Autarke Stromversorgung am Bienenstand

By | 28. June 2018

Im Normalfall hat man am Bienenstand keine Stromversorgung, daher wird sich in diesem Beitrag der autarken Stromversorgung des Raspberry Pis (RPi) gewidmet. Der Raspberry Pi 3 B benötigt als optimale Eingangsspannung 5,1V und 3A. Im Vergleich zu anderen Boards wie dem Arduino oder dem ESP8266 ist das sehr viel. Trotzdem lässt sich eine solche Stromversorgung realisieren. Mit dem RPi Zero W wird nur noch 160mA/h verbraucht. Dadurch hält eine Batterie mit dem Zero W etwa doppelt so lange wie mit dem RPi 3 B.

Wenn ein Surfstick angeschlossen ist steigt der Stromverbrauch noch zusätzlich (wenn die Übertragung der Messdaten per Mobilfunk erfolgt).

Batterie

In meinem Fall hatte ich eine alte 12V Autobatterie zu Hause. Es können aber auch statt Lithiumbatterien beispielsweise Blei-Akkus verwendet werden. Es ist darauf zu achten, dass die Batterie eine möglichst große “Ah” Angabe hat. Optimalerweise wäre eine Kapazität von mind. 70Ah.

Um den Raspberry Pi nun mit Strom zu versorgen wird ein 12 Euro teurer “DC-DC-Buck Converter” verwendet, der zwei USB-Ports hat.

Aufladen mit Solarmodul

Um die Batterie automatisch aufzuladen habe ich auf meinem Bienenkasten ein 25Watt starkes Solarpanel befestigt. Dieses kostet auf Amazon zwischen 47 und 58 Euro und beinhaltet bereits einen 3A Laderegler.

 

Strom-Engpass über die Wintermonate

Ein Besucher hat uns das nun folgende Verlaufsdiagramm zur Verfügung gestellt, auf dem der Spannungsverlauf seiner Batterie gezeigt wird. Über die Wintermonate könnte bei zu wenig Sonneneinstrahlung dem Raspberry Zero der Strom ausgehen. Rot der Moment, wenn die extern geladene Batterie wieder angeschlossen wurde. Blau, war als Zwischenlösung eine Motorradbatterie. Diese ist natürlich viel kleiner und hält daher nicht so lange. Aber sie funktioniert auch noch bei geringen Spannungen.

Die Grafik stammt von einem “Raspberry Pi Kamera” Projekt. Auf unserem Raspberry Pi läuft das Raspbian Betriebsystem. Dadurch können Bauteile, wie eine Kamera zusätzlich angeschlossen und softwaretechnisch unterstützt werden.

Über die Winterzeit liefert eine Batterie nicht die volle Leistung und die Anzahl der Sonnenstunden ist geringer. Daher muss die Batterie (je nach Kapazität) alle paar Tage manuell aufgeladen werden.

 

 

Akku-Betriebszeit berechnen

Über dieses Tool kann die Akku-Betriebszeit berechnet werden: Akku Betriebsdauer Rechner

 

Idee: Weidezaun Solarsysteme

Möglicherweise können 12V Lithiumbatterien, die für Weidezaunbedarf verfügbar sind als Solarsystem zusammen bestellt werden.

Nachtrag: Zeit- und Energiemanagement

Wer auf einen großen Akku oder ein großes Solarpanel verzichten möchte kann sich zum Energiesparen auch das Witty Pi Mini Modul anschließen. Alles zu diesem zusätzlichem (optionalen) Modul erfährst du in diesem Beitrag. Damit hat man auch in den Wintermonaten nun wirklich noch genug Akku. Dieses Modul kann immer noch im Nachhinein nachgekauft werden.

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12 thoughts on “Autarke Stromversorgung am Bienenstand

  1. Oliver Alff

    Also, ich muss ja sagen, das Projekt gefällt mir sehr gut. Ich werde mal anfangen das ganze auf ESP32/NodeMCU zu portieren. Damit sollte die ganze Sache sehr sehr stromsparend werden :).

    Reply
    1. Javan Post author

      Hallo Oliver,

      das habe ich auch schon angedacht. Die Portierung würde ich gerne der Organisation hinzufügen: https://github.com/Honey-Pi Weitere Details können wir gerne per Mail besprechen.

      Viele Grüße
      Javan

      Reply
  2. Christoph Pauli

    Hallo zusammen
    Zuerste mal ein grosses Lob an das HoneyPi-Team für die supertolle Lösung! Gerne werde ich euch einen Betrag spenden oder die Premium Version der App kaufen.
    Ich habe seit einigen Tagen einen Raspi in meinem Bienenhaus, welches mitten im Nirgendwo steht. Strom generiere ich über eine kleine PV-Anlage, für das Internet habe ich einen alten Mobile Hotspot angeschlossen. Leider verbraucht die Lösung zu viel Strom und ich muss Strom sparen. Der Raspi alleine würde ich hinkriegen, aber den Mobile Hotspot kann ich leider nicht die ganze Zeit laufen lassen.
    Frage an euch – wenn ich den Surfstick anschliesse und den Raspi mit dem WittyPi ergänze, ist dann der Surfstick auch nicht aktiv, wenn der Raspi “schläft”? -> d.h. die Lösung braucht beinahe keinen Strom?
    Wenn ja, so könnte ich den Raspi 1x pro Stunde hochfahren, er sendet die Daten in die Cloud und ich kriege das Energiemanagement in den Griff 🙂
    Alternativ wäre der Anschluss eines Relais an einem freien GPIO-Port und ich starte und stoppe den Mobile Hotspot. Ich weiss aber nicht, sich der Raspi von selber mit dem WLAN verbindet, wenn dieses zur Verfügung steht.
    Sehr cool wäre eine Erweiterung der Firmware, dass der Raspi die Daten offline speichert und man zum Zeitpunkt X die Daten in die Cloud hochladen kann. So könnte ich den ganzen Tag die Daten speichern und 1 x pro Tag hochladen.

    Mit Imker und Elektronikergrüssen
    Christoph

    Reply
    1. Javan Post author

      Die neuste Firmwareversion hat bereits diese Offline Messdaten funktion. Du kannst die Daten dann gesammelt herunterladen und in ThingSpeak manuell importieren.

      Ja wenn du den Surfstick über ein Adapter Kabel an den Raspberry Pi anschließt bekommt der Surfstick nur dann Strom wenn der Raspi an ist. Also optimal für das was du vor hast ohne Umwege.

      Reply
  3. Johannes

    Nachtrag zu meinem vorherigen Kommentar: Ich habe ein paar dieser Spannungssensoren herumliegen, kann Die gerne einen oder zwei per Post schicken 🙂

    Reply
  4. Johannes

    Hallo Javan,

    so langsam trudeln die einzelnen Bauteile aus China bei mir ein, so dass ich den Laboraufbau nach und nach auf dem Schreibtisch vervollständigen kann. Das ist ein tolles Projekt und macht richtig Spaß. Danke dass Du / Ihr das zur Verügung stellt 🙂

    Ich plane auch eine autarke Solarstromversorgung. Dabei würde ich mir wünschen, auch die Spannung des Akkus über Thingspeak sehen zu können. Wenn ich es richtig verstanden habe ist eine solche Funktion bisher nicht vorgesehen.

    Wäre es denn mit vertretbarem Programmieraufwand möglich, einen analogen Spanungssensor (z.B. https://www.ebay.de/itm/10pcs-Voltage-Sensor-For-Arduino-Raspberry-Pi-Voltage-Detector-Module-Max-25V/253882295343?hash=item3b1c90642f:g:~I8AAOSwQ~hbmcw3) in die Firmware zu integrieren, so dass dieser als fünfter Sensortyp konfiguriert werden kann?

    Cool fände ich wenn bei kritischer Unterspannung eine Push-Nachricht versendet würde, aber das würde dann ja vermutlich analog zu dem “Schwarmalarm” funktionieren. So weit bin ich aber gerade noch nicht.

    Interessant wäre evtl. auch eine batteriespannungsabhängige Notabschaltung, um eine Tiefentladung zu verhindern. Ein vernünftiger Solarlader beinhaltet diese Funktion allerdings auch.

    Reply
    1. Javan Post author

      Hallo Johannes,

      ich würde das demnächst gerne umsetzen.
      Das Bauteil als zusätzlichen Sensor hinzuzufügen ist kein Problem.
      Gerne kann auch jemand anderes einen PR dafür schreiben: https://github.com/Honey-Pi/rpi-scripts

      Viele Grüße
      Javan

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  5. Sven

    Hallo Javan,
    ich bin dabei, die Solarvariante zu planen.
    Es wäre doch schön, einfach eine Powerbank als Akku zu nehmen. Die ist war relativ gering im Ladevolumen, sollte aber vielleicht schon reichen. Würde der Anschluss mit einer 2. DC-DC Buck funktionieren oder was müsste man zwischen dem Controller vom Solarpannel und der Powerbank verschalten?
    Danke für eure Hilfe
    Liebe Grüße
    Sven

    Reply
    1. Javan Post author

      Hallo Sven, Powerbank könnte knapp werden aber mit dem Witty Pi Mini möglich.
      Wie viel Volt dein Solarpanel liefert und mit was deine Powerbank geladen wird musst du selbst schauen.
      Der Raspi Zero kann direkt an die USB-Buche einer Powerbank ohne einen zusätzlichen DC-DC-Buck.

      Reply
  6. Stephan

    Hallo,
    ich mache mir gerade ein paar Gedanken über die autarke Stromversorgung am Bienenstand (Solarmodul mit Laderegler und Batterie).
    Schließlich sollte die korrekte Dimensionierung ermöglichen, dass nicht alle paar Tage die Batterie am Netz nachgeladen werden muss. Etliche Imker hätten da ein Problem, da meist kein 230V Netzanschluss am Bienenstand vorhanden ist.

    Ich habe mal etwas recherchiert und folgenden Leistungsangaben des Pi 3B+ gefunden:
    Idle Mode: 7,6W
    Sysbench Power Consumption (3 repeats, 4 threads): 14,0 W

    Mit 5V Bordspannung wären das 14W / 5V = 2.8A, also ca. 3A , das macht das rechnen einfacher.
    Eine ganze Menge, wie ich finde !
    Im “worst case” hieße das, eine Batterie müsste eine Kapazität (eigentlich Ladung) von 24h x 3A = 72Ah bereitstellen, damit das Board einen Tag unter Volldampf laufen kann.

    Zum Nachladen der Batterie empfiehlt sich ein Solarmodul, wie es sie für den Garten-, Camping- und Outdoor-Bereich gibt.
    Hier betrachte ich das Solarmodul WS20M vom Anbieter Wattstunde.
    https://www.wattstunde.de/files/wattstunde/Datenblatt/Technische%20Daten/WS-M%20Modulreihe.pdf

    Das WS20M ist ein 20W-Modul mit einem angegebenen mittleren Tagesertrag von 80Wh, was zum zuvor errechneten Bedarf von 72h passen dürfte.

    Noch ein Wort zur Batterie. Natürlich kann man eine alte Autobatterie hernehmen um die Kosten einer Neuanschaffung zu umgehen. Allerdings sind Autobatterien sogenannte Starterbatterien, ausgelegt für einen sehr hohen Peak-Strom. Das ist nicht nötig in unserem Fall, wir benötigen eine Technologie für möglichst hohe Kapazität und moderate Entladeströme. Das sind dann die sogenannten Solarbatterien für Backup-Systeme (USV) oder Inselnetze.
    Solche Batterien gibt es im Fachhandel, eine 100Ah Blei-Säure Solarbatterie (Nassbatterie) kostet ca. 100 EUR, wartungsfreie Blei-Gel Batterien sind teurer.

    Der Stromverbrauch des Raspberry Pi 3B+ ist doch recht hoch, ist es möglich den Controller, in Zeiten wo keine Messwerte gesammelt werden müssten (z.B. Nachts) , in einen Stromsparmodus zu schicken ?
    Ich komme aus der 8/16/32Bit Microcontroller-Welt und da ist das gar kein Thema. Man versetzt die MCU in einen Stromsparmodus und weckt sie zyklisch über einen Timer-Interupt wieder auf.
    Auch könnte ich mir vorstellen den Controller über Nacht abzuschalten (Helligkeits- oder Uhrzeitgesteuert), und nur alle 10 Minuten kurz aufzuwecken zwecks Diebsstahlüberwachung.
    Solche Features könnten den mittleren Leistungsbedarf erheblich senken und eine kostengünstigere Auslegung der Stromversorgung ermöglichen.

    Vielleicht habt ihr diese Funktionen bereits implementiert, lasst mal hören was ihr davon haltet 😉

    Viele Grüße

    Reply
    1. Javan Post author

      Hallo Stephan,

      vielen Dank für deinen Kommentar und entschuldige unsere späte Antwort!

      Da wir HoneyPi bisher nur unter “Labor-Bedingungen” getestet haben, hat sich das für uns noch nicht so ergeben. Bisher läuft HoneyPi bei uns auf dem Raspberry Pi 3 (also ohne Plus), der braucht etwas weniger mA als der 3B+.

      Aber für den langfristigen Outdoor-Betrieb werden wir unsere Firmware im Laufe der Woche auf dem Raspberry Pi Zero W testen. Der ist genau dafür gemacht, günstiger und es sollte damit auch wunderbar funktionieren.

      Danke für den Hinweis mit der Batterie, ich werde das in der Einkaufsliste ergänzen. Ich hatte zu Hause einfach zufällig eine Autobatterie übrig.

      Wir hoffen noch mehr von dir zu lesen.

      Viele Grüße
      Javan

      Reply
    2. Alexander

      Hallo Stefan, eine Blei Gel Batterie mit einem 20W Modul ist sicherlich die elegantere Lösung. Preislich deutlich günstiger ist sicherlich aber das 50W Modul (42€) mit einer alten Autobatterie. Durch das größere Modul wird die Batterie so gut wie nicht entladen und hält auch sehr lange (bei mir schon fast ein halbes Jahr) und auch wenn Sie kaputt geht kostet eine neue gebauchte beim Schrotthändler igendwo zw. 10 und 20€…

      Reply

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