Svenska ElektronikForumet

Hej,

Jag håller på med mitt vindmätarbygge och har nu börjat fundera över batteridrift.

Just nu är det GSM-modulen som sätter gränserna, den har en input range 9-12V till sin regulator och modulen kan under sändning dra 2A under korta perioder. I/O till modulen kan vara antingen 5V eller 3.3V (beroende på vilken spänning man lägger ut på en viss pinne).

Till detta har jag en AVR-processor där jag kan sätta in valfri regulor. AVR:en (Atmega168p) verkar fungera med både 3.3V och 5V.

Jag har ännu inte funderat ut exakt vad för slags batterikapacitet jag behöver, men jag kommer nog vilja använda ett 12V batteri. Vad är en lämplig setup för laddning av sådan via solcell? Jag har sett väldigt enkla lösningar där solcell går rakt in i ett batteri och sedan vidare till "lasten" med en diod som förhindrar läckage på natten. Men detta verkar ställa krav på batteriet? Hur är verkningsgraden? Vill helst inte behöva överdimensionera solceller bara för att laddningskretsen är ineffektiv.

Ser helst att batteriet blir litet, gärna som ett mobilbatteri. När jag studerade mitt mobilbatteri stod det varningstexter om att det kan explodera om fel laddare används, och att det finns logik i batteriet som man måste interface:a med. Whats up with that?
Eftersom jag har en AVR tänkte jag att jag kan låta den sköta laddningen, utifall det är lönt att använda ett sådant "komplext" batteri?

Vad rekommenderar ni? Mina önskemål är laddning via solcell (ej inköpt ännu), 12V drift och att fysisk batteristorlek är liten. Jag uppskattar att min vindmätare kommer behöva sända ut data via GPRS/GSM-modulen en gång var 10:e minut, annars kommer den ligga i power-savemode och dra nån/några mW.

Skall man bygga solcellsdrivna saker så har man kommit elektronikvärldens motsvarighet till 'extremsport' där en stor bit är kartläggningen på hur mycket energi behöver du per dygn och hur mycket energi kan du skaffa fram när väder och ljusförhållande är absolut som sämst - typ gråmulet 1-3 timmar per dygn i två veckor i sträck kring midvintersolståndet.

Du har alldeles utmärk tillfälle att analysera detta nu inom de närmaste månaderna genom att sätta upp en liten solcell i tänkta vinkel utomhus och mäta strömmen den generera med ca 0.364 V motspänning per solcellselement (motsvarar 3.7 Volt vid 11 solceller i serie + 1 schottkydiod i serie med solcellerna kopplad till en LiIon batteri med ungefär 50% laddgrad) och sedan logga strömmen kontinuerligt och av detta räkna ut hur mycket energi du kan samla ihop per dygn som tex. en gråmulen midvintersolståndsdag baserat på aktuella solcellens yta. Sedan handlar det om att skala upp det till det som motsvarar din förbrukning inkl. laddförlusterna på din anläggning. ...vid -20 grader C...

Det innebär också att bygga så strömsnålt det bara någonsin går - på närmast nördnivå! - helst direktmatat från batteri utan att använda regulatorer då regulatorernas läckströmmar kommer vara dominerande förbrukare när allt ligger i sleep-läge. Den största förbrukaren kommer vara ditt GSM-modem och du kan nog glömma dina uppringning var tionde minut om du skall ha rimligt stora solpaneler...

Det betyder också för din del att logiken måste fungera mellan 3.0 - 4.2 Volt ingångsspänning (och motsvarande 3 ggr högre för modemet) och stänger av sig fullständigt om spänningen går under 2.9 Volt/cell - det får inte ens dra µA ström från batteriet när det väl har slagits av om du skall ha LiIon/LiPol-batterier som strömbuffert när solcellerna inte ger någon ström.

ditt GSM-modemet går på spänning mellan 9-12 Volt vilket indikerar att du förmodligen måste ha två olika strömförsörjningspaket med varsina solceller - ett för modemet med 9 Volt och ett för resten av 3-Volt logiken - att köra med switchade omvandlare för att transformera mellan spänningarna tar helt enkelt för mycket energi och har för mycket läckström vid noll-last - sådant har man inte råd med om det skall matas via solceller om man inte gillar att klä hela husväggar med solpaneler...

Det bästa här är förstås att hitta GRS-modem som går på en mobiltelefonbatteri och motsvarande LiIon-celler med genomsnittspänning på 3.7 Volt (dvs fungerar mellan 2.9 - 4.2 Volt)

---

jag har mätt lite grand på clas ohlssons 'usb-batteripack' http://www.clasohlson.se/Product/Produc ... =153309003, art:nr 38-3632 om inte länken fungerar.

den har ett LiIon-batteri på 1100 mAh i sig (ganska typisk storlek som i en nalle) och har 11-celler solceller som laddar batteriet via en diod typ BAT65 och före dioden har man en zenerdiod typ BZX84C4V7 som överspänningsreglering. Zenerdioden är kopplad före BAT-65 för att en zenerdiod har för mycket läckström även under sin zenerspänning för att kunna kopplas in tvärs över LiIon-batteriets poler.

Vid 100000 Lux (motsvarar solljuset midsommardagen kl 13:00 klarblå himmel) så ligger strömmen på mellan 50 - 60 mA kortslutningsström på solcellerna

Har verifierat att det laddar mellan 40 - 50 mA vid samma starka ljus även med motspänning @ 4 Volt på batteriet - dock börja det hända saker när spänningen är runt 4.3 - 4.5 Volt (från solcellen) och strömmen minskar från solcellsskedjan (11 celler) - en orsak är att mörkerströmmen/läckströmmen ökar väldigt snabbt med ganska liten ökad spänning - vid 3.27 Volt mot solcellen var läckströmmen baklänges 0.3 mA, 3,6 Volt var det 0.9 mA, vid 3.7 Volt vad det 1.1 mA, 3.9 Volt var det 1.6 mA, 4.1 volt så var det 3 mA medans vid 4.3 Volt så hade den stigit till runt 7 mA backström - det betyder i sistnämda fallet att solcellen måste generera 7 mA för sin egen 'ofullkomlighet' och det som blir över går till laddning vid 4.3 Volt motspänning (4.0 volt batterispänning) - det gör att en sådan solcellkedja laddar ganska dåligt vid svag sol mot ganska fullt batteri då det mesta av sin strömkapacitet går åt för att tillverka kompensationström för sin egen läckström, medans läget är bättre vid tomt batteri @ 3.25 Volt och med solcellspänningen 3.6 Volt börja ladda med 1 mA redan när solcellens motsvarande kortslutningström når 2 mA (dessvärre var kortslutningsströmmen bara 1.24 mA vid gråmulet väder mitt på dagen - om det laddar alls så är det banne inte mycket... )

Det här med med läckström i själva solcellen slåss alla solceller med så det är inget unikt för den här produkten.

Skall man ladda säkert även vid låg ljusflöde med dom få mA som bildas så måste man har flera solceller i serie än 11 celler om man skall ladda en LiIon-batteri även när den närmar sig 4.2 Volt polspänning.

---

Att tänka på - ingen del av solpanelen får vara skuggad - den cell-delen som har minst ljus är det som bestämmer strömmen för hela kedja och är den helt skuggad så är det noll i ström även om resterande 10 celler har full belysning - det gör att skräp, grässtrån etc.på solcellsytan har klar strömreducerande effekt, även om det bara är en liten hörna som skuggas.

Att lägga en plastpåse eller gladpack för att gör det mer regntåligt drar ned strömmen med 30% vid samma soljus pga. ökad ytreflektion i flera lager mm.

Kan man reflektera in mer ljus så ger det mer ström, dubbel ljusmängd ger dubbel ström - dock se upp för ökade värmen på själva solpanelen med batteri bakom - skall man spegla in ljus under värsta solgasset för mer ström så måste man ordna kylning på något sätt - själva lådan med solcellen och batteri bör inte bli varmare än 45 grader eller så. den inreflekterade ljuset måste vara helt jämt och lysa på samtliga celler - missar man en cell så värmer man bara upp panelen extra utan någon mer ström.

Med den här övningen så lärde man sig ånyo att det ögat bedömer som halverad ljusstyrka i själva verket minska solcellens ström med en faktor 10 - en liten lätt molnslöja som sticker in i solen och som knappt märks så minskar strömstyrkan från 50 mA till 10 mA...

Oj, vad mycket bra information! Stort tack xxargs!

Anledningen till att jag valt GSM-modulen från Rhydolabz är just för att den verkade "enkel" att jobba med, mycket tack vare att den hade en färdig regulator som fixar strömspikar, för att den har färdigpålöddad SIM-kortshållare, färdigmonterad antennkontakt och att den fungerar med både 3.3 och 5V TTL. Men nu inser jag att jag grävt mig en liten grav här och kanske borde satsat på en lite mer "naken" breakout-modul och tillfört SIM-hållare och strömkälla själv, för att få det så strömsnålt som bara möjligt.
Det verkar som nästan alla GSM-moduler faktiskt kör 3.8V, så jag gissar att jag gör mig en oförtjänst genom att prototypa i en labbmiljö där jag använder ett 12V nätagg

Det är inget problem att beställa hem en ny modul, men då vill jag helst inte göra samma misstag igen.

När det gäller rapportering var 10:e minut så är det utsändning av 1 UDP paket, det är inte tal om något telefonsamtal. Tror du inte det går? Jag har kikat på existerande kommersiella lösningar, t.ex. AWS-X GSM från DPS Promatic, som tillåter att man ringer vindmätaren fritt och får vinddata uppläst i luren. Varje samtal kan vara upp till 30s och under vissa dagar kan det ringa folk mest hela tiden. De skriver att de använder ett 7 Ah batteri och att det skall räcka i 15 dagar under "mulet" väder.

Jag är väldigt nyfiken på dessa mätningar du gjort vintertid. Förstår dock inte exakt hur du kommit fram till din testrigg? Den enda panel jag har hemma just nu är en stor knölig 20V/10W panel som jag köpte från "Kina-beställningen" här på forumet för ett tag sen. Jag har ingen aning om hur många solcellselement den har, kan jag ändå bygga nån mätrigg som jag kan ställa på balkong?

Varför innebär detta att jag måste använda 3.0-4.2V? Är det så att alla LiIon/LiPo är 3.7V? Blir detta enklare om man undviker LiIon-batterier? Säg t.ex. om man kopplar på en blyack modell mindre?

Vad innebär motspänning? Är det batteriets spänning, som motverkar strömmen från solpanelen? (Jag trodde det var detta man kunde undvika med en diod?)
Är det ett problem att mörkerströmmen växer sig större när batteriet börjar bli fullladdat? Om solpanelen måste kämpa för att fortsätta ladda ett fullt batteri gör det väl inget? sol är gratis
Jag gissar att läckströmmen inte fortsätter på natten när solcellen inte längre "stretar" emot?

Vad rekommenderar du för solpanel om jag byter till ett system som går helt och hållet på 3.7V? Jag var under uppfattningen att det var väldigt väldigt viktigt att reglera strömmen i olika laddfaser när man jobbar med dessa mer avancerade batteri. På dig låter det som det är OK att koppla rakt på batteriet

Solcellerna laddar ett större blybatteri eller Lipo-batteri (priserna på 11,1V 4000mah är mycket låga).

GSM-modulen kan förhoppningsvis går direkt på det batterier.

Microdatorn får ha en egen regulator.

Sen måste ju solcellerna ger tillräckligt med ström, antingen med större och/eller med speglar/styrsystem.

Ett annat alternativ är att helt strunta i solcellerna och köra på ett par bilbatterier. Så får man ladda en gång var 6 månad.

blybatterier får inte laddas ur mer än 50% både pga sulfaticeringsrisk och risk för frysning i kallare temperatur och slutar ge ström

Det som är intressant ang den kommersiella applikationen är var den var placerad på jordklotet - det är väldigt stor skillnad på solinstrålning/dygn vintertid om man jämför Sverige och italien... och räkna du på att använda solinstrålning från molnfria soldagar för laddningen och inte dom 5% av solljuset som en gråmulen dag ger för laddning så blir det att sätta stora batterier då det som bekant kan vara gråmulet två månader i sträck på vintern i det här landet...

Rigga upp din panel (utomhus utan glasfönster eller något framför) och mätt kortslutningsströmmen med en amperemeter - helst 1 ggr i sekunden mha. dator och loggfil

jag lovar att du kommer inte att mäta någon Ampere på en 10W panel utan strömmen kommer bara att ligga på 10 - 50 mA en gråmulen vinterdag...

sedan behöver du också ta upp hur mycket backström panelen (utan backdiod inkopplad) leder i mörker vid olika spänningar om du skall räkna på det mer seriöst.

tänk på att om panelen leder 20 mA backström vid 13 Volt (utan backdiod) så gör den också detta när panelen är utsatt för ljus - om solljuset tillverkar 100 mA så kommer 20 mA ledas direkt i solcellens läckage innan den ens når backdioden och det som blir över är 80 mA som leds ut genom backdioden till 13 Volt-batteriet som skall laddas. vid 5 Volt så kanske denna läckström bara är 1 mA... vid kortsluten solpanel så ser man exakt hur mycket ström som genereras av inkommande soljus med minimal förlust - men så fort solpanelens spänning höjs så minska möjliga strömuttagen vid olika spänningar (vid samma ljusinflöde) beroende på den inre läckaget som blir starkar ju högre spänning...

vid svaga ljusnivåer så blir solpanelens läckström vid olika spänningar mycket viktig faktor att räkna på om man skall få ut någon ström eller inte vid olika polspänningar.

Vår skärmflygarklubb äger två stycken av dessa Italienska vindmätarna (från DPS Promatic), och de fungerar alldeles utmärkt i vårt väder. Vi har en nära Ystad utmed kusten och en i närheten av Helsingborg. En av dessa sänder UDP-paket var 10:e minut, där man bl a kan se spänning på batteri och ifall den går på solpanelsdrift eller på batteriet. Hittills har vi inte haft några driftavbrott. Deras lösning verkar rätt bra dimensionerad, givet att den går att ringa, har jättemycket funktioner och dessutom sänder GPRS då och då.

Jag ska definitivt rigga upp mätning för min panel! Finns det nått smidigt sätt att mäta strömmar med AVR? Min multimeter är ganska dum, hade varit fint att få det på fil. Borde väl finnas nån trevlig hålmonterad ström-mätar-krets man kan trycka på ett protoboard med en AVR och sen dra ner polerna från solpanelen där

Mät spänningen över ett motstånd med AVRen bara, eventuell behöver du förstärka spänningen om du använder ett lågt motstånd.

Nu har jag gjort lite testmätningar genom att koppla min 20V/10W panel på ett 1k+3k motstånd i serie och mätt spänning över 1k-motståndet. Jag blev tvungen att dividera ner spänningen på detta vis eftersom min Arduino bara kan A/D-omvandla upp till 5V.



Måste säga att jag är ganska besviken efter en mätning över natten. Nu stod förvisso panelen inomhus, på fönsterbrädan med suboptimal vinkel, ut mot min balkong som är delvis skuggad. Dygnet har inte heller bjudit på det "bästa" vädret, men ändå.

Är det fel av mig att förvänta mig mer än en 2 mA-topp under dagstid? Är det för mycket last med 4k ohm?

Du skall inte mäta på spänningen - du skall mäta på strömmen när den är närmast kortsluten via shuntströmmotståndet du mäter strömmen över (i delar av Ohm) .

strömmen anger hur mycket ljusmängd som faller in... ...och det är den du egentligen vill veta

nu får du spänningen från panelen om du har 4 kOhm last och den är ganska konstant även vid varierande solinstrålning när det kommer över en viss nivå.

att mäta bakom fönster är ingen bra ide - du kanske bara har 30 - 50% av den effekten som du får när panelen står fritt utomhus. - varje lager glasyta tar bort minst 4 % och kanske uppåt 10 % ljus bara i reflektionsförluster, att sätta en klar plastpåse över panelen tog 30% när jag provade


---

jag är inte ett dugg förvånad att det ger jättedåliga resultat - faktiskt ganska förväntat.

solljuspaneler är inget för sverige vintertid - det finns inget att hämta där den vägen

Shuntströmmotståndet?

Jag måste väl mäta spänning om jag vill använda en AVR? Om motståndet är känt kan jag ju beräkna strömmen, som jag gjorde i plotten ovan.

Menar du att jag skall sänka totalmotståndet? Skulle ju kunna fixa kanske 1+3 Ohm (om jag nu har så små motstånd hemma..).

Tanken är att flytta ut panelen och montera den riktigt så fort jag vet att jag mäter på rätt sätt.

Ja han skriver ju att du ska mäta kortslutningsströmmen, vet inte om jag tycker att 4kohm är kortslutning. Men ja, sätt dit ett 1ohms (1+3 behöver du inte) motstånd och mätt spänningen över den med AVRen.