Freifunk-MPP-Tracker

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Prototyp des MPPT-Reglers mit Programmieradapter

Der Maximum-Power-Point-Tracking-Solarladeregler (MPPT-Solarladeregler) ist das Herzstück des autonomen, solarbetriebenen Freifunk-Mast. Er wurde eigens für diesen Zweck von Freifunk entwickelt.

Technische Daten und Funktionen

  • Elektronisches Maximum-Power-Point-Tracking zur Ermittlung der maximalen Leistungsspunktspannung (wird im nächsten Abschnitt erklärt)
  • Für Solarmodule bis 50 Watt ausgelegt.
  • Für Blei-Gel oder Blei-AGM-Akkus mit 12 Volt
  • 12 Volt Ausgangsspannung mit Laststrom bis 5 Ampere
  • Überladeschutz, Tiefentladeschutz (TODO: Konfiguration über die serielle Schnittstelle, z.B. vom angeschlossenen Router aus)
  • Messung von Akkuspannung, Panelspannung, Akkutemperatur. Messdaten werden über eine serielle Schnittstelle mit 3,3 Volt-Pegel an den Router übertragen.
  • TODO: Hardware-Watchdog-Funktion
  • TODO: Abgestufte Stromsparmechanismen (durch bidirektionale Kommunikation mit dem Router)
  • Open-Hardware / Open-Software-Design

Handbuch als PDF

Das Handbuch für den Aufbau und den Betrieb des Freifunk-MPPT-Reglers: http://elektrad.info/download/Freifunk-OpenMPPT-Handbuch-26-August-2017.pdf

Elektronisches MPP-Tracking erklärt, Energieeffizienz und Stromsparmechanismen

Wesentlich mehr Energieausbeute durch den MPP-Tracker

Maximum-Power-Point-Tracking bedeutet, dass der Solarladeregler über einen eingebauten Spannungswandler verfügt, der das Solarmodul genau so belastet, dass die Energieausbeute maximal wird. Das ist bei normalen Solarladereglern nämlich nicht der Fall. Den Effekt kann man in dem nächsten Foto sehen. Das linke Messgerät zeigt den Strom an, der aus dem Solarmodul in den Solarladeregler fließt (1,11 Ampere). Das rechte Messgerät zeigt den Strom an, der aus dem Solarladeregler in den Akku fließt (1,59 Ampere).

Leistungsdaten des 50W Panels

Um zu verstehen, wie das elektronische MPP-Tracking das macht, werfen wir mal einen Blick auf die Leistungsdaten des Panels. Siehe Foto.

Die Spannung Vmp (Vmp = voltage at maximum point) bei maximaler Leistungsabgabe ist 18 Volt und der Strom Imp (Imp = current at maximum point) ist 2,77 Ampere. Multipliziert man Vmp mit Imp (Formel: Leistung Pmp ist gleich Spannung Vmp mal Strom Imp) kommt man auf 50 Watt. Schließt man das Panel kurz, dann fließt ein Kurzschlußstrom Isc von 2,97 Ampere. 2,97 Ampere ist aber nur unwesentlich mehr als die 2,77 Ampere im Leistungspunkt. Bei einem Kurzschluss ist die Spannung aber physikalisch bedingt nur 0 Volt. Multipliziert man 0 Volt mit Isc kommt man auf null Watt.

Das genaue Gegenteil des Kurzschlußstroms ist die Leerlaufspannung Voc (open connector, keine Last angeschlossen) von 22,32 Volt. Diese Spannung kann man mit einem empfindlichen Spannungsmessgerät messen, weil das Panel dabei nicht nennenswert belastet wird. Bei dieser Spannung ist aber der Strom praktisch 0 Ampere und damit haben wir wieder nach der selben Formel null Watt.

Das optimale Verhältnis von Spannung und Strom stellt sich bei diesem Panel bei 18 Volt ein (wenn es 25 Grad warm ist, aber dazu kommen wir noch.)

Wenn nun einen leerer 12 Volt-Akku ohne MPP-Tracker an das Panel angeschlossen ist, dann belastet der leere Akku das Panel so stark, dass die Solarspannung nicht bei dem gewünschten Vmp von 18 Volt liegt, sondern auf die Akkuspannung absinkt. Bei einem ziemlich leeren 12 Volt-Akku sind das dann zum Beispiel – tataaa – 12 Volt. 6 Volt gehen verloren. Der Strom ist bei 12 Volt aber praktisch gleich mit dem Strom im Imp bei 18 Volt (siehe Isc, der ist ja auch kaum größer). Wir ernten also bei 12 Volt nun maximal 12 V mal 2,77 Ampere – das sind leider nur 33,3 Watt. Die fehlenden 16,7 Watt bleiben im Solarmodul und gehen am Innenwiderstand des Solarmoduls verloren und produzieren etwas zusätzliche Wärme.

Nun schalten wir ein MPP-Tracker zwischen Panel und Akku. Die Elektronik des MPP-Trackers sieht, dass bei niedrigerer Eingangsspannung das Energieangebot sinkt und regelt einen eingebauten Spannungswandler auf den Punkt der Eingangsspannung mit maximaler Leistung ein. In unserem Beispielfall nimmt sich der MPP-Tracker die Energie aus dem Panel bei 18 Volt und wandelt die Spannung auf 12 Volt um. Durch die Spannungswandlung wird die Spannung auf das Niveau des Akkus herunter transformiert – dabei steigt der Ladestrom an.


Natürlich geht bei der Spannungswandlung etwas Energie verloren (durch den Wirkungsgrad des Spannungswandlers, der niemals 100 Prozent erreichen kann). Die Effizienz unseres MPPT-Prototypen liegt bei etwa 94 Prozent. Nun sieht die Ertragsrechnung wesentlich besser aus als vorher: Aus 33,3 Watt werden 47 Watt, die den Akku laden. Der Ladestrom steigt von 2,77 Ampere auf 3,9 Ampere bei 12 Volt. Der Freifunk-MPP-Tracker bewirkt in dieser Situation gegenüber einem normalen Solarladeregler eine Ertragssteigerung von 41 Prozent. Um den gleichen Ertrag bei 12 Volt mit einem normalen Laderegler zu erzielen, müsste man das Solarmodul auf 70 Watt Leistung vergrößern.

Je größer die Differenz zwischen der Akkuspannung und der Panelspannung, desto mehr Gewinn bringt der Tracker.

Zwar gibt es schon einige Solar-Laderegler auf dem Markt, aber die erhältlichen Maximum-Power-Point-Tracking-Solarladeregler sind für unseren Zweck überdimensioniert und zu teuer, und ihnen fehlen auch einige Funktionen, die wir brauchen. (Wir haben übrigends ein Modell von einem großen Anbieter getestet und festgestellt, dass dessen MPP-Tracking-Algorithmus nichts taugt und oft völlig falsche Werte berechnet.)


Temperaturverhalten von Silizium-Solarmodulen

Ist das Panel kälter als 25 Grad Celsius (z.B. Eiseskälte im Winter) steigt die Leistungspunktspannung Vmp, bei Hitze sinkt sie ab. Die Messmethoden nach denen Solarmodule gemessen werden, sind übrigends beschönigend. Bei 1000 Watt Sonneneinstrahlung pro Quadratmeter heizt sich das Panel auf weit über 50 Grad auf und die Effizienz der Module sinkt. Werden die Module im Werk gemessen, dauert der Vorgang nur Sekunden und das Panel erwärmt sich nicht nennenswert. Das ist praxisfern. Solche Messwerte erzielen Solarmodule im Hochsommer auf einem Gletscher in 5000 Meter Höhe ;)

Der Ertragsgewinn durch den Freifunk-MPP-Tracker wird im Winter sogar noch größer, wenn das Solarmodul kälter als 25 Grad Celsius ist. Dann steigt die Leistungspunktspannung des Panels und der Akku tendiert im Winter sowieso eher dazu leer zu sein. Im Sommer, wenn das Panel heiß ist und der Akku voll, bringt das Leistungspunkttracking nur wenig. Wenn das Energieangebot üppig ist, braucht man das elektronische Tracking ja auch nicht um den Router in Betrieb zu halten.

Design und weitere Entwicklung

Der Freifunk-MPP-Tracker ist ein Open-Hardware- und Open-Software-Design. Die Quelltexte und CAD-Dateien sind unter https://github.com/elektra42/freifunk-open-mppt zu finden. Für die Entwicklung der Leiterplatte haben wir bewusst KiCad verwendet, ein Open-Source-Programm. So können andere BasterInnen und MakerInnen die Schaltungen/Leiterplatten modifizieren. Das Leiterplattendesign ist doppelseitig, wobei die Unterseite nur als Massefläche/für Masseverbindungen dient.


Bausätze und Bezugsquelle

Es gibt mittlerweile industriell gefertigte Platinen (für Bastler zum selber bestücken, AVR-Programmer erforderlich), vorbestückte Bausätze mit und ohne Gehäuse (Ihr müsst nur noch das Leistungsteil des MPPT-Reglers bestücken und die Platine ins Gehäuse einbauen, Bauzeit etwa eine Stunde) bei Elektra (onelektra at gmx net)

  • Nur die nackte Platine für Experten/Expertinnen für 6 € / Stück. Versand per Brief für 2 €. Man besorgt die restlichen Bauteile selbst und muß einen AVR-ISP-Programmer verfügbar haben. Einen Teilesatz biete ich dazu nicht an. Das individuelle Zusammenzustellen wäre zu aufwendig (ne Menge kleiner, zum Teil unbedruckter oder winzig bedruckter Teile). Es macht schlicht keinen Sinn die unsortiert in eine Tüte zu werfen oder in geschätzt zwei Dutzend unterschiedliche Tütchen zu verpacken. Da rauft man sich entweder beim Zusammenbau die Haare oder ich mir beim Verpacken und Labeln. Auf Github gibt es die Kicad-Dateien für das Gerät. Kicad generiert eine Teileliste im XML Format. Eine Abweichung von der BOM gibt es, die SMD-Leitungsdrossel habe ich durch einen Ringkern von Micrometals ersetzt: Eisenpulverringkern 17mm T68-52A, AL54, grün-blau oder Eisenpulverringkern 20mm T80-18, AL31, grün-rot, wird mit 63 oder 70 cm 1mm² Kupferlackdraht bewickelt.
  • Bausatz: Controllerteil ist vorbestückt und von mir handgelötet (bleifrei). Der Controller ist mit einem seriellen Bootloader und der jeweils neuesten Firmware programmiert. Dazu alle Teile zum Fertigstellen. Den Leistungsteil bestückt man selbst beim Zusammenbau. Wenn man das zum ersten Mal macht und vorher noch nicht SMD gelötet hat, muss man mit etwa 30 - 60 Minuten rechnen. Kostet 40€.
  • Ein passendes Modulgehäuse (nicht wasserdicht) mit Etikett und Kleinteilen dazu kostet 5 €.
  • Versand kostet 5 €.

Das ist nicht so billig wie Sachen aus China, dafür sitze ich für jede Platine eine ganze Weile am Lötkolben und kaufe die Teile auch viel teuerer ein.

In dem PDF mit der Bauanleitung ist der Bausatz abgebildet: http://elektrad.info/download/Freifunk-OpenMPPT-Handbuch-26-August-2017.pdf

Häufig gestellte Fragen

Welche Akkus kann ich eigentlich verwenden (Pb / NiMH / Li-Ion)?

Die aktuelle Firmware ist für Blei-Gel oder Blei-AGM. Andere Akkutechnologien gehen im Prinzip auch, wenn man die Parameter in der Firmware anpasst.

Blei-Gel- oder Blei-AGM-Akkus sind preiswert und robust. Ich würde sie daher für stationären Betrieb empfehlen. Lithium-Akkus sind etwas kapriziös, z.B. darf man bei Frosttemperaturen nicht laden. Vorher muss man den Akku heizen. Das ist widersinnig für einen Funkmast in unseren Breitengraden.


Kann ich über den Laderegler feststellen, wie viel der Akku geladen ist, d.h. wie viele Ampere oder Watt-Stunden zur Verfügung stehen?

Der Akkuladezustand kann anhand der Spannung im Akku mit einer gewissen Toleranz ermittelt werden, diese Funktion werde ich noch in die Firmware einbauen. Ist die Kapazität des Akkus bekannt, kann man auch Amperestunden und Wattstunden berechnen. Eine Strommessung zur Messung von Amperestunden und Wattstunden habe ich bei diesem Modell des Freifunk-MPPT absichtlich weggelassen, sie kostet etwas Energieeffizienz (Shunt erforderlich, Messverstärker um Verluste im Shunt zu reduzieren) und bedeutet zusätzlichen Aufwand.


Kann ich an den Regler auch ein Netzgerät anschließen? Oder muss ein Solar-Panel verwendet werden? Die Idee wäre, den Laderegler auch als Akku-Ladegerät verwenden zu können.

Antwort von Radio Eriwan: Im Prinzip ja. Zum Laden von Akkus kommt nur ein Netzteil mit Strombegrenzung in Frage, d.h. es muss stromgeregelt (kurzschlussfest) sein. Die Ladecharakteristik eines Solarmoduls ist aber anders als beim Netzteil. Der MPPT-Regler misst die Leerlaufspannung der Stromquelle und berechnet daraus den MPP-Punkt. Beim Netzteil ist – im Gegensatz zum Solarmodul – der MPP-Punkt nur knapp unter der Leerlaufspannung, beziehungsweise identisch, wenn man den Widerstand von Kabeln etc nicht berücksichtigt. Der MPP-Regler mit Solar-Firmware würde das Netzteil bei einer zu tiefen Spannung belasten, weil er eine zu tiefe MPP-Spannung annimmt. Bei einem dauerkurzschlussfesten Netzteil geht das ohne Probleme, aber es ist mit der Solar-MPPT-Firmware nicht wirklich schön. Es geht einwandfrei mit einer kleinen Änderung an der Firmware. Wenn man die MPP-Firmware den Leistungspunkt auf die Leerlaufspannung setzen lässt, geht es. Es geht dann aber kein Parallelbetrieb mit einem Solarmodul, da beide Stromquellen einen unterschiedlichen Leistungspunkt haben und sich der MPP-Punkt beim Solarmodul durch Umweltbedingungen ändert.