Raspberry Pi mit Sonnenenergie betreiben

Werner Ziegelwanger, technisch vielseitig interessiert, ist Inhaber einer EDV-Firma mit Schwerpunkt auf Programmierung für Internetanwendungen. In seiner Freizeit pflegt er einen Blog – und da er selber viele Informationen aus dem Internet holt, teilt er sein Wissen auch gern mit anderen. Hier beschreibt er, wie man den Raspberry Pi mit Sonnenenergie betreiben kann.

Der Raspberry Pi ist ein sehr sparsamer Computer. Passend für den Sommer wäre da der Betrieb ausschließlich über Sonnenenergie denkbar. Ich habe mir das näher angesehen und mal zusammengerechnet, ob das theoretisch möglich ist.

Die Theorie

Folgende Faktoren spielen beim Betrieb durch Sonnenenergie eine Rolle:

•    Verbrauch des Geräts

Der Raspberry Pi hat laut Hersteller eine Leistung von 3,5 Watt. Diese 3,5 Watt ergeben sich aus der Betriebsspannung von 5 Volt und einer Stromstärke von 700 mA. Der USB-Anschluss liefert konstant die 5 Volt, die Stromstärke schwankt im Bereich von 500 mA bis ca. 900 mA, je nachdem wie stark ausgelastet das Gerät ist.

Die 3,5 Watt sind die maximale Leistung, die der Raspberry Pi beziehen kann. Dass mehr nicht möglich ist, merkt man, wenn man mehrere USB-Geräte ansteckt (Maus, Tastatur, USB-Stick usw.), dann passiert es schon mal, dass eines davon ausfällt. Die Erfahrung zeigt, dass der Pi im Schnitt um die 2 Watt benötigt.

•    Leistung der Solarzelle

Um den Pi mit Sonnenenergie betreiben zu können benötigen wir eine Solarzelle. Das Solarpanel sollte dabei eine Ausgangsspannung von 5 Volt haben, ansonsten benötigen wir zusätzlich einen Laderegler, der für die korrekte Spannung sorgt. Bei den Solarmodulen sollte man aufpassen: Herstellerangaben sind meist nur Maximalwerte, die unter besonderen Bedingungen erfüllt werden. Für unseren Raspberry Pi benötigen wir ein um ein Vielfaches besseres Solarpanel als 2 Watt, da wir auch schlechtes Wetter und die Nacht bedenken müssen.

•    Batterie

Die Überlegungen zur Sonnenenergie führen gezwungenermaßen immer zu Energiespeichern, Batterien. Mit Hilfe einer Batterie kann man die Zeit überbrücken, in der die Sonnenenergie zu niedrig, ist um den Pi zu betreiben. Umgekehrt muss man bei der Solarzelle daran denken, dass man auch eine Batterie laden muss. Leistungen von 100 Watt aufwärts sind für ein 2-Watt-Gerät nicht utopisch angesetzt.

•    Laderegler

Laderegler verhindern, dass die Spannung zu hoch wird. Ohne Laderegler besteht die Gefahr, dass die Batterie beschädigt wird. Ein solches Gerät ist daher zwingend notwendig.

Zusammengefasst: Mit einer leistungsfähigen Solarzelle, einer Batterie und einem Laderegler könnte man theoretisch einen Raspberry Pi zu 100 % mit Sonnenenergie betreiben.

Rechenbeispiele zur geplanten Solaranlage

Sonnenenergie ist gratis, einzig die Anschaffungskosten der Hardware fallen ins Gewicht. Rentieren würden sich diese Kosten erst über einen längeren Zeitraum, vorausgesetzt, die Wartungskosten sind zuvor bekannt und laufen nicht irgendwie aus dem Ruder. Ich gehe bei meiner Überlegung von zwei Szenarien aus.

Der Raspberry Pi hat eine maximale Leistung von 3,5 Watt. Die Frage ist nun: Wie hoch ist der Verbrauch im Dauerbetrieb? Man kann von einem maximalen Verbrauch ausgehen oder aber von einem durchschnittlichen Verbrauch. Je nachdem ändern sich die Parameter für unsere Solaranlage und deren Kosten.

Neben dem Verbrauch des Rechners ist auch die Energiegewinnung über die Solaranlage relevant, die ausschließlich von der direkten Sonneneinstrahlung abhängt. Ohne Sonne keine Energie.

Best Case Scenario

Im besten Fall läuft der Raspberry Pi am Tag 24 Stunden. Es werden aber nur anfallende Aufgaben berechnet, Programme werden sporadisch benutzt, Backups werden in der Nacht erstellt und Berechnungen sind nur relativ kurz. Der Pi läuft ohne angeschlossene Peripherie als Server und ist nur über das Netzwerk erreichbar.

Es ist Sommer und die Sonne scheint 10 Stunden am Tag voll auf die Solarzelle. Es gibt keine Wolken am Himmel.

Lösung: Wir benötigen nur eine kleine Solaranlage. Der Raspberry Pi benötigt nur 5 Volt und 200 bis 300 mA Strom. Eine 10-Watt-Solaranlage reicht. Laut Hersteller liefert diese 600 mA und auch im Schatten noch genügend Strom, um den Pi zu betreiben.

Worst Case Scenario

Im schlimmsten Fall läuft der Raspberry Pi ständig unter voller Last und hat somit einen maximalen Verbrauch. Das kann passieren, wenn er für komplexe Berechnungen verwendet wird wie für das Mining von Bitcoins oder das Streamen von Videodaten.

Zusätzlich ist gerade Nacht, und über die Solarzelle kommt keine Energie. Die Leistung wird von der Batterie genommen.

Lösung: Wir benötigen eine 200-Watt-Solaranlage, einen Laderegler und einen Blei-Akku mit 33 Ah. Damit sind wir gerüstet, um im schlimmsten Fall den Raspberry Pi sogar über 2 Tage ohne Sonnenschein ausschließlich über die Batterie zu betreiben. Umgekehrt liefern wenige Sonnenstunden genug Leistung, um den Raspberry Pi zu betreiben und gleichzeitig den Akku zu laden.

©Werner Ziegelwanger

Raspberry Pi mit Solarzelle in der Praxis

Auf die Theorie und die Berechnungen folgen nun Taten. In der Praxis lässt sich der Raspberry Pi mit der Solarzelle recht gut betreiben. Ohne nun stark auf die Qualität der Solarzelle oder auf einen 24-Stunden-Dauerbetrieb zu achten, habe ich mir eine handelsübliche Solarzelle mit einigen Watt Leistung und eine ausreichend große Powerbank zugelegt.

Die Solarzelle

Mobile Solarzellen fürs Campen oder Wandern werden immer beliebter. Nahezu jeder größere Elektronikhändler hat diese mobilen Solarzellen mit USB-Ausgang im Sortiment. Damit kann man unterwegs Smartphone und Tablet laden.

©Werner Ziegelwanger

Die Powerbank

Neben der Solarzelle wird als passendes Zubehör oft ein sogenanntes Powerbank verkauft. Das ist ein Lithium-Ionen-Akku, der auch in Laptops oder Smartphones verbaut ist. Diese Akkus kann man direkt über einen USB-Anschluss laden. Man benötigt absolut keine technischen Kenntnisse, perfekt also für uns Raspberry-Pi-Benutzer. Größere Powerbanks lassen sich laden, während sie über einen angesteckten USB-Ausgang ein angeschlossenes Gerät laden oder betreiben.

Mobilität

Für Raspberry-Pi-Benutzer bedeutet eine kleine portable Solaranlage vor allem eines: Mobilität. Zum ersten Mal ist es einfach, den Raspberry Pi mitzunehmen und mobil zu betreiben.

In einem Test hat das Zusammenspiel von Solarzelle und Akku problemlos funktioniert. Der Raspberry Pi läuft wie gewohnt, es waren keine Probleme zu erkennen. Für den mobilen Einsatz muss man den Raspberry Pi nur zuvor konfigurieren, dass er sich über WLAN ansprechen lässt und man zur Eingabe nicht zwingend Maus und Tastatur benötigt.

Der tatsächliche Verbrauch des Raspberry Pi

Ich habe mir noch einmal die Powerbank, also den Akku für den Raspberry Pi, genauer angesehen. Ich habe einen 10-Ah-Akku, der genug Leistung speichert, um den Raspberry Pi mehrere Stunden zu betreiben. Mich interessierte nun: wie lange genau. Schließlich muss der Akku den Raspberry Pi über die Nacht mit dem Strom versorgen, der über die Solaranlage nicht mehr zur Verfügung steht.

©Werner Ziegelwanger

Versuchsanordnung

Zum Zeitpunkt meines Versuchs wusste ich noch wenig über den tatsächlichen Verbrauch des Raspberry Pi. Wie bereits erwähnt, ging ich von zwei möglichen Szenarien aus, die aber sehr speziell waren und eine große Differenz im Verbrauch zeigten. Wie ist nun der korrekte, durchschnittliche Verbauch? Wie schnell ist der Akku bei voller Last leer?

Für diesen Versuch habe ich den Pi über ein Skript so manipuliert, dass er periodisch Log-Nachrichten schreibt. Der letzte Eintrag im Log gibt dann an, wann der Pi nicht mehr mit ausreichend Energie versorgt wurde und wann die Stromversorgung zusammengebrochen ist. Dies habe ich nun unter voller Last und bei Leerlauf mit einem voll geladenen 10000-mAh-Akku durchgeführt.

Ergebnis unter voller Last

Gestartet wurde das Experiment um 16:39 Uhr. Im Log war der letzte Eintrag datiert mit 10:03 Uhr am nächsten Tag zu finden. Der Raspberry Pi ist somit 17 Stunden und 24 Minuten gelaufen. Lässt man nun einfach den halben Wirkungsgrad des Akkus außen vor, so ergibt sich eine Stromstärke von 571 mA (der tatsächliche Wert ist niedriger!). Die Spannung ist mit 5 Volt anzusehen. Hätte es einen Abfall bei der Spannung gegeben, wäre das System ebenfalls abgestürzt.

Ergebnis unter Leerlauf

Unter Leerlauf gab es leicht andere Werte. Gestartet wurde das Experiment um 8:50 Uhr, der letzte Eintrag war mit 4:05 Uhr zu finden. Der Pi war 19 Stunden und 25 Minuten in Betrieb. Auch hier ergibt sich eine durchschnittliche Stromstärke von 519 mA.

Informationen zum Experiment

Der Raspberry Pi ist am USB-Anschluss der Powerbank angeschlossen. Diese ist voll geladen. Der Raspberry Pi läuft ohne angeschlossene Peripherie, einzig ein WLAN-Stick dient dazu, sich über SSH zu verbinden.

Das folgende Skript läuft und loggt dabei alle 60 Sekunden die aktuelle Zeit:

Für den Versuch mit der vollen Last habe ich ein Skript erstellt, dass diese volle Last simuliert. Mit dem folgenden Einzeiler:

wird von /dev/zero gelesen und auf /dev/null geschrieben. Das führt zu einer 100-prozentigen Auslastung des Systems.

Mein Fazit

Bei dem Experiment ist mir einiges aufgefallen. Meine anfängliche Annahme mit den Szenarien war falsch: Der Leistungsunterschied bei keiner und bei voller Last ist nicht so groß. Der Unterschied von nur 2 Stunden bei der Laufzeit ist niedriger als anfangs erwartet.

Es zeigte sich, dass der 10-Ah-Akku gerade so ausreicht. Man sollte aber für einen Echtbetrieb ausschließlich über eine Solaranlage einen stärkeren Akku verwenden. Bei der Dimensionierung der Solarzelle sollte man nicht sparen, mehr Energie und ein immer voller Akku ist nie verkehrt. Vor allem im Winter wird es selbst damit recht spannend. Einen 24-Stunden-Dauerbetrieb zu realisieren ist schwerer als gedacht.