PV-Inselanlage

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CRHV
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PV-Inselanlage

Beitrag von CRHV »

Im vergangenen Jahr war ich irgendwie voll auf dem Solartrip und habe gleich drei Anlagen mit in Summe etwas über 10kWp errichtet.

Auf die Motivation hin mal wieder öfter was zu Posten stelle ich hier kurz eine kleine Insel-PV vor, die ich letztes Jahr gebaut habe.
Mittlwerweile hat die Anlage sich auch im Winter gut bewiesen und läuft prima.

Die Anlage ist auf einem Stall installiert, der etwas abgelegen steht. Ein Kabel dorthin zu verlegen ist nicht ohne weiteres möglich, da dazu ein öffentliches Grundstück gequert werden muss.
Auch ein Anschluss an das öffentliche Stromnetz ist schwierig, da auch hier der Kabelweg lang wäre und über mehrere Grundstücke führt.
Und da der jährliche Verbrauch ohnehin sehr gering ist (nur etwas Licht + Weidezaungerät), ist es auch irgendwie sinnlos für 20kWh den Zähler und die Netznutzung zu bezahlen, von der Investition in einen "richtigen" Stromanschluss ganz zu schweigen. Also Inselnetz.

Fangen wir mal bei der DC-Seite an.

Ich hatte das Glück, für wenig Geld an einen Posten gebrauchte Module zu kommen. Diese sind schon einige Jahre alt und stammen aus einem PV-Park, der ein "repowering" bekommen hat, d.h. die alten Module wurden durch neue ersetzt.
Die Module haben dementsprechend nur 240W und nicht den allerbesten Wirkungsgrad, aber dafür habe ich ausreichend viele :moep:
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Das Dach ist mit Trapezblech eingedeckt, die Montage ist also kein Problem. Für PV-Anwendungen gibt es verschiedenstes Montagematerial.
Ich habe mich für eine aufgeständerte Montage entschieden, das bringt leicht höhere Erträge und vor allem reinigen sich die Module im Regen selbst.

Die Module werden mit End- und Mittenklemmen und Aluschienen geklemmt, Schienen wiederum sind mit Aluprofilen aufgeständert und über Winkel mit Gummidichtung mit dem Dach verschraubt.
Die Idee mit den Winkeln war nicht grad die beste Idee, dafür gibt es eigentlich richtige Trapezblechschuhe oder zumindest Kurzschienen. Aber nachdem ich zwei mal zwei Schrauben nachgezogen habe ist es dicht, die Quote ist nicht so schlecht :mrgreen:
Falls es doch noch Probleme macht, muss zumindest an der Wetterseite die bessere Lösung her.
Ansonsten ist zur Montage nicht viel dazu, am besten gehts zu Zweit. Eine Schnur zu spannen, damit alles schön grade wird, ist auch kein Fehler. Ich habe etwas rumgerechnet wie viel Ertrag im Winter zu erwarten ist und mich für 6 Module mit in Summe 1440Wp entschieden. Ausrichtung ist Ost.
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Wenn die Module auf dem Dach befestigt sind, kann es an die Stringverkabelung gehen. Dazu gibt es Solarkabel, MC4-Stecker und Y-Verbinder. Es sind immer zwei Module in Reihe verschalten und dann die 3 Strings parallel.
Die Erdung sollte man auch nicht vergessen, also am besten das Ganze Gestell noch einmal separat durchverbinden. Die DC-Spannung ist hier mit rund 75V nicht besonders hoch für PV-Anwendungen, aber manchmal gibts ja auch Gewitter und da ist eine gute Erdung nie verkehrt.
Nicht im Bild zu sehen ist ein zusätzlich montierter Einstrahlungssensor, dazu später mehr.
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Das wars dann auch schon mit der Modulmontage. Die ganzen Kabel sind in einem Schutzrohr vom Dach heruntergeführt. Dabei nicht den Bogen vergessen, damit der Regen abtropfen kann und nirgendwo reinläuft.

Da im Stall kein Platz ist und ich einen unter Umständen brennbaren Lithiumakku umgeben von Heu und Stroh doch nicht so toll finde, ist die ganze Elektronik in einem ausgedienten Kabelverteiler im Außenbereich untergebracht.
Die Kabel vom Dach wurden im Schutzrohr im Erdreich ca. 5m bis zum KV verlegt, dabei wurde gleich noch ein Erdungsband mitverlegt und zwei Tiefenerder eingeschlagen.
Der KV wurde erst einmal entmoost und zerlegt, mit der Flex passend gemacht, sauber gekärchert und hat einen Rittalschrank eingeflanscht bekommen.
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Der Innenschrank ist wichtig, damit kein Viehzeug reinkriechen kann.
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Nun zum interessanten Teil - was kommt auf die Montageplatte?

Beeinträchtigt von der Arbeit (Schaltschrankplanung, manchmal den ganzen Tag :D) habe ich mich sofern möglich für Einbaugeräte und Klemmen für Hutschiene entschieden. Das hat einige Vorteile, so lässt sich schnell was tauschen oder umbauen.

Nach einiger Überlegung habe ich einen Laderegler und einen Inverter von Victron verbaut. Kommt zwar wie auch die No-Name-Geräte aus China, ist im Gegensatz zu diesen aber gut dokumentiert.
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Der Laderegler (MPPT) macht aus den 0...75V DC von den Modulen ca. 12V DC um den Akku zu laden und kümmert sich im den Ladealgorithmus sowie den Tiefentladeschutz. Der Inverter stellt 230V zur Verfügung, ausreichend für kleine Lasten wie z.B. Ladegeräte oder Wasserpumpen.
Sonst läuft alles auf 12V, auch die Beleuchtung.

Der Akku besteht aus 4 80Ah LiFePo4-Zellen. Die Zellen sind mit Heizfolie und Kaptonklebeband in einem 20x20mm-Aluprofilrahmen eingepasst, mit 20mm Styropor allseitig isoliert und mit GFK-Platten verkleidet. Man hat ja das Problem, dass man LiFePo4 bei Frost nicht laden sollte, sonst sind die Zellen schnell Schrott. Also ist der Akku beheizt. Zum Laden lässt sich der Akkupack zudem bequem transportieren.
Ergänzt sind noch ein Victron Battery Sense (dieses kommuniziert per Bluetooth mit dem Laderegler und verhindert ein Laden bei Frost - bzw. hat der Laderegler auch einen internen Temperaturfühler, aber der ist ja nicht beheizt, d.h. die Messung stimmt nicht), ein DS18B20 als zweiten Temperaturfühler und einen Bimetall-Temperaturschalter, der die Stromversorgung der Heizfolie unterbricht, falls 40°C überschritten werden.
Das ist der Reserveschutz, damit der Akku nicht gekocht wird falls der Zweipunktregler für die Temperaturregelung ausfällt.
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Für die Steuerung der Anlage ist ein Raspberry Pi mit Codesys verbaut. Dieser hat eine kleine Platine spendiert bekommen, die 8 digitale Eingänge, 8 digitale Ausgänge und 8 analoge Eingänge als Schnittstelle zur Außenwelt bereitstellt.

Damit lässt sich die verfügbare Leistung vom Einstrahlungssensor auslesen (die Anlage entscheidet im Winter, wann es sich lohnt den Akku zu heizen und dann laden zu können und wann nicht) und die Relais steuern (v.a. Licht, Akkuheizung, Inverter ein/aus etc.).

Daneben hängt ein zweiter Raspi mit Victron OS, um Daten vom Laderegler einzusammeln und zum Monitoring zu senden. Und ja, die Anlage hat sogar Fernzugriff und Internet, der schwarze Kasten neben den Raspis ist ein RUT240 mit SIM-Karte :klatsch:

Dazu kommt noch eine Menge Kleinfutter wie Klemmen, Sicherungen und Relais.
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Das Verdrahten hat was meditatives.

Und so sieht der Spaß fertig installiert aus:
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Soweit zum ersten Teil. Im nächsten Beitrag schreibe ich noch etwas zur Software, Netzwerktechnik, Fernzugriff, Monitoring und wie sich die Anlage im Betrieb macht.

Fragen immer gerne stellen und falls Interesse besteht kann ich zu Details mehr Infos geben ;)

axonf
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Re: PV-Inselanlage

Beitrag von axonf »

Hallo und einen schönen Samstagnachmittag Hallo CRHV, sehr schön und professionell gemacht, wie frisch vom Schaltschrank- Verdrahter :awesome: . Da steckt wohl ne' Menge Arbeit und Planung dahinter, die meisten hätten wohl was von der Stange genommen. Ich habe mein BKW immer noch nicht auf dem Dach, die ganze Aufständerung bei einen Fachdach mit Sandwich- Elementen ist ja auch nicht so ohne :trollface: . Viele herzliche Grüße von axonf.
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Multi-kv
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Re: PV-Inselanlage

Beitrag von Multi-kv »

Danke für den ausführlichen Bericht!

Du hast eine PV-Anlage mit fast 10 kWp (oder gleich 3 Anlagen) als Inselanlage auf einem Stalldach installiert - was machst Du mit dem Energieertrag? Du hast einen 12V Akku dazu installiert mit 80 Ah Kapazität, also knapp 1 kWh. Der Akku ist im günstigsten Fall in weniger als 10 min. voll - wohin mit der überschüssigen Energie? Laufen da ständig Pumpen etc.? Ein Weidezaun wird ja nicht sehr energiehungrig sein...
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Re: PV-Inselanlage

Beitrag von CRHV »

Ich habe mein BKW immer noch nicht auf dem Dach, die ganze Aufständerung bei einen Fachdach mit Sandwich- Elementen ist ja auch nicht so ohne :trollface:
Jo, das sind nicht-elektrische Arbeiten die damit einhergehen und leider nicht zu vermeiden sind. Die Montage auf dem Dach ist auch der Part den ich am wenigsten mag :oops:
Du hast eine PV-Anlage mit fast 10 kWp (oder gleich 3 Anlagen) als Inselanlage auf einem Stalldach installiert - was machst Du mit dem Energieertrag? Du hast einen 12V Akku dazu installiert mit 80 Ah Kapazität, also knapp 1 kWh. Der Akku ist im günstigsten Fall in weniger als 10 min. voll - wohin mit der überschüssigen Energie? Laufen da ständig Pumpen etc.? Ein Weidezaun wird ja nicht sehr energiehungrig sein...
Nein, keine Sorge, die Inselanlage hier hat nur 1,44kWp. Daneben habe ich noch ein Balkonkraftwerk und eine 8,1kWp Überschusseinspeisung (ganz regulär beim Netzbetreiber angemeldet) gebaut.

Die 1,44kWp sind für den geringen Bedarf von einigen W Grundlast + 60W Licht für eine knappe Stunde am Tag auch schon gehörig überdimensioniert, im Sommer würde ein einziges Modul reichen.
Aber die Überdimensionierung der Modulleistung hat den Charme, dass die Anlage auch im Winter, sofern kein Schnee auf den Modulen liegt, mit 300...400Wh Ertrag pro Tag schon autark ist.
Und für den Fall, dass Schnee liegt, lässt sich die ganze Sekundärtechnik außer Betrieb nehmen, sodass der Akku noch länger hält. Dann liegt der Grundbedarf bei ca. 80Wh/Tag, der Akku hält also gute 10 Tage.
Ich musste vergangenen Winter den Akku drei mal laden - eben wegen dem blöden Schnee :trollface:

Das Laden des Akkus dauert auch wesentlich länger als 10min, da der Victron 75/10 MPPT maximal ca. 130W schiebt (13,...V @ 10A). Regulär ist der Akku bei etwas Sonne in ein bis zwei Stunden voll geladen.

Fortsetzung

Die Steuerung der Anlage übernimmt wie oben schon geschrieben ein Raspi. Da mir die kommerziell erhältlichen Lösungen für die Peripherie nicht so richtig gefallen haben und ich mich schon immer mal ins Platinen routen einarbeiten wollte, habe ich ein DI/DO/AI-Board designed.
Dieses bringt jeweils 8 über Optokoppler getrennte Ein- und Ausgänge (Relais) sowie 8 analoge Eingänge (5 davon über einen Trimmpoti von z.B. 0...5V oder 0...10V skalierbar) mit. Ist nicht viel dazu.
Das Board lässt sich mit einem Flachbandkabel mit dem Pinheader das Rpi verbinden und passt mit 72x100mm in einen 0815-Hutschienenhalter.

Die Ausgangsrelais des Boards schalten Stromstoßrelais und mit den digitalen Eingängen wird der tatsächliche Schaltzustand erfasst. Somit ist eine Steuerung gleichberechtigt per Taster vor Ort oder aus der Ferne möglich und die Schaltzustände bleiben auch bei einem Neustart des RPi erhalten.
Belegt sind die Ein-und Ausgänge mit Licht, Weidezaun, Akkuheizung, 230V Inverter ein/aus und einem schaltbarem 230V-Abgang für eine Wasserpumpe. Ich bin doch faul und möchte ferngesteuert meine Johannisbeersträucher bewässern :trollface:
20230330_221600.jpg
Im Hintergrund werkelt ein Debian Bullseye mit einer Codesys-Runtime. Zugegeben, Codesys ist nicht ganz kostenlos, bringt aber viele Funktionen mit.
Da ich durch die Arbeit schon einige Berührungspunkte mit Codesys habe (und das Programmieren daher recht schnell von der Hand geht) und ich neugierig war obs auch ein RPi tut oder ob man eine mehrere 100€ teure, professionelle SPS braucht, habe ich mich dafür entschieden.

Plus man hat eine Menge Features, die über z.B. Arduino hinausgehen und mit wenig Aufwand realisiert werden können:

-Programmierung über Netzwerk (daher auch Fernzugriff möglich- Programmänderungen kann ich bequem aus der Ferne einspielen)
-Webserver
-Modbus
-direkter Einblick in das laufende Programm incl. Manipulation der Variablen zu Testzwecken

Sicher gehts auch mit einem Arduino oder einer anderen Platform, aber man muss dann halt mehr Entwicklungsarbeit reinstecken.

So sieht z.B. ein Ausschnitt des Codesys-Projekts aus, wenn man Live auf der Steuerung eingeloggt ist:
codesys1.jpg
Bis in die Systemebene in die Variablen schauen zu können, hilft sehr beim debuggen und beim Feintuning.

In der IEC-Programmierung gibt es mehrere Möglichkeiten, ich persönlich programmiere gerne eine Mischung aus CFC (das sind diese Funktionsblöcke mit Ein- und Ausgängen) und ST (Text).
Wenn man z.B. in einen Funktionsblock reinklickt, sieht man den Quelltext dahinter:
codesys2.jpg
Und es werden einige Schnittstellen unterstützt, z.B. die GPIOs des Rpi, SPI, I2C, Onewire und auch netzwerkbasierte Protokolle wie Modbus TCP. Kurzer Exkurs:

In der Anlage sitzt ja noch ein zweiter Raspi mit dem Victron Venus OS. Victron bietet ein Portal zur Fernüberwachung von Anlagen mit Victron-Hardware. An den MPPT lässt sich ein Adapterkabel (Ve.direct zu USB) anstecken, über welches der Raspi Daten aus dem MPPT auslesen und an ein Datenportal senden kann. Die SD-Karte lässt sich mit einem fertigen Image flashen und für den Rest gibts eine Anleitung. Insgesamt eine günstige Lösung im Vergleich zu fertigen Monitoringgeräten, die im Grunde das selbe können und ein vielfaches Kosten. Über das VRM-Portal lässt sich dann die Anlage aus der Ferne überwachen:
vrm.jpg
So sah das Vorgestern aus, da war mal was los. Licht an und nen Werkzeugakku geladen.

Und per Modbus lassen sich quasi die "durchgereichten" Daten wiederum vom Codesys-Raspi auslesen. So lassen sich PV-Leistung, Akkuspannung, Ladezustand und eine Menge andere Parameter weiterverarbeiten.
Dafür gibt es eine lange Liste, in der alle benötigten Angaben stehen: klick

Über einen Konfigurator kann man sich die Daten holen...
codesys3.jpg
...und, um jetzt die Kurve zu kriegen, das alles lässt sich auch noch über einen Webserver darstellen:
webvisu0.jpg
Im ersten Reiter ist eine Übersichtsseite und die Schalt-Funktionen untergebracht und im zweiten Reiter findet sich die Akkuheizung:
webvisu2.jpg
Heute war es recht war und sonnig. Normalerweise wird der Akku bei einem Startwert von 10W verfügbarer Leistung auf 8°C geheizt. Ist es sehr sonnig, wird der Sollwert automatisch auf 25°C erhöht. Irgendwas muss man ja mit der ganzen verfügbaren, nicht genutzten Energie machen :D
Um zu gucken, dass alles auch funktioniert, wie es soll, hab ich mir die obenstehenden Diagramme gebastelt.

An anderer Stelle habe ich einen dritten Raspi als VPN-Server in Betrieb, so kann ich von überall und zu jeder Zeit (vorausgesetzt der Router der Insel-PV hat sich ins Mobilfunknetz eingewählt und der VPN-Server ist erreichbar) die Anlage im Blick behalten.

tl;dr - so, das war jetzt nichts halbes und nichts ganzes, aber vom Allem etwas :mrgreen:
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