Notstromversorgung für Computer

Notstromversorgung mit Powerstation?

Erfahrungen mit Victron-Komponenten

Wer sich intensiver mit dem Selbstbau von Solaranlagen beschäftigt, wird schnell auf die blauen Komponenten der Firma Victron stoßen. Das gilt vor allem für Inselnetze, beispielsweise auf Segelschiffen. Auf Youtube findet man dafür viele Beispiele. Auch ich landete recht schnell bei diesen relativ teueren Komponenten, die in den Niederlandn entwickelt und in Indien gebaut werden.

Vor allem nutze ich die BlueSolar MPPT Laderegler. Davon besitze ich mittlerweile drei, mit denen ich mittlerweile über 1 MWh Solarstrom geerntet habe.

Zunächst gehe ich auf einzelne Geräte ein, um am Ende einige übergreifende Erkenntnisse zu beschreiben:

• Victron-MPPT-Solarregler
• Victrom BMV Batterieüberwachung
• Victrom Phoenix Wechselrichter
• Victron Bluesmart Ladegerät
   
• Lastausgang am Solar-Laderegler oder nicht?
• Bluetooth bei Victron-Geräten
• VE.Smart Networing
• Die Victron Connect App

MPPT Solar-Laderegler Victron Bluesolar 75/10

Mit diesem, relativ kleinen Laderegler fing ich 2018 an. Anfangs betrieb ich ihn mit zwei 36-V-Modulen in Serie, was über den Sommer auch problemlos funktionierte. Als es dann kälter wurde, bekam ich plötzlich Überspannungs-Alarme, obwohl meine Messungen der Solarspannung kaum die 70 V überschritten. Ohne den Laderegler stieg die Solarspannung auch tatsächlich über 75 V. Folglich musste ich meine beiden Solarmodule parallel schalten, was mich zu dickeren Leitungen zwang.

Wie ich mittlerweile weiß, ist diese Spannungsbegrenzung notwendig: Der Schaltregler nutzt zwei Transistoren vom Typ FR3607 (oben im Bild), deren Durchbruchsspannung bei sehr tiefen Temperaturen tatsächlich 75 V ist. Diese knappe Auslegung ist nachvollziehbar: Transistoren mit einer höheren Durchbruchsspannung hätten auch einen höheren Innenwiderstand, was auf Kosten des Wirkungsgrades ginge.

Hier laufen übrigens zwei Temperaturgänge gegeneinander: Je niedriger die Temperatur ist, um so mehr Spannung liefern Solarmodule. Und je niedriger die Temperatur ist, um so niedriger ist die Spannung, die die Schalttransistoren des Spannungswandlers aushalten.

Eigentlich wollte ich mit diesem Laderegler Solarstrom produzieren und nicht dran rumbasteln. Nur hatte ich 2018 weder Adern-Endhülsen noch eine Crimpzange dafür. Folglich verzinnte ich die Litzen und steckte sie in die Klemmen. Es kam, was kommen musste: Eine der Klemmen wurde warm, unten im Bild. So warm, dass sich das Gehäuse des Ladereglers verformte; zum Glück verfärbte sich die Klemmleiste nur etwas und verformte sich nicht..

Zudem zeigte der Laderegler eine deutlich höhere Batteriespannung an als ich an den Batterieklemmen messen konnte. Das störte den Algorithmus des Ladereglers. Also musste ich den MPPT-Laderegler doch mal öffnen. So kam ich zu den Bildern. Im Endergebnis fand ich keine Probleme außer der etwas verfärbten Klemme. Die habe ich gesäubert und damit war wieder Ruhe.

Weil ich schon mal dabei war, habe ich mir die Schaltung noch etwas genauer angesehen:

• Das D10 bezeichnete Bauelement im unteren Bild ist eine Verpolschutz-Diode für die Solarspannung. Schließt man die Solarmodule verkehrt herum an, geht so nichts kaputt.
• Von den beiden Transitoren FR3607 habe ich schon gesprochen: Viele billige Spannungswandler ersetzen einen dieser Transistoren durch eine Diode, was vor allem einige Ansteuer-Elektronik erspart. Der Transistor hat aber einen viel niedrigeren Spannungsabfall, was den Wirkungsgrad erhöht und den Laderegler nicht so heiß werden lässt.
• Die beiden im unteren Bild mit R004 beschrifteten Bauelemente sind Widerstande. mit denen die Ströme gemessen werden – und zwar auf Potential der Minus-Klemmen. Es ist also wichtig, dass die drei Minus-Klemmen nicht irgendwie miteinander verbunden werden! Nur eine davon darf mit der Masse der Umgebung verbunden werden! Das bedeutet letztlich, dass der Solarstrom-Kreis nicht geerdet werden darf.
• Die braunen Quader sind Störschutz-Kondensatoren. Meine Solaranlage verursacht auch absolut keine Funkstörungen, selbst wenn OH8STN andere Erfahrungen gemacht hat. Das liegt aber meiner Erfahrung nach allein daran, dass er die Antennenleitung nicht an beiden Enden mit Mantelwellendrosseln versehen hat. Der MPPT 75/15 von OH8STN benutzt offensichtlich die gleiche Elektronik wie mein MPPT 75/10, siehe das Etikett auf dem oberen Bild. Vermutlich ist nur die Software etwas anders.

Solar-Laderegler Bluesmart MPPT 150/35

Nicht nur preislich spielt dieser Solar-Laderegler in einer anderen Liga als der MPPT 75/10: Statt 130 W kann er bis zu 2 kW liefern, vorausgesetzt man betreibt ihn in einem 48-V-System. In meinem 12-V-System sind es nur knapp 500 W, weil der Ausgangsstrom auf 35 A begrenzt ist. Ich betreibe ein 12-V-System, weil meine wichtigsten Verbraucher mit dieser Spannung betrieben werden.

Für die 1 kWp-Solarmodule, die ich vertikal an der Hauswand hängen habe, ist er etwas knapp bemessen. Vermutlich könnte ich in der Spitze etwa 600 W ernten. Darauf habe ich aber aus mehreren Gründen verzichtet: Nicht nur wäre ein stärkerer Solar-Laderegler deutlich teuerer gewesen, ohne ernsthaft mehr Energie zu liefern. Womöglich könnte ich überhaupt nicht mehr Energie ernten, denn ein stärkerer Laderegler hätte zwangsweise im extremen Teillast-Bereich einen deutlich schlechteren Wirkungsgrad. Und extremer Teillastbereich ist vor allem in der kalen Jahreszeit der Normalfall und keine Ausnahme.

In meinem Keller, der im Sommer maximal 23°C warm wird, kommt der MPPT/150/35 ohne Kühlung aus. Das Bild rechts wurde bei 15°C Umgebungstemperatur aufgenommen. Es ist aber wichtig, dass das Gerät senkrecht aufgebaut wird und genügend Freiraum darüber und darunter bleibt, damit die Luft ungehindert aufsteigen kann. In einem Wohnmöbil oder Boot, wo es schnell mal 40 K wärmer wird. würde ich über einen Lüfter nachdenken. Man sieht auch, dass das ganze Gehäuse als Kühlkörper dient, also aus Metall ist. Darauf komme ich unten beim Thema Bluetooth noch zu sprechen.

Warum dieser Laderegler keinen Lastausgang hat, beschreibe ich unten noch ausführlicher. Der zweite große Unterschied ist die viel umfangreichere Software, wohl vor allem wegen des größeren Speichers: Während der MPPT 75/10 nur sehr wenige Daten speichert, kann der MPPT 150/35 ganze Monatsauswertungen liefern. Wie das aussieht, zeige ich unten beim BMV-712.

Batteriemonitor BMV-712 Smart

Für die eigentliche Funktion ist ein Batteriemonitor nicht nötig, aber ausgesprochen hilfreich – vorausgesetzt man hat die nötige Frustrationstoleranz, den harten Zahlen ins Gesicht zu sehen. Das Bild unten zeigt den Ertrag von 1 kWp an Solarmodulen um den Jahreswechsel 23/24, die senkrecht an der Hauswand hängen. Zum Vergleich: Im Sommer kann ich bis zu 3 kWh/Tag ernten und um 1 kWh/Tag ist sehr häufig. Kein Wunder dass manche Beobachter meinen, wir sollten die Fotovoltaik den Südeuropäern überlassen, denn bei uns sei sie ökologisch nicht sinnvoll [1].

Das Bild rechts zeigt diverse Parameter, die der Batteriemonitor berechnet. Im Startbildschirm gibt es die üblichen Daten wie Leistungsfluss, genutzte Batteriekapazität usw.

Der Batterienmonitor besteht aus zwei Komponenten: Einem 500-A_Messwiderstand mit etwas Elektronik dran und einem runden Messinstrument, das die wichtigsten Daten auf einem LCD-Display ausgibt und ein Bluetooth-Modul enthält. Dabei sind zwei Dinge unschön: Das Messinstrument kann man praktisch nur in einem 55-mm-Loch montieren, an das man auch von hinten heran kommt. Die Verbindungsleitung ist 10 m lang. Es gelang mir noch nicht, sie durch etwas Kürzeres zu ersetzen, auch wenn eine 4polige Telefonleitung mit RJ11-Steckern funktionieren soll. Kann auch eigene Dummheit sein.

Das Bild rechts ist ein Beispiel, welche Übersichten manche Victron-Geräte liefern können, beispielsweise auch der Bluesmart MPPT 150/35. Hier sieht man Lade-/Entladeleistung und Ladezustand. 100% Speicherkapazität habe ich zu 240 Ah eingestellt, die restlichen 60 Ah will ich im Normalfall nicht nutzen. Der Ladezustand kann bei LiFePO₄-Akkus nicht sinnvoll gemessen werden, weshalb er aus den Strommessungen berechnet wird. Wenn man in einem 500-A-Messbereich Ströme von oft weniger als 1 A misst, werden die Messfehler über die Zeit ziemlich groß – über einen Monat durchaus 5% vom Skalenendwert. Deshalb muss diese Anzeige regelmäßig kalibriert werden, was beim vollständigen Laden geschieht: Am Ende des Ladevorgangs steigt die Akkuspannung steil an. An der Spannungsbegrenzung sinkt dann der Strom steil ab. Bei einem normalen Ladegerät geht das sehr einfach. Aber in einem Solarstrom-Inselnetz sollte man auf diese Einstellungen mehr Sorgfalt verwenden, weil zwischendurch mal eine Wolke die Sonne verdecken kann oder es schlicht auf den Abend zugeht. Dazu habe ich mich schon getrennt ausgelassen.

Beim Batteriewächter kann man eine Menge Parameter mehr einstellen. Er enthält auch ein Relais, das ich aktuell zum Ausschalten des 2-kW-Wechselrichters nutze: Wenn der Ladezustand unter 80% fällt, schalte ich den Wechselrichter ab. Die wichtigste Funktion dieses Wechselrichters ist, den sonst nicht mehr speicherbaren Solarstrom mit einem Luftentfeuchter im Keller zu verwerten.

Wechselrichter Victron Phoenix 12/800

Dieser Sinus-Wechselrichter zeichnet sich vor allem durch seine vielen Einstellmöglichkeiten und den geringen Eigenverbrauch aus. Er hat einen Eigenverbrauch ohne Last von etwa 8 W. Ein 2-kW-Wechselrichter in einer Powerstation hat schon mal einen Eigenverbrauch von 25 W.

Wenn man zwischendurch mal eine Bohrmaschine netzunabhängig betreiben will, ist das kein Problem. Ganz anders sieht das bei Dauerbetrieb aus, wie er bei eine Notstromversorgung eher auftritt. Siehe weiter unten. Auch fällt auf, dass viele Wechselrichter von Victron ungewöhnlich schwer sind: Da sind 50-Hz-Transformatoren drin, die auf freier Wildbahn so gut wie ausgestorben sind. Man zerhackt lieber Gleichstrom mit 100 kHz oder so und kommt dann mit bedeutend weniger Eisen und Kupfer aus.

Im ECO-Modus schaltet der Wechselrichter für Sekunden-Bruchteile ein und dann bis zu mehreren Sekunden aus. Das hilft allerdings nur bei ganz dummen Verbrauchern, etwa Kühlschränken mit mechanischem Thermostaten oder einfachen LED-Lampen. Erstere sind heute selten und bei LED-Lampen sollte man in vielen Fällen einfach 12-V-Versionen einsetzen. Selbst einfache Wasserkocher haben heute meist eine Mikroprozessor-Steuerung, die ein paar Sekunden zum Hochfahren benötigt.

Zunächst kaufte ich den Phoenix 12/800, um auch mal normale Geräte an meiner Notstromversorgung betreiben zu können. Über einen großen Teil des Jahres regelte der Solar-Laderegler schon am Vormittag ab, so dass ich nach Einsatzmöglichkeiten für den Solarstrom suchte. Einer der ersten Kandidaten war der Kühlschrank, der samt Wechselrichter-Verlusten rund 1 kWh/Tag verbrauchte. Wer Motoren an einem Wechselrichter betreiben will, sollte den Wechselrichter mindestens für das Vierfache der Verbraucher-Nennleistung auslegen!

Von diesen Messungen ausgehend entschlossen wir uns im Frühjahr 2023 zum Kauf eines neuen Kühlschranks der Energieklasse A. Der braucht jetzt nur noch 1/4 des Vorgängers, also rund 200 Wh/Tag. Damit läuft der Wechselrichter aber im extremen Teillastbereich, mit rund 50% Wirkungsgrad. So viel Strom habe ich aber wenigstens 9 Monate im Jahr übrig.

So baute ich die Analogtelefon-Dose in der Küche aus und ersetzte sie duch eine Steckdose mit der Beschriftung max. 600 W. Damit können wir z.B. auch die Küchenmaschine oder den Eierkocher betreiben.

Ladegerät Bluesmart Charger 12/30

Victron bietet eine Vielzahl von Ladegeräten an. Auch der Phoenix-Wechselrichter bietet eine große Anzahl von Schrauben, an denen man drehen kann. Victron ist da durchaus mutig, wie man z.B. bei Youtube immer wieder sehen kann: Unbedarfte Nutzer machen die Geräte schlecht, obwohl es sich um einen eindeutigen Fehler auf der Kommunikationsebene 8 handelt. Kleiner Kommunikationstechniker-Scherz.

Wie die Bezeichnung nahe legt, ist die maximale Ladeleistung rund 400 W. Ich benutze den Bluesmart-Charger zu Dunkelzeiten. Ich könnte damit auch einen Benzingenerator anschließen. Für die 500 Wh/Tag, die ich als mein Existenzminimum an Strom definiert habe, müsste ich das Ladegerät eine gute Stunde am Tag laufen lassen. Einen Brownout (stundenweise Stromabschaltung wegen Netzüberlastung) könnte ich so auch im Winter problemlos überstehen.

Recht gerne benutze ich den Konstantspannungs-Betrieb. Dabei liefert das Ladegerät eine einstellbare Spannung, mit der ich ein zu tiefes Entladen meiner Akkus verhindere. Schönes Beispiel: Den Kühlschrank während des Urlaubs möglichst mit Solarstrom betreiben. Details dazu habe ich schon hier beschrieben. Der Ruhestrom des Ladegeräts ist recht gering – zu gering, als dass ich ihn sinnvoll messen könnte.

Bei der Entwicklung dieses Ladegerätes war wohl kein Funkamateur beteiligt. Nur so kann ich mir erklären, dass das Bluetooth-Modul platt auf eine Platine gelötet wurde. Ich hätte wenigstens rund um das Bluetooth-Modul alles Kupfer aus der Platine weggelassen. So hängt der Bluetooth-Dongle immer wieder auch am Ladegerät dran. Weniger zur Überwachung als zu Einstellen: Lade-/Konstantspannugsbetrieb, Ladestrom/Ladespannung.

Bei 15 A Ladestrom scheint der Wirkungsgrad recht gut zu sein, jedenfall erwärmt sich das Gerät kaum. Bei 30 A wird das Ladegerät deutlich wärmer, der Lüfter läuft und die Magnetostriktion des Wandler-Transformators wird recht laut. Ganz offensichtlich vermied man die sonst nötige Schaltung zur Oberwellendämpfung auf der Betriebsspannung durch einen schwankenden Ladestrom. Folgerichtig gibt es eine zeitweise Rückschaltung des Ladestroms als Nachtschaltung. Bewohner von Wohnmobilen oder Segelschiffen dürften diese Funktion regelmäßig nutzen.

Weitere Beobachtungen

Einfach alles nach Vorgabe zusammenzustricken wäre mir zu langweilig: Ich brauche ingenieurgemäßes Spielzeug. Dabei fallen immer wieder zusätzliche Erkenntnisse an – so auch bei diesem Langfrist-Projekt.

Lastausgang am Solar-Laderegler oder nicht?

Neben dem MPPT 75/10 habe ich auch einen MPPT 100/20 und einen MPPT 150/35. Der MPPT 100/20 ist der stärkste Laderegler von Victron mit Lastausgang. Er erwies sich aber für meine neuen Solarmodule als zu schwach, weshalb ich ihn durch den MPPT 150/35 ersetzte.

Warum macht das Victron so? Nach einigen Experimenten wurde mir das klar: Der Spannungsabfall zwischen Laderegler und Akku wird zu groß. Man steht vor der Alternative, den Akku nicht mehr voll zu bekommen oder dem Verbraucher eine zu hohe Spannung zuzumuten.

Meine grundsätzliche Empfehlung: Der Spannungsabfall zwischen Solar-Laderegler und Akku sollte bei 12-V-Systemen unter 200 mV bleiben. Bei normalen Ladegeräten ist das nicht so kritisch, denn die arbeiten über weite Ladebereiche mit einem konstanten Strom. Da kann man den Spannungsabfall ein Stück weit bei der Einstellung des Ladegeräts kompensieren. Solarsysteme laden aber mit stark schwankenden Strömen, je nach Sonneneinstrahlung.

Bedenkt man, dass schnell 30 A Ladestrom zusammen kommen, sind diese 200 mV durchaus eine Herausforderung. Zumal der MPPT 150/35 keine Lastsicherung enthält, die ja auch noch eingerechnet werden muss.

Bluetooth bei Victron-Geräten

Die Bluetooth-Reichweite der Victron-Geräte ist ganz unterschiedlich. Teilweise ist das verständlich, denn z.B. beim MPPT 150/35 wird das ganze Gehäuse als Kühlkörper genutzt. Dadurch hat das Bluetooth-Modul seine liebe Not, seine Sendeenergie zu verteilen.

Auch wenn die Kombination aus Gerät und externem Bluetooth-Dongle teuerer ist als das äquivalente Gerät mit eingebautem Bluetooth-Modul, kann die Dongle-Lösung sinnvoll sein: Das eingebaute Bluetooth-Modul ist oft funktechnisch ungünsitig eingebaut. Beispiele sind der Solar-Laderegler Bluesmart MPPT 150/35 der Bluesmart-Charger 12/30.

Beim Wechselrichter Victron Phoenix 12/800 ist ein Bluetooth-Dongle letztlich nur zum Einstellen nötig. Auf die normale Betriebsanzeige kann man spätestens dann verzichten, wenn man ein Batterieüberwachungsmodul wie den Batteriemonitor BMV-712 Smart benutzt.

Der Bluetooth-Name hängt übrigens am Bluetooth-Modul, nicht am angeschlossenen Gerät.

Mein Bluetooth-Dongle, hängt meist am Smartsolar MPPT 150/35, der dann zwei Bluetooth-Kanäle mit unterschiedlichen Namen hat. So kann ich im dem Wohnzimmer mit dem Smartphone die Ladung überwachen, während die Solarelektronik im Kellerraum darunter ist. Das eingebaute Bluetooth-Modul ist vom Wohnzimmer aus nicht erreichbar.

Wenigstens bei meinen Geräten mit internem Bluetooth-Modul hat der Einsatz eines Bluetooth-Dongles einen entscheidenden Nachteil: In den Diagramme erscheinen historische (im Gerät gespeicherte) Messdaten nur über das eingebaute Bluetooth-Modul. Für mich ist das ein großer Nachteil, weil ich einen Teil meiner Solaranlage nicht vernünftig optimieren kann.

VE.Smart Networing

Wer getrennte Akkus betreibt, sollte besser für jeden Akku ein eigenes VE.Smart Netzwerk aufbauen.

Eine meines Wissens undokumentierte Funktion fand ich, als ich

• das Ladegerät Bluesmart Charger auf Konstantspannungsbetrieb (Neztzteil) einstellte und
• den Solar-Laderegler Bluesmart MPPT 150/35 per VE.Smart und Bluetooth damit verband:

Plötzlich arbeitete der MPPT 150/35 im Konstantspannungs-Betrieb! Vermutlich ließe sich das dazu benutzen, einen 12-V-Verbaucher ohne Akku nach Möglichkeit mit Solarstrom zu betreiben. In Deutschland halte ich diese Betriebsart für ziemlich sinnlos. Aber es gibt Länder, in denen 300 Tage im Jahr die Sonne vom wolkenlosen Himmel scheint.

Diese Bluetooth-Vernetzung hat aber noch viel Verbesserungspotential. Beispielsweise übernimmt mein MPPT 150/30 vom BMV 712 den Batteriestrom und nicht die Batteriespannung. Im optimalen Fall könnte ich einstellen, welchen der Werte der Solar-Laderegler auswertet. Das gäbe mir mehr Freiheiten beim Einstellen des Ladeprofils. Bei einem Ladegerät vom Stromnetz her kann man das bei der Einstellung kompensieren, weil der Ladestrom weitgehend konstant ist. Bei einem Solar-Laderegler schwankt der Spannungsabfall zwischen Laderegler und Akku je nach Sonnenschein. Bei Blei-Akkus ist das noch kein großes Problem, weil die Ladespannung während des Ladezyklus sowieso stark schwankt. Beispielsweise bei LiFePO₄-Akkus muss man schon Aufwand betreiben, den Spannungsabfall unter z.B. 200 mV zu halten: 200 mV / 35 A = 6 mΩ. Man bedenke, dass man zwischen dem Laderegler und den Akkus auch noch mindestens eine Sicherung braucht! Bei mir sind es zwei, weil ich jeden Akku einzeln absichere. Damit begrenze ich den Strom auf der Batterieschiene auf ein Drittel des Nennwertes der Akkus und kann im laufenden Betrieb auch mal eine Akku abklemmen.

Die Victron Connect App

Seit ich die Android-App 2018 erstmals erlitt, hat Victron daran viel verbessert. Dabei werden nicht nur neue Geräte eingepflegt und Fehler beseitigt, sondern stufenweise auch immer neue Funktionen eingebaut.

Über die App wird auch die Firmware der vielen Victron-Komponenten aktualisiert. Da gab es schon sehr schöne neue Funktionen wie Diagramme über Wochen hinweg. Anfangs speicherte nur die App irgendwelche Messwerte. Sobald man die App in den Hintergrund schob, waren die weg.

Mittlerweile speichern viele Komponenten Messwerte. Algorithmen dünnen ältere Daten aus, so dass Messwerte über einen Monat und teilweise länger aus den Komponenten heruntergeladen und in der App dargestellt werden können. Beispiele davon habe ich oben in diese Seite eingebunden.

Die App benutzt zwei unterschiedliche Bluetooth-Modi: Einen langsamen mit großer Reichweite und einen schnellen, der eine bessere Bluetooth-Verbindung erfordert. In dem Zusammenahng hat Victron eine Übersichts-Darstellung eingeführt, in der die wichtigsten Daten aller verbundenen Geräte dargestellt werden. Damit bekommt man auf einen Blick eine Übersicht, was in der Installation gerade los ist. Außerordentlich hilfreich! Erst wenn ich mich mit einer einzelnen Komponente genauer beschäftigen will, muss ich in den Keller.

Verweise

[1] Peter Zeihan: The Solar Power Problem(s)

Die Kernaussage: In Dever, Colorado, liefert ein Solarmodul sechsmal so viel Strom wie in Berlin. Deshalb sei es zweifelhaft, ob eine Solarinstallation in Norddeutschland je so viel Treibhausgase einspart, wie für ihre Produktion freigesetzt wurden. Ja: Peter Zeihan recherchiert oft recht oberflächlich. Aber die Kernfakten bekommt er doch so gut wie immer extrem früh und richtig hin – auch im Langzeit-Test.