Wirkungsgradmesser für Solarpanels

Feldtest in der Wüste

Entwicklungsingenieure gelten als lichtscheue Zeitgenossen, die den ganzen Tag in ihren Laboren verbringen. Doch um ein System wirklich auf Herz und Nieren zu prüfen, gibt es nichts Besseres als die raue Wirklichkeit. Daher hat ein Entwickler einen Trip in die Wüste von Nevada gemacht, um mit einem Versuchsaufbau ein Batterieladecontroller-IC auf Praxistauglichkeit hin zu prüfen.

Knappe Ressourcen, Materialeinschränkungen, Fehlersuche und Zeitdruck sind große Herausforderungen, wenn man ein Gerät oder Produkt im Feld testet. Es sind jedoch genau die dabei aufgedeckten Fehler, die zum Erfolg eines Feldtests beitragen, und nur die gewonnene Erfahrung hilft dem Entwickler, das System vollständig zu verstehen. Der hier beschriebene Prototyp wurde für das »Überleben« und den Betrieb einer mit Solarstrom versorgten Batterieladeschaltung für eine 12-V-Blei-Autobatterie entwickelt. Diese diente als Energiequelle für Geräte wie LED-Lampen, ein Audiosystem und eine Wasserpumpe für eine Campingdusche plus Luftbefeuchtungs-/Kühlsystem.

Die Testumgebung war die Wüste Nevadas - kein Wasser, kein Schatten, keine Elektrizität - absolut nichts. Unter diesen Bedingungen zu leben heißt, alles was man für ein paar Tage benötigt mitzunehmen, dann wieder einzupacken und wieder mit nach Hause zu nehmen. Dies war in jeder Hinsicht die perfekte Testumgebung, um festzustellen, ob das System geeignet ist, komfortable Wohnverhältnisse zu ermöglichen. Die Auswirkungen von Fehlern würden in einem solchen Feldtest zu einer miserablen Erfahrung führen.

Von vornherein war klar, dass das Ladesystem überwacht werden musste, um zu verhindern, dass die Batterie vollständig entladen wurde. Deshalb sind genaue Messungen durchzuführen und die gemessenen Werte in Echtzeit aufzuzeichnen, um die Batterie zu schützen und »am Leben« zu erhalten. Der Prototyp bestand aus einem Demoboard »DC1688«, das den Solar-Batterieladecontroller »LT3652« von Linear Technology enthält. Dieses war mit dem 70-W-Solarpanel »SQ-70« von Solec verbunden. Die technischen Daten des Solarpanels sind: 75 W Nennleistung bei +25 °C; maximale Spannung 17,00 V; maximaler Strom 4,45 A; Kurzschlussstrom 4,75 A; Leerlaufspannung 21,40 V; Maße: 46,8 Zoll x 20,9 Zoll x 0,5 Zoll; Gewicht 7,5 kg.

Demoboard als Ausgangspunkt

Das Demoboard ist sehr einfach einzusetzen: Man schließt nur das Solarpanel und die Batterie an, und schon ist das System einsatzfähig. Der LT3652 optimiert die Leistung des Solarpanels, indem er die Leistungskurve verfolgt und sie optimiert (Maximum Power Point Tracking, MPPT), um die Batterie mit 14 V und maximal 2 A Strom zu laden. Der Baustein besitzt fest implementierte Funktionen, mit denen er eine Batterie mithilfe der Erhaltungsladung (trickle charge) langsam lädt, um sie »gesund« zu erhalten, und er zeigt auch an, wenn er eine defekte Batterie feststellt, die auf die Vorbehandlung nicht reagiert.

Das Test-Team startete mit einer voll geladenen Batterie und hielt sie den ganzen Tag in diesem Zustand. Die Frage war, ob das 70-W-Solarpanel genügend Leistung liefern würde, um die Batterie noch geladen zu halten, wenn die ganze Nacht hindurch die LED-Beleuchtung benutzt wird, die 12-V-Wasserpumpe der Dusche läuft, einige Stunden Musik aus dem iPod über das Autoradio gehört und weitere Geräte geladen werden? Der Schlüsselfaktor bei dieser Art von Test ist es, den Wirkungsgrad der Ladeschaltung zu prüfen.

Hat sie die Batterie geladen und die Leistung des Solarpanels optimal ausgenutzt? Während es nicht schwierig ist, den Wirkungsgrad als Ausgangsleistung geteilt durch Eingangsleistung mal 100 zu messen, war es völlig unpraktikabel, vier Multimeter und einen Rechner mit in die Wüste zu schleppen und kontinuierlich Messungen und Aufzeichnungen zu machen. Daher baute das Team einen eigenen »Wirkungsgradmesser«. Unter Verwendung von zwei Demoboards von Linear Technology, einem Mikrocontroller und einem A/D-Wandler (ADC) entstand ein System, das den Wirkungsgrad in Echtzeit misst, umrechnet und die Ergebnisse auf einem LCD darstellt. Keine Messgeräte, kein Rechner und am wichtigsten - es ist kein Computer erforderlich.

Das System arbeitet mit einer eigenen 9-V-Batterie und eingebetteter Software, sodass es portabel ist. Mithilfe der Echtzeitdaten des Wirkungsgrads lässt sich das Solarpanel-Ladesystems optimieren. So war es möglich, das Solarpanel immer optimal zu positionieren sowie die Tageszeit für die effizienteste Ladung und das verfügbare Budget für die Batterienutzung exakt zu bestimmen. Das Demoboard »DC590B« von Linear Technology verwendet einen Mikrocontroller vom Typ »PIC« von Microchip, der den achtkanaligen, differenziellen 24-Bit-ADC »LT2418« auf dem Demoboard »DC571A« ansteuert. Es kommen nur vier Kanäle zum Einsatz. Zwei Kanäle des ADC messen U_in und U_out. Die anderen beiden Kanäle messen I_in und I_out über das Verhältnis der Ströme zueinander, unter Verwendung eines Strommessverstärkers »LTC6103« auf dem Demoboard »DC1116A«. Dieses Demoboard wurde durch Ändern der Widerstandswerte leicht modifiziert, um ein Verhältnis von 0,1 V/1 A zu realisieren.

Software berechnet Wirkungsgrad

Der Autor und sein Team verbanden das Demoboard DC571A mit dem A/D-Wandler LTC2418 (ADC) mit der Mikrocontrollerschnittstelle des DC590B und schrieben Code. Dieser triggert die vier differenzielle Kanäle auf dem ADC, führt eine Momentaufnahme der gemessenen Spannung durch, wandelt diesen Wert, berechnet den Wirkungsgrad und stellt das Ergebnis auf dem Display dar. Das Endergebnis ist ein einfaches und elegantes System, das U_s (Spannung des Solarpanels), I_in (Eingangsstrom an der Batterieladeschaltung), U_b (Batteriespannung), I_out (Ausgangsstrom von der Ladeschaltung zum 12-V-Bleiakku) und den berechneten Wirkungsgrad [(U_b x I_out)/(U_s x I_in) x 100] anzeigt.

Da jeder Kanal als differenzieller Spannungsmesser arbeiten kann, heißt das, dass die Massekanäle für Uin und Uout verbunden sein müssen. Der A/D-Wandler hat eine interne Referenzspannungsbegrenzung auf 2,5 V, was dazu zwang, einen Spannungsteiler für die Kanäle U_s und U_b einzusetzen, um innerhalb des Eingangsspannungsbereichs von maximal 20 V zu bleiben. Der Widerstandsteiler am Kanal maximiert die Auflösung, und per Software wird daraus der echte Spannungswert mit einem kleinen, vernachlässigbaren Fehler berechnet.

Messgerät wird portabel

 

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Bild 2: Sonnenabschirmung und Duschkabine, die eine 12-V-Wasserpumpe nutzt - beides mit Akkuschraubern aufgebaut

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Bild 2: Sonnenabschirmung und Duschkabine, die eine 12-V-Wasserpumpe nutzt - beides mit Akkuschraubern aufgebaut

Der letzte Schritt war es, dieses Messgerät tragbar zu machen, sodass es mit einer einzigen 9-V-Alkalibatterie betrieben werden kann.

Gleichzeitig ist das System auch flexibel genug, um es auch mit der 12-V-Bleibatterie betreiben zu können.

Das Demoboard DC823B verwendet den »µModule«-Abwärtsregler »LTM4600« von Linear Technology, der einen maximalen Eingangsspannungsbereich von 20 V hat und 5 V für das gesamte Solarpanel-Batterieladesystem (Bild 1) regeln kann.

Die 9-V-Alkalibatterie wird mit den Uin-Anschlüssen des Demoboards mit dem Jumper für die Auswahl des Ausgangs auf 5 V verbunden.

Der Burst-Modus auf dem LTM4600 steigert den Wirkungsgrad bei geringer Last und damit die Batterielaufszeit.

Von der Entwicklung bis zum Prototyp war das fertige Produkt für einen Beta-Test für den Einsatz im Feld ausgelegt.

Der Aufenthalt in der Wüste für ein paar Tage war kein Zuckerschlecken, aber der verfügbare Batteriestrom bot einen gewissen Komfort.

 

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Bild 3: Versuchsaufbau (A: 75-W-Solarpanel Solec SQ-70; B: 12-V-Blei-Autobatterien (zwei innerhalb des grünen Kastens, eine wird geladen, die andere ist in Betrieb); C: Ladegerät für den Akkuschrauber und Batterie; D: Wasserpumpe für die Dusche und das Luftbefeuchtungs-/Kühlsystem; E: Kaffeekanne zur Zubereitung eines französischen Kaffee; F: Lautsprecher, die auch als Füße für einen Tisch mit übrig gebliebenen Holzbrettern dienten)

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Bild 3: Versuchsaufbau (A: 75-W-Solarpanel Solec SQ-70; B: 12-V-Blei-Autobatterien (zwei innerhalb des grünen Kastens, eine wird geladen, die andere ist in Betrieb); C: Ladegerät für den Akkuschrauber und Batterie; D: Wasserpumpe für die Dusche und das Luftbefeuchtungs-/Kühlsystem; E: Kaffeekanne zur Zubereitung eines französischen Kaffee; F: Lautsprecher, die auch als Füße für einen Tisch mit übrig gebliebenen Holzbrettern dienten)

Das Dusch- und Luftbefeuchtungssystem half dabei, die Temperaturen zu mildern, indem die 12-V-Wasserpumpe eingeschaltet wurde (Bild 2).

Die Abende waren angenehm, weil der Lagerplatz mit einer Kette von LED-Lampen erleuchtet wurde. Akkuschrauber, die dazu dienten, einen Sonnenschutz zu errichten, wurden für den weiteren Gebrauch neu geladen (Bild 3).

Für festliche Nächte liefen die iPods über einen Verstärker und Lautsprecher.

Die Verfügbarkeit des Echtzeit-Wirkungsgradmessgeräts half dabei, den Energieverbrauch über den Tag einzuteilen - nicht nur durch die optimale Positionierung des Solarpanels sondern auch durch das Bestimmen, wie lange die Ausrüstung benutzbar war, bevor die Batterie leer war.

Es war zwar immer noch eine Herausforderung, da das Team mit Sandstürmen zu kämpfen hatte, welche die Sonne verdunkelten.

Dadurch konnte das Solarpanel die Batterie nicht mehr laden und zwang dazu, den Energieverbrauch einzuschränken.

Aber das System arbeitete so wie es sollte, die Batterie wurde niemals ganz entladen, und alle Beteiligten überlebten den Feldtest unbeschadet.

Über den Autor:

Alan Chern ist Product Evaluation Engineer für die »µModules« bei Linear Technology

Weiterführende Links:

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• Video zum Feldversuch