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Energieautarke Messstation mit LTC 3108 – ein Energy Harvesting Projekt für Fortgeschrittene

 

Es gibt mobile Messstationen z.B. der Wettermesstechnik, bei der die Messdaten fortlaufend (z.B. Windgeschwindigkeit) oder periodisch (Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit) per Funk an eine Basisstation übertragen werden. Dort werden sie angezeigt und können weiter ausgewertet werden. Allen Messstationen ist gemein,

dass sie zur Aufnahme und Übertragung der Messdaten eine Energiequelle benötigen.

Das sind in der Regel Batterien oder Akkus, die in regelmäßigen Abständen erneuert bzw. aufgeladen werden müssen. Das es auch anders geht soll dieses Projekt zeigen.

Die folgenden Ausführungen sind nicht als fertiges Projekt zu verstehen, sondern sollen Anregungen für eigene  Ideen liefern.

 

Alles begann mit dem Bausatz AS 341 energy harvesting im Praxisheft 21! (1)

Dort wurde ein Peltier Element als „Harvester“ benutzt.

Für diesen Einsatzzweck wurde auch der LTC 3108 von Linear Technology als dc/dc Konverter entwickelt. (2)

Nach Aufbau und Erprobung des Bausatzes versuchte ich es mit einer einzelnen Solarzelle  am Eingang des LTC 3108 – ein voller Erfolg.

Jetzt reifte in mir die Idee, einen Außensensor für eine „normale“ Wetterstation mit   diesem IC aufzubauen, der ohne Batterien oder Akkus auskommen sollte.

Bild 1 zeigt das Blockschaltbild; die Farben in Klammern sind identisch mit denen

aus dem Bausatz AS 341.

Viele Discounter bieten in Sonderaktionen Wetterstationen für kleines Geld an.

Diese Wetterstationen bestehen  aus einer Basisstation und einem Außensensor. Der Außensensor mißt in der Regel Temperatur und / oder Luftdruck und sendet diese Daten in Abständen von 30 oder 60 Sekunden meist auf 430 oder 860 Mhz an die Basisstation. Ich hatte bereits eine Wetterstation von einem Brillenhersteller.  Kurzerhand befreite ich den Mikroprozessor, den Messfühler und den Sender aus dem Gehäuse des Außensensors, der sonst mit zwei Mignonzellen betrieben wurde. (Bild 2) Der Stromverbrauch an meinem Labornetzteil betrug ca. 8mA für weniger  als eine Sekunde. Andere Fühler, die ich gemessen habe, hatten schon mal eine Stromaufnahme von bis zu 20 mA.

Aber wie sollten zwei einzelne Solarzellen (3) den Stromverbrauch über Tage liefern, wenn keine Sonne da war und Nacht wurde es ja schließlich auch.

Also war die Frage, welche zweite Energiequelle kommt infrage, die man auch an den LTC 3108 anschließen kann und die niederohmig ist, denn die Eingangsimpedanz des 3108 liegt je nach verwendetem Eingangstransformator zwischen 0,1 Ohm und einigen Ohm.

Vor diesem Projekt hatte ich mich mit analogen Windmessgeräten beschäftigt und hatte in der Bastelkiste noch einen kleinen Solarmotor  und ein Schalenkreuz aus dem Yachtzubehörhandel.(5) Der Solarmotor mußte nun als Generator herhalten, der  Gleichstrom lieferte – entweder parallel zu der Solarzelle oder alleine. Am besten geeignet sind Solarmotoren, die bereits bei wenigen Umdrehungen eine Spannung abgeben und deren Lager qualitativ hochwertig sind. Die feinmechanische Arbeit, die Welle des Solarmotors mit dem Schalenkreuz zu verbinden ,verlangte mir einiges ab. Es gelang mithilfe eines zylinderförmigen Stückchen Messings in das auf beiden Seiten eine entsprechende Bohrung eingebracht wurde und in die sowohl Motorwelle wie auch Schalenkreuz passgenau eingesetzt wurden. Bei etwas zu groß geratenen Bohrungen hilft Sekundenkleber.  Um das Lager des Solarmotors vor Feuchtigkeit zu schützen, wurde er „hängend“ eingebaut, also mit dem Schalenkreuz nach unten.  Wer gleich einen langlebigen Motor/Generator einbauen will, der sei an die Firma Faulhaber verwiesen, deren Produkte auch über Lemo-Solar  vertrieben werden. (4)

 

Die nächste Überlegung war, wie die Solarzelle und der „Windgenerator“ voneinander entkoppelt werden sollten. Schließlich war es doch so, daß bei Nacht die Solarzelle einen niederohmigen Widerstand darstellte und der Generator dann seine Leistung in die Solarzelle abgeben würde. Sie würde sich aufheizen. Dioden hätten eine zu hohe Schwellspannung – egal ob nun Silizium oder Schottky. Ergebnis der Überlegungen: es müssen zwei getrennte Bausätze AS 341 eingebaut werden – einer für Solar und der andere für Wind. (Bild 3)

Der LTC 3108 arbeitet ab einer Eingangsspannung von 20 mV, wenn er mit einem Eingangsübertrager von 1:100 bestückt wird, was beim Bausatz AS 341 der Fall ist.

Lt. Datenblatt darf das Produkt aus Eingangsspannug und Transformationsfaktor

50 Volt nicht überschreiten! Daher ist die maximal zulässige Eingangsspannung bei einem 1 : 100 Übertrager auf 500 mV begrenzt, bei einem 1 : 50 Übertrager auf  1 Volt usw.  Also mußte ich beide Eingänge vor Spannungen über 500 mV schützen.

Dies geschieht mit einer Schottky Diode SB 340, die bei Spannungen ab ca. 300 mV durchlässig wird und die Spannungen nach Masse ableitet.

Um mögliche Rückströme in die Schaltung zu verhindern und eine Entkoppelung der beiden auf 3,3 Volt eingestellten Ausgangsspannungen zu erreichen, wurden die Spannungsausgänge ebenfalls mit zwei Schottky Dioden SB 140 versehen. Hier könnte man vielleicht auch mit Germanium-Dioden experimentieren.

In den technischen Daten des LTC 3108 werden sowohl Eingangsübertrager der Firma Coilcraft als auch der Firma Würth empfohlen. (6)

 

Am Ausgang V-Store kann jeweils ein Speicherkondensator aufgeladen werden, aus dem dann der Eingang des LTC 3108 versorgt wird, wenn keine Energie von der Solarzelle oder dem Windgenerator zur Verfügung steht. Ich habe mich für zwei EDLC Kondensatoren 3 Farad, 5 V von der Firma Cooper Bussman entschieden, da ich zuvor mit den sogenannten gold caps schlechte Erfahrungen gemacht hatte. (7)

Das Aufladen dieser Kondensatoren dauert natürlich entsprechend lange, da sie nur dann geladen werden, wenn der Ausgang V store zugeschaltet ist. Ich habe diese Kondensatoren vor dem Einbau aufgeladen, um gleich eine entsprechende Reserve zu haben.

Nun stellte sich die Frage nach einem passenden wetterfesten Gehäuse, um die Elektronik und alle anderen Teile aufzunehmen. Ich entschied mich für ein Kunststoffgehäuse von Bopla mit der Schutzart IP 65. (8)

Die Verdrahtung der gesamten Elektronik realisierte ich über eine 12polige Klemmleiste und eine Streifenleiterplatine. (Bild 4)

Den Mikroprozessor, den Sender und den/die Fühler habe ich einfach locker in das Gehäuse gelegt. Für den Temperatursensor habe ich ein 3mm Loch in den Boden des Gehäuses gebohrt und den Fühler ein Stück rausschauen lassen, damit er auch tatsächlich die Außentemperatur misst. Als Antenne für den 430 Mhz-Sender habe ich einfach ein 30cm langes Stück dünne Litze an den Ausgang des Senders gelötet und durch eine dünne Bohrung nach draußen geleitet. Die Reichweite beträgt bei meiner Station ca. 150m im Freien.

Nach Versuchen mit einer Solarzelle, die flach auf das Gehäuse  geklebt war, stellte sich heraus, daß bei Schneefall eine vollstängige Bedeckung der Zelle die Energieproduktion verhinderte. Aus diesem Grund habe ich zwei Solarzellen in einem bestimmten Winkel  fast senkrecht zueinander angeordnet. (Bild 5) Eine zeigt nach Süden und die andere nach Westen.

Meine erste Überlegung zur Aufstellung des Sensorgehäuses ging in Richtung kleiner Rohrmast und dann das Gehäuse mit einem „Spieß“ aus Edelstahl in das Rohr stecken. Ein solcher „Spieß“ wurde in Form einer Garten-Solarlaterne von dem Discounter mit dem großen A angeboten. Also den ca. 27cm langen Spieß mit 20mm

Durchmesser von der Solarlaterne abgebaut, ein 10mm großes Loch in das hintere Ende des Gehäuses gebohrt, eine große Unterlegscheibe von innen auf die Bohrung gelegt, den Spieß mit dem Gewindebolzen durch das Loch gesteckt und verschraubt.

 

Meine energieautarke Messstation läuft – bis auf eine Störung – seit dem 22.März 2013 störungsfrei. Bei lang anhaltendem Regen und starkem Wind war durch die Bohrung des Temperatursensors Wasser in das Gehäuse eingedrungen und der Speicherkondensator war nass geworden. Nach dem Trocknen des „Innenlebens“

war alles wieder o.k. Es bietet sich also an, vorsichtshalber alle Teile der Schaltung mit einem Abstand von ca. 1cm zum Gehäuseboden zu montieren.

 

Desweiteren habe ich Versuche mit einem elektochemischen Element gemacht. Dazu habe ich ein unbehandeltes Stück Aluminiumprofil (ca. 50cm) und ein Kupferrohr von ca. ebenfalls 50cm Länge dicht beeinander in den Gartenboden eingeschlagen.

Die Spannung liegt bei ca. 500-600 mV, bricht aber bei Belastung sofort zusammen.

Innenwiderstand der Quelle liegt bei ca. 2,2 bis 3,3 kOhm. Damit ist es nicht für den LTC 3108 geeignet.

 Wer eine dauerhafte Wechselspannungsquelle in der Nähe hat, kann mit dem LTC 3109 experimentieren, der mit zwei Eingangsübertragern arbeitet und Wechselspannungen von 30mV bis 300mV auf die entsprechenden Ausgangsspannungen transformiert.

         

Quellen:

  • AATiS, Bausatz AS 341, Praxisheft 21, S.61-64
  • Linear Technology, LTC 3108
  • Ultra low Voltage Stepup Converter and Power Manager
  •  (3)  gerahmte Solarzelle, monokristallin, 60x60mm, 0,5 Volt

    Niedersächsische Lernwerkstatt für solare Energiesysteme

    am Institut für Solarenergieforschung ISFH, Hameln/Emmerthal

    alternativ:  Lemo-Solar, www.lemo-solar.de

     

    (4) Lemo-Solar,Glockenanker WUNDERMOTOR Anlaufspannung 0,08 Volt

     Art.Nr.: LE2201

      Pollin elektronik, www,pollin.de

      Conrad Solarmotor 0,3 - 6 V Motor-Wellen-L¦nge 10.8 mm Wellen-￘

      2 mm , Nenndrehzahl 250 U/min    

     

     

    (5)  https://www.svb.de/de/vdo-ersatz-schalenrotor-mit-nabenbohrung.html

     

    (6) www.mouser.de

     Wurth EHP Energy Harvesting Power Inductors

     Übertrager 1:50,   Mouser Teile Nr. 710-74488540120

     Übertrager  1:20,   Mouser Teile Nr. 710-74488540250

     

      •  rs components
      • Bussmann PHB Super Cap Doppelschicht Kondensator,        5 Volt, 3 Farad, minus 25 bis plus 70 Grad, rs-Best.Nr. 763-7826
         
      • Reichelt Elektronik
      • Bopla ET 220, IP65, Spritzwasser geschützt
        •  

          Autor: Horst Grimm, DB8BG

          Kontakt: grimmihaus@gmx.de

           

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