PV-Insel

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Zusammenfassung
Zwei Notstrom-berechtigte Stromkreise (PV-Insel) und ein nicht-Notstrom-berechtigter Stromkreis werden am Strombedarf orientiert mit Victron-Komponenten aufgebaut.

Abbildung 1a: Schema unserer PV-Insel mit critical loads ("No break loads", "Notstrom-berechtigten Verbrauchern")

Das PV-Array speist seinen Strom in das Batterieladegerät MPPT ein, das wiederum mit der Batterie verbunden ist. Der Wechselrichter Multiplus II wandelt den 48V-Strom aus der Batterie in 220V-Strom für die critical loads um, d.h. für unsere Verbraucher critical loads 1 und 2.

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Abbildung 1b: Details der Abbildung 1a

15 PV-Module aleo solar X63L333 (5 kWp) laden (2 x 2.4 + 3 x 3.5 = ) 15.3 kWh Pylontech (2 x US2000C + 3 x US3000C) LiFePO4-Batterien.

Mit unserem jährlichen Verbrauch von etwa 4 MWh ergibt sich nach Volker Quaschning ein Autarkiegrad > 75%.

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Abbildung 2. Schaltung des Cerbo GX

Über den Cerbo GX kommunizieren die elektronischen Komponenten der Insel, d.h. der MPPT, das Batterie-Management-System der Firma Pylontech und der Multiplus II. Das touchscreen display "GX Touch 50" ist der lokale Monitor des Cerbo GX. Die "remote displays" unten links versorgt der Cerbo GX über WLAN oder Internet mit Daten.

1. Zwei Notstrom-berechtigte Stromkreise statt einem

Weil die Verbraucher im Notstrom-berechtigten Stromkreis sehr verschieden sind (Abb. APP1), teilen wir die Notstrom-berechtigten Verbraucher in 2 Gruppen. Jede dieser Gruppen bezieht über ihren Lastumschalter (Q1 für Gruppe 1, Q2 für Gruppe 2) ihren Strom entweder aus dem öffentlichen Netz oder aus der Insel (PV + Batterie oder evtl. Generator).

Unsere Anlage sieht dann aus wie in den Abbildungen 1a und b, aber mit 2 Critical loads statt einem.

(*) Critical loads 1 = Verbraucher 2 und 11 = 12 kWh/d (Abb. APP1, Abb. APP2). Sie werden per Lastumschalter Q1 (Hersteller z.B. Hager (63 A), 185 Euro oder unbekannt (32 A), 95 Euro) erst dann vom öffentlichen Netz getrennt, wenn die Insel genug Strom liefert (wahrscheinlich in den Monaten März bis Oktober).

(*) Critical loads 2 = Verbraucher 3 bis 10, 12 bis 15 = 2.8 kWh/d (Anhang 1, A2). Sie werden (per Lastumschalter Q2) selten ans öffentliche Netz angeschlossen, weil die Insel selbst in den dunkelsten Monaten (Nov., Dez., Jan., Febr.) mindestens 2.8 kWh/d liefert (Anhang 1, B1).

Wenn das öffentliche Netz ausfällt, werden Critical loads 1 und 2 auf die Insel gelegt oder evtl. von einem Generator versorgt.

2. Technikraum

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Abbildung 3. Elektrikraum: Stromeingang

von links nach rechts:

DEHNguard (Typ 2 Blitzschutz),
Zählerschrank,
DEHNbloc 3 (Typ 1 Blitzschutz),
DEHNbridge (nicht abgebidet, weil am Hauseingang des Telefonkabels),
zwei Verteilerschränke.

oben offen rechts neben Zählerschrank: kleiner Verteilerschrank für nicht-Notstrom-berechtigte Verbraucher ausgerüstet mit Installationsklemmen,
rechts mit offener Tür: Insel-Verteilerschrank (ebenfalls ausgerüstet mit Installationsklemmen) für Critical Loads 1, Critical Loads 2. Beide Loads können per Lastumschalter Q1 und Q2 (oberste Reihe links im Schrank) von Insel- auf Netzversorgung und umgekehrt umgestellt werden.
dazwischen rechts neben DEHNbloc: Vielfachsteckdosen Schuko 1 (stellt 6 Netzanschlüsse bereit), Schuko 3, Schuko 2 (die Stromkreise 5, 7, 9 und 10 können hier unabhängig von Q2 durch Einstecken in Schuko 1 mit Netzstrom versorgt werden).

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Zustand mit 15 kWh LiFePO4-Batterien und 220V-betriebenem Gleichstrom-Ladegerät.

PV-Insel

von links nach rechts:
oben: DC-Eingang von 3 PV-Strings, MPPT, Cerbo GX, Lynx, Cerbo GX Touch Screen, Multiplus II, AC-Ausgang zum Insel-Verteilerschrank. (Alle diese Komponenten kann man -komplett verdrahtet- als Victron Easy Solar kaufen.)

unten: 2 Pylontech US2000C LiFePO4-Batterien. Die Batteriekapazität ist später auf 15.3 kWh erhöht worden.

Ergänzend wurden inzwischen 3 Pylontech 3000C LiFePO4-Batterien und ein 220V 2000W Stromnetz-betriebenes Gleichstrom-Ladegerät (Hersteller: Hongpoe (im Cache) hinzugefügt. Das Ladegerät kann mithilfe eines Lastumschalters anstelle eines PV-Strings 150V-Ladestrom an einen MPPT-Eingang liefern und so die Batterien aufladen.

Liste der Teile (einschl. Verdrahtung), die wir zu kaufen beabsichtigten.

ANHANG 1: Eigenschaften unserer Insel

1. Schätzungen von Strombedarf und PV-Stromlieferung

PV&Batterie_2.jpg

Abbildung APP1. Vergleich von geschätztem Verbrauch nach Geräten (Verbrauchern) und Erzeugung durch PV nach Monaten

Beachten: Balken 17 (Höhe 17 kWh/d) ist die tatsächliche Summe der Verbraucher 1 bis 15. Der Unterschied zwischen Balken 16 (Höhe 12 kWh/d) und 17 ist ein Schätzungsfehler.

Anmerkung zur Batterie:
Wir wollten ein komplettes Energiespeichersystem Greenrock (mit Salzwasserbatterien) des Herstellers BlueSky Energy verwenden, um zu demonstrieren, dass stationäre PV-Inseln keine Konkurrenten von mobilen Inseln (Kraftfahrzeugen usw.) um Li-Technologie sein müssen. BlueSky Energy hatte chinesische und US-amerikanische Zulieferer. Corona-Pandemie-bedingt (im Cache) stellte BlueSky im Jahr September 2022 seine Produktion ein. Daher mussten wir uns leider umstellen auf LiFePO4-Batterien.

Performance Ratio = Verhältnis zwischen dem tatsächlichen Ertrag und dem theoretisch unter Standard-Testbedingungen möglichen Energieertrag.

Bei einer 4.5 kWp-PV-Anlage:
Performance Ratio = tatsächlicher Ertrag / (4.5 kWp x Anzahl der Volllaststunden).
Im rechten Balkendiagramm wird also -zur groben Abschätzung- angenommen, dass die PV-Anlage nur 70% des unter Standard-Testbedingungen möglichen Energieertrags liefert.

Tabelle 1: PV-Volllaststunden (Mittel 1996 - 2012)

B.1 In den Monaten November und Dezember (Spalte 2 der Tabelle 1):

mit Performance Ratio 1: 4.5 kW 27 h / (30 d) = 4.0 kWh/d
mit Performance Ratio 0.7: 4.5 kWh 27 h / (30 d) 0.7 = 2.8 kWh/d

B.2 IIn den Monaten Januar und Februar (Spalte 2 der Tabelle 1):

mit Performance Ratio 1: 4.5 kWh 50 h / (30 d) = 7.5 kWh/d
mit Performance Ratio 0.7: 4.5 kWh 50 h / (30 d) 0.7 = 5.25 kWh/d

2.1 Tatsächliche Stromlieferung unserer PV-Insel

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Abbildung APP1.1a Möglicher Ertrag
einer 80 Grad gegenüber der Horizontalen geneigter nach Süden ausgerichteter 5 kWp Photovoltaik an unserem Standort (Quelle). Wir haben diese 80-Grad-Neigung gewählt, um unsere mittlere Stromverbrauchsleistung (0.5 kW) weitgehend Jahreszeit-unabhängig abzudecken: 0.5 kW 24 h/d x 30 d = 0.42 kWh

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Abbildung APP1.1b Im Zeitraum 1. Januar bis 5. August 2023 tatsächlich erzielter Ertrag unserer PV-Insel
(Quelle: Statistik geliefert von unserem Cerbo GX).

Sobald die Batterie 100% geladen ist, nimmt die Anlage keinen weiteren Solarstrom auf. Die Abbildung zeigt, dass dies in allen Monaten der Fall ist. Wir führen darauf den Ertragsunterschied zwischen Abb. APP1.1a und APP1.1b zurück, also den batteriebedingt begrenzten Autarkiegrad von unter 80%.

2.2 Tatsächlicher Stromverbrauch in unserer Insel

PV&Batterie_Feb.jpg

Abbildung APP2.: Tageszeitabhängige Verbraucher

"Pumpen" sind die Abwasserpumpen im Klärbeet.
Während einer Arbeitszeit von 14 h können "Critical loads 2" auf 0.2 kW beschränkt werden. Sie brauchen die 2.8 kWh/d, welche mindestens von der PV geliefert werden. Wenn die Batterie nicht ausreichend geladen ist, müssen diese "Critical loads 2" (z.B. nachts) aufs öffentliche Netz umgeschaltet werden.

A.1 Hauptverbraucher: Critical loads 1 (Lastumschalter Q1)

(*) Verbraucher 2: hp-Tower: 0.4 kW 12 h/d = 4.8 kWh/d,

(*) Verbraucher 11: Heizungs-Pumpen & -Steuerelektronik: 0.3 kW 24 h/d = 7.2 kWh/d,

A.2 Restliche Verbraucher: Critical loads 2 (Lastumschalter Q2)

(*) Verbraucher 3 bis 15 außer 11: 0.2 kW 14 h = 2.8 kWh/d