Um einen ESP32-Telemetrieknoten bei Messungen alle 15 Minuten rund um die Uhr durch einen südafrikanischen Winter zu bringen, benötigen Sie eine einzelne 18650-Lithium-Ionen-Zelle mit 2.200–2.600 mAh und ein monokristallines Solarpanel mit 2W bis 5W (5V oder 6V). Das gesamte Stromversorgungssubsystem kostet unter R250 pro Knoten. Diese Rechnung geht jedoch nur auf, wenn Sie das größte Stromleck bei IoT-Projekten im Unterricht beheben: den Ruhestrom (Quiescent Current) auf Board-Ebene.

Die Ruhestromfalle

Ein ESP32-Chip zieht im Deep Sleep rund 10 bis 15 Mikroampere (µA). Dennoch setzen Lehrkräfte und Schüler häufig Standard-Entwicklungsboards ein (wie das NodeMCU ESP32 oder ESP32 DevKit V1) und stellen fest, dass ein 2.500-mAh-Akku ohne Sonnenlicht nach drei Tagen leer ist. Warum?

Standard-Prototyping-Boards enthalten zwei stromhungrige Komponenten, die niemals schlafen:

• Die USB-zu-UART-Bridge (wie der CP2102 oder CH340), die selbst dann 0,5 mA bis 15 mA zieht, wenn kein USB-Kabel angeschlossen ist.
• Der Low-Dropout-Spannungsregler (LDO) (häufig ein AMS1117-3.3), dessen Ruhestrom bei etwa 5 mA bis 10 mA liegt – nur um seine Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.

Ein Board, das während des „Schlafs“ 10 mA zieht, verbraucht jeden einzelnen Tag 240 mAh, nur weil es im Leerlauf läuft. Dagegen senkt ein ESP32-Board mit einem extrem sparsamen Spannungsregler (wie einem HT7333 oder ME6211 mit einem Ruhestrom von ≤50 µA) in Kombination mit einer stromlosen USB-Bridge den täglichen Ruheverbrauch auf unter 2 mAh.

Die Energiebilanz: 15-Minuten-Aufwachzyklen

Berechnen wir den täglichen Energiebedarf eines typischen Bodenfeuchte- und Umgebungstemperatursensors, der Telemetriedaten über 2,4-GHz-WLAN an einen MQTT-Broker sendet.

1. Aktiver Zustand (Aufwachen & Senden)

• Stromaufnahme: ~180 mA im Durchschnitt während der WLAN-Verbindung und Übertragung.
• Dauer: 4 Sekunden (Booten, ADC-/I2C-Sensoren auslesen, mit WLAN verbinden, Payload veröffentlichen, in den Deep Sleep wechseln).
• Häufigkeit: Alle 15 Minuten = 4 Mal pro Stunde = 96 Übertragungen pro Tag.
• Energie pro Übertragung: 180 mA × (4 s / 3.600 s) = 0,20 mAh.
• Täglicher aktiver Verbrauch: 96 × 0,20 mAh = 19,2 mAh/Tag.

2. Deep-Sleep-Zustand

• Stromaufnahme (optimierte Hardware): 0,05 mA (50 µA).
• Dauer: 24 Stunden minus ~6,4 Minuten aktive Zeit ≈ 23,9 Stunden.
• Täglicher Ruheverbrauch: 23,9 h × 0,05 mA = 1,2 mAh/Tag.

Täglicher Gesamtverbrauch: 19,2 mAh + 1,2 mAh ≈ 20,4 mAh pro Tag bei 3,3V (rund 0,07 Wh pro Tag). Selbst bei einem nicht optimierten Board mit einem Leerlaufstrom von 3 mA steigt der tägliche Bedarf bereits auf rund 90 mAh pro Tag.

Dimensionierung des 18650-Akkus für Autarkie

Unter südafrikanischen Winterbedingungen – insbesondere bei Kaltfronten im Westkap oder anhaltend bedecktem Himmel in anderen Regionen – müssen Sie für 5 aufeinanderfolgende Tage ohne nutzbares Sonnenlicht planen.

Eine einzelne Standard-18650-Zelle mit 2.200 mAh bis 2.600 mAh bietet bei einem optimierten Sensor enorme Reserven. Selbst wenn wir die Entladung auf ein schonendes Entladetiefenband (Depth-of-Discharge, DoD) von 20 %–80 % begrenzen, um eine fünfjährige Lebensdauer der Zelle sicherzustellen, garantieren 1.300 mAh nutzbare Kapazität auf sauberer Hardware mehr als 40 Tage autarken Betrieb ohne Sonne.

Dimensionierung des Solarpanels für winterliche Sonnenstunden

Die Spitzen-Sonnenstunden (Peak Sun Hours, PSH) sinken im südafrikanischen Winter je nach Region deutlich. In Kapstadt liegt der Durchschnitt im Winter wegen Regen und dichter Bewölkung bei etwa 2,5 bis 3,0 PSH, während das Highveld trotz kalter Temperaturen 4,0 bis 4,5 PSH erreicht.

Wir dimensionieren für den ungünstigsten Fall (2,5 PSH):

• Täglicher Energiebedarf: 21 mAh × 3,7V Nennspannung = ~0,08 Wh.
• Systemverluste: Einberechnen eines Gesamtwirkungsgrads von 60 % (unter Berücksichtigung von Staub auf dem Panel, Spannungsverlusten des TP4056/CN3065-Solarladereglers und der chemischen Ladeeffizienz des Akkus).
• Erforderliche Tageserzeugung: 0,08 Wh / 0,60 = 0,133 Wh/Tag.
• Mindestleistung des Panels: 0,133 Wh / 2,5 PSH = 0,053 W (53 mW).

Rein rechnerisch könnte ein winziges 0,5W-Panel diesen Knoten unter idealer Laborsonne versorgen. In der Praxis sollten Sie jedoch ein Panel mit 2W bis 5W (5V oder 6V) einsetzen. Warum diese 40-fache Sicherheitsmarge? An stark bewölkten Wintertagen sinkt die Sonneneinstrahlung auf 5 % bis 10 % des vollen Tageslichts. Ein 5W-Panel liefert selbst unter dichten grauen Wolken noch 100 mW bis 250 mW – mehr als genug, um den Betriebsbedarf zu decken und den Akku über seiner Abschaltspannung zu halten.

Checkliste für den Feldeinsatz

• Panel-Ausrichtung: Richten Sie das Panel genau nach Norden aus, geneigt um Ihren lokalen Breitengrad plus 10° bis 15° (rund 45° im Westkap, 38° in Gauteng). Dieser steile Winkel fängt die tief stehende Wintersonne optimal ein und lässt Regen und Staub von selbst abgleiten.
• Laderegler: Verwenden Sie ein dediziertes Solar-Lithium-Lademodul auf Basis des CN3065-IC anstelle eines einfachen TP4056. Der CN3065 kommt mit schwankender Eingangsspannung zurecht, ohne abzustürzen oder sich bei schwächerem Sonnenlicht aufzuhängen.
• Stromtrennung der Sensoren: Stellen Sie sicher, dass Peripheriesensoren (wie kapazitive Bodenfeuchtesensoren) über einen GPIO-Pin des ESP32 statt über die 3,3V-Schiene versorgt werden. Schalten Sie den Pin nur während des 4-sekündigen Messfensters auf HIGH, um dauerhaften Ruhestromverbrauch zu vermeiden.

Für Unterrichts-Kits und landwirtschaftliche Telemetrie-Architekturen, die für diese Energiebudgets vorkonfiguriert sind, entdecken Sie unsere Referenzdesigns unter Sheen Farming Solutions oder sehen Sie sich unsere offenen Telemetriemodule unter Sheen IoT an.