Photovoltaik | Ingmar's Retroblog

Ein Smarthome ist heute keine Seltenheit mehr und sehr weit verbreitet. Es gibt unzählige Systeme am Markt, die das eigene Zuhause „Smart“ machen. Die digitalen Sprachassistenten von Google, Amazon und co. in Verbindung mit Smarten Glühlampen zählen zu den einfach und schnell zu installierenden Systemen. Aber es gibt auch komplexe Smart Home Systeme, bei denen in den Hausverteilern Aktoren für jede Lampe und Steckdosen verbaut sind. Die Fenster und Türen sind mit Meldekontakten ausgestattet und sichern das Eigenheim oder melden, wenn einmal auf das Schließen der Fenster nach dem Stoßlüften vergessen wird. Das diese Systeme bei vernünftiger Programmierung auch zur Energieoptimierung beitragen ist selbstverständlich. Auch ich betreibe Smarthome Komponenten unterschiedlichster Hersteller.

Dazu gehört seit Jahren das HomeMatic System, das sowohl kabelgebunden als auch über das Bidcos-Protokoll mit seinen Aktoren und Sensoren kommuniziert. Das HUE – System von Phillips spricht dabei über ZigBee mit seinen smarten Lampen und Steckdosen. Die Gateways dieser Systeme sind an ein LAN Netzwerk angeschlossen und jedes System bringt seinen eigenen Webserver mit, über den es dann zu steuern und einzustellen ist. Ein Wechselrichter von Photovoltaikanlagen kann seine Daten über unterschiedlichste Schnittstellen (RS485, CAN, RS232) zur Verfügung stellen. Um alle auf eine zentrale Darstellungsebene zu bringen, habe ich mich für das NodeRed System entschieden. Der Dazu notwendige NodeRed Server läuft auf einem Raspberry PI. (Auf der CCU3 mit dem Raspbian Image ist noch genug Platz um den NodeRed Server laufen zu lassen – der ist sogar als eigenes Plugin für die CCU verfügbar und wird „RedMatic“ genannt). Mit dieser Konfiguration lässt sich fast alles im Bereich Homeautomation „erschlagen“. Mit ESP32 und Raspberry lassen sich über MQTT (Message Queueing Telemetry Transport) bequem Statusinformationen übertragen. Dies wende ich beispielsweise bei den kleinen Einspeise Wechselrichtern einer Balkon PV-Anlage an, als auch bei den PV-Wechselrichtern einer Offgrid-Anlage. Hier werden die Daten über unterschiedliche Bussysteme im Raspberry oder ESP32 empfangen und in das MQTT-Protokoll umgesetzt. Der MQTT Broker sammelt die Daten der einzelnen Geräte und über NodeRed lassen sie sich dann in eine Datenbank schreiben, im Browser oder am Smartphone visualisieren und auch einfach, je nach Bedarf, im HomeMatic System verarbeiten.

Somit ist es möglich, nahezu alle Systeme miteinander Smart zu vernetzen und, für mich wichtig auf EINER Plattform zu visualisieren. Ein einziges System fehlte bisher noch. Das ist meine alte Neura Heizungswärmpepumpe. Die Firma Neura ist schon seit einigen Jahren nicht mehr existent und der von „b.i.t.“ entwickelte auf Webserver „webidalog“ wurde nie mehr aktualisiert. Die Wärmepumpe hat also einen Webserver auf einem kleinen mit Linux-Rechner onboard und baut die Webapplikation mit einer uralten Java Version. Für die Bedienung muss am PC eine Java Runtime installiert sein, die nur mit einigen Tricks auf einem aktuellen Windows Rechner läuft (Stichwort: Virtualisierung). Für die Bedienung über ein Smartphone ist eine html – Version mit eingeschränkter Funktionalität verfügbar. Mein Plan war es nun, eine Schnittstelle zu finden, mit der ich die Daten der Wärmepumpe zumindest einmal auslesen kann, um Vorlauf- Rücklauftemperaturen der Fußbodenheizung, Kesseltemperatur, etc. auch in meinem NodeRed System zur Verfügung habe. Da zu dem System aber so gut wie keine Dokumentation zu finden ist und ein Reverse-Engineering ein wenig kritisch ist, wenn das System weiter laufen soll, kam mir folgende Idee:

Mit einem „headles browser“ sollte es ja möglich sein, die html-Version der Neura WebDialog Website zu parsen und die relevanten Daten zu finden und über Variablen in MQTT-Topics zu verwandeln. Und hier muss ich einen besonderen Dank an meinen Kollegen Mario Wehr aussprechen, der mir die Softwarestrukur zum parsen der Website gebaut hat. Die Software ist in PHP geschrieben und läuft schlussendlich auf einem Raspberry PI. Hier sind lediglich eine php8-cli runtime und ein paar Module notwendig. Die Software funktioniert so, dass bei jedem Aufruf ein Login auf der Wärmepumpenwebsite ausgeführt wird, danach werden die Daten geparsed und zu MQTT-Broker gesendet. Das kontinuierliche Aufrufen des php-Skriptes habe ich dann einfach mit einem cronjob gelöst, der jede Minute ausgeführt wird.

>sudo crontab -e

und der job sieht dann so aus:

* * * * * sudo php /home/neura2mqtt/neura2mqtt.php -c

(wenn man sich die files ins /home/ verzeichnis legt…). Das Projekt habe ich auf github unter: https://github.com/ingmarsretro/neura2mqtt veröffentlicht.

Als Mini – Bastelprojekt zur Sommerzeit bezeichne ich folgende Bastelei. Ein kleines monokristallines Solarmodul mit der Bezeichnung „SM 6“ von einem bekannten, großen Elektronikdistributor der mit „C“ beginnt und mit „d“ endet, spielt in dem Projekt die Hauptrolle. Das Modul hat eine Nennleistung von 6Wp bei einem maximalen Strom von 320mA. Die Nennspannung liegt bei 17,3V. Die Leerlaufspannung beträgt 20,8V. Die Siliziumzellen sind in einer EVA (Ethylen-Vinyl-Acetat) Kunststoffplatte eingebettet und UV- und feuchtigkeitsbeständig. Das ganze Modul ist ca. 25cm x 25 cm groß. Es ist also ideal geeignet, um die Energie zum Betreiben von USB-Geräten bereitzustellen. Hierbei habe ich zum Beispiel an WIFI-IP-Cams gedacht. Auch das Laden von Smartphones oder Tablets sollte damit möglich sein.

Um das nun auch durchführen zu können, muss aus der Nennspannung der Photovoltaikzelle die Betriebsspannung des USB-Standards (5V) erzeugt werden. Das könnte man jetzt ganz einfach mit einem 7805er Regler machen und die Differenz dabei in Wärme umwandeln. Doch das ist die, so ziemlich ineffizienteste Möglichkeit, die Energie des Panels in ein Handy zu bekommen.

Zum einen ist der Innenwiderstand des Panels von der Lichtintensität abhängig, was einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad bei nicht angepassten Lastwiderständen hat. Zum anderen ist ein Längsregler ein Energievernichter, da die Differenz zwischen Eingangsspannung und geregelter Ausgangsspannung bei Stromfluß in Verlustleistung, also Wärme umgewandelt wird. Hier ist man mit einem Schaltwandler (Buck-Converter) besser bedient.

In einem einfachen Laboraufbau kann das Verhalten des Panels untersucht werden. Dazu wird die Leerlaufspannung des Panels bei unterschiedlicher Beleuchtungsstärke gemessen. Anschließend wird das Panel mit unterschiedlichen Widerstandswerten belastet und der Strom durch die Last, sowie die Spannung am Panel gemessen. Die Messwerte werden aufgezeichnet und der Ri (Innenwiderstand der Quelle) berechnet. Der nachfolgende Stromlaufplan zeigt den Messaufbau:

Als Amperemeter dient ein Agilent- und als Voltmeter ein Keithley 2701 Tischmultimeter. Diese Messgeräte können beide über SCPI-Befehle gesteuert werden. Als Schnittstelle ist jeweils ein LAN-Port vorhanden. Das macht es einfach, über einen PC und ein geeignetes Skript, einen automatisierten Messablauf zu realisieren. Und da Matlab eine sehr bequeme Möglichkeit bietet, zu skripten, wird es auch gleich verwendet. Um in einem Labor messen zu können und in etwa dieselben Umgebungsbedingungen zu haben, wird anstelle der Sonne eine Tischlampe mit Halogenglühbirne verwendet. Die Helligkeit der Lampe wird einfach durch die Versorgung mit einem Labornetzgerät von 0-13V eingestellt. Natürlich kann auch das Labornetzgerät per Matlab gesteuert werden.

Die Lampe ist in einem Abstand von 25cm mittig über dem Panel platziert. Um ein Gefühl zu bekommen, welche Beleuchtungsstärke mit der Lampe erreicht wird, wird mit einem Luxmeter eine Referenzmessung gemacht. Das heißt, die Lampe fährt die Leistungsrampe von 0-13V durch und das Luxmeter misst die Beleuchtungsstärke im Abstand von 25cm unter der Lampe. Das Ganze wird in 0.5V Schritten aufgelöst. Daraus ergibt sich eine Kurve, die so aussieht:

Spannung an der Lampe ergibt Beleuchtungsstärke

Jetzt kann die Messung beginnen. Als Lastwiderstand werden manuell Widerstände an das Panel geschaltet und Strom und Spannung bei jeder Helligkeitsstufe gemessen. Es sind elf Lastwiderstandswerte die von 4.7 Ohm bis 220 Ohm reichen nacheinander angeschlossen. Eine Leerlaufmessung wird dann natürlich ohne Lastwiderstand gemacht. Folgender Graph zeigt den errechneten Innenwiderstand bei zwei Lasten des Panels über den Helligkeitsverlauf der Lampe in Lux und im weiteren Graph über die Spannung an der Lampe (für die bessere Skalierung). Den Innenwiderstand einer Quelle errechnet man aus der Leerlaufspannung der Quelle abzüglich der Spannung unter Last, dividiert durch den Strom. Mit der Differenz der Leerlauf und Lastspannung erhält man also den Spannungsabfall am Innenwiderstand. Da im Lastfall auch der Strom bekannt ist, braucht man nur mehr das Ohm´sche Gesetz anzuwenden, um den Widerstandswert zu erhalten…

Innenwiderstand vs. Spannung an der Lampe

Da jetzt einige Klarheiten über das Verhalten der PV-Zelle beseitigt wurden, kann ich noch kurz über den Aufbau des Spannungswandlers berichten. Wie schon zuvor angekündigt, ist ein Schaltwandler der effizientere Weg, die Energie an den Verbraucher anzupassen. Hier kommt ein LM2596S zum Einsatz. Der LM 2596 ist ein „Simple Switcher Power Converter, der mit 150kHz schaltet und eine Last mit 3A versorgen kann.) Hier eine Übersicht der Funktionen:

3.3-V, 5-V, 12-V, and Adjustable Output Versions
Adjustable Version Output Voltage Range: 1.2-V to 37-V ± 4% Maximum

Over Line and Load Conditions
Available in TO-220 and TO-263 Packages
3-A Output Load Current
Input Voltage Range Up to 40 V
Excellent Line and Load Regulation Specifications
150-kHz Fixed-Frequency Internal Oscillator
TTL Shutdown Capability
Low Power Standby Mode, IQ, Typically 80μA
Uses Readily Available Standard Inductors
Thermal Shutdown and Current-Limit Protection

(Quelle: Datenblatt des Herstellers TEXAS Instrument)

Mit diesem Schaltwandler und noch ein paar wenigen anderen Komponenten lässt sich schnell eine Schaltung zusammenzimmern und mit dem Layout Tool „Eagle“ in eine Platine verwandeln. Diese Schaltung ist aber so einfach aufgebaut, dass sie lediglich mit den Vorzügen des LM2596 möglichst effizient arbeitet, aber kein Powertracking durchführt. Das heißt, die Last, die die Schaltung für die Solarzelle darstellt wird nicht an den Innenwiderstand der Solarzelle angepasst.

Aus dieser Schaltung wurde dann ein einfaches Layout erstellt, eine Platine geätzt und diese bestückt. Eine USB-Buchse am Ausgang ermöglicht das direkte Ansschließen von USB-Geräten. Um das Ganze auch ein wenig vernünftig aussehen zu lassen habe ich der Platine noch ein kleines Kunststoffgehäuse gespendet…

Messung der Beleuchtungsstärke