Frage zu Solarzellen-Inselbetrieb...

[Jürgen Hüser]

Hallo in die Runde,

gelegentlich überlege ich bei manchen meiner Projekte, ob ich da nicht
vielleicht eine Solarzelle dranhänge zur Akkupufferung/Ladung.

Geht dabei um Kleingeräte (Sensoren, Datenlogger usw.) mit Akkus
angefangen von 4xAA NiMH, 18650, bis hin zu 12V/7,2Ah BleiGel.

Gelegentlich habe ich mich daher mal eingelesen in das Thema MPPT und
Laderegler.
Soweit bin ich:

Ist ein Akku Ladebedürftig sollte ich mit Boost & Buck-Schaltreglern
versuchen ein MPPT zu befolgen, damit die Energie der Solarzelle optimal
genutzt wird um den Akku in absehbarer Zeit so voll wie möglich zu bekommen.
Hierzu immer so viel Strom aus der Solarzelle ziehen, das die
Zellspannung nicht unter 80% fällt.

Da wäre schon die erste Frage:
Worauf bezieht sich dieser Wert 80%?
Auf die Nennspannung der Solarzelle (0,5V/Zelle) oder die höhere
Leerlaufspannung?

Was wäre des weiteren sinnvoll zu regeln wenn der zu ladende Akku voll
ist? Viele der Laderegler die ich fand schließen die Solarzelle mittels
MOSFET kurz bzw. verheizen den Strom der Solarzellen an einem
Lastwiderstand.
Hat das irgendeinen nachvollziehbaren Grund?
Ich würde eher einen Schaltwandler hinter die Solarzelle packen der
problemlos die maximale Leerlaufspannung am Eingang aushält, und eben
nur noch gerade soviel Strom aus ziehen wie aktuell gebraucht würde.
Oder spricht irgendwas dagegen?

Jürgen Hüser

 

[Andreas Neumann]

Jürgen Hüser wrote:

Geht dabei um Kleingeräte (Sensoren, Datenlogger usw.) mit Akkus
angefangen von 4xAA NiMH, 18650, bis hin zu 12V/7,2Ah BleiGel.

Ist ein Akku Ladebedürftig sollte ich mit Boost & Buck-Schaltreglern
versuchen ein MPPT zu befolgen, damit die Energie der Solarzelle optimal
genutzt wird um den Akku in absehbarer Zeit so voll wie möglich zu
bekommen. Hierzu immer so viel Strom aus der Solarzelle ziehen, das die
Zellspannung nicht unter 80% fällt.

Da wäre schon die erste Frage:
Worauf bezieht sich dieser Wert 80%?
Auf die Nennspannung der Solarzelle (0,5V/Zelle) oder die höhere
Leerlaufspannung?

Das ist egal, weil bei MPPT, wie die Bezeichnung schon sagt, auf maximale
Leistung geregelt wird und nicht auf irgendeine Spannung.

Des weiteren lohnt sich MPPT bei Kleinverbrauchern nicht, weil der
Eigenverbrauch des Trackers die Leistungsoptimierung zunichte macht.

 

[Jürgen Hüser]

Hallo!

Am 30.09.2022 um 20:51 schrieb Andreas Neumann:

Das ist egal, weil bei MPPT, wie die Bezeichnung schon sagt, auf maximale
Leistung geregelt wird und nicht auf irgendeine Spannung.

Des weiteren lohnt sich MPPT bei Kleinverbrauchern nicht, weil der
Eigenverbrauch des Trackers die Leistungsoptimierung zunichte macht.

Hmm, eine MPPT lohnt nicht?
Mal ein kurzes Gedankenexperiment um die Dimensionen zu verdeutlichen
die mir durch den Kopf gehen:

https://de.aliexpress.com/item/4000511987311.html

Sollen je Zelle 0,5V / 860mA entspr. 0,43W bringen.
Davon 10 Stück in Serie wären 5,0V / 860mA / 4,3W.

Spannung und Strom der Zellen erfassen, ob analog oder via ADC ist erst
mal egal.
Im ersten Schritt würde ich mit einem Boost-Regler auf eine
Zwischenspannung von beispielsweise 10V wandeln.

Von dort aus ein Buck-Schaltregler PWM/FPM zur Anwendung (µC-Schaltung,
Sensoren, Datenlogger usw.) zur Erzeugung von 3,3V und <20mA Peaks.
Sowie einem einem für MPPT geregelten Buck zum laden des akkus.
Für eine 18650 LiIon also Ubatt 4,20V und genau soviel aktuellen
Ladestrom, das:

U x I der Solarzelle möglichst maximal ist, solange der Akku die Ströme
frist ohne über 4,20V zu steigen.
Ist dieser Punkt erreicht, also Akku fast voll, die MPPT deaktivieren
und einfach nur noch soviel Strom in den Akku laden bis er voll ist
(Restladung).

Ohne MPPT würde ich stark vermuten: Zieht ein weitgehend lerer Akku
18650 problemlos mehrere Ampere, werden die Solarzellen derart
überlastet das UxI an der Zelle enorm miserabel sein wird.
Daher die Überlegung ob eine MPPT in solchen Kleinanlagen nicht doch
Sinn macht.

Jürgen Hüser

 

[Andreas Neumann]

Jürgen Hüser wrote:

Boost-Regler
Buck-Schaltregler

2x Schaltregler, bei dem Kleinkram mit Glück 80% Wirkungsgrad, also 64%
gesamt.
Ein Drittel der Ladeleistung sinnlos verheizt.

> Zieht ein weitgehend lerer Akku 18650 problemlos mehrere Ampere

Der Akku \"zieht\" nicht, der nimmt das was er kriegt.

Solarzellen sind in erster Näherung Stromquellen, also optimal zum
Akkuladen. Direkt draufhängen, bzw. mit MosFET aka Solarlader dran.
So kriegen die Akkus alles was da ist.
Win-Win.

MPPT lohnt sich bei Kleinverbrauchern nicht. Hab ich das nicht schon mal
geschrieben?

 

[Jürgen Hüser]

Hallo!

Am 01.10.2022 um 15:10 schrieb Andreas Neumann:

2x Schaltregler, bei dem Kleinkram mit Glück 80% Wirkungsgrad, also 64%
gesamt.
Ein Drittel der Ladeleistung sinnlos verheizt.

Ähm, ja.... auf der Entladeseite wenn es darum geht z.B. aus den 4,2V
einer 18650 stabile 3,3V für ein µC zu stabilisieren.
Also im Lastbereich zwischen zweistellige µA und Impulse bis vielleicht
40mA. Eben aufgrund des mieserablen Wirkungsgrades setze ich da
vornehmlich PWM/PFM-Regler ein.

Hier geht es mir aber um das Laden.
Also die Phasen wo kräftige Sonnenstrahlung auf die Solarzellen
einwirkt, möglichst Effizient zu nutzen um diese in den Akku zu bekommen.
Da sind wir dann im Bereich 100mA-1A.
Und in diesem Lastbereich ist es problemlos möglich Buck/Boost-Regler
irgendwo zwischen 90-98% Wirkungsgrad zu entwerfen.

Solarzellen sind in erster Näherung Stromquellen, also optimal zum
Akkuladen. Direkt draufhängen, bzw. mit MosFET aka Solarlader dran.
So kriegen die Akkus alles was da ist.
Win-Win.

Theoretisch ja.
Praktisch aber ist es einerseits nicht immer möglich Solarzellen so zu
verschalten das die benötigte Ladespannung zu dem Akku passt.
Versuche mal aus Solarzellen mit 500mV die z.B. 4,20V für LiIon zu bekommen.
Hat man genügen Solarfläche für 12 Solarzellen, wäre ein direktes
anschalten z.B. an 4xNiMH brauchbar.
Hat man aber ein Projekt in der Größe einer Zigarettenschachtel, will
man meist kein Solarpanel in der Größenordnung Kuchenblech daneben stellen.
Sondern eher eine Fläche nicht nennenswert größer als das Projekt inkl.
Akku, also eher 4 Solarzellen = 2V.


Bislang lade ich solche Projekte die eine einzelne 18650 nutzen über
externe USB-Lader und einem MCP73811.
Das ist ein winziger LiIon/LiPo Linerar-Laderegler.
Also quasi ein spezialisierter LDO der aus den externen 5V eben
CCCV-Ladung bis 4,20V und bis zu 485mA macht.

Für eine Ladung via Solarzelle will ich genau das nicht.
Denn als LDO verheizt der MCP73811 beachtlich viel Leistung für sein
SOT-23-5 Gehäuse. Und er braucht für eine heutige leere 18650 etwa
24-28h bis der Ladeschluss erreicht wird.

MPPT lohnt sich bei Kleinverbrauchern nicht. Hab ich das nicht schon mal
geschrieben?

Der eigentliche Grund meiner Anfrage hier zeugt davon das ich im
Internet so manche Prinzipien fand die deine These untermauern.
Wenn man Laderegelung und MPPT natürlich reihenweise hinrozt mit
linearer Regelung, Kühlkörpern und Lastwiderständen an denen man
überschüssige Enerie verheizt.

Meine Frage war ja, ob es irgendeinen plausiblen Grund gibt warum viele
Produkte da draußen das so machen.
Eben mit dem Hintergrund das man mit modernen Buck/Boost-Reglern die
Energie doch deutlich effizienter und ohne nennenswerte Verlustleistung
transferrieren könnte.

Ich persönlich setze Linearregler wie 7805 fast überhaupt nicht mehr
ein. Alles inzwischen kleine, kalte SOT-23-5 oder SO8 die mit ~1MHz PWM
und >90% Wirkungsgrad das alles viel besser können.

Was mir auch helfen würde, wo ich aber noch keine
glaubwürdigen/verlässlichen Grundlagen fand, wäre die Spannungsdynamik
der Solarzelle als Stromquelle.

Das Problem \"Dynamo\" als Extrembeispiel:
Ist das Magnetfeld nicht regulierbar, bestimmt die Drehzahl und der
entnommene Strom die Ausgangsspannung.
Liegt dieser Strom weit unterhalb des Nennstromes, steigt die
Ausgangsspannung extrem steil an.

Daher haben alle Generatoren oberhalb des Fahraddynamos eine
Erregerwicklung um das Magnetfeld entsprechend zum benötigten Strom zu
regeln und die Ausgangsspannung konstant zu halten.

Bei Solarzellen soll dieser Stromquellen-Effekt aber deutlich schwächer
sein.
Bei 12V-Panels lese ich nicht selten das sie 12,5V Nennspannung liefern
was für mich auf ein 25-zelliges Panel hindeutet.
Leerlaufspannung solcher 12,5V-Panele für Bleiakkus ist je nach
Hersteller angegeben zwischen 14-16V.
Also Leerlauf dann bei 25 Zellen zwischen 0,56-0,64V/Zelle.

Mit Verlaub, das sollte doch mit Schaltreglern sinnreicher zu
beherrschen sein als Lastwiderstände und heißlaufende Halbleiter die
überschüssigen Strom schlicht kurzschließen!

Jürgen Hüser

 

[Andreas Neumann]

Jürgen Hüser wrote:

Und in diesem Lastbereich ist es problemlos möglich Buck/Boost-Regler
irgendwo zwischen 90-98% Wirkungsgrad zu entwerfen.

Wenn Du sowas in bezahlbar findest, nur her mit der Info.
Und nein, nicht die Fantasiezahlen welche die Chinesen in ihre
Schmierblätter schreiben, sondern *gemessen*.

 

[Michael Schwingen]

On 2022-10-02, Andreas Neumann <an5275@sedo.com> wrote:

Und in diesem Lastbereich ist es problemlos möglich Buck/Boost-Regler
irgendwo zwischen 90-98% Wirkungsgrad zu entwerfen.

Wenn Du sowas in bezahlbar findest, nur her mit der Info.
Und nein, nicht die Fantasiezahlen welche die Chinesen in ihre
Schmierblätter schreiben, sondern *gemessen*.

Für welchen Leistungsbereich?

https://www.ti.com/lit/pdf/snvu439
liegt in weiten Bereichen deutlich über 90%.

https://www.analog.com/en/products/ltc3534.html
liegt je nach Spannung ebenfalls drüber.

Nicht selber gemessen, aber erfahrungsgemäß kann man LT und TI trauen, was
die gemessenen Angaben zu Evalboards angeht - man muß nur aufpassen, unter
welchen Bedingungen gemessen wurde.

cu
Michael

 

[Jürgen Hüser]

Hallo!

Am 02.10.2022 um 19:00 schrieb Andreas Neumann:

Wenn Du sowas in bezahlbar findest, nur her mit der Info.
Und nein, nicht die Fantasiezahlen welche die Chinesen in ihre
Schmierblätter schreiben, sondern *gemessen*.

Ich glaube du denkst mit dieser Aussage billige China-Module.
Ich aber nicht, sondern suche nach solchen Buck/Boost-Reglern
ausschließlich bei Mouser nach Typen oder Herstellern mit denen ich
bislang gute Erfahrungen machte.

Beispielsweise:
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tlv62568.pdf

Für solche Sachen nehme ich keine Noname-Platinchen mit zweifelhaften
Daten und Dimensionierungen.

Jürgen Hüser

 

[Rolf Bombach]

Jürgen Hüser schrieb:

Das Problem \"Dynamo\" als Extrembeispiel:
Ist das Magnetfeld nicht regulierbar, bestimmt die Drehzahl und der entnommene Strom die Ausgangsspannung.

In unterschiedlicher Weise. Bei Fahrraddynamos etc. (AC) steigt ja
die Frequenz mit der Drehzahl und damit die Wirkung der Induktivität
der Wicklung. Das läuft dann auf Konstantstrom hinaus.

Liegt dieser Strom weit unterhalb des Nennstromes, steigt die Ausgangsspannung extrem steil an.

Daher haben alle Generatoren oberhalb des Fahraddynamos eine Erregerwicklung um das Magnetfeld entsprechend zum benötigten Strom zu regeln und die Ausgangsspannung konstant zu halten.

Das ist komplexer. Die Motoren solcher Generatoren müssen dann
drehzahlgeregelt werden, sonst drehen sie bei geringerer entnommener
Leistung durch. Und wenn die Drehzahl geregelt wird, geht oft auch
ein ungeregelter Asynchrongenerator.

--
mfg Rolf Bombach