Autarker Router

Der autarke Router

Manchmal möchte man einen Router an einem Ort aufstellen, an dem es weder Netzwerk- noch Stromanschluss gibt. Der fehlende Netzwerkanschluss ist bei Freifunk ja ohnehin das kleinere Problem. Aber woher bekommt man den Strom für den Router?

Das Experiment

Ich habe dazu ein Experiment auf meinem Balkon gestartet. Dort läuft der Router "RoethleinSiedlung":
https://netmon.freifunk-franken.de//router.php?router_id=1272

Dieser Router hat weder Strom- noch (kabelgebundenen) Netzwerkanschluss. Die Verbindung zum Freifunk-Netz erfolgt nur über WLAN.(Dazu muss natürlich ein anderer Freifunk-Router in Reichweite sein)

Der Strom kommt aus einer Batterie, die über ein Solarpanel geladen wird. Das Prinzip ist recht einfach: Das Solarpanel erzeugt elektrische Energie, die in die Batterie gespeist wird. Der Router erhält seinen Strom aus der Batterie.

Grundlagen

In der Praxis ist die Sache leider etwas komplizierter. Zu beachten gibt es dabei unter Anderem folgende Punkte:
- Eingangsspannung des Routers
- Strombedarf des Routers
- Lade- und Entladeschlussspannung der Batterie
- Kapazität der Batterie
- Leistung des Solarpanels
- "Wetter-Faktor"
- ...

Daten und Fakten

Mein "Experimentalrouter" ist ein TP-Link WR841ND v9. Betrieben wird er direkt mit 12 Volt vom Lastenausgang des Solarladereglers. Eigentlich wird der Router mit einem Netzgerät geliefert, dass nur 9 Volt Gleichspannung und einen maximalen Strom von 0,6 Ampere liefert. Das ergibt eine maximale Leistung von 5,4 Watt. Bei meinen Recherchen habe ich aber gelesen, dass der Router auch 12 bis 15 Volt verträgt. Und bisher kann ich das bestätigen. Einen zusätzlichen Spannungswandler konnte ich mir somit sparen.

Die Batterie ist eine zyklenfeste Kung Long Fliesbatterie mit einer Nennspannung von 12 Volt (V) und einer Kapazität von 12 Amperestunden (Ah).

Das Solarpanel ist ein Polykristallines Modul mit einer Nennleistung von 50 Watt peak (Wp).

Router: TP-Link WR841ND v9
Spannung: 9V (verträgt aber auch 12 bis 15V)
Strom: 0,6A (bei 9V)
Leistung: 5,4W maximal

Solarpanel: Polykristallin
Leistung: 50Wp

Laderegler:
Ladeschlussspannung: 14,4V
Entladeschlussspannung: 10,8V
Maximaler Strom: 10A

Akku: Kung Long, zyklenfest
Spannung: 12V
Kapazität: 12Ah
Ladeschlussspannung: 14 bis 15V

Berechnung

Warum ein 50 Watt Solarpanel für einen 5 Watt Router?

Der Router soll 24 Stunden am Tag laufen. Die Sonne scheint aber maximal die Hälfte der Zeit. Im Winter sogar noch viel weniger. Und das Wetter ist auch nicht immer optimal. Dazu kommt noch, dass ein Solarmodul seine Nennleistung (angegeben in Wp für "Watt peak", also "Spitzenleistung") nur unter optimalen Bedingungen leistet. Das heißt: klarer Himmel, strahlender Sonnenschein und Lichteinfall genau senkrecht auf das Modul. Das sind Bedingungen, die in der Realität nur sehr selten vorkommen, und dann auch nur für kurze Zeit.

Der Router verbraucht maximal 5 Watt (meistens weniger). In 24 Stunden ergibt sich somit ein Verbrauch von 5W * 24h = 120Wh (Wattstunden).
Bei 12V sind das 120Wh / 12V = 10Ah (Amperestunden). Mit einer 10Ah Batterie (ohne Solarpanel) könnte der Router also 24 Stunden laufen. Danach wäre die Batterie komplett entladen.
Da es von Sonnenuntergang bis Sonnenaufgang niemals 24 Stunden dauert, wird die Batterie niemals komplett entladen. Trotzdem sollte man an der Kapazität der Batterie nicht sparen, denn besonders Bleiakkus mögen es nicht, wenn sie ständig komplett entladen werden. Besser wäre es, wenn der Akku maximal zur Hälfte entladen würde. Das verlängert die Lebensdauer des Akkus erheblich. Ideal wäre demnach ein Akku mit etwa 20Ah.
Da ich noch einen 12Ah Akku ungenutzt auf meinem Basteltisch herumstehen hatte, habe ich diesen verwendet. Ist nicht ideal aber sollte gehen.

Während die Sonne scheint soll die Leistung des Solarpanels ausreichen, um den Router zu versorgen und gleichzeitig die Batterie wieder voll aufzuladen. Bei einer geschätzten Sonnenscheindauer im Winter von ca. 6 Stunden muss hier also in einem Viertel des Tages die Energie für den gesamten Tag erzeugt werden. Das Solarpanel muss also mindestens vier mal so viel Leistung erbringen, als der Router verbraucht. 5W * 4 wären 20W. Um auch bei schlechtem Wetter, tiefstehender Sonne etc. genug Leistung zu bekommen, habe ich den Wert verdoppelt, also 40W. Und um noch etwas Reserve zu haben, habe ich mich dann für das Solarpanel mit 50Wp entschieden.

Das 2. Experiment

Auch ich hab einen autarken Freifunkrouter im Testbetrieb.

Ein wr842nd v2 ist in einer Munitionsbox verbaut. Darin ein 20 Ah 12 V Akku mit einem Solarregler. Als Solarzelle kommt eine 55Wp 12V Zelle zum Einsatz. Das ganze befindet sich auf einem Flachdach und hat gute Sicht nach Süden.

Der Munitionsbox wurden am Boden 2 Löcher spendiert. Sie ist somit nicht Wasserdicht und gelangt Wasser in die Box kann es am Boden wieder ablaufen. Genauso haben meine Kabeleinführungen für die Antennenkabel nicht gepasst, somit wurden die "einfach" durch ein Loch geführt. Das Stromkabel von der Solarzelle wurde aber durch eine Kabeleinführung die relativ dicht sein sollte eingeführt.

Preise:

Solarzelle 55 Wp: 49 €

Batterie 20 Ah: 34 €

Solarregler: 7 €

Kleinteile, Kabel, Munitionsbox (ich hab noch 2 rumstehen!), Router, etc.: Kraffelkiste

Nach einigen Internetrechnern sollte der Strom aber im Dezember und Januar nicht ausreichen (November und Februar ist auch kritisch) um den Router dauerhaft mit Strom zu versorgen. Nach meinen Informationen braucht der Router etwa 1-3 W Strom, gehen wir mal von 3 W dem Worst Case aus müsste der 20 Ah Akku rein rechnerisch den Router über 80 Stunden Nonstop am laufen erhalten. Die Solarzelle braucht rechnerisch 4,3 Stunden um den Akku voll aufzuladen da die Sonneneinstrahlung aber nie perfekt ist und 55 Wp wirklich nur die absolut maximale Leistung ist die nie erreicht wird geh im besten Fall von 8-10 Stunden aus um den Akku komplett aufzuladen.

Die Berechnung wurde mit diesem Tool durchgeführt. Rechts oben auf Stand-Alone klicken, 55Wp Solarleistung, 20 Ah Akku und den geschätzen Stromverbrauch des Routers (24 Wh - 72 Wh) pro Tag eingeben. Danach auf Calculate und an der Tabelle sieht man an der Spalte fe an welchen Monaten Strom fehlt.

Daher ging der Router jetzt so schnell wie möglich in den Testbetrieb um dies auszutesten und zu sehen ob es denn klappt. Der Router ist hier im Monitoring zu finden.

noch ist das ganze nicht wunderschön aber funktioniert. Uptime bereits 15 Tage ohne Unterbrechung, die Solarzelle läd also auf jeden Fall.

Schnee-Update

Heute (03.01.2016) erreichte mir folgendes Bild von meinem Bruder. Wenn sich das Wetter in den nächsten 48 Stunden nicht bessert muss ich wohl mal Schnee schippen gehen

(... in Arbeit ...)