Projekt-Charta: SolarBox

Ein System zur unabhängigen Photovoltaik-Stromversorgung und -Speicherung mittels LiFePo4-Akkus
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case
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Projekt-Charta: SolarBox

Beitrag von case » Sa 13. Sep 2014, 14:27

Projekt-Charta SolarBox
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Einführung:
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Das OpenHardware-Projekt SolarBox befasst sich mit den Grundlagen einer unabhängigen Photovoltaik-Stromversorgung und -Speicherung mittels LiFePo4-Akkus. Ein besonderer Stellenwert liegt auch auf der grafischen Visualisierung der Solardaten zur Effizienz-Kontrolle, aber auch als Grundlage für zukünftige Weiterentwicklungen des Systems.


Anwendungen:
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Das Konzept beinhaltet Referenzimplementierungen auf drei unterschiedlichen Komplexitätsstufen, für jeweils drei verschiedene Anwendungsbereiche und Leistungsanforderungen:


1. Solarbox PowerBank

Die Powerbank dient zur Versorgung mobiler Devices wie Laptop, Tablet oder iPhone. Die (zum derzeitigen Stand d. Technik) angestrebte Speichergröße liegt im Bereich von 10 bis 15 Ah bei 6 bis 12 Volt Systemspannung. Dabei kommen Solarpanels von 10 bis 20 Wp Nennleistung zum Einsatz.


2. Solarbox eBike

Hierbei handelt es sich um eine Art solaren Range-Extender für Pedelecs und e-Bikes. Typische Akkugrößen liegen im Bereich zwischen 360 und 540 Wh bei 36V Betriebsspannung. Damit allein kann man schon 40 bis 60Km weit fahren (mit 25 Kmh Tempo), aber wenn die Sonne scheint sollten noch größere Reichweiten möglich sein. Dies herauszufinden ist Gegenstand dieses Teilprojekts, wobei die Enwicklung eines geeigneten Ladereglers und BMS im Vordergrund steht.

Die Panelgrößen können hier variieren, zwischen kleineren Panels ab 40Wp, welche direkt am Rad befestigt werden, wie etwa am Gepäckträger, und größeren Panels bis 100W oder mehr, die auf einem separaten Fahradanhänger montiert sind - welcher somit auch noch Platz für einen zweiten Akku und damit noch größere Reichweiten garantiert.


3. Solarbox BaseLoad

Hierbei handelt es sich um ein Energie-Management- und Speichersystem für eine kleine Haus-Inselanlage, welches ca. 100 bis 300 W Leistung für BaseLoad-Anwendungen bereitstellten kann mit Panelleistung bis etwa 1.2KWp und Akkukapazitäten bis 2.4 KWh (8 x 100Ah-Akkus bei 24V).

Damit erreicht man zwar noch keine absolute, aber immerhin eine kleine Teilautonomie und gleichzeitig ist diese Anlagen-Klasse als System für den Einstieg hervoragend geeignet. Der Ansatz einer solaren Steckdose als "all-out-of-the-box"-Lösung stellt einen alternativen Entwurf zu den sogenannten "Guerilla-Photovoltaik"-Anlagen dar, welche in punkto Storage die Akku-Speicherung mehr oder weniger aussenvor lassen und stattdessen auf eine Grid-Connection setzen. Dies ist problematisch, weil die Gridverträglichkeit der Microinverter, oder zumindest deren Zulässigkeit erhebliche Reglemntierungen beinhaltet und man sich derzeit insgesamt noch in einer rechtlichen Grauzone befindet und dieser Zustand im Hinblick auf Großwirtschaftliche Partikularinteressen möglicherweise noch länger anhalten könnte.

Bei der Solarbox hingegen hat man einfach eine separate, solare Steckdose, an die man eine wohldosierte Menge an "Grundlast"-Geräten anstöpselt, also zB. sowas wie die Tiefkühltruhe im Keller. Damit hat man eine Teilversorgung während der sonnenreichen Stunden, und täglich noch ein bischen darüberhinaus aufgrund der Akkukapazität. Dass der Akku dadurch belastet wird ist aufgrund der zu erwartenden hohen Zyklenzahl der LiFePo4-Technologie gut zu verkraften und ausserdem kann man die Zyklenzahl noch weiter erhöhen, im Abgleich mit (bzw. auf Kosten von) der Menge an täglicher Grundlast-Leistung. Wichtig hierbei ist, das eine Netz-Vorrangschaltung automatisch wieder auf Grid-Betrieb umschaltet, sobald die Akkus erschöpft sind und keine Sonne scheint.

Daher ist das umfangreiche sammeln und visualisieren von Daten zur Laufzeit und natürlich eine Benutzerschnittstelle zur detaillierten Systemsteuerung und -Konfiguration ein zentraler Aspekt sowohl von diesem als auch von den bei den anderen Teilprojekten. Es sollte damit jederzeit möglich sein, nicht nur den reinen Ertrag zu messen, also wieviel nutzbare Energie herauskommt, sondern auch den Roh-Input, also wieviel Energie, die vom Solarpanel kommt, kann am Ende dann auch tatsächlich genutzt werden. Damit wird der Wirkungsgrad des Systems transparent, der von vielen Faktoren wie Inverter, Akkus und dem Nutzerverhalten bzw. den situativen Rahmenbedingungen abhängig ist. Dies ist nicht nur für die Auswahl der Komponenten und damit die Systemkonfioguration wichtig, sondern auch, um für Weiterentwicklungen und Optimierungen eine Erfolgskontrolle zu haben.



Rahmenbedingungen:
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OK, ein maximaler Ertrag aufgrund optimaler Systemkontrolle an sich ist natürlich auf jeder der drei Ebenen wünschenswert. Es ist aber ohnehin ein Ziel des Solarbox-Projektes, die Gemeinsamkeiten aller drei Skalierungslevel zu identifzieren, um daraus ein abstraktes und übergeordnetes Modell zu erstellen, welches die grundlegenden Komponenten einer Solarbox darstellt und dokumentiert.

Konzeptuelle Gemeinsamkeiten aller drei Level sind z.B:

- Lademodus CCCV

- Balancing und BMS

- Grundkomponenten wie Panels, Akku, Laderegler

- LiFePo4, bis zu 2000 Zyklen, hochstrom- und schnellladefähig

- Netzvorrangschaltung

- Daten-Visualisierung


Die Skalierung hingegen bietet die Möglichkeit den Arbeitsansatz so zu gestalten, dass man zunächst auf dem niedrigschwelligen Level der Powerbank mit der Entwicklung beginnt und die daraus gewonnen Erfahrungen dann soweit möglich auf die beiden höheren Level überträgt oder aber sich eben auf die Höherskalierung konzentriert.

Im Mittelpunkt der Entwicklung steht auf jeder Ebene die Ladereglertechnik (Hardware) und Datenvisualisierung (Software), aber auch Dinge wie die Komponentenauswahl stellt gerade für Einsteiger aufgrund eines unüberschaubaren Angebotes eine schwer zu überwindende Hürde dar. Das Internet kann ist dabei nicht unbedingt hilfreich, weil in einschlägigen Foren jeder eine andere Meinung hat, welches das beste System sei ;) .

Die Solarbox hingegen bietet Referenz-Implentierungen mit erprobten Komponenten und Bezugsquellenangaben (BOMs) und Bauplänen. Daher werden die Komponenten auch als fester Bestandteil des UniProKit Baukasten-Standards in Form eines Solar-Sets in den UniProKit-Bauteilekatalog eingegliedert.


Orientierung: ähnliche Technologien:
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Ladregler-Technik an sich ist nichts Neues, aber ein Grossteil davon bezieht sich auf Blei-Säure- oder NiCad/NiMh-Akkus. Im Bereich Lithium gibt es Einiges für LiPO-Akkus, das wäre theoretisch auch für LiFePO4 verwendbar, allerdings setzt das voraus, das Schwellen-Werte wie Lade- und Entlade-Schlussspannung frei prograqmmiert werden können. Bei den vielen Hersteller-Lösungen in diesem Bereich handelt es sich jedoch oft um hochintegrierte Chips, welche autonom, d.h. Nicht-uC-gesteuert, arbeiten und feste Werte sozusagen hardverdrahtet haben. D.h., man ist davon abhängig, was der Hersteller glaubt, welche Parameter sinnvoll wären. Das hängt aber wiederum von der Art der Anwendung ab, also z.B. ob man die Akku-Kapazität unbedingt bis zum letzten Quentchen ausnutzen möchte (z.B. Modellflug-Anwendung, oder Mobile-Devices) oder aber gezielt darauf verzichtet, etwa zugunsten einer Verfielfachung der Zyklenzahl (Inselanlage-Storage). Ausserdem ist die LiFePO4-Technologie noch relativ jung, so das teilweise noch gar nicht so richtig klar ist, welche Parameter tatsächlich optimal sind und was die Anzahl an bereits verfügbaren Lösungen deutlich einschränkt.

Weitere Einschränkung ergibt sich dadurch, dass der Laderegler auch "solarfähig" sein soll und dadurch, dass Laden und Entladen quasi gleichzeitig möglich sein müssen. D.h., z.B. für Pedelecs oder Modellflug verfügbare Laderegler gehen davon aus, dass der Akku während der Ladephase vom Pedelec abgeklemmt ist und nicht gleichzeitig auch genutzt wird.

Dadurch bedingt, und durch die LiFePO4-spezifischen Anforderungen an Balancing/Equalizing und BMS ergibt sich, das ein passender Laderegler keineswegs eine triviale Sache ist. Sofern hier überhaupt bereits verfügbare Lösungen existieren (was aber eher nicht der Fall ist), sind sie sehr teuer, was eine Eigenentwicklung erforderlich macht.

In Bezug auf die Skalierbarkeit ist noch anzumerken, das theoretisch noch zwei höhere Level denkbar wären, das wäre zum einen ein großes Haus-System mit bis zu 30KWp Panelleistung und zum anderen ein Speicher-Kit zum Umrüsten eines Autos auf Elektroantrieb. Aber in beiden Bereichen gibt es bereits anderweitige kompetente Lösungen und zum anderen würde man damit sowohl von den technischen als auch von den "reglementativen" Anforderungen her in Bereiche vordringen wo eine Entwicklungsarbeit weit jenseits dessen liegt, was wir mit unseren derzeitgen Möglichkeiten stemmen könnten.


Projektseite: http://wiki.opensourceecology.de/SolarBox


Gruss, Oliver
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Re: Projekt-Charta: SolarBox

Beitrag von case » Sa 13. Sep 2014, 15:40

Hallo,

es ist zwar nicht gerade so, dass ich nicht noch genügend andere Baustellen hätte (ZAC+, UniProKit), und obendrein fängt bei mir in wenigen Tagen jetzt nach der Sommerpause beruflich die "Hauptsaison" wieder an. Umso wichtiger war es mir aber, dieses Projekt, was mir seit geraumer Zeit im Kopf rumgeht, vorher nochmal inhaltlich klar zu umreissen und mit einer ordentlichen Rahmenstruktur in "trockene Tücher" zu giessen ;)


Soweit es mich betrifft werde ich mich inhaltlich dabei zunächst auf den ersten Level, die "Powerbank", konzentrieren. Zum einen habe ich gerade eh den konkreten Bedarf im Rahmen eines anderen Projektes und zum anderen muss ich gestehen, das ich in Sachen Elektronik ziemlich wenig bis gar keine Ahnung habe; ich bezeichne mich diesbezüglich auch gern als "motivierter Laie", d.h., ich verstehe Elektronik über den Rahmen des üblichen Schulwissens hinaus nicht wirklich, bin aber handwerklich imstande, fertige "Rezepte" nachzubacken, d.h. ich kann löten, Schaltungen in Eagle entwerfen, Platinen erstellen und auf einem niedrigen Level auch debuggen, und das wars auch schon.

Bezüglich Solartechnik habe ich eine grobe Vorstellung davon, wie man Komponenten modular miteinander verstöpseln kann, also etwa ein 12V-Panel mit einem 12V-Laderegler und einem 12V-Akku, aber dann hörts auch schon auf und insbesondere das, was im Inneren eines Ladereglers passiert, ist mir bislang ein Buch mit sieben Siegeln, also z.B. Dinge wie "Wie ist es möglich, eine Batterie zu laden und gleichzeitig einen Verbraucher zu betreiben - fliesst der Strom nun in die Batterei hinein oder aus ihr heraus ?" - halt sowas in der Art ;) .

Deswegen habe ich das Projekt in mehrere Stufen gegliedert, wobei der erste Level, der Laderegler für die Powerbank, für mich persönlich auch dazu dienen soll, einfach mal einen Einstieg in die Materie zu finden und die Grundlagen besser zu verstehen (soweit mir das möglich ist), d.h.: Wie funktioniert eigentlich so ein Laderegler überhaupt, was ist das Prinzip (z.B. Shunt, PWM) ? Welche Besonderheiten gibt es bei einem Solarladeregler (z.B. MPPT) ? Was sind die Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen so einem Low-Level-System und einem höherskalierten, wie etwa einer Haus-Inselanlage, wo es um deutlich höhere Ströme und damit um eine ganz andere Liga von technischen Anforderungen geht.

Hinzu kommen die Besonderheiten der LiFePo4-Technologie. Was ist der Unterschied zwischen Balancing und Equalizing ? Welche Arten von Balancing gibt es ? Wie funktioniert ein BMS und welche Arten von BMS sind für meine Anwendung am Besten geeignet ?

Nachdem umfangreiche und sehr zeitaufwendige Recherchen im Internet eine völlig verwirrende Vielfalt von unterschiedlichen und teils scheinbar auch gegensätzlichen Informationen ergaben, ist für mich klar, das ich erst mal runter muss auf Null, dh., quasi, die Sache ganz von unten anfangen und schrittweise aufzubauen, damit ich dann (hoffentlich) erstmalig überhaupt eine Chance hab, die Infos aus dem Internet richtig einzuordnen und im Kontext zu verstehen.

Deshalb wird der erste Schritt meines Arbeitsansatzes konkret darin bestehen, zu versuchen eine möglichst einfache (aber Atmel-uC- bzw. Arduino-basierte) Laderegler Schaltung aufzubauen (Unter- und Überspannungs- und -Strom-Schutz, CCCV-Ladekurve, Datensampling), mit der ich imstande bin, einen LiFePO4-Akku aufzuladen ohne ihn dabei gleich zu ramponieren (die Dinger sind ziemlich teuer) und im weiteren Verlauf mich dann mit dem Balancing und mit dem Laden aus einer solaren Quelle zu befassen.

Dabei spielt die Visualisierung gemessener Daten und damit eine begleitende Softwareentwicklung für mich eine wichtige Rolle. Es ist einfach bezüglich des verstehens eines komplexen Systems ein gravierender Unterschied, ob man an einem Punkt einen Messwert aus dem Multimeter hat, oder ob man ein mittels Datenlogging erstelltes Kurvendiagramm sieht, welches einen zeitlichen Verlauf beinhaltet. Und von Programmierung hab ich auch etwas mehr Ahnung als von Elektronik ;)

Soweit erstmal ein kurzer Ausblick darauf was als nächstes passiert, etwaige Projektbeteiligungen von Leuten die etwas mehr von der Materie verstehen als ich sind natürlich wie immer willkommen.

Gruss, Oliver
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