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Experimente mit Solarzellen

02.11.2007
In den letzten Tagen habe ich an meiner SolarLED Raumbeleuchtung weitergebaut. Sie besteht jetzte aus 39 weissen LEDs und hat eine Leistungsaufnahme von 2.3W. Damit stellt sich durchgehend eine Helligkeit von 20Lux auf dem Schreibtisch ein. Das ist wirklich nicht sonderlich viel, aber es soll ja nur eine Art Hintergrundbeleuchtung sein.
Jeweils drei LEDs sind mit einem Vorwiderstand in Reihe geschaltet und an 12V angeschlossen. Dadurch entstehen Leider wieder Verluste, die sich aber berechnen lassen:
PWiderstand = 10 * 200Ohm * 0.015A^2 + 3 * 150Ohm * 0.015A^2 = 0.55W
Wirkunsggrad = (2.3W - 0.55W) / 2.3W = 76%
Das bedeutet, wir haben 24% Verlust in den Vorwiderständen und nochmal 0.5% Verlust in der Zuleitung (gemessen). Es ist zu überlegen, ob man nicht einen Spannungswandler 12V->10.2V davor setzten kann um die Verluste zu minimieren.
Jetzt fehlt nur noch die Lumiled Arbeitsleuchte...
LED Beleuchtung

15.10.2007
Ich habe nun den Wirkungsgrad der grossen Anlage berechnet und gemessen. Er liegt bei 86.9%. Das geht aber noch sehr viel besser. Auch hier entstehen sehr viel Verluste in den Kabeln. 83.36% um genau zu sein. Nur 16.3% entstehen an der Entladeschutzdiode (der Rest sind Rundungsfehler). Hier mal die genauen Zahlen:
PSolar = 5.0855W
PAkku = 4.4205W
Wirkungsgrad = 86.9%
PVerlust = 0.665W
PDiode = 0.1085W, 16.3% vom Gesammtverlust
PLeitung = 0.5565W, 83,36% vom Gesammtverlust

Nun etwas zum Aufbau der Verkabelung. Von dem Solarpanel auf dem Balkon gehen 23m 0.8mm^2 Kabel zum ersten Zimmer, wo auch die Entladeschutzdiode ist. Von dort aus gehen nochmal 15m 0.14mm^2 in das zweite Zimmer wo der Akku steht.
Nun gibt es bei einer Gesammtkabellänge von 76m einige Verluste, die man durch einen grösseren Querschnitt verringen kann. Deswegen habe ich die 15m 0.14mm^2 durch 15m 1.5mm^2 ersetzte und siehe da, der Wirkungsgrad steigt auf 91.5%. Auch hier wieder die genauen Zahlen:
PSolar = 4.3028W
Pakku = 3.9401W
Wirkungsgrad = 91.5%
PVerlust = 0.3627W
PDiode = 0.0961W, 26.4% vom Gesammtverlust
PLeitung = 0.2666W, 73.5% vom Gesammtverlust

Ich habe noch einige Meter 1.5mm^2, die werde ich wo es geht zu den 0.8mm^2 parallel schalten und ein weiteres mal messen. Es ist anzunehmen, dass daraufhin der Prozentuale Verlust an der Diode steigt. Nun wäre es zu überlegen, ob man statt der Diode, einen MOSFET nutzt. Dazu braucht man aber wiederum eine Schaltung, die den MOSFET durchschaltet, wenn die Solarspannung über der Akkuspannung liegt. Ich bin am überlegen ob das nicht die Solaruhr übernehmen kann.

12.10.2007
Letztens habe ich den Wirkungsgrad meiner kleinen Solaranlange ausgerechent. Dazu führte ich 4 Messungen an 6 Messstellen durch, nur um festzustellen, dass eines meiner Messgeräte den Strom total verfälscht anzeigt. Das merkt man daran, wenn der ausgerechnete Wirkungsgrad auf einmal 101% ergibt ;)
Mit den richtigen Messwerten kam ich auf ein Wirkungsgrad von 80.2%. Das ist garnicht mal so schlecht, aber das muss auch noch besser gehen. Nach genaueren hinsehen stellte ich fest, das 10% der Verluste in den Leitungen entstehen. Das ist doch beim besten Willen nicht mehr tragbar. Ich arbeite hier mit Leistungen im Milliwatt Bereicht. Jedes Prozent Verlust ist hier zuviel :) Dahingehen arbeitet mein kleiner Spannungswandler für die 6 LEDs mit einem Wirkungsgrad von 87.4%. Das ist überraschend gut. Vorallem, weil ich ihn nur so PI mal Daumen zusammengepfuscht habe. Da kann man auch noch sehr viel verbessern.
Ich habe etwa 20m 0.5mm^2 Leitung in meinem Zimmer verlegt. Davon verlaufen 8m von der Battery, zum Schalter und wieder zuräck zum Wandler. Etwa 12m brauche ich vom Wandler an die Decke zu den LEDs. Da hier der Strom um fast die Hälfte geringer ist, halbieren sich auch die Verluste :) Ich habe einen Grossteil der Verluste also in der Schalterleitung. Glücklicherweise bin ich gesten in den Besitzt von 80m 1.5mm^2 Leitung gekommen. Damit lassen sich die Leitungsverluste etwa Dritteln. Aber noch besser wäre es natürlich erst gar keine so lange Schalterleitung zu verlegen.
Momentan habe ich einen Schalter am Kopfende des Bettes. Ich schlafe aber manchmal andersherum, so dass eine Schaltm&uoml;glichkeit am Fusende sehr nett wäre. An der Tür muss auch noch unbedingt ein Schalter hin. Es ist ziemlich blöde erst durch den dunklen Raum zu laufen, auch wenn es nur 3m sind, um das Licht anzumachen.
Bei drei Schaltstellen kann man aber nun keine Schalter mehr verwenden. Würde ich sie alle parellel schalten, müste man vor dem schlafen gehen an jede Schaltstelle wandern um endlich das Licht auszumachen ;) Es müssen also Taster her. Jetzt ist das bei 2.4V wieder so eine Sache. Ich brauche also eine Schaltung, die im ausgeschalteten Zustand kein Strom verbraucht, mit mindestens einem Taster bedienbar ist und im eingeschalteten Zustand möglichst auch kein Strom verbraucht :)

10.06.2007
Da ich keinen Generator auf die Schnelle auftreiben konnte, habe ich einen Schrittmotor an das Trainingsrad gebaut. Wenn meine Mom strampelt, erzeugt sie dadurch 2.5W, bei mir sind es 4W. Ein Schrittmotor ist eben kein richtiger Generator, so geht die meiste Energie wieder in Form von Wärme verloren. Aber immerhin wieder ein paar Wh mehr im Akku :)
Grade eben habe ich mal das Solarpanel neu ausgerichtet und somit gleich mal 4.5W statt nur 1.2W erzeugt. Allerdings bringt das alles nur bedingt etwas. Unter dem Balkondach habe ich immer etwas Schatten.

04.06.2007
Da ich ein älteren Laptop habe, läuft er auch noch, wenn man 12V statt 15V am Netzteilanschluss anlegt. Zwar wird dann der Akku nicht mehr geladen, aber dass muss er ja auch nicht. Messungen haben ergeben, dass etwas ein Strom von 1A fliesst. Das ergibt eine Leistung von 13W. Pefekt um den Laptop an die Solarbattery anzuschliessen.
Theoretisch müsste der Laptop 24 Stunden lange laufen, bevor der Akku leer wird. Und fast jeden Tag bekomme ich 20Wp Solarstrom neu hinzu. Man kann also sagen, das ich den Laptop über eine Stunde am Tag umsonst betreiben kann.
Je leerer der Solarakku ist, desto mehr Solarstrom fliesst. Also möglichst immer mit fast leerem Solarakku umhergeistern, damit sich die 4 Stunden Sonne hier auch richtig lohnen ;)

26.05.2007
Es ist Warm. Der Mensch brauch ein Ventilator um zu überleben. Was tüftelt der geniale Geist aus? Na Klar.. ein solarbetriebener Miefquirl muss her. Ein handelsüblicher Tischventilator, ein 12v-230V Wandler, ein Amperemessgerät und los gehts. Der Ventilator braucht je nach Stufe 36W bis 40W. Die Wandlerverluste mit inbegriffen. Das sind über 3A auf der 12V Leitung. Nicht tragbar!
Wenn ich überlege, dass der 120mm PC-Lüfter ja auch schon fast langt. Und der braucht nur 1W. Ja, der Ventilator macht mehr Wind. Aber brauch ich das? Ich brauch ein laues Lüftchen und kein Orkan in meinem Zimmer. ;)
Also, ein Lüfterrad liegt hier noch herrum, nur kein 12V Motor. Also abwarten...

15.05.2007
Heute kamen die 30 weissen LEDs und die Lumniled an :) Den Röhrchenkühlkörper habe ich einfach mittels doppelseitigem Klebeband an die LED geklebt. Normalerweise sollte man ja Wärmeleitkleber benutzen... Ein paar dicke Vorwiderstände waren auch schnell gefunden. Immerhin müssen sie (13.8V-3.4V) * 0.34A = 3.6W aushalten. Wenn dann mal irgendwann die anderen 3 Lumnileds zu mir finden, werde ich die Widerstände durch sie ersetzen. Und schon wird aus 3W Abwärme 3W Licht ;)
Von den 30 LEDs werden ich wahrscheinlich 10 für die Taschenlampe benutzen und die restlichen 20 für die Zimmerbeleuchtung. So hell mein Arbeitsplatz durch die Lumnileds auch sein mag, der Rest vom Zimmer ist immernoch dunkel ;)
Damit jede LED gleich hell ist, muss durch jede der selbe Strom fliessen. Das erreicht man am besten über eine Reihenschaltung. Der Nachteil dabei ist, dass die Betriebsspannung dabei zunimmt. Bei 10 LEDs sind es 10 * 3.4V = 34V und bei 20 schon 68V. Das geht nur durch ein Step-Up Regler. Ich wollte doch schon so lange mal wieder einen bauen ;)

12.05.2007
Heute habe ich meinen Verstärker an das 12V Solarnetz angeschlossen. Bei 12.9V zieht er 0.13A = 1.67W. Das ist viel weniger als erwartet. Das dumme ist nur, er zieht genauso viel Strom, auch wenn kein Lautsprechner angeschlossen ist. Es ist jetzt 11 Uhr. Das Solarpanel erzeugt mir einen Strom vom 0.14A und der Verstärker braucht 0.13A. 100%ige Versorgung durch Sonnenstrom. *Musik geniess* :)

09.05.2007
Gestern nacht habe ich noch die restlichen Akkus angeschlossen. 4 * 7,2Ah * 12V = 345.6Wh.
Jetzt fehlen eigentlich nur noch die Lumileds und die normalen LEDs damit ich meine Zimmerbeleuchtung fertig bauen kann.
Im Moment regnet es. Die Akkus haben eine Spannung von 12.8V, aber das Panel bringt nur 11.4V. Das langt leider nicht zum laden, aber es langt zum laden des 2.4V Akkus. Was immerhin noch einen Ladestrom vom 20mA bringt. Der Umschalter zwischen 12V und 2.4V muss also nicht nur zeitgesteuert, sonder auch wetterabhänig sein. Wie das zu realisieren ist, überlege ich mir ein ander mal. Habe grade genug zu tun.

28.04.2007
Viele neue Ideen sind mir in dem letzten Monat gekommen und eine davon ziert nun den Balkon. Eine 12V 14Wp Solarzelle für 80Eur. :) Ein Gestell aus Gewindestanden war schnell gebaut, so dass sie im 45 Grad Winkel gegen die Sonne schaut. Um etwa 7:15Uhr fägt der erste Ladestrom an zu fliessen und um 12Uhr schiebt sich leider der Schatten vom Balkondach langsam über die Zelle, so dass sie nicht mehr genug Leistung bringt, um den 12V Akku zu laden. Aber dafü kann ich so ab ca. 14Uhr bis 20Uhr den 2.4V Akku mit anfangs bis zu 100mA laden. Jetzt um 18Uhr sind es noch 10mA. 19:30Uhr 5mA. 20Uhr 1mA... Das bedeutet, ich brauche einen Schalter der Zeitgesteuert zwischen den Akkus umschaltet. Das sollte weniger ein Problem sein, da ich vorhabe, eine Digitaluhr zu bauen, die ebenfalls mit 12V Solarstrom betrieben werden soll. Allerdings gibt das eine besonderer Uhr, die ihre Anzeige nur einschaltet, wenn der eingebaute Bewegungsmelder triggert. Das spart eine Menge Strom auf den Tag gerechnet. Ausserdem will ich noch meine Zimmerbeleuchtung mit Solarstrom betreiben. Ich denke da an drei bis vier Lumileds und ein paar superhelle weisse LEDs.
solarzelle_gross solarpanelleistung
Auf dem linken Bild ist der derzeitige Aufbau zu sehen. Das Panel spiegelt doch ganz schön stark, hätte ich nicht erwartet. Geht durch die Reflektion nicht Energie verloren? Auf dem rechten Bild ist ein Zeit/Leistungsdiagramm zu sehen. Da der Akku schon halb voll geladen ist, wird kaum die 5W Grenze geknackt.
Die Solarzelle bringt am Tag etwa 20Wh. Die Beleuchtung braucht 4W und ich rechne mit einem Betrieb von 4 Stunden am Tag. Das macht 16Wh. 4Wh blieben dann für die Digitaluhr übrig. Es ist aber schwer zu sagen, was sie für eine Leistung benötigt.
Der Microprocessor brauch etwa grob geschätzt 30mA bei 5V. Das macht 0.15mW. Der Spannungswandler 12V auf 5V arbeitet mit einem Wirkungsgrad von 70%. Das macht ein Verbrauch von 0.195W. Der Processor läuft 24 Stunden am Tag, verbraucht also 4.68Wh. Und es fehlt noch der Verbrauch der Anzeige. Es wird also sehr knapp. Aber ich habe ja nicht jeden Tag das Licht im Zimmer an. An manchen Tagen bin ich nur im anderen Zimmer, und da läuft die Beleuchtung über einen anderen Akku ;)

Mit dem 12V Solarpanel werden drei bis vier 12V 7.2Ah AKkus geladen. Das Ergibt eine gesammt Energiemenge von über 250Wh. Bei 20Wh Ladeenergie pro Tag und keine angeschalteten Verbrauchen, dauert es etwa 2 Wochen, bis die Akkus aufgeladen sind. Da aber immer etwas Strom entnommen wird, werden die AKkus nie ganz voll werden. Das schützt einerseits vor Überladung, andererseits bleibt keine Solarenergie ungenutzt. Einen Tiefentladeschutz gibt es leider auch nicht. Da muss man eben etwas "aufpassen".

30.03.2007
Ja, mir ist etwas eingefallen. Ich habe seit einiger Zeit 6 weisse super helle LEDs an der Decke über meinem Bett hängen. Sie dienen mir nachts als Nachtlicht, damit ich nicht immer im Dunkeln gegen die Tür renne wenn es mal dringend wird :;) 6 LEDs, jede 20mA macht zusammen 120mA. Jede LED braucht 3.6V. Und da hatte ich ein kleines Problem. Der Solarakku hat nur 2.4V. Es muss also ein Spannungswandler her. Eine kleine Spule mit der passenden Frequenz ein und ausschalten, so dass sie die so entstehende Induktionsspannnung zu der Batteriespannung addiert. Die Idee ist so genial wie simpel. Es gibt schon zahlreiche solcher Schaltungen im Netz. Die meisten Infos habe ich von Burkhard Kainkas Bastelseite. Der erste Nachbau funktionierte mit einer LED auch ganz ok. Aber ganz so einfach war es dann doch nicht. Es sind nun 4 Wochen vergangen und ich habe einen Spannungswandler gebaut, der 3.6V bei 90mA bringt. Hätte ich kein Abitur geschrieben, wäre ich schneller fertig geworden, aber so ist das nunmal. Die meisten Probleme hatte ich, genügend Energie in die Spule beim Ladevorganz zu pumpen, damit eine Ausgangsleistung von 3.6V * 0.12A = 0.4W erzeugt wird. Wenn man nur mir so kleinen Spannungen wie 2.4V arbeitet, ist das garnicht so einfach. Ich habe in diesen 4 Wochen sehr viele Spulen bei allen möglichen Frequenzen ausprobiert und die besten Erfolge hatte ich mit einem grünen Ferritringkern mit 300 microHenry bei etwa 30kHz. Das Verhätnis von An zur Auszeit des Schalttransistor hat auch einen starken Einfluss auf die Ausgangsleistung. Bei einem Verhätnis von 50/50 verdoppelt die Spule die Spannung. Aber ich brauche nur eine Spannungserhöhung von 3.6V - 2.4V = 1.2V. Aus diesem Grund habe ich mir mit dem NE555 einen Oszillator aufgebaut, der in der Frequenz und Verhätnis frei einstellbar ist. Mit diesem Testaufbau bekam ich auch einen Ausgangsstrom von 120mA. Leider läft der NE555 nicht mehr bei 2.4V, so dass ich mich für einen Multivibrator entschieden hatte. Nach einigen knobeln funktionierte dieser auch bei 2.4V und ich konnte die Schaltung fest aufbauen. Leider stellte sich jetzte nur noch ein Ausgangsstrom von knapp 90mA ein. Ich habe keine Ahnung woran das nun schon wieder liegt. Aber immerhin funktioniert es :)


19.04.2006
Inzwischen ist es wieder Frühling geworden, die Zellen und der Akku haben den Winter gut überstanden. Die Zellenspannnung liegt jetzte bei 2.7V und das wird auch die Ladenentspannung sein. Nur was mache ich jetzt mit einer 57.6Wh Battery? Vllt. kann ich damit einen kleinen Sender betreiber, der mir die Temperatur übermittelt. Oder in einem Microprozessor speichern und einmal die Woche übertragen. Mir wird schon etwas einfallen.

Irgendwann 2005

Dieses kleine Solarzellen Bruckstueck von 16x8mm = 1.28cm^2 erbringt bei bewoelktem Himmel eine Spannung von 320mV bei 1.6mA. Das entspricht einer Leistung von 0.512mW.

Meine kleinste Solarzelle

Zur Verfügung stehen mir 6 einzelne Solarzellen die jeweils aus Bruchstücken bestehen. Hier sieht man sie in zerlegter Form. Später werden sie wieder in das Gehäuse eingebaut damit sie wetterfest sind. Neu verkabelt werden sie natürlich auch noch. Zusammen belegen sie eine Fläche von 150cm^2. Jedes Modul bringt maximal 0.45V und geschätzte 50mA. Das sind 22.5mW * 6 = 135mW.

Die Solatmodule zerlegt und gereinigt

Die nächste Solarzelle die ich hier vorstelle habe ich aus einem Multimeter ausgebaut. Sie bringt im Leerlauf ca. 10V und 1mA = 10mW. Ihre Abmessungen betragen 57x15mm = 8.55cm^2. Mit ihr konnte ich 2 Kondensatoren, 10V 4700uF in 2 Stunden aufladen. Allerdings geschah das im Zimmer. An der Sonne dauerte es nur ein paar Minuten.
Mit der so gespeicherten Energie kann ich für ca. 1sek einen kleinen 3V Motor laufen lassen. Zugegeben, das hat keinen praktischen Nutzen, aber es geht um das Prinzip der Eneriespeicherung und impulsartiger Abnahme. Alleine hätte die Solarzelle den Motor niemals bewegt.
Ich habe das ganze Geschehen auch verfilmt. Zu sehen ist der Motor, die Kondies und die Solarzelle.

Video 1: solar_dreht.avi 477kb

Hier ist nun der Schaltplan. Bei voller Sonne dreht sich der Ventilator schnell. Bei Wolken laden die Zellen die Kondensatoren auf. Die Energie aus den Kondis reichen zwar nicht fuer vollen Ventilator betrieb aber sie helfen beim anrucken des Motors.
Ein Gehäuse haben die Zellen nun. Sie brauchen aber noch eine Halterung damit man sie gegen die Sonne ausrichten kann.

Der erste Schaltplan

Ich habe noch 2 Zellen gekauft so, dass ich auf insgesamt 8 Stück komme. Die Halterung ist jetzt soweit auch fertig. Jetzt müssen die Zellen nur noch montiert und der erste Probelauf gemacht werden. Auf den 2 Bilder ist einmal die Vorderseite mit den 2 neuen Zellen und die Rückseite zu sehen. Zusammengebaut ist das ganze Geschoss aus 2 alten CDROM Laufwerksgehäusen.

Die Vorderseite Die Rueckseite

Der Akku besteht aus 4 NiCd Zellen mit 1.2V 12Ah. Davon sind je 2 Zellen parallel und 2 in Reihe. Das ergibt eine 2.4V Battery mit 24Ah. Die Solarzellen werden Monate brauchen um diese Battery zu laden, vorallem wenn ich nur ca. 4h Sonne am Tag habe.

Solar Battery

Das erste Testergebnis war nicht so toll wie erwartet. Das lag zum einem daran, dass die Sonne schon fast weg war und so nur ein kleiner Teil der Zellen belichtet wurden konnte. Zum anderen lang es daran, dass ich das Lötauge an der kleinen Solarzelle abgerissen habe und sie nach einigen rumprobieren nicht mehr die volle Leistung bring. Auch ohne Sonne konnte ich einen Ladestrom von etwas mehr als 10mA messen. Ich werde morgen früh bei voller Sonneneinstrahlung die Messung wiederholen.
Jetzt ist es 20:00 und die kleine Zelle läd noch mit 20 MicroAmpere. Die grosse lA¨d garnicht mehr.
Mir ist auch aufgefallen, dass die Durchgangsspannung kleiner wird, je höher die Temperatur wird. Ich habe einen Draht an die Diode angelötet, sie wurde vllt 50 Gard heis. Und da ist mir beim nachmessen aufgefallen, dass die Durchgangsspannung von 0.2V auf 1.9V gefallen ist. Bei 0.2V und 1mA fallen an der Diode 0.0002W ab. Sonst waeren es 0.00019W.

Am Morgen
Es ist jetzt 9 Uhr und ich warte bis die paar letzten Wolken vor der Sonne verschwunden sind. Momentan herrscht ein Ladestrom von 10mA. Eine 2A Sicherung am Akku viel der Unachtsamkeit schon zum Opfer. Ich habe sie mit einer Mittaltraegen 2.5A Sicherung ausgetauscht. Das wird heute Morgen nichts mit der Messung. Zu viele Wolken. Die Spannung an dem Akku ist auf 2.5V gestiegen.
11:00 Uhr.
Der Ladestrom bei voller Sonneneinstrahlung beträgt etwa 30mA. Der Kurzschlussstrom der Zellen liegt bei 140mA. Die Ladeentspannung bei NiCa Zellen liegt bei 1.5V pro Zelle. Das kann aber sehr stark nach Alter und Art und Zustand variieren. Bei 2 Zellen liegt die Ladeentspannung bei 3V. Ich habe 8 Solarmodule mit jeweils 0.450V das ergibt 3.6V minus 0.2V Diodenspannung, gleich 3.4V. Die kleine Spannungsunterschied ist nicht schlimm, da die Module nur selten ihr volle Spannung erreichen und die Ladeschlussspannung nicht genau bei 3V liegt.
Das Konstantspanungsladeverfahren erinnert ein wenig an das Verfahren das ich benutze. Nur habe ich nie konstand die selbe Sonneneinstarhlung. Der Memoryeffekt der hier entsteht lasse ich mal untern Tisch fallen. Bei 24Ah faellt das erst in ein paar Jahren auf.
Ich werde die Anschlusskabel jetzt noch verlöten. Das zusammendrillen der Kabel ist nicht sicher genug. Das ganze Gestell wird in der Sonne sehr heis.
Es kann mit ca. 4h voller Sonneneinstrahlung am Tag gerechnet werden. Um den Akku zu laden muesste ich 24mA 1000h lange laden. Das entspricht 250 Tagen. Oder 8.3 Monate. Das nenne ich eine schonende Aufladung ;)

Der 2. Tag
Heute Morgen konnte ich einen Ladestrom von 50mA messen und der Akku hat jetzt eine Spannung von 2.7V.

Der 3. Tag
Die Spannung war heute Morgen unverändert. Es liegt ja auch eine dicke Wolkenschicht über uns. Hier noch ein Bild wie es fertig aufgebaut auf dem Balkon steht.

Fertige Solaranlage

5. Tag
Der Ladestrom beträgt ausserhalb der Sonne noch 20mA. Die Spannung liegt weiterhin bei ca. 2.7V.

Noch ein paar Tage später
Endlich scheint wieder die Sonne. Die Akkuspannung wächst auch ganz langsam. Sie liegt jetzt bei 2.75V.