Bau eine Solarladestation für 15 Handys
In der Schule dürfen Handys während der großen Pause im Frei-zeitraum der Schule verwendet werden. Das Aufladen ist jedoch aus Sicherheitsgründen nicht gestattet.
Aus diesem Grund hat sich der Technik-Kurs Jahrgang 7 ent-schlossen, eine Solarladestation für Handys zu konstruieren. Vor Baubeginn musste sich dazu einiges an Vorkenntnissen angeeignet werden. Besondere Herausforderung war dabei eine zuverlässige Schaltung zu entwickeln, die von Schülern verwendet werden kann, die keine Technikkenntnisse besitzen. Stabilität, Benutzerfreundlichkeit, schnelle Ladezeiten und Laden mehrere Handys gleichzeitig, sowie Kompatibilität mit verschiedenen Handyanschlüssen waren zu Beginn des Projekts die Zielstellung des Kurses:
Planung der Solaranlage
Um eine funktionierende Solarladestation zu realisieren benötigen wir vorab ein paar Informationen zu folgenden Punkten:
- Wie wird ein Handy aufgeladen?
- Welchen Akku benötigen wir für die Solarladstation?
- Welche Solarzelle eignet sich für eine solche Aufgabe?
- Wie lässt sich die Energie aus der Sonne im Akku speichern?
- Können wir die Handys direkt an die Solarzelle anschließen?
- Lässt sich die Solarladestation auch bei schlechtem Wetter benutzen?
usw.
1. Untersuchungen am eigenen Handyladegerät
Im ersten Schritt werden die technischen Angaben ermitteln mit denen jedes Handy-ladegerät beschriftet ist. Dadurch erhalten wir erste Informationen wie ein Handy geladen wird.
Danach messen wir, wie lange es dauert bis ein leerer Handyakku vollständig geladen ist.
Ergebnisse der Untersuchungen:
- Ein Handy muss mit 5V geladen werden. Diese Spannung liegt auch an USB-Anschlüssen am PC oder Laptop an.
- Je mehr Strom in den Handy-Akku fließt, umso schneller ist der Akku aufgeladen.
- Beim Laden mit viel Strom entsteht Wärme.
5. Die Auswahl des Akkus:
Die Sonnenenergie wird durch die Solarzelle in elektrische Energie gewandelt. Damit die Handys auch bei Dunkelheit oder schlechtem Wetter geladen werden können, benötigen wir einen Akku in der Solarladestation. Dieser speichert den Strom und wird durch die Solarzelle immer wieder aufgeladen.
Nach unseren Berechnungen braucht unser Akku einen Wert von ca. 56 Ah, damit wir an mehreren Tagen ohne Sonne pro Tag 40 Handys laden können.
Im Internet gab es einen 100 Ah Solarakku im Angebot. Dieser wird absolut ausreichen und kostete nicht wesentlich mehr.
6. Das Laden muss geregelt werden... - Der Laderegler
6. Aus 12V müssen 5V werden... - Der Festspannungsregler
Durch die Betriebsanleitung des Ladereglers wissen wir nun, dass die Ausgangsspannung des Ladereglers mit der Ausgangsspannung des Solarakkus identisch ist. Deswegen müssen wir die 12V Spannung des Akkus reduzieren auf genaue 5V. Diese Spannung benötigt das Handy, um den Handyakku laden zu können. Solche Aufgaben übernimmt ein Festspannungsregler.
Diese Schaltung regelt eine Spannung die zwischen 6V und 20V liegen kann auf exakte 5,00V. Die Schaltung lässt sich relativ einfach mit einem Spannungsregler LM 7805 und ein paar Kondensatoren realisieren:
Bei einem ersten Testaufbau der Schaltung mit dem Festpannungsregler LM 7805 konnten wir die Eingangsspannung von 12V auf exakte 5,07V herunterregeln. Allerdings trat ein neues Problem auf, als wir zum Testen einen Handyakku mit der Schaltung laden wollten:
Schon nach kurzer Zeit wurde der Festpannungsregler extrem heiß.
Diese Wärmeentwicklung ist ein unnötiger Verlust von elektrischer Energie und belastet unseren Akku unnötig. Außerdem haben wir den Ladestrom gemessen. Dieser lag bei ca. 300mA. Das Handy wurde zwar geladen, aber es würde extrem lange dauern mit einem so geringen Ladestrom einen Akku zu laden. Aus diesem Grund haben wir uns entschieden, die Festpannungsregler nicht selbst aufzubauen, sondern auf bereits aufgebaute Schaltmodule zurückzugreifen. Solche Bauteile sind im Internet sehr günstig zu kaufen und haben mehrere Vorteile:
- Kostengünstiger (ca. 0,95 €)
- Ausgangsstrom kann bis zu 2000mA betragen !!
- USB-Buchse ist bereits aufgelötet
- sehr geringe Wärmeentwicklung!!
Die Solarzelle
Bei der Auswahl der richtigen Solarzelle gab es einiges zu beachten. Bei der Suche nach Solarzellen gab es meistens die Unterscheidung zwischen
1. Monokristalliner Solarmodulen und
2. Polykristalliner Solarmodule.
Unterschiede gibt es dabei besonders im Preis und im Wirkungsgrad:
Wir haben uns für ein Polykristallines Solarmodul mit 130 Watt Leistung entschieden. Dieses Modul war ein Angebot und kostete ca. 120,-€
Schaltungsaufbau:
Aufgabe:
a) Vervollständige den Schaltungsaufbau! Zeichne alle fehlenden Stromverbindungen und Anschlüsse ein.
b) Trage in die Messpunkte an der Solarzelle ein, an welcher Stelle Strom und Spannung gemessen werden.
7. Die Ladestromanzeige
Für wenig Geld (2,59€) lässt sich ein USB-Modul kaufen, welches den Ladestrom misst und auf einem Display anzeigt. Gleichzeitig wird die Zeit gemessen wie lange ein Handy zum Aufladen benötigt. Die Anzeige soll jedem Benutzer visualisieren wie schnell sein Handy mit unserer Ladestation geladen werden kann und wie viel Strom in den Akku eingespeist wurde. Die Ladestrommesser werden einfach per USB-Stecker an die Festpannungsregler angesteckt. Das Handyladekabel wird ebenfalls an die Ladestrom-messer montiert.
Die Herausforderung mit verschiedenen Handymodellen:
Besonders schwierig gestaltete sich das Laden von Iphones! Mit günstigen Ladekabeln erreichten die Handyakkus der Iphones einen Ladestrom von lediglich 350-500 mA. Dadurch würde der Ladevorgang übermäßig viel Zeit erfordern. Der Grund für die Reduzierung des Ladestroms liegt an der Software. Die Datenpins der USB-Anschlüsse benötigen jeweils bestimmte Spannungswerte, um zu erkennen, dass es sich um ein originales Iphone-Ladegerät handelt.
Durch eine einfach Verschaltung von Widerständen lässt sich dies umgehen, sodass auch Iphones mit 1A geladen werden konnten!!
Fotos aus dem Unterricht:
Gestaltung von Infoplakaten zum Projekt
