Optimierung der Leistungsaufnahme eines solarbetriebenen Ad-Hoc-Netzwerk-Knotens

Schulz, Christian

Optimierung der Leistungsaufnahme eines solarbetriebenen Ad-Hoc-Netzwerk-Knotens

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Einleitung:
Die Problematik der Energieversorgung ist bei allen autonomen mobilen Systemen, die energetisch von der Außenwelt abgeschnitten sind sehr ähnlich: Die Lauffähigkeit basiert zu 100 % auf interne Energiespeicher (meist Akkumulatoren), in Ausnahmen zusätzlich noch auf Komponenten zur Energieerzeugung (z.B. Solarzellen). Im Gegensatz dazu haben klassische Netzwerkknoten - Wireless LAN Router und Access Points ohne Routing Funktionalität keine derartigen Probleme: Sie sind für den Einsatz am Stromnetz, in Büro- oder Wohnräumen konzipiert. Hier arbeiten sie zuverlässig und benötigen im Dauerbetrieb konstant zwischen 5 und 10 Watt.
In manchen Situationen hingegen, ist es ökonomisch nicht sinnvoll (bei weit entfernten oder schwer zugänglichen Außenstationen) oder schlichtweg unmöglich (Gebäude mit Denkmalschutz) einen solchen Netzwerkknoten zu betreiben, weil eine Anbindung an das Stromnetz nicht möglich ist. In diesen Fällen werden besonders angepasste Systeme eingesetzt: Handelsübliche WLAN Router werden in ein Verbundsystem, u.a. bestehend aus Akkumulatoren, Solarzellen und Steuerelektronik integriert. Die so erreichte dauerhafte totale Unabhängigkeit vom Stromnetz macht den Einsatz an besonders lohnenden Orten erst möglich. Diese aus Sicht der Netzabdeckung lohnenden Positionen sind meist Punkte in großen Höhen wie z.B. an Kirchtürmen, auf Dächern oder Bergen.
Um die herkömmlichen Geräte mit Stromsparmechanismen und einer Energieverwaltung auszustatten sind einige Anpassungen notwendig. Der Logik des ursprünglichen Verwendungszweckes nach, kann dies nur in einem sehr begrenzten Rahmen stattfinden, da sich allein durch softwaretechnische Veränderungen eine optimale Anpassung an den mobilen Einsatz nicht vollständig herstellen lässt.
Der hier verwendete Prototyp, bestehend aus einem WRT54GL WLAN-Router und Blei-Säure Akkumulator, verbraucht durchschnittlich 7 Watt und läuft bis der Akku entladen ist und die angeschlossenen Solarzellen nicht mehr genügend Strom für den Betrieb liefern.
Hier wird sehr deutlich, dass ohne effziente Steuerung der Lade- und Entladevorgänge bzw. ohne intelligente Energieverwaltung eine dauerhafte Funktion nicht gesichert ist. Das langfristige Ziel ist daher, vergleichbar mit dem Energiemanagement von Notebooks, in einer ähnlich aufgebauten Verwaltungssoftware die notwendigen Anpassungen und Einstellungen auf dem WLAN Router dynamisch in Echtzeit vorzunehmen, um eine Adaption an das sich ständig […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Christian Schulz

Optimierung der Leistungsaufnahme eines solarbetriebenen Ad-Hoc-Netzwerk-Knotens

ISBN: 978-3-8366-1295-1

Druck Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2008

Zugl. Universität Rostock, Rostock, Deutschland, Diplomarbeit, 2007

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http://www.diplom.de, Hamburg 2008

Printed in Germany

Abstract

In this diploma thesis, several models and methods are analyzed and examined to

maximise the availability of an autonomous network node in an Ad Hoc Network.

In this case the supply of electricity will be effected autonomically by the help of

solar cells and rechargeable lead acid batteries.

Therefore in this Project new concepts and types of energy management mo-

dels were developed. These concepts differ fundamentally in their mathematical

description:

- concept without any management

- native management

- weigth based management

- bayesian filter management

The aim of this paper is to deliver an answer to the question which model fits best

to meet the requirements of long term performance and economic values during

its runtime.

To answer this question correctly, a simulation environment has been developed

and set up to reproduce the situation with all key details. By the help of this

simulation every single model has been rated and compared with each other.

After implementing the best models in the Wireless LAN network node, they

have been tested under real conditions. By this method the simulation-results

can be verified and purvey the concept which meets the requirements best.

Vorwort

Die vorliegende Diplomarbeit wurde an der Universit¨

at Rostock am Lehrstuhl

f¨

ur Informations- und Kommunikationsdiensten angefertigt und besch¨

aftigt sich

mit der optimierten Energieversorgung autonomer solarbetriebener Wireless LAN

Netzwerkknoten sowie der damit verbundenen Maximierung der Verf¨

ugbarkeit

des Ad-Hoc-Netzwerkes.

Durch die Entwicklung von Modellen zur Verwaltung des Energiehaushaltes und

deren Integration in die Systemarchitektur des autonomen Netzknoten, entsteht

ein selbst verwalteter Prototyp mit verl¨

angerter Laufzeit. Es handelt sich dabei

um ein System ohne externe Stromversorgung, welches eigenst¨

andig sein Umfeld

wahrnimmt und durch reaktionelles Handeln in die Lage gebracht wird, seine

Betriebszeit um ein Vielfaches zu verl¨

angern.

Es werden 4 Energieverwaltungsmodelle entwickelt und analysiert, die sich aus

Sicht der Berechnungskomplexit¨

at grundlegend unterscheiden:

· ein Modell ganz ohne Verwaltung

· naive Verwaltung

· gewichtete, wahrscheinlichkeitsbasierte Verwaltung

· Energieverwaltung mittels Bayesian Filter

Darauf aufbauend wird nach der Erarbeitung der wichtigsten Grundlagen, das

Ausgangsproblem in kleinere Teilprobleme zerlegt, um es durch eine Bearbeitung

in den Verwaltungsstrategien l¨

osen zu k¨

onnen.

Im weiteren Verlauf werden diese in einer Simulationsumgebung getestet und ana-

lysiert. Nach dem Vergleich und der Bewertung erfolgt die Implementationen auf

dem Zielsystem, die anschließende Validierung unter Echtzeitbedingungen und

schließlich die Beantwortung der Fragen im Kontext des Ausgangsproblems.

Es wird gekl¨

art, welches Modell das geeignetste ist, um die Anforderungen der

Leistungsf¨

ahigkeit und ¨

Okonomie zu erf¨

ullen.

Danksagung

An dieser Stelle m¨

ochte ich mich bei all jenen bedanken, die mich durch ihre fach-

liche und pers¨

onliche Unterst¨

utzung w¨

ahrend dieser Arbeit begleitet haben. Be-

sonders bedanke ich mich f¨

ur die wertvolle Unterst¨

utzung meines Betreuers, Herrn

Dr. Thomas Mundt, der jederzeit mit Rat zur Seite stand und Herrn Prof. Dr.

Cap sowie Herrn Prof. Dr. Luksch von der Universit¨

at Rostock. Ferner m¨

ochte ich

meiner Familie und Freunden danken, die mich immer begleitet und unterst¨

utzt

haben.

iii

Inhaltsverzeichnis

Einleitung und Motivation

1.1

Uberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2

Einordnung, Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3

Historisches, Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Zugrunde liegende Technologien und Konzepte

2.1

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2

Theoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3

Technische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.1

Technik und Ger¨

ate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.2

Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.3

Solarzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.4

PC Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.5

Prototyp, Messreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4

Verwandte Arbeiten, Ber¨

uhrungspunkte

. . . . . . . . . . . . . .

2.5

Entwurfsmethoden, Analysemethoden . . . . . . . . . . . . . . . .

Konzeption der Verwaltungsmodelle

3.1

Ubersicht

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2

Zielstellung: ausgewogene Energiebilanz . . . . . . . . . . . . . . .

3.3

Eingangsvariablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4

Berechnungsalgorithmik, Abbildung physikalischer Gr¨

oßen . . . .

3.5

Verwaltungsstrategien

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

INHALTSVERZEICHNIS

3.5.1

Keine Strategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5.2

Naive Strategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5.3

Gewichtete Strategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5.4

Bayesian Filter Strategie . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5.5

Optionale Strategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.6

Methoden zur Umsetzung der Zielstellung

. . . . . . . . . . . . .

Realisierung einer Simulation zur Systemmodellierung

4.1

Simulationsumgebungen als Hilfsmittel . . . . . . . . . . . . . . .

4.2

Simulationsimplementation unter Ansi C / FreePascal . . . . . . .

4.3

Eingaben der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4

Ablauf der Simulation

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.5

Ausgaben der Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.6

Bewertung und Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.7

Umsetzung der Ergebnisse in die Implementation

. . . . . . . . .

Realisierung der Implementation auf dem Prototyp

5.1

Umsetzung im Router

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2

Struktur, Programmgliederung und Klassenhierarchie . . . . . . .

5.2.1

Implementierungsdetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.2

Technische Beschreibung, Schnittstellen . . . . . . . . . . .

5.3

Laufzeitverhalten, Skalierbarkeit, Speicherbedarf . . . . . . . . . .

Vergleich und Auswertung

6.1

Vergleich und Gegen¨

uberstellung der Systeme und Konzepte . . .

6.1.1

Routerkonfigurationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.2

Signalst¨

arken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.3

Verwendung der Energieverwaltung . . . . . . . . . . . . .

6.1.4

Laufzeiten der Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.5

Akkukapazit¨

aten der Systeme . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1.6

Zuf¨

allige Netzwerk- und Wetterph¨

anomene . . . . . . . . .

6.2

Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

INHALTSVERZEICHNIS

Zusammenfassung und Ausblick

7.1

Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.2

Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

A Anhang

Literaturverzeichnis

Erkl¨

arung

100

Kapitel 1

Einleitung und Motivation

Dieses Kapitel f¨

uhrt in das Thema mobiler Wireless LAN Netzwerknoten ein und

pr¨

asentiert die wichtigsten Grundlagen, die f¨

ur das Verst¨

andnis und die Einord-

nung der Arbeit in das wissenschaftliche Umfeld wichtig sind.

1.1

Uberblick

Die Problematik der Energieversorgung ist bei allen autonomen mobilen Sys-

temen, die energetisch von der Außenwelt abgeschnitten sind sehr ¨

ahnlich: Die

Lauff¨

ahigkeit basiert zu 100 % auf interne Energiespeicher (meist Akkumula-

toren), in Ausnahmen zus¨

atzlich noch auf Komponenten zur Energieerzeugung

(z.B. Solarzellen).

Im Gegensatz dazu haben klassische Netzwerkknoten - Wireless LAN Router und

Access Points ohne Routing Funktionalit¨

at keine derartigen Probleme: Sie sind

f¨

ur den Einsatz am Stromnetz, in B¨

uro- oder Wohnr¨

aumen konzipiert. Hier ar-

beiten sie zuverl¨

assig und ben¨

otigen im Dauerbetrieb konstant zwischen 5 und

10 Watt.

In manchen Situationen hingegen, ist es ¨

okonomisch nicht sinnvoll (bei weit ent-

fernten oder schwer zug¨

anglichen Außenstationen) oder schlichtweg unm¨

oglich

(Geb¨

aude mit Denkmalschutz) einen solchen Netzwerkknoten zu betreiben, weil

eine Anbindung an das Stromnetz nicht m¨

oglich ist. In diesen F¨

allen werden be-

sonders angepasste Systeme eingesetzt: Handels¨

ubliche WLAN Router werden

1.1 ¨

Uberblick

in ein Verbundsystem, u.a. bestehend aus Akkumulatoren, Solarzellen und Steu-

erelektronik integriert. Die so erreichte dauerhafte totale Unabh¨

angigkeit vom

Stromnetz macht den Einsatz an besonders lohnenden Orten erst m¨

oglich. Diese

aus Sicht der Netzabdeckung lohnenden Positionen sind meist Punkte in großen

H¨

ohen wie z.B. an Kircht¨

urmen, auf D¨

achern oder Bergen.

Um die herk¨

ommlichen Ger¨

ate mit Stromsparmechanismen und einer Energie-

verwaltung auszustatten sind einige Anpassungen notwendig. Der Logik des ur-

spr¨

unglichen Verwendungszweckes nach, kann dies nur in einem sehr begrenzten

Rahmen stattfinden, da sich allein durch softwaretechnische Ver¨

anderungen eine

optimale Anpassung an den mobilen Einsatz nicht vollst¨

andig herstellen l¨

asst.

Der hier verwendete Prototyp, bestehend aus einem WRT54GL WLAN-Router

und Blei-S¨

aure Akkumulator, verbraucht durchschnittlich 7 Watt und l¨

auft bis

der Akku entladen ist und die angeschlossenen Solarzellen nicht mehr gen¨

ugend

Strom f¨

ur den Betrieb liefern.

Hier wird sehr deutlich, dass ohne effiziente Steuerung der Lade- und Entla-

devorg¨

ange bzw. ohne intelligente Energieverwaltung eine dauerhafte Funktion

nicht gesichert ist. Das langfristige Ziel ist daher, vergleichbar mit dem Energie-

management von Notebooks, in einer ¨

ahnlich aufgebauten Verwaltungssoftware

die notwendigen Anpassungen und Einstellungen auf dem WLAN Router dyna-

misch in Echtzeit vorzunehmen, um eine Adaption an das sich st¨

andig wechseln-

de Umfeld zu erreichen. Eine so implementierte, intelligente Verwaltungsstrategie

sichert ¨

uber einen langen Zeitraum hinweg die volle (zumindest jedoch eine ein-

geschr¨

ankte) Funktionalit¨

at.

Bei vorhandenen Systemen sind ohne adaptive Verwaltung oft Leistungseinbu-

ßen erkennbar, die sich entweder durch verringerte ¨

Ubertragungsleistungen im

Netzwerk oder geringere Akkulaufzeiten bemerkbar machen. In der Folge sind

solche Systeme meist gekennzeichnet durch eine starke ¨

Uberdimensionierung des

Akkumulators.

Genau an diesem Punkt setzt diese Arbeit an: Mit den vorhandenen Ressourcen

werden Berechnungen zur verbleibenden Laufzeit unter Ber¨

ucksichtigung zus¨

atz-

licher Parameter wie Tageszeit, Temperatur, Netzwerkauslastung, momentane

Leistung des Solapanels und Wettervorhersagen sowie dem erwarteten Energie-

ertrag angestellt. Diese Entscheidungsfindungs- und Steuerungsprozesse sichern

durch langfristige Planung einen dauerhaft abgesicherten Betrieb unter ¨

okonomi-

schen Rahmenbedingungen.

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist demnach die Entwicklung oben erw¨

ahnter Verfah-

1.2 Einordnung, Stand der Technik

ren und Algorithmen zur Energieverwaltung und die Implementation auf einem

autonomen, linuxbasierten, prototypischen WLAN Netzwerkknoten.

1.2

Einordnung, Stand der Technik

Die Installation und Integration handels¨

ublicher WLAN Router in große um-

spannende Wireless Metropolitan Area Networks in Ballungsgebieten ist keine

Neuheit mehr ([Med04]). Wie in [FF07] demonstriert, entspringen diese 'Freifunk

Netzwerke' dem Bestreben der Etablierung von freien und offenen Funknetzwer-

ken.

Als einer der ersten Standorte f¨

ur Funknetzwerke an einer Hochschule, wurde

an der Universit¨

at Rostock bereits 1999 mit der Installation von Basisstatio-

nen begonnen. Bei einer im Vergleich hohen Dichte mit nur 300 Metern Radius

pro Basisstation, ist die sorgf¨

altige Planung Grundvoraussetzung f¨

ur den Betrieb

eines solchen Netzwerkes. F¨

ur ein WLAN Netz im Stadtbereich muss die Auf-

stellung der Nodes daher homogen und netzabdeckend erfolgen - unabh¨

angig von

Geb¨

auden oder baulichen Vorschriften.

Aus diesen (idealen) Anforderungen ergeben sich offenbar Probleme: Stromver-

sorgung an entlegenen Orten und daneben auch das ¨

Uberwinden außergw¨

ohnli-

cher Hindernisse (z.B. metallbedampfte Fenster, metallische Raumverkleidungen,

Geb¨

aude unter Denkmalschutz etc.).

Global gesehen existieren autonome Netzknoten zur heutigen Zeit erst in sehr

begrenzter St¨

uckzahl (Beispiele u.a. unter [AB07]). Sie sind oft prototypisch auf

stromintensiven Linux PCs oder als Hardwareeigenentwicklungen konzipiert und

meist in geringen St¨

uckzahlen vorhanden.

In diesem Zusammenhang lohnt der Blick auf zwei etablierte Projekte: Das CRC-

net Project der WAND Network Research Group der Universit¨

at Waikato (New

Zealand) (vgl. [CRC07]) und das Green WiFi Project (vgl. [Green07]).

Auf Neuseeland entstand an der Universit¨

at Waikato mit dem CRCnet eine Platt-

form f¨

ur die weite Netzabdeckung der l¨

andlichen Gegend. Aus der Notlage einer

fehlenden Netzwerkinfrastruktur und langer ¨

Ubertragungswege heraus, entstand

ahnlich wie bei dem ALOHA Protokoll auf Hawaii, eine technische Speziall¨

osung

f¨

ur diesen Einzelfall. W¨

ahrend es sich beim ALOHA Protokoll nur um ein Zugriffs-

verfahren handelt, ist das CRCnet eine umfassende Plattform f¨

ur breitbandige

1.2 Einordnung, Stand der Technik

Abbildung 1.1: Waikato CRC-Netzwerk in Neuseeland mit Solar-WLAN Knoten

(aus Waikato CRCnet [CRC07])

weite Funkstrecken auf der Basis von (teilweise) solarbetriebenen Knoten. Neben

der Entwicklung eigener Protokolle steht auch die Konstruktion spezieller WLAN

Hardware im Vordergrund. Erste Prototypen dieser Art (Router, Access Points

oder Repeater) sind unabh¨

angig von einer Stromversorgung durch das ¨

offentliche

Netz bereits seit 2003 in Neuseeland und S¨

udafrika erfolgreich im Einsatz.

Abb. 1.1 visualisiert die r¨

aumliche Verteilung und die Netzabdeckung der teilweise

uber mehr als 17 Kilometer langen Funkstrecken, basierend auf solarbetriebenen

Repeatern in der N¨

ahe der Stadt Hamilton im Norden Neuseelands (weitere In-

formationen unter [CRC07]).

Ein anderes Projekt - das Green WiFi Projekt - entstand aus dem Bestreben

heraus, Afrika und andere Entwicklungsl¨

ander mit einem g¨

unstigen und allge-

1.2 Einordnung, Stand der Technik

genw¨

artigen Kommunikationsnetz zu versorgen um Bildung und Entwicklung zu

f¨

ordern ([Green07]).

Neben dem 100 $ Laptop sollen WLAN Netzknoten (Abb. 1.2) in einem Mesh

Network etabliert werden. Von essentieller Bedeutung f¨

ur dieses Projekt sind die

Bestrebungen, bereits vorhandene Hardware in eine kosteng¨

unstige Entwicklung

zu integrieren, mit dem Ziel nicht alle Komponenten von Grund auf neu zu entwi-

ckeln. Als Vorbilder f¨

ur effiziente Nutzung der Solartechnologie gelten Low-Power

Solar-Parkuhren aus amerikanischen Großst¨

adten.

Im Green WiFi Projekt wird ein System adaptiert, welches auf der Basis eines

OpenWRT Linux Routers einen 5,5 Ampere Solarcontroller, 19 Ah Bleiakku und

ein 10 Watt Solarpanel verwendet. Seit 2006 existieren mehrere Prototypen, die

Laufzeiten von unter 30 Tagen bieten (weitere Informationen unter [Green07]).

In anderen Teilbereichen der Forschung gibt es ¨

ahnliche Ans¨

atze zur Energiever-

waltung autonomer Systeme: Uboot¨

ahnliche

Solar-powered Autonomous Un-

derwater Vehicles" (SAUV) nutzen vergleichbare Strategien zur Verwaltung ihrer

Energieressourcen in variierenden Betriebszust¨

anden (Abb. 1.2).

Abbildung 1.2: Vergleichbare Systeme aus Forschung und Entwicklung: Green

WiFi und SAUV (aus [Green07] und [AUSI07])

Zum Zeitpunkt einer Dauer¨

uberwachung im Meer sammeln die SAUV Messdaten

unter Verwendung bordeigener Energiespeicher. In der n¨

achsten Betriebsphase

laden sie mit Hilfe von Solarzellen ihre Akkumulatoren und versenden ihre ge-

sammelten Daten per Funk (vgl. [AUSI07]).

Verf¨

ugbare Systeme besitzen keine oder nur eine einfache rudiment¨

are Energie-

verwaltung, die sich zumeist auf das korrekte Laden und Entladen der Akkumu-

latoren beschr¨

ankt und nicht die F¨

ahigkeit aus Beobachtetem zu lernen oder eine

Zukunftsplanung bereitstellt.

1.3 Historisches, Motivation

1.3

Historisches, Motivation

Als wichtige Technologie in der Netzwerktechnik und des Internet ist WLAN seit

der Entwicklung in den 90er Jahren stetig im Aufschwung.

Mit zunehmender Verbreitung und Etablierung von breitbandigen Standards

zur Daten¨

ubertragung in Deutschland, profitiert auch die Weiterentwicklung des

WLAN von diesem Trend. Neue Entwicklungen und Standards bei der ¨

Ubertra-

gungstechnik lassen die Datenraten und ¨

Ubertragungsentfernungen in die H¨

ohe

schnellen. Vor 10 Jahren lag die maximale ¨

Ubertragungsgeschwindigkeit bei 1

MBit in einem 100-meter Radius. Heutige WLANs erreichen die 100 fache Ge-

schwindigkeit ¨

uber ganze Stadtviertel. Eine Grenze dieser Entwicklung ist noch

nicht absch¨

atzbar: Mit WiMax k¨

onnen bereits schon jetzt Entfernungen von ¨

uber

50 Kilometern und einer ¨

Ubertragungsgeschwindigkeit von mehr als 100 MBit/s

uberbr¨

uckt werden.

Damit die Entwicklung voranschreiten kann, muss auch die zugrunde liegende

Infrastruktur weiterentwickelt werden. Sie besteht im Wesentlichen aus mobilen

und feststehenden Netzknoten, auf denen entsprechende Software und Netzwerk-

protokolle aufsetzen. Das Aufgabenspektrum dieser Ger¨

ate ist vielf¨

altig - vom

einfachen Weiterleiten der Datenpakete bis hin zur sicheren Authentifizierung

von Clients.

In der heutigen Zeit der gesteigerten Sensibilisierung f¨

ur Klimaschutz und Ener-

gieeffizienz, w¨

achst das Bestreben etwas in dieser Richtung zu tun: Es wird ver-

sucht die begrenzten Energieressourcen zu schonen und Energie zu sparen.

Aktuell gibt es andererseits jedoch viele Situationen, in denen diese Ziele in den

Hintergrund treten. Nach [dena04] sind zum Teil elektronische Ger¨

ate im Einsatz,

die Energie sinnfrei verbrauchen. Meist stehen finanzielle oder herstellungsspe-

zifische Beweggr¨

unde im Vordergrund und lassen ¨

okologische oder ¨

okonomische

Ziele in den Hintergrund r¨

ucken.

Es tauchen hingegen auch positive Entwicklungen auf: Zu aktuellen Notebooks,

die im Schnitt 60 Watt verbrauchen, gibt es Alternativen wie das Projekt des 100

$ Laptop, welcher gerade mal 7 Watt ben¨

otigt.

Neben den zahlreichen existenten Energieverschwendern sind laut [dena04] auch

die oben erw¨

ahnten Hot Spots ein solches Beispiel mit Sparpotentialen. Sie finden

millionenfach, mit gewisser Rechenleistung ausgestattet, Verwendung in B¨

uros

oder Privathaushalten. Es spielt dabei keine Rolle, ob dem Ger¨

at hohe oder kei-

1.3 Historisches, Motivation

ne Leistung (etwa Nachts) abverlangt wird - es l¨

auft immer mit voller Leistung

und hat infolgedessen immer den maximalen Stromverbrauch.

Mit den L¨

osungsans¨

atzen dieser Arbeit, k¨

onnen Open-Source-Ger¨

ate mit einem

intelligenten Energiemanagement ausgestattet werden, damit sie sich die Ger¨

ate

eigenst¨

andig und adaptiv den wechselnden Umgebungsbedingungen optimal an-

passen k¨

onnen.

Mit der gewonnenen Flexibilit¨

at eignen sich diese Router auch f¨

ur autarke Ein-

satzzwecke, die ohne Verbindung an das Stromnetz auskommen m¨

ussen. So er-

schließen sich Einsatzm¨

oglichkeiten und Orte, an denen dies nie zuvor m¨

oglich

gewesen ist.

Kapitel 2

Zugrunde liegende Technologien

und Konzepte

Ziel dieses Kapitels ist es, die Technologien und die technischen sowie theoreti-

schen Grundlagen des angrenzenden Umfeldes aufzuzeigen und einen Bezug zur

Diplomarbeit herzustellen. Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass

auf Grund des Umfangs nicht auf jedes Detail eingegangen werden kann und in

diesen F¨

allen auf die Konsultation weiterf¨

uhrender Literatur verwiesen wird.

Unter 2.2 - 'Theoretische Grundlagen' werden mathematische Algorithmen und

einige Berechnungswege n¨

aher erl¨

autert, die in der Umsetzung auf dem Ziel-

system im sp¨

ateren Verlauf ab Kapitel 3 Verwendung finden. In Kapitel 2.3 -

'Technische Grundlagen' werden physikalische, elektrotechnische und alle sons-

tigen technischen Aspekte diskutiert. Desweiteren enth¨

alt dieser Abschnitt eine

kurze Beschreibung verwendeter Hard- und Software.

2.1

Allgemeines

Wireless LAN

Der IEEE Standard 802.11, in diesem Fall der Standard f¨

ur Wireless LAN wur-

de bereits 1997 von der 'Working Group for WLAN Standards' herausgebracht

und erfuhr seit dem einige signifikante Erweiterungen ([IEEEwl]). Es wurden

Erg¨

anzungen von 802.11a bis 802.11g spezifiziert, die Funk¨

ubertragungen im 2,4

GHz Bereich des ISM Bandes mit einer Geschwindigkeit von 2 bis 54 MBit/sec

2.1 Allgemeines

(802.11g) vorsehen. Der voraussichtlich Ende 2009 fertiggestellte Standard 802.11n

erm¨

oglicht dann ¨

Ubertragungen von bis zu 540 MBit/sec.

In [Len07] geben Untersuchungen Aufschluss ¨

uber Energiegehalt von Strahlungs-

leistungen und gesundheitlichen Auswirkungen. Neben den technischen Spezifi-

kationen zur Sendeleistung ist im 802.11 Standard genau festgelegt, wie viel Leis-

tung f¨

ur einen Netzknoten (Wireless LAN Router) oder Netzwerkkarten (Clients)

maximal zul¨

assig ist. Dieser gesetzliche Rahmen ist im sp¨

ateren Verlauf von es-

sentieller Bedeutung, da diese Werte in einigen Programmabschnitten variieren

und die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte nicht ¨

uberschreiten d¨

urfen.

In Deutschland gilt seit Dezember 1996 das Bundesimmissionsschutzgesetz und

schreibt in [Bun07] einen Basisgrenzwert von 100 mW ( 20dB) effektiver Sende-

leistung f¨

ur Wireless LAN Hardware nach EIRP (Equivalent Isotropic Radiated

Power) ohne besondere Auflagen vor. Die effektive Sendeleistung setzt sich zu-

sammen aus der elektrischen Sendeleistung der Sendeendstufe, Antennengewin-

nen und D¨

ampfungen durch Kabel/Stecker. Dieser Grenzwert l¨

asst sich wie folgt

beschreiben:

10· log ·(

ref

dBm + G

ant

- V

dmp

) 20dBm

mit

=Sendeleistung WLAN Router in mW,

ref

= Referenzleistung in mW,

ant

=Antennengewinn in dBi,

dmp

= D¨

ampfungsverluste in dBi

Ad-Hoc Kommunikation

Unter Ad-Hoc Kommunikation wird im Allgemeinen der Verbindungsaufbau zwi-

schen zwei oder mehreren unabh¨

angigen Netzwerkclients verstanden. Es handelt

sich dabei um Kommunikationsverbindungen zwischen den Clients ohne zentrale

Instanz. Im Gegensatz zu einer festen Infrastruktur gibt es also keine feste r¨

aum-

liche oder zeitliche Anordnung der Kommunikationsteilnehmer. Das hat den Vor-

teil, dass schnell Verbindungen aufgebaut werden k¨

onnen aber auch den Nachteil,

dass die Verbindungsqualit¨

at gering sein kann.

Die in dieser Diplomarbeit verwendeten WLAN Router unterst¨

utzen das Routing

Protokoll OLSR, welches auf Ad-Hoc Kommunikation basiert.

2.1 Allgemeines

OLSR

Das OLSR Routingprotokoll geh¨

ort zur Kategorie der Link-State-Routing Pro-

tokolle, d.h. die Gruppe der Protokolle, in der alle Knoten komplette Kenntnis

uber die Netzwerktopologie besitzen und k¨

urzeste Wege nach dem Dijkstra Al-

gorithmus ermitteln (vgl. [CJ03]). Desweiteren propagiert jeder Knoten die link

states weiter und erh¨

alt mit dieser Vorgehensweise in endlicher Zeit eine kom-

plette ¨

Ubersicht der Topologie.

Das Optimized Link State Routingprotokoll (OLSR) nutzt unter anderem zur

Netzlastverteilung den Parameter

willingness". Dieser Parameter wird ¨

uber das

Netz verbreitet und nimmt Werte zwischen 0 und 7 an (standard=3). Er gibt

Auskunft ¨

uber

den Willen" bzw. die

Bereitwilligkeit" einer Station Datenpa-

kete ¨

uber diese als Teil eines gr¨

oßeren Netzes weiterzuleiten. Hierbei bedeutet

willingness=0, dass niemals ein Datenpaket weitergeleitet wird, willingness=7

entsprechend dass jedes Datenpaket weitergeleitet wird.

Wie im RFC vorgeschlagen, wird dieser Parameter in der Implementation dieser

Diplomarbeit eine wichtige Rolle zur Steuerung der Netzlastverteilung spielen, so-

bald der Akkumulator festgesetzte Kapazit¨

atsgrenzen ¨

uber- bzw. unterschreitet

as battery capacity is drained, the willingness would be further reduced"([CJ03],

S.65) oder absolut keine Weiterleitung erw¨

unscht ist

...when the battery capa-

city of the node does no longer support carrying foreign traffic."([CJ03], S.65f).

Bayesian Filter

Ein Bayesian Filter (dt.: bayesscher Filter) dient zur Klassifikation von Eingabe-

mengen. Filter dieser Art werden verwendet, um in der Menge eines großen Ein-

gaberaumes (Eingabevektor) aussagekr¨

aftige Aussagen zur Klassifizierung dieser

zu finden (vgl. [Mit97], S.156ff).

Ein Einsatzschwerpunkt liegt vor allem in der Sortierung von E-Mails zur Spam-

filterung. Zur Unterscheidung von ham und spam sucht ein bayesscher Filter nach

zuvor angelernten Mustern im Eingabevektor.

Enth¨

alt beispielsweise eine E-Mail eines (oder mehrere) dieser Muster, wird auf-

grund der ¨

Ubereinstimmung des Klassifikationsmusters, der bayessche Filter dies

als Indikator f¨

ur einen Treffer ansehen und die Mail als Spam E-Mail markieren

und gesondert behandeln.

Eine Besonderheit stellt die Lernf¨

ahigkeit bayesscher Filter dar. Die Klassifika-

toren sind im laufenden Betrieb ver¨

anderlich, d.h. sie k¨

onnen an Zielfunktionen

2.2 Theoretische Grundlagen

angepasst werden und bieten infolgedessen auch unter wechselnden Eingabevek-

toren und Klassifikationsmustern hohe Trefferquoten.

In der Situation des Anlernens wird versucht, aus einer endlichen Menge cha-

rakteristischer Merkmale eine neue Funktion zu finden, die die Merkmale neuer

Eingabevektoren mit m¨

oglichst geringem Fehler sch¨

atzt. Im Verlauf des Lernpro-

zesses wird ferner der Versuch unternommen, den Fehler zwischen beobachteten

Merkmalen und vorhergesagten Merkmalen stetig zu minimieren.

Daraus l¨

asst sich schlussfolgern, dass die Qualit¨

at der Anlernphase von hoher

Bedeutung f¨

ur die Aktualit¨

at des Filters und dessen Trefferquoten ist.

Bayessche Filter finden nicht nur in der Spamerkennung von E-Mails Anwendung:

In [Kor03], S.46ff wird der Einsatz bayesscher Filter in mobilen kontextsensitiven

Anwendungen aufgezeigt und der mobile Einsatz zur pr¨

asizen Situationserken-

nung und Klassifikation illustriert.

2.2

Theoretische Grundlagen

Als Nennspannung eines Akku wird die Spannung bezeichnet, die bei Belas-

tung tats¨

achlich an den Polen anliegt. Sie liegt zwischen der maximalen Leer-

laufspannung und der Entladeschlussspannung. Der exakte Wert h¨

angt im We-

sentlichen noch von anderen Faktoren wie die verbleibende Restkapazit¨

at, Alter,

Temperatur und die Ladehistorie des Akkumulators ab. In Blei-S¨

aure-Systemen

liegt sie im normalen Betrieb zwischen 1,75 und 2,4 Volt je Zelle.

Die Leerlaufspannung ist die Spannung, die an den Polen anliegt wenn kein

Verbraucher am Akku angeschlossen ist und basiert auf einem elektro-chemischen

Gleichgewicht zwischen den Reaktionspartnern, welches in Abb. 2.1 vereinfacht

dargestellt ist. Das Diagramm veranschaulicht den direkten Zusammenhang zwi-

schen Ladezustand (S¨

auredichte, horizontal) und Nennspannung (vertikal). Im

Gegensatz dazu, illustriert Abb. A.1 die vollst¨

andigen Reaktionsabl¨

aufe mit ei-

nem vollst¨

andigen Pourbaix-Diagramm (nach [Pour66] und [Kun79]).

Von Relevanz f¨

ur den normalen Betriebszustand ohne Tiefentladung, ist das elek-

trochemische Gleichgewicht ab 1,6 Volt Leerlaufspannung und im pH-Bereich von

0 bis 3 nach [Hein06].

Die resultierende Spannung an den Polen gibt Auskunft ¨

uber die H¨

ohe der ver-

bleibenden Restkapazit¨

at und in welchem Abschnitt sich das chemische Gleich-

2.2 Theoretische Grundlagen

Abbildung 2.1: vereinfachtes ¨

Ubergangsdiagramm der chemischen Reaktionen ei-

nes Blei-S¨

aure Akkumulators (nach [Pour66])

gewicht zur Zeit befindet.

Auf Grund der starken Korrelation zur Kapazit¨

at in Blei-S¨

aure Systemen wird

die Leerlaufspannung daher oft f¨

ur die Bestimmung der Restkapazit¨

at verwendet.

Dazu sei an dieser Stelle auf die Ausf¨

uhrungen in Kapitel 3.4 verwiesen. In Blei-

S¨

aure-Systemen betr¨

agt die Leerlaufspannung unter Referenzbedingungen 2,06

Volt je Zelle.

Nach [Gro00], S.133f k¨

onnen zeitliche Schwankungen anhand der Definition der

Ruhespannung erkl¨

art werden: Aufgrund der Reaktionen und Rekombinationen

im chemischen Gleichgewicht des Elektrolyts bei Lade- und Entladevorg¨

angen,

sinkt (Entladung) bzw. steigt (Ladung) die Leerlaufspannung in einem typischen

Zeitintervall von etwa einer Stunde nach der letzten elektrochemischen Reaktion

(vgl. [Hein06], S.96ff).

Aufgrund der geringen Auspr¨

agung dieses Effektes bei geringen Entladestr¨

omen,

spielt er f¨

ur die Energieverwaltung in dieser Arbeit keine Rolle.

Die Ladeschlussspannung bezeichnet genau den Punkt, an welchem der La-

devorgang abgeschlossen ist und der Akkumulator 100 % Restkapazit¨

at erreicht

hat. In Blei-S¨

aure-Systemen liegt er bei 2,4 Volt je Zelle (Abb. A.1).

Wird dieser Punkt ¨

uberschritten, so wird von der Gasungsspannung gesprochen.

In dieser ¨

Uberladungsphase wird ein Großteil des Ladestroms in W¨

arme und der

damit gekoppelten Gasungsreaktion umgesetzt. Das entwichene Elektrolyt setzt

auf diese Weise die Speicherkapazit¨

at des Akkus herab.

Die Entladeschlussspannung bezeichnet genau den Punkt, bis zu welchem

2.2 Theoretische Grundlagen

ein Akkumulator entladen werden kann ohne ihn irreparabel zu sch¨

adigen. Er-

reicht ein Akku diesen Punkt, sollte er umgehend geladen werden, da durch die

auftretende Selbstentladung weitere Kapazit¨

atsverluste zu erwarten sind und die

Tiefentladung bevorsteht.

In Blei-S¨

aure-Systemen liegt diese Schwelle bei 1,75 Volt je Zelle. Die beginnende

Tiefentladung unterhalb dieses Punktes hat zur Folge, dass sich an der Oberfl¨

ache

der Elektroden Schwefel in Form von Bleisulfat angelagert und die Leitf¨

ahigkeit

herabsetzt (weitere Informationen dazu in [Hein06] und [Gro00]).

Diesem Entladeschlusspunkt kommt in der Planung und Steuerung des Energie-

haushaltes des Prototypen in Kapitel 3.4 eine fundamentale Bedeutung zu, da

er einen Indikator f¨

ur geringe Restkapazit¨

aten und das Ende der Laufzeit des

Systems darstellt.

Die Nennkapazit¨

at oder Nominalkapazit¨

at bezeichnet die Energiemenge, die

einem Akkumulator bei einer definierten Stromst¨

arke ¨

uber einen Zeitraum ent-

nommen werden kann. Sie wird in Amperestunden (Ah) gemessen.

Die Angaben von Nennkapazit¨

aten basieren meist auf theoretischen Werten aus

Herstellungsprozessen und k¨

onnen bei einzelnen Exemplaren durch Produktions-

schwankungen nach oben oder unten variieren. Blei-S¨

aure Akkumulatoren sind

in Kapazit¨

aten von 2 Ah bis ¨

uber 200 Ah erh¨

altlich.

Die Entnahmekapazit¨

at entspricht der reell entnehmbaren Kapazit¨

at, die bei

einer definierten Stromst¨

arke ¨

uber einen Zeitraum, bei einer definierten Tempera-

tur dem Akku entnommen wird. Diese reellen Kapazit¨

aten k¨

onnen sich bei hohen

oder niedrigen Entladestr¨

omen erheblich von der Nennkapazit¨

at unterscheiden.

Daneben spielen noch die Restkapazit¨

at, das Alter, die Anzahl der durchlaufenen

Zyklen und die Lade- und Entladehistorie des Akkumulators eine Rolle.

Durch diese zahlreichen Abh¨

angigkeiten, ist die Entnahmekapazit¨

at schwer zu

berechnen.

Die Restkapazit¨

at ist die noch im Akkumulator vorhandene Kapazit¨

at zu ei-

nem definiertem Zeitpunkt. ¨

Ahnlich der Entnahmekapazit¨

at wird sie durch eine

großen Anzahl von Faktoren beeinflusst: Akkutyp, Alter, Zyklenzahl, Temperatur

oder Lade- und Entladehistorie.

Neben einer S¨

auredichtemessung sind zwei Verfahren (oder die Kombination bei-

der) zur Bestimmung der Restkapazit¨

at gebr¨

auchlich: Die Summationsmethode

und eine Berechnung ¨

uber die Nennspannung. In ersterer wird gemessen wieviel

2.2 Theoretische Grundlagen

Strom in den Akku hinein fließt und wieviel entnommen wird. Das Verh¨

altnis

beider Werte zueinander unter Ber¨

ucksichtigung einer Fehlerbetrachtung bildet

den Wert der Restkapazit¨

at.

Andererseits ist es auch m¨

oglich die Restkapazit¨

at ¨

uber Bestimmung der Nenn-

spannung zu ermitteln. Aufgrund des chemischen Gleichgewichts (vgl. Abb. 2.1)

entspricht jeder Spannungswert einer definierten Kapazit¨

at, die jedoch im Verlauf

schwankender Betriebsbedingungen variiert.

Die Zyklenzahl beziffert wie oft ein Akkumulator einen Vollzyklus durchlaufen

hat. Ein Vollzyklus umfasst hierbei eine Ladung bis 100 % und eine Entladung

bis auf 20 % Restkapazit¨

at.

Die Zyklenlebensdauer hingegen bezeichnet die maximale Anzahl der Vollzyklen,

die ein Akku durchlaufen kann, bis er in der Lage ist noch 80 % seiner Nennka-

pazit¨

at abzugeben (vgl. [Gro00], S.38ff).

Als Teilzyklen werden Lade-/Entladevorg¨

ange bezeichnet, in denen der Akkumu-

lator nur teilentladen wurde. Die akkumulierte Ladung wird in diesem Fall aus

der Summe der Teilzyklen berechnet. Beispielsweise entsprechen 8 Teilzyklen mit

10 % Entladung genau 1 Vollzyklus mit 80 % Entladung.

Die Angaben der Zyklen unterscheiden sich je nach Akkutyp und Bauweise. Prin-

zipiell lassen sich jedoch alle Blei-S¨

aure-Systeme in einen Bereich von 50 (Starter-

batterie), 200 (Solarbatterie), 500 (Traktionsbatterie) bis 1500 Zyklen (R¨

ohrchen-

plattenbatterie) einordnen (vgl. [exide07] und [IMAG05]). Aufgrund der inhomo-

genen Bauweise und Nutzung unterliegen diese Angaben starken Schwankungen.

Die Lebensdauer gibt die maximale Anzahl der Jahre an, in denen ein Akku

funktionsf¨

ahig bleibt. Bei Blei-S¨

aure-Systemen liegt dieser Wert zwischen 4 und

10 Jahren - je nach Typ und Bauweise. Ausschlaggebend ist wiederum die Lade-

und Entladehistorie des Akku. Von Bedeutung ist ebenfalls das Nutzungsprofil,

welches sich im dauerhaften Stand-by Zustand einer USV signifikant von dem

einer Starterbatterie im Traktionsbetrieb unterscheiden kann.

Neben Sulfatierung, Kurzschluss, Tiefentladung usw. stellt Gasung, also der Ver-

lust des Elektrolyts, einen der wichtigsten Alterungsfaktoren dar und verk¨

urzt

die Lebensdauer des Akku erheblich.

Die Betriebstemperatur wird in

C angegeben und hat starken Einfluss auf die

entnehmbare Kapazit¨

at, auf die Leerlauf- und die Nennspannung. Der zul¨

assige

Temperaturbereich liegt zwischen 0 und +55

2.3 Technische Grundlagen

Insbesondere durch das Unterschreiten von 0

C wird der Wirkungsgrad negativ

beeinflusst und die entnehmbare Kapazit¨

at herabgesetzt.

Die Referenztemperatur f¨

ur Vergleichsmessungen, liegt etwa bei 27

C (vgl. [Gro00],

S.127ff, S.246 und [Hein06], S.105).

Der Wirkungsgrad gibt das Verh¨

altnis wieder, in welchem der Akku Energie

speichern kann (Verh¨

altnis aufgenommener vs. tats¨

achlich gespeicherter Energie).

Nach [KSW06], S.246 haben Blei-S¨

aure Akkus einen Coulomb'scher Wirkungs-

grad von ca. 95 bis 98 %. Ein typischer Wert im Dauerbetrieb liegt zwischen 80

% f¨

ur Traktionsbatterien und 90 % f¨

ur Gel-Batterien.

2.3

Technische Grundlagen

2.3.1

Technik und Ger¨

ate

In diesem Abschnitt wird die verwendete Hard- und Software vorgestellt.

Die Basis f¨

ur alle Programmbestandteile bildet der WRT54G und WRT54GL Wi-

reless LAN Router von Linksys/Cisco Systems. Er bietet Zugriff auf zahlreiche

Funktionen f¨

ur ubiquit¨

are Anwendungen ([Bei04], S. 155f) und arbeitet nach dem

802.11g Standard. ¨

Uber eine serielle Schnittstelle ist er mit einem Morningstar

Tristar 45 A Solar Controller verbunden. An diesen ist ein 55 Watt Solarmodul

und eine 12 V, 88 Ah Blei-S¨

aure Traktionsbatterie angeschlossen.

Dieser Verbund ist v¨

ollig autonom und nur ¨

uber WLAN Funkverbindungen mit

der Außenwelt verbunden.

Der Router arbeitet laut Spezifikationen in der ersten Version mit 6 Volt DC und

in der aktuellen Version mit 12 Volt DC. F¨

ur die Auswertung des Stromverbrau-

ches in verschiedenen Profilen und Lastsituationen werden Messreihen direkt am

Router aufgenommen.

Als Messger¨

ate dienen die TrueRMS Multimeter VC608 und VC840 mit einer

Fehlertoleranz von 0,05 Prozent. Sie sind kalibriert und gepr¨

uft nach DIN VDE

0411 Teil 1, EN 61010-1, IEC 1010-1, EN 55022, EN 61000-4-3 und EN 61010.

Zur St¨

orungsminimierung werden die Messdaten ¨

uber eine galvanisch getrennte

optische RS232c Schnittstelle an einen PC ¨

ubertragen und fortlaufend aufgezeich-

net. Sie dienen als Berechnungsgrundlage f¨

ur die Anpassungen des Routers und

zur ¨

Uberpr¨

ufung der Ergebnisse.

2.3 Technische Grundlagen

2.3.2

Energiespeicher

Blei-S¨

aure Akkumulatoren geh¨

oren zu den ¨

altesten Batterietypen und sind da-

her sehr gut erforscht. Mit ausf¨

uhrlichen Messreihen und wissenschaftlichen For-

schungsarbeiten ist dieser Themenkomplex in der Literatur ausf¨

uhrlich dokumen-

tiert (vgl. [Hein06], [KSW06] et al.).

Aspekte der Ladung,Entladung und Selbstentladung

Zur Unterscheidung der Akkutypen in dieser Arbeit werden Blei-S¨

aure-Systeme

in 2 Kategorien eingeteilt: Traktionsbatterien und Solarbatterien.

Ihrem Bestimmungszweck entsprechend, sind Starter-/Traktionsbatterien f¨

ur ei-

ne hohe kurzfristige Stromabgabe konzipiert, d.h. f¨

ur einen geringen Innenwider-

stand sind die Bleiplatten mit sehr geringem Abstand zueinander angeordnet.

Dies hat den Nachteil der h¨

oheren Selbstentladung von bis zu 15 % im Monat

und der geringeren Entnahmekapazit¨

at gegen¨

uber Gelbatterien. Diese sind mit

gr¨

oßeren Plattenabst¨

anden f¨

ur moderate Entladestr¨

ome ausgelegt, gleichzeitig

robuster und weisen daher eine geringere Selbstentladung von minimal 3-5 % im

Monat auf.

Blei-Gel Akkumulatoren sind dank des in Gelform vorliegenden Elektrolytes r¨

uttel-

fest und lassen sich zwischen diese Gruppen einordnen. Sie sind ebenfalls auf

moderate Entladestr¨

ome optimiert und bieten eine h¨

ohere Effizienz gegen¨

uber

normalen Starterbatterien. Die Unterschiede werden in Kapitel 4 durch mehrere

Simulationsdurchl¨

aufe analysiert.

Allen gemeinsam ist die Problematik des Intervallladens, welches bei Solaranla-

gen systembedingt auftritt: Mit aufsteigender Sonne beginnt der t¨

aglicher Zyklus

und endet mit dem Sonnenuntergang. Prinzipiell werden neben dem sichtbaren

Bereich des Lichtes (390 nm bis 770 nm Wellenl¨

ange) in den Solarzellen auch

Spektren außerhalb dieses Bereiches genutzt (z.B. Infrarot und Ultraviolett). Je

nach Sonnenstand, Bew¨

olkung und Intensit¨

at wechselt das auftreffende Absorb-

tionsspektrum der elektromagnetischen Strahlung und erzeugt mitunter stark

variierende Ladestr¨

ome.

Infolgedessen treten neben den regelm¨

aßigen sinusf¨

ormigen Zyklen mit einer Fre-

quenz von 24 h auch kurzfristige Schwankungen in den Ladeprofilen auf. Derartige

Amplituden beschleunigen die Alterung des Akkumulators (ausf¨

uhrliche Analy-

sen der Korrelationen sind zu finden in [Gro00], S138ff).

Details

Seiten
Erscheinungsform: Originalausgabe
Jahr: 2007
ISBN (eBook): 9783836612951
DOI: 10.3239/9783836612951
Dateigröße: 8.2 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Universität Rostock – unbekannt, Informatik
Erscheinungsdatum: 2008 (Mai)
Note: 2,0
Schlagworte: energieerzeugung intelligenz filteralgorithmen wireless solarenergie

Autor

Christian Schulz (Autor:in)

Optimierung der Leistungsaufnahme eines solarbetriebenen Ad-Hoc-Netzwerk-Knotens

Zusammenfassung

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

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Autor

Christian Schulz (Autor:in)