Dieses Projekt stammt von unserem Gastautor

Horst Grimm

Bin 67 Jahre alt, Mitglied im Erfinderclub Ostfriesland, Amateurfunker, Interessen: Funken, energy harvesting, insbesondere rf to dc, "Erfinden"

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

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

Wie kann man eine Messstation für Wetterdaten bauen, die alleine mit Windkraft und Sonnenenergie angetrieben wird?

Bei mobilen Messstationen z.B. Wetterstationen werden Messdaten entweder fortlaufend (z.B. Windgeschwindigkeit) oder periodisch (Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit) per Funk an eine Basisstation übertragen. 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. Dass 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.

Das Projekt

Geeignet für: Fortgeschrittene, Löten mit SMD-Bauteilen sollte keine Schwierigkeiten bereiten.

Zeitaufwand: ca.8-12 Stunden

Kosten: ca. 100 €, wenn alle Bauteile gekauft werden müssen

Das benötigen Sie: low power dc/dc Wandler, zwei gerahmte Solarzellen (monokristallin), Solarmotor (ca. 0,3-6 V), Schalenrotor mit Nabenbohrung, 2x Energy Harvesting Power Inductors, zwei EDLC Super Cap Kondensatoren, Gehäuse IP65

Das benötigen Sie außerdem: Grundausstattung an Werkzeug

Die Idee

Alles begann mit dem Bausatz AS 341 energy harvesting im Praxisheft 21 des AATiS (Arbeitskreis Amateurfunk und Telekommunikation in der Schule). Dort wurde ein Peltier Element als „Harvester“ benutzt.

Für diesen Einsatzzweck wurde auch der LTC 3108 von Linear Technology als dc/dc Konverter entwickelt. Leider gibt es bisher keinen anderen dc/dc-Wandler, der mit so niedrigen Eingangsspannungen arbeitet.

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.

Der Außensensor

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.

Wie kann man eine Messstation für Wetterdaten bauen, die alleine mit Windkraft und Sonnenenergie angetrieben wird? In diesem Maker-Beitrag erklärt unser Autor, wie er sich mit viel Erfindergeist an eine energieautarke Wetterstation herangetastet hat

Kurzerhand befreite ich den Mikroprozessor, den Messfühler und den Sender aus dem Gehäuse des Außensensors, der sonst mit zwei Mignonzellen betrieben wurde. 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.

Wahl der Energiequelle

Aber wie sollten zwei einzelne Solarzellen 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? Diese sollte niederohmig sein, denn die Eingangsimpedanz des 3108 liegt je nach verwendetem Eingangstransformator zwischen 0,1 Ohm und einigen Ohm.

 

Solarmotor

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. 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 sowohl in die 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.

Entkopplung von Solarzelle und Windgenerator

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.

Wie kann man eine Messstation für Wetterdaten bauen, die alleine mit Windkraft und Sonnenenergie angetrieben wird? In diesem Maker-Beitrag erklärt unser Autor, wie er sich mit viel Erfindergeist an eine energieautarke Wetterstation herangetastet hat

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. Laut 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.

Der Kondensator

Wie kann man eine Messstation für Wetterdaten bauen, die alleine mit Windkraft und Sonnenenergie angetrieben wird? In diesem Maker-Beitrag erklärt unser Autor, wie er sich mit viel Erfindergeist an eine energieautarke Wetterstation herangetastet hat

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.

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.

Das Gehäuse

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.

Die Verdrahtung der gesamten Elektronik realisierte ich über eine 12polige Klemmleiste und eine Streifenleiterplatine. 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 vollständige Bedeckung der Zelle die Energieproduktion verhinderte. Aus diesem Grund habe ich zwei Solarzellen in einem bestimmten Winkel fast senkrecht zueinander angeordnet. 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. Ich habe einen ca. 27cm langen und 20mm dicken (Durchmesser) Spieß verwendet und 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.

Die energieautarke Messstation im Dauerbetrieb

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 beieinander 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.

Die Kosten könnten enorm gesenkt werden, wenn man statt des „Windgenerators“ eine andere Lösung fände.

 

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