USB-Lader. Solarwettbewerb Oliver Fröhling, Dennis Scherf, Lukas Thiele und Paul Thiele. Louise-Schroeder-Gymnasium

Transkript

1 Solarwettbewerb 2010 USB-Lader Oliver Fröhling, Dennis Scherf, Lukas Thiele und Paul Thiele Louise-Schroeder-Gymnasium Ein Projekt von EADS und der Stadt München Gesponsert von

2 Inhaltsverzeichnis Idee 3 Solarpanel 4 Wissenswertes über Solarenergie 5 USB-Ladebox 6, 7 Blockschaltbild 8 Messwerte 9 Über uns Verbesserungswünsche Literatur 11

3 Idee Auf der Suche nach einer passenden Idee für das Solarprojekt sind wir auf mehrere Angebote von Solarpanels mit integriertem Akku zum Aufladen von Handys oder Mp3- Playern gestoßen. Beim Lesen der Bewertungen viel uns besonders auf, dass die Leistung nicht ausreichend ist, da selbst stundenlanges laden in der Sonne den Akku eines Handys nicht annähernd füllt. Somit hatten wir unser Projekt gefunden: Eine Solarmatte die am Tag genügend Energie liefert um am Abend Handy und Mp3-Player zu laden. Die Solarfläche musste also im Vergleich zu den Internetangeboten deutlich vergrößert werde. Gleichzeit sollte sie auch leicht zu transportieren sein und die empfindlichen Solarzellen vor Brüchen schützen. Als Schnittstelle zum Laden entschlossen wir uns für den USB-Standard, da hier bereits viele Adapterkabel zum Laden diverser Geräte existieren. Somit mussten wir einen Chip einbauen, der das Laden über den USB-Anschluss steuert. Um die Effizienz zu steigern und gleichzeitig das Laden der integrierten Akkus zu überwachen wählten wir einen MPPT-Chip (Maximum-Powerpoint-Tracker). Nach einiger Recherche stießen wir auf die Firma Linear Technologie, die uns die Chips bereitstellte und uns Informell unterstützte. Solarprojekt 2010 LSG 3

4 Faltbares Solarpanel Das Solarpanel besteht insgesamt aus einhundert Solarzellen und ist in zehn einzelne Streifen aufgeteilt. Die einzelnen Streifen bestehen aus Aluminium als Bodenplatte, auf denen je 10 Zellen mit Silikonkleber befestigt sind. Die Streifen werden von einer Stofftaschenkonstruktion gehalten, die es erlaubt, das ganze Solarpanel zusammenzulegen und für den leichten Transport in einer Standard DIN-A4 Heft-Tasche aufzubewahren. Die Zellen wurden so verlötet, dass insgesamt 50 Solarzellen in Serie geschaltet sind, zwei dieser Strings sind dann parallel geschaltet. Diese Konfiguration wurde gewählt, um günstige Spannungs- und Stromwerte für den Solarladeregler zu erhalten. Im Verlauf der Messungen fiel uns bei Abschattungsversuchen auf, dass ein String so gut wie keine Leistung beisteuerte. Nach genauer Untersuchung mussten wir fest stellen, dass eine Zelle einen Kurzschluss aufwies und eine andere Zelle extrem hochohmig war. Diese beiden Zellen wurden überbrückt, und der andere String aus symmetriegründen auch um zwei Zellen verkürzt. Somit ist die Konfiguration nun 2 * 48 Zellen. Technische Daten (je Zelle): Länge Breite 63mm 24mm U OC 0,6V U MPP 0,5V (Leerlaufspannung) I SC I MPP 150mA (Kurzschlussstrom) 120mA P MPP 60mW (maximale Leistung) Solarprojekt 2010 LSG 4

5 Wissenswertes Wie viel Energie gibt uns die Sonne? In Deutschland setzt man bei der Planung von (stationären) Solaranlagen eine nutzbare Sonnenscheindauer von 1250 Stunden pro Jahr an, bei einer Einstrahlung von 1000W/m 2. Legt man das Solarkraftwerk auf einen Arbeitspunkt von 800W/m 2 aus, so rechnet man mit 1350 Stunden Betrieb *1+. Die Verteilung der Lichtmenge über den Tag zeigt die Graphik oben links. Natürlich ist sowohl der Spitzenwert zur Mittagszeit, als auch die Länge des hellen Tages stark jahreszeitabhängig. Vereinfacht wird die Verteilungsfunktion als Dreiecksfläche angenommen *2+. Die während eines Tages erzielte Leistung ist dann W Tag = ½ * P Mittag * 10 Stunden Lichtstärke der Sonne um 12:00 Mittags: lux Äquator lux Südeuropa lux Bewölkter oder regnerischer Tag in Großbritannien Solarprojekt 2010 LSG 5

6 USB-Ladebox Die USB-Ladebox besteht aus drei Hauptkomponenten: Hauptplatine, USB-Versorgungsplatine und den Akkus. An der Seite der Box ist ein Schalter angebracht, der zwischen den Batterien und dem restlichen Stromnetz eingebunden ist. Bei ausgeschaltetem Zustand können die Batterien weder geladen, noch entladen werden. Das Laden eines USB-Gerätes direkt mit Solarstrom ist jedoch weiterhin möglich. Zusätzlich befinden sich auf der Oberseite 2 LEDs. grün Laden Akkus werden geladen rot Fehler Die Akkus konnten nicht innerhalb 3h voll geladen werden oder reagieren nicht Hier wurde nachträglich der Schalter eingebaut rot+grün Akku- Temperatur Akkus werden nicht geladen, da die Temperatur außerhalb des Bereiches 0-40 C liegt Die USB-Versorgungsplatine besteht aus dem Chip LT3502 von Linear Technologie und regelt die Spannung der Akkus auf 5V und maximal 500mA (USB- Spezifikationen). Bei zu geringem Ladestand der Akkus wird das Laden des USB- Gerätes abgebrochen. Anschluss Solarpanel Als Akkus werden acht Nickel- Metallhydrid Akkus mit je 1.3V und 2500mAh verwendet. Damit entsteht eine Spannung von ca. 11.5V im geladenen Zustand. Überspannungsschutz Solarprojekt 2010 LSG 6

7 USB-Ladebox Der Solarladeregler LTC3652 enthält einen Maximum- Power-Point-Tracker (MPPT) für Solarpanels und einen Akku-Lader in einem Chip. Durch seine hohe Schaltfrequenz (1MHz) konnten sehr kleine Induktivitäten und Kapazitäten verwendet werden. Das Prinzip des hier verwendeten MPPT ist, dass der Regler auf eine konstante Zell- Spannung hin regelt. Grundsätzlich ist auch eine Kompensation der Temperatur der Solarzellen leicht möglich, worauf wir aber vorerst verzichteten. Der Akku-Lader regelt auf einen konstanten Ladestrom; wir haben ihn auf 500mA eingestellt, um unsere kleinen Akkus nicht zu überlasten. Der LTC3652 könnte aber bis zu 2A Ladestrom liefern. Der Ladevorgang beginnt bei 21.6V, ab 22.1V wird der volle Ladestrom erreicht. Bei einer Eingangsspannung von 22.1V wird ein Wirkungsgrad von 95% erreicht. Wir haben am Evaluations-Board von Linear Technology folgende Veränderungen vorgenommen: Eingangsschutzbeschaltung durch selbstrückstellende Sicherung und Überspannungsschutzdiode 620kΩ parallel zu R11 um die Akku- Ladeschlussspannung auf 11,55V einzustellen 330kΩ parallel zu R5 um die Solarzellenregelspannung auf 21,6V einzustellen D6 bestückt mit Schottky Diode SS16 An dieser Stelle einen herzlichen Dank an Herrn Preißner von Linear Technology für die Unterstützung mit Demo-Boards und Muster ICs. Solarprojekt 2010 LSG 7

8 Blockschaltbild Der Schaltplan stellt nur eine grobe Übersicht der grundlegenden Verbindungen dar. So wurde die Verkabelung innerhalb des Solarpanels und auch die eingebauten Ergänzungen wie Sicherungen nicht dargestellt. Solarprojekt 2010 LSG 8

9 Leistung [W] Strom [ma] Messwerte Solar-Laderegler Wir haben durch Anschließen von verschiedenen Leistungswiderständen im Bereich 27Ω bis 470Ω und gleichzeitigem Messen von Strom und Spannung die Kennlinie des Solarpanels ermittelt. Dabei habe wir gefunden, dass die Spannung, bei der die Zelle mit dem besten Wirkungsgrad betrieben wird, nicht 0,5V beträgt, wie angegeben, sondern bei etwa 0,46V weit bessere Ergebnisse erzielt werden Strom-Spannungs-Kennlinie Solarpanel Strom- Spannungskennlinie spätnachmittags :30 Festwiderstand :50 Festwiderstand :50 Solar-Lader :30 Solar-Lader :20 Festwiderstand :20 Solar-Lader :30 Festwiderstand :00 Festwiderstand die hellgrüne und hellblaue Kurve wurde mit 2*48 Zellen aufgenommen, die anderen zu verschiedenen Tageszeiten mit 1*50 Zellen Spannung [V] 25 16,00 15,00 14,00 13,00 12,00 11,00 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Leistungskennlinie Solarpanel spätnachmittags :30 Festwiderstand :50 Festwiderstand :50 Solar-Lader :30 Festwiderstand :30 Solar-Lader :20 Festwiderstand :20 Solar-Lader :00 Festwiderstand Spannung [V] 25 Leistungskennlinie Man kann gut erkennen, wie der Laderegler bei der roten und der dunkelgrünen Kurve den optimalen Arbeitspunkt findet (große Raute). Bei der hellgrünen Kurve wählt der Laderegler gezielt einen ineffizienteren Arbeitspunkt, da hier die Ladestrombegrenzung der Akkus eingreift. Solarprojekt 2010 LSG 9

10 Über Uns Wir sind eine Gruppe von 4 (männlichen) Schülern der Louise-SchroederGymnasiums. Da unsere Schule bereits in den vergangen Jahren erfolgreich vertreten wurde, haben wir uns entschlossen diese Herausforderung anzugehen. Dafür waren uns weder Zeit noch Arbeitsaufwand zu schade. Fotos der Gruppe gibt es wegen unserem Bedürfnis der Wahrung der Privatsphäre nicht. Wir hoffen mit unserem Projekt der Wirtschaft und anderen Gruppen neue Ideen geliefert zu haben. Dennis Scherf, Paul und Lukas Thiele, Oliver Fröhling Verbesserungswünsche Die Solarzellen waren umständlich zu verarbeiten und brachen leicht an den wichtigen Stellen, insbesondere den Anschlussstellen. Wir würden uns für die kommenden Jahre Solarzellen mit einer leichten Schutzbeschichtung und Lötstellen wünschen. Auch die Jahreszeit ist schlecht gewählt, da im Winter die Sonne nicht stark genug scheint um gute Messwerte zu erzielen. Wir konnten die richtigen Messungen erst kurz vor Abgabe durchführen. Um noch mehr Schüler für die nächsten Jahre als Teilnehmer zu gewinnen, wäre eine breitere Informationsstreuung hilfreich. In 2008 hat das Projekt Eingang in die Presse gefunden, seither konnten wir keinen Artikel mehr bei unserer Recherche finden. Solarprojekt 2010 LSG 10

11 Literatur 1. Bernhard Krieg: Strom aus der Sonne, Solartechnik in Theorie und PraxisElektor Verlag, Aachen, 1992, ISBN Only if you live in the Sahara Understanding the limitations of solar-powered equipment FTM Future Technology Magazine , page Bob Zollo (Agilent Technologies): Solarzellen-Testsystem. 2, Standardgeräte messen Abgabeleistung Elektronik Praxis Nr 28. Januar 2010, Seite Trevor Barcelo (Linear Technology Corporation): Monolithisches Batterielade-IC für solarbetriebene Geräte Markt&Technik Nr.6 / , Seite Für Solarzellenanwedungen optimiert Akkulader-IC mit Eingangsspannungsregler ARROW, Distributor No 1 live Dezember Sam Davis: Power-Tracking Battery Charger IC Supports Solar-Power Systems Power Electronics Technology, September 2009, page Jim Drew (Linear Technology Corporation): Designing a Solar Battery Charger Linear Technology Magazine, December 2009, page 12-15, 8. LT3652 Power Tracking 2A Battery Charger for Solar Power, Data Sheet Linear Technology, Rev A 2009, Rev B Demo Circuit 1568A Quick Start Guide for LT3652EDD Linear Technology, 2009, LT3502/LT3502A 1.1MHz/2.2MHz, 500mA Step-Down Regulators, Data Sheet Linear Technology, Rev D Demo Circuit 1089 Quick Start Guide for LT3502A Linear Technology, 2007, Solarprojekt 2010 LSG 11