eine Art Rändelmutter zu haben, die sich bequem per Hand festziehen lässt. In den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Modulen des Solarpanels sind jeweils zwei Gartenschlauch-Dichtgummis. Dadurch bleibt das Solarpanel stabil, sowohl im zusammengeklappten als auch im aufgefächerten Zustand.

Das Solarpanel wiegt im fertigen Zustand knappe 700g. Das bewegt sich noch in dem von mir erwartetem Rahmen, obwohl ich sicherlich weniger Epoxydharz hätte verwenden können. Aber so ist es auf jeden Fall sehr stabil und es hat soweit alles unbeschadet überstanden.

Spannungsregler

Der Spannungsregler-IC musste vor allem eine niedrige minimale Eingangsspannung haben, effizient sein und dann auch noch irgendwo zu bekommen sein. Meine Wahl fiel auf den MAX 669 der mit einer Start-Up Voltage von nur 1,8V, niedrigen Schaltfrequenzen und der einstellbaren Ausgangsspannung genau das bietet. Dadurch, dass kein MOSFET eingebaut ist, lässt sich auch hier die für die konkrete Situation beste Lösung wählen. Hier bot sich der IRF8736 an.

Der Schaltungsentwurf richtet sich nach dem Datenblatt, bis auf den Umschalter zwischen den verschiedenen Feedback-Widerständen und etwas großzügig dimensionierten Ein- und Ausgangskondensatoren. Nachdem die Schaltung aufgebaut und getestet wurde, sprühte ich die Platine mit Plastikspray ein und baute alles in ein hübsches Gehäuse ein. So kann ich auch mal draufsteigen oder damit nach aufdringlichen Schafen (in Norwegen laufen die frei rum) werfen, ohne dass das gleich kaputt geht.

Schaltregler Schaltregler

Der Schaltregler wiegt mit Gehäuse 150g. Damit liegt das Minimalgewicht der Stromversorgung bei 850g, die eigentlichen Ladegeräte nicht mit eingerechnet.

Pufferakku

Der Pufferakku wurde leider bis zur Wanderung nicht mehr fertig und ist damit als einziger Teil des Projektes noch nicht im harten Einsatz geprüft worden. Der Pufferakku besteht aus einer 8Ah LiPo-Zelle (es passen auch 2 Zellen in das Gehäuse, aber dann kommen wieder 200g dazu und beim wandern sind die 8Ah eigentlich schon genug), einem Ladegerät für diesen Akku, welches mit dem Solarpanel oder über USB versorgt werden kann und dazu noch einen Unterspannungsschutz für den Akku. Der Unterspannungsschutz ist allerdings etwas stümperhaft implementiert, da hier die Bandgap Reference eine einfache 1N4148 ist. Es funktioniert, aber in Zukunft gibt es da sicherlich einmal eine genauere und bessere Lösung, zum Beispiel mit dem LTC1541.

UPDATE: ich habe inzwischen eine neue Version mit einem LM4041 Referenz-IC aufgebaut. Die Eagle Dateien für beide Versionen gibt es unter Downloads.

Die Ladeschaltung für den LiPo basiert auf einem MCP73837, eingestellt auf einen Ladestrom von 1A bzw. 0,5A, wenn per USB geladen wird. Das sind die größten Ladeströme, die mit diesem Chip möglich sind. Leider dauert so das Aufladen des Akkus ungefähr acht Stunden, obwohl das Solarpanel bei Sonnenschein fast den dreifachen Strom liefern könnte. Mit der momentanen Lösung ist es deshalb unrealistisch, den Akku während eines Tages komplett zu laden, wenn man auch noch ein paar Kilometer wandern möchte. Auf der anderen Seite ist es aber genauso unrealistisch, täglich so viel Energie zu verbrauchen.

Das ist jedenfalls der Pufferakku im Gehäuse, der USB Anschluss und die Status-LEDs mit Silikon abgedichtet. Bei dem Blick ins Innere kann man von der eigentlichen Ladeschaltung für den LiPo nicht mehr viel erkennen, da der Großteil von dem als Kühlkörper dienenden Stück Aluminium verdeckt wird.

Pufferakku LiPo Ladeschaltung mit UVLO

Ergebnis

Die erste Hürde, der Flug von Berlin nach Oslo, haben sowohl das Solarpanel als auch der Schaltregler ohne Probleme oder weitere Untersuchungen von Seiten des Sicherheitspersonals überstanden. Da dies mein erster Flug mit selbstgebauter Elektronik im Gepäck war, hatte ich befürchtet, dass es damit Probleme geben könnte. Aber soweit ging alles gut.

Auch sonst ging alles glatt, ich konnte alle Geräte problemlos laden. Jedenfalls bis zum zehnten Tag, als auf einmal nichts mehr ging. Ich hatte natürlich auch nichts dabei, um an Elektronik rumzubasteln. Lediglich eine rote 3mm LED hatte ich bei mir, so konnte ich zumindest testen, ob das Solarpanel noch Strom lieferte. Das tat es, also musste der Fehler beim Schaltregler liegen. Wäre es bloß ein Wackelkontakt gewesen, hätte ich ja noch etwas tun können, aber so musste ich mich damit abfinden, dass ich mein Telefon irgendwie anders mit Strom versorgen musste. Letztendlich habe ich dann mit Klebeband, ein paar Kabelstücken (ich hatte noch ein Verlängerungskabel dabei, mit dem ich das Solarpanel vor dem Zelt und den Schaltregler im Zelt haben konnte) und dem Batteriekäfig aus meiner Taschenlampe eine Notversorgung. Etwas unhandlich, aber das war unwichtig.

Als ich dann wieder zu Hause war, fand ich heraus, wo der Hund begraben lag. Der Glättungskondensator am Ausgang war defekt und erzeugte einen Kurzschluss. Da der Schaltregler selber vom Ausgang versorgt wird (bootstrapped operation), ist trotz anlegen der Eingangsspannung nichts passiert. Ich hätte also einfach den Kondensator abklemmen müssen, dann hätte ich das Solarpanel weiterverwenden können, wenn auch mit einer ungeglätteten Ausgangsspannung. Das wäre aber kein Problem gewesen, denn die Ladegeräte haben selber noch Kondensatoren zur Glättung der Spannung.

Hier noch ein Bild mit dem Solarpanel im Einsatz während der Wanderung:

Und zu guter Letzt ein Suchbild:

Downloads

Eagle Files für die Platine des Spannungsreglers:

Eagle .brd: Download
Eagle .sch: Download

Eagle Files für die Platine des Pufferakkus:

Eagle .brd: Download
Eagle .sch: Download

Eagle Files für die Platine des Pufferakkus mit LM4041 als Bandgap Reference (noch nicht getestet!):

Eagle .brd: Download
Eagle .sch: Download