Eine schwimmende Wasserqualitäts- oder Hydrologiestation ist ein netzunabhängiges Stromsystem, das nachts, an aufeinanderfolgenden bewölkten Tagen und während des biofouling-anfälligen Einsatzes auf See oder auf einem See weiter messen muss. Handelsübliche Bojenplattformen laufen auf eine wiedererkennbare Architektur hinaus: Eine Photovoltaikanlage von einigen zehn bis über hundert Watt lädt eine bordeigene Speicherbank, die für mehrere Tage Autonomie dimensioniert ist – Integratoren spezifizieren üblicherweise sieben oder mehr bewölkte Tage –, während ein Datenlogger in einem Zyklus von einer bis sechzig Minuten aufwacht, eine Mehrparameter-Sonde anregt, die pH, gelösten Sauerstoff, Trübung und Leitfähigkeit misst, gelegentlich eine Pumpe, einen Wischer oder Reinigungsmechanismus antreibt und über 4G, GPRS oder LoRaWAN mit Modbus oder MQTT hochlädt. Dieser erste von drei Artikeln über Nickel-Metallhydrid-Strom für schwimmende Überwachung zerlegt diese Architektur, quantifiziert die Lastkomponenten, die eine Boje von einem einfachen Wetterlogger unterscheiden, erklärt den täglichen Lade-Entlade-Zyklus, den das Speicherelement tatsächlich sieht, und zeigt, warum ein versiegelter, zyklusfester NiMH-Puffer gut zu einer Plattform passt, die täglich geladen, periodisch um hochstromige Bursts gebeten und in einer korrosiven, feuchten Umgebung erwartet wird.
Eine moderne Mehrparameter-Boje ist stromhungriger, als ihre geringe Datenrate vermuten lässt. Die elektrochemischen und optischen Sensoren der Sonde ziehen Strom, wenn sie angeregt werden; optische Trübungs- und Gelöstsauerstoffkanäle benötigen Beleuchtung; viele Plattformen betreiben mechanische Wischer oder Druckluftreiniger zur Kontrolle von Biofouling; Pumpen bewegen gegebenenfalls Probenwasser; und Datenlogger sowie RS485/Modbus-Sensorbus sind während jedes Messfensters aktiv. Beim Upload tastet dann ein zellulares oder LPWAN-Funkgerät, dessen Sendestufe den größten Momentanstrom des Zyklus zieht.
Die Messkadenz ist von einmal pro Minute bis stündlich konfigurierbar, und jede Verkürzung des Intervalls erhöht die Durchschnittslast etwa proportional. Veröffentlichte Bojenspezifikationen beschreiben Zwölfvolt-Systeme mit Solar-plus-Speicher, über diesen Bereich von einer bis sechzig Minuten einstellbare Messzyklen und LoRaWAN auf EU868 oder zellularen Uplink. Die erste Konstruktionsaufgabe ist daher dieselbe Zyklus-Energiebilanz wie für jeden entlegenen Knoten – jeden Zustand, seinen Strom und seine Dauer auflisten –, jedoch mit Pumpen-, Reiniger- und optischen Sensortermen, die eine Wetterstation nicht hat.
Schwimmende Plattformen ernten fast durchweg photovoltaisch, da sie netzunabhängig sind und unter freiem Himmel liegen. Integratorenspezifikationen beschreiben Anlagen von etwa fünfzig bis hundertfünfzig Watt, die eine Speicherbank laden, wobei die bestimmende Anforderung die Autonomie über aufeinanderfolgende Regen- oder Bewölkungstage ist: Sieben Tage sind ein übliches kommerzielles Ziel, und einige meteorologische Bojenlinien spezifizieren fünfzehn oder mehr. Das Speicherelement wird also nicht für eine Nacht dimensioniert, sondern für die schlechteste Saisonphase geringer Sonneneinstrahlung – eine grundlegend andere Berechnung als bei einem tagesgebundenen Solar-Gadget.
Innerhalb dieser Architektur hat die Speichertechnologie drei Aufgaben: Ladung aufnehmen, wann immer das Modul liefert, den Mess- und Upload-Zyklus bei Bedarf versorgen und die mehrtägige Unterversorgung überbrücken. Versiegeltes NiMH ist gerade für kleine bis mittlere Boje eine glaubwürdige Wahl, weil es eine zyklische, wiederaufladbare Technologie ist, die die flache, unregelmäßige Ladung verträgt, die ein bewegtes, manchmal beschattetes Modul liefert, sowie die wiederholten täglichen Zyklen jahrelanger Nutzung – ein anderes Wertversprechen als die großen primären Lithiumpakete, die dort verwendet werden, wo überhaupt keine Solaranlage existiert.
Anders als eine Primärbatterie, die sich nur entleert, durchläuft ein Bojenpuffer eine sich wiederholende tägliche Umlaufbahn: Er entlädt sich über Nacht und während der Mess-Bursts, lädt sich über die Tageslichtstunden wieder auf und pendelt sich auf einem Ladezustand ein, der dem Wetter folgt. In einer sonnigen Woche schwebt er hoch; in einer Sturmwoche tendiert er abwärts und muss sich erholen. Das Speicherelement braucht daher hohe Zyklusfestigkeit bei flacher Zyklisierung, gute Ladeakzeptanz aus einer intermittierenden Quelle und einen so geringen Selbstentladung, dass gespeicherte Energie nicht entweicht.
NiMH kommt mit genau diesem Regime gut zurecht. Es nimmt Ladung von einem geregelten Solarregler ohne die strenge, plattierungsempfindliche Ladedisziplin von Lithium-Ionen an, verträgt die moderate Überladung, die ein einfacher mariner Controller anwenden kann, und durchläuft die tägliche Umlaufbahn über die Lebensdauer der Plattform. Niedrigselbstentladende Qualitäten werden spezifiziert, damit gespeicherte Energie lange Bewölkungsphasen übersteht, und das Pack wird bewusst in einem mittleren Ladezustandsband betrieben, in dem sowohl Zyklenlebensdauer als auch Zuverlässigkeit am besten sind.
Mehrere Bojenlasten sind impulsiv statt stationär: Ein Wischermotor oder eine unter Last anlaufende Pumpe, das Beleuchtungsblitzlicht eines optischen Sensors und insbesondere ein zellulares Funkgerät, das an einer schwachen Signalkante sendet, können jeweils kurzzeitig einen Strom vom Mehrfachen des Durchschnitts fordern. Wie bei einem Sensorknoten muss das Speicherelement seine Schienenspannung durch diese Pulse halten, sonst setzt sich der Logger zurück und die Messung geht verloren – ein kostspieliger Ausfall auf einer Plattform, die vielleicht nur per Boot erreichbar ist.
Versiegelte NiMH-Zellen haben eine geringe Innenimpedanz in der Größenordnung von einigen zehn Milliohm in einer geladenen AA-Zelle, und Industrielinien halten mehrere Ampere Entladung aus, sodass ein kleines Pack die Spannung durch Motor- und Funkstarts hält, die eine hochimpedante Quelle einbrechen ließen. Konstrukteure fügen oft einen lokalen Kondensatorspeicher für die schärfsten Pulse hinzu und überlassen es der NiMH-Bank, die Zyklusenergie zu einer moderaten Durchschnittsrate zu liefern. Die erste animierte Abbildung stapelt die Energie jeder Bojenlast; die zweite stellt eine gesunde tägliche Ladezustandsumlaufbahn einer Defizitwoche gegenüber.
Wasser ist eine feindliche elektrische Umgebung, und zwar auf Weisen, die die Batterie selbst innerhalb eines versiegelten Rumpfes erreichen: hohe Luftfeuchtigkeit und Kondensation, weite Temperaturschwankungen, salzhaltige Luft, die Steckverbinder und jedes freiliegende Metall angreift, ständige geringe Bewegung und Vibration sowie das Risiko eines undichten Abteils. Diese Stressfaktoren erhöhen den Kontaktwiderstand, beschleunigen die Korrosion und können ein Pack schneller altern lassen als seine elektrochemische Kalenderlebensdauer, wenn mechanische und Dichtungskonstruktion schwach sind.
Deshalb ist die Bojen-Stromkonstruktion nicht von der Gehäusekonstruktion zu trennen. Das Batterieabteil sitzt hinter der IP68-Barriere, die eine tauchfähige Plattform definiert; Zellen werden mit geschweißten Laschen oder robusten Haltern gegen Bewegung gesichert; Steckverbinder sind korrosionsbeständig und konformbeschichtet; und die Thermokonstruktion hält das Pack aus direkten Sonnen-Hotspots heraus. Dass NiMH keine freie Flüssigkeit besitzt und robust versiegelt gebaut ist, wirkt hier vorteilhaft, doch der Vorteil realisiert sich nur, wenn das Pack ebenso bewusst für die marine Umgebung verpackt wird wie der Rumpf selbst.
Die Last- und Architekturanalyse ergibt einen klaren Anforderungssatz für das Speicherelement: wiederaufladbar und zyklusfest über Jahre täglicher Umlaufbahnen; aus einer schwachen, intermittierenden Photovoltaikquelle ohne fragiles Ladeprotokoll ladbar; geringimpedant genug, um Motor-, optische und Funkpulse abzudecken, optional mit Kondensatorspeicher; gering im Selbstentladung, um mehrtägige Defizite zu überstehen; und robust in einem versiegelten, feuchten, vibrierenden, salzexponierten Abteil. Diese Anforderungen rahmen die detaillierte Pack-Konstruktion im nächsten Artikel.
Sie rahmen auch einen ehrlichen Chemievergleich. Große Boje mit reichlich Volumen und Budget mögen Lithium-Ionen wegen seiner Energiedichte verwenden, und solarlose, langlebige Plattformen mögen primäres Lithium nutzen; doch für wartbare, solarunterstützte kleine und mittlere Boje – besonders dort, wo Transporteinfachheit, verzeihendes Ladeverhalten und Pulslieferung geschätzt werden – ist ein gut konstruierter versiegelter NiMH-Puffer eine starke, vertretbare Wahl. Der folgende Artikel verwandelt diese Anforderungen in Entscheidungen zu Zellzahl, Kapazität, Speicher und Lademanagement.
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