Multimeter für PV-Inselanlage / Multimeter for photovoltaic stand-alone system
Abstract: The installation of battery voltmeters, current sensors, radio transmitters and radio receivers allows the supervisor of the photovoltaic system to get a deeper insight into its function from different places and helps in making decisions about the operation of the system.
Rolle der Batteriespannung
Bei der Nutzung von Photovoltaik-Inselanlagen ist es notwendig, die Batteriespannung im Auge zu behalten. Besonders, wenn an das resultierende PV-Stromnetz (~230V) solche Abnehmer angeschlossen sind, welche den plötzlichen Stromausfall – wegen zu niedriger Batteriespannung – schlecht ertragen (z.B. Desktop-PCs). Außerdem, bei flexibler Anwendung von nicht sehr starker Photovoltaik-Inselanlage kann man nur in Bezug auf die Höhe der Batteriespannung die Entscheidungen treffen, welche Geräte und für welche Zeit den Strom aus dem PV-Netz beziehen dürfen.
Automatisches Ausschalten vom Wechselrichter (Spannungswandler) der PV-Anlage geschieht auch dank fortlaufendem Messen der Batteriespannung seitens Gerätes selbst. Bei unzulässigem Batteriespannungsabfall ertönt zuerst ein Warnsignal. Wenn danach die Spannung nicht einsteigt – z.B. infolge des Abschaltens von nicht benötigten Stromverbrauchern –, wird die Versorgung von Elektrogeräten über ~230V-Netz abgebrochen.
Nebenbei bemerkt, die Laderegler haben normalerweise ebenfalls einen 12V-Lastausgang für die mit der Gleichspannung betriebenen Geräte. Der wird automatisch abgeschaltet, wenn die Batteriespannung unter bestimmte Grenze (in der Regel 12.0V) sinkt.
In erster Linie ist der Spannungsabfall „ungesund“ für die Batterien. Bei Bleibatterien führt er zu starker Verkürzung ihrer Lebensdauer.
Momentan werden auf dem Markt sowohl verschiedene komplette PV-Inselanlagen, als auch unzählige PV-Komponenten angeboten. Dabei beinhalten die wichtigsten Bestandteile dieser Anlagen – Laderegler und Wechselrichter – die Multimeter mit digitaler Anzeige. Genau sie sollen den Betreibern den Überblick über den aktuellen Stand der PV-Anlagen verschaffen und bei den Entscheidungen über Betrieb von angeschlossenen Geräten helfen.
Vorteile der Stromstärke-Messung
Das Problem ist aber, dass beim Vorhanden von Lade- und/oder Entladeströmen die PV-Batterie-Spannungswerte nicht besonders aussagekräftig sind. Ein reales Beispiel dazu: an einem Sonnentag liest man vom Display des Ladereglers den 12.7V-Wert. Das ist jedoch nur die Ladespannung. Die unterscheidet sich nicht viel vom Wert, welchen der Spannungswandler anzeigt: 12.5V. Die gemessenen Spannungen bedeuten nur, dass der Spannungsabfall auf den Kabeln und Verbindungen der Anlage 0.2 Volt beträgt und dass der Strom vom Laderegler fließt (schon weil die Sonne scheint). Jedoch die wichtige Frage – ob dabei die Batterien gerade geladen werden – kann nicht beantwortet werden. Dafür muss man die Stärken sowohl von Lade-, als auch von Entladeströmen wissen und vergleichen.
Viele auf dem Markt angebotene Laderegler zeigen zwischen den anderen Verfahrenswerten auch die Ladestromstärke an. Ebenso die Spannungswandler geben seinerseits – neben der Eingangsspannung – noch die Auskunft über die gesamte Leistung der aktuellen Stromverbraucher. Der letzte Wert erlaubt, die Entladestromstärke der PV-Batterien zu berechnen und dann die mit der Ladestromstärke zu vergleichen.
Auf solche Weise die etwas tiefere Einsicht in Funktion der PV-Inselanlage zu bekommen, ist eindeutig sehr umständlich und praktisch nicht anwendbar.
Es existiert noch ein Problem. Dies besteht in dem Bedarf der Person, welche eine PV-Anlage betreut, die oben erwähnte Einsicht von verschiedenen Plätzen zu bekommen und nicht nur wenn sich diese Person bei der PV-Anlage befindet
Vorschlag der Verbesserung von Anlageschaltung
Man kann folgendermaßen vorgehen, um die beiden Aufgaben auf einmal zu lösen: in die Lade- und Entlade-Leitungen die Stromstärke-Sensoren einbauen, an die PV-Batterie den Voltmeter anschließen, die gesammelten Daten zum Sender schicken und auf verschiedenen Plätzen die Empfänger mit Datenanzeigen platzieren (es kann auch ein mobiler autonomer Empfänger sein; die Anwendung von Smartphones ist auch eine Option – die wird jedoch hier nicht beschrieben).
Das Ganze klingt ziemlich kompliziert, ist aber relativ einfach realisierbar, da jeder von benötigten Komponenten der beschriebenen Erweiterung der PV-Inselanlage als Modul erhältlich ist.
1. Sender-Seite
Die Voltmeter-Funktion kann das Arduino-Uno-Modul übernehmen. Dafür versorgt man das Modul mit Gleichstrom von der Batterie der PV-Anlage; dann misst das Modul seine Versorgungsspannung. Zuerst wird sie aber mittels Widerstandsteiler auf drei dividiert und mit einem von analogen Modul-Eingängen verbunden. Das macht man, um in den vordefinierten Messbereich (0…5V) zu gelangen. Nachher multipliziert Mikrocontroller des Arduino-Moduls den gemessenen Wert auf drei und übergibt den dem Sender (die Auflösung des Moduls beträgt 0.0049 Volt).
Um bei kleiner PV-Anlage die Stromstärke bis zu 30 Ampere zu messen, kann z.B. der Stromsensor ACS712-30A verwendet werden. Durch einen von solchen Sensoren läst man den Ladestrom fließen, durch zweiten – den Entladestrom (Laststrom). Die Ausgänge von beiden Sensoren verbindet man mit nächsten freien analogen Eingängen des schon bekannten Arduino-Uno-Moduls.
Als Sender ist z.B. ein NRF24L01 Wireless Modul geeignet. Das versorgt man mit 3.3 Volt durch entsprechenden Adapter und verbindet man auch mit Arduino-Uno-Modul.
Auf beschriebene Weise wird die notwendige Information über den aktuellen Stand der PV-Inselanlage verschafft und sie an die Empfänger gesendet.
Die zwei von drei oben erwähnten Einheiten – Voltmeter und Sender – sind in einem Gerät vereint, da die Spannungsmessen-Funktion nur eine von mehreren Aufgaben des Arduino-Mikrocontrollers ist.
2. Empfänger
Der Aufbau vom Empfänger ist auch unkompliziert: an Arduino-Modul (in dem Fall Arduino-Nano, Bild 2, Pos. 1) schließt man das zweiten, schon bekannten NRF24L01 Wireless Modul (Pos. 2) mit 3.3V-Adapter (Pos. 3) an, dazu noch ein LCD-Display (z.B. HD44780 16x2 LCD Modul Display mit I2C Schnittstelle, Pos. 4) und einen elektronischen Alarmsummer (Pos. 5).
Wie man sieht, das NRF24L01 Wireless Modul kann als Sender und auch als Empfänger angewendet werden, da es ein NRF24L01 Single Chip 2.4GHz Transceiver beinhaltet.
Die Software des Empfängers ist im realisierten Aufbau so konzipiert, dass die aufgenommenen Daten – PV-Batteriespannung, Lade- und Laststromstärke –, welche nach Empfang in der zweiten Zeile des Displays erscheinen, jede 300ms aktualisiert werden. Das geschieht durch löschen von alten Daten in dieser Zeile und schreiben dorthin von neuen. Obwohl dabei die zweite Zeile kurz blink, ist man dadurch sicher, dass die Daten wirklich zeitgemäß ankommen und keine Sende- oder Empfangsstörung eintreten.
Alternative Aufgabenlösungen
Die beschriebene Variante der Informationsbeschaffung über die Funktion der PV-Inselanlage ist, erstens, für die Örtlichkeiten oder Stellen vorgesehen, bei welchen WLAN-Kommunikation erschwert oder nicht zuverlässig funktioniert und, zweitens, die Entfernung der Batterien zum Haus deutlich über 10 Meter liegt. Anderenfalls kann man statt NRF24L01, z. B. die ESP8266-Module verwenden. Außerdem gibt es auch fertige Geräte - so genannte drahtlose Batterie-Monitore oder Batterie-Wächter. Allerdings nutzen sie die Apps für die entfernte Batterie-Überwachung, was meiner Meinung nach nicht immer optimal ist. Dazu sind solche Geräte relativ teuer.
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