Regelung zum Betrieb eines Wasserboilers mit Solarmodulen

Vorwort

Zur Warmwasserbereitung im Sommer setze ich einen Elektroboiler ein, der direkt mit Solarstrom versorgt wird. Diese Lösung hat zwar theoretisch einen schlechteren Wirkungsgrad als ein klassischer Sonnenkollektor oder eine Anlage mit Wärmepumpe, dafür gibt es aber keine Verluste durch ggf. im Freien verlegte Rohrleitungen und keinen dramatischen Einbruch des Wirkungsgrads bei niedrigeren Leistungen. So kann auch im Winter die geringe verfügbare Leisung noch problemlos zur Unterstützung des Öl-Heizkessels genutzt werden. Zudem waren die Anschaffungskosten gering und die Anlage arbeitet komplett unabhängig von einer externen Stromversorgung.

Örtliche Gegebenheiten

Der Wirkungsgrad spielte in meinem Fall keine große Rolle, da ich genug Fläche auf dem Carport und der Garage zur Verfügung hatte. Das Projekt entstand ursprünglich aus der Idee, das löchrige PVC-Dach meines Carports durch Solarmodule zu ersetzen. Dafür kaufte ich für 10 Euro pro Stück gebrauchte Dünnschicht-Photovoltaikmodule und montierte diese so auf dem Carport, dass die Rahmen aufeinander liegen und bei Regen der Großteil des Wassers auf der Oberseite abläuft. Durch die Ritzen tropfendes Wasser wird von darunterliegenden Kunststoff-Wellplatten abgeleitet.
Auf Garage und Carport wurden insgesamt 36 Module mit einer Nennleistung von 2160 Wp installiert. Aufgrund der geringen Dachneigung wird die Peak-Leistung allerdings nicht erreicht. Da das Dach des Carports ursprünglich nach Norden geneigt war, habe ich den Carport quasi um 180 Grad gedreht. Beim ebenfalls nach Norden ausgerichteten Garagendach habe ich mir das Umdrehen allerdings gespart ;-) Ich denke, dass die leicht nach Norden geneigten Module bei diffusem Licht an bewölkten Tagen dennoch merklich zu einer brauchbaren Gesamtleistung beitragen.

Warnung

Bevor ich nun auf einige technische Details eingehe, muss ich darauf hinweisen, dass die hier beschriebene Anlage mit lebensgefährlichen Spannungen arbeitet. Also bitte nicht nachmachen, wer nicht ganz genau weiß, was er tut! Das Hantieren mit Gleichstrom erfordert außerdem besondere Vorsicht, insbesondere weil er sich nicht so einfach abklemmen lässt, sondern gerne Lichtbögen ausbildet.

Wärmequelle

Eigentlich hätte ich gerne einen Heizstab (auch Heizpatrone genannt) in meinen 200 Liter-Warmwasserspeicher eingesetzt, doch das war bei diesem nicht vorgesehen. Letztlich entschloss ich mich, einen Elektroboiler parallel zum Öl-Heizkessel zu installieren und das darin erwärmte Wasser mit Hilfe einer separaten Ladepumpe durch den Wärmetauscher des Warmwasserspeichers zu leiten.
Der Elektroboiler ist für 230 Volt Wechselspannung ausgelegt und besitzt eine Anschlussleistung von 1500 Watt. Seine Heizung hat folglich einen elektrischen Widerstand von etwa 36 Ohm.
Bei der Solaranlage sind pro Strang drei Solarmodule in Reihe geschaltet, wodurch sich eine Nennspannung von 3 x 67 Volt = 201 Volt ergibt. Bei dieser Spannung beträgt die Heizleistung also 1122 Watt.

Lastanpassung

Natürlich hängt die tatsächliche Heizleistung des Boilers von der Sonneneinstrahlung ab. Für die optimale Nutzung der momentanen verfügbaren Leistung wird eine Lastanpassung benötigt, weil durch den geringen Widerstand des Boilers die Solarspannung ansonsten bei geringer Sonneneinstrahlung sehr stark einbrechen würde.
Die Lastanpassung besteht aus einer Pulsbreitenregelung (PWM-Regler) sowie einigen zu den Solarmodulen parallel geschalteten Pufferkondensatoren. Durch die Pufferung kann einerseits der Boiler kurzzeitig mit einem ausreichend hohen Strom versorgt werden, während andererseits die Solarmodule einen kontinuierlichen Ladestrom an die Kondensatoren abgeben können.

Systemschaltbild

Bei der Speicherladepumpe handelt es sich um eine normale Heizungspumpe für 230 Volt Wechselspannung. Diese wird von einem kleinen Wechselrichter versorgt, welcher wiederum an einem eigenen Schaltnetzteil betrieben wird, das bei Bedarf vom Microcontroller automatisch eingeschaltet werden kann.
Beim Erreichen der vorgegebenen Maximaltemperatur von 66°C im Wasserspeicher wird der Boiler abgeschaltet. Da keine Netzeinspeisung vorgesehen ist, bleibt die überschüssige Sonnenenergie in diesem Fall ungenutzt. Manchmal mache ich mir dann den Spaß, elektrische Kochplatten und andere ohmsche Verbraucher mit Gleichspannung zu beitreiben. Auch viele Geräte mit Schaltnetzteil kann man direkt anschließen, wenn man die unsymmetrische Nutzung des (eigentlich unnötigen) Gleichrichters beachtet.

Regelungselektronik

Herzstück der Regelung ist ein 16-Bit-Microcontroller von Renesas, ein R8C/13, welcher mit 20 MHz getaktet ist und die per Spannungsteiler herabgesetzte Spannung an den Pufferkondensatoren mit dem integrierten Analog-Digitalwander misst. Die Messung erfolgt per Timer-Interrupt genau 25000 Mal pro Sekunde. Mit dieser zeitlichen Auflösung kann auch der Boiler ein- oder ausgeschaltet werden, um die Kondensatorspannung in einem vorgegebenen Korridor zu halten. Aus dem sich ergebenden Taktverhältnis und der Kondensatorspannung lässt sich die momentane Heizleistung recht präzise berechnen. Der Boiler wird über zwei parallel geschaltete Leistungs-MOSFETs geschaltet, wobei die Schaltfrequenz typischerweise zwischen etwa 50 und 120 Hz liegt. Die Stromversorgung der gesamten Elektronik übernimmt ein Weitbereichs-Schaltnetzteil, das direkt aus der Gleichspannung der Solarmodule gespeist wird. Die Potentialtrennung des Netzteils wurde aufgehoben, da ja der Microcontroller die Primärspannung überwachen muss. Eine weitere wichtige Aufgabe des Microcontrollers ist die Überwachung der Temperaturen des Boilers und des Warmwasserspeichers sowie der MOSFETs. Als Temperatursonsoren kommen Kaltleiterelemente zum Einsatz, deren Widerstand alle 2,6 Sekunden vom Analog-Digitalwandler erfasst wird. Ein Fehlerstromdetektor kontrolliert den Strom vor und hinter dem Boiler mittels Hallsensoren. Der Super-GAU wäre ein (womöglich durch den Gleichstrombetrieb geförderter) Isolationsfehler im Heizstab, der zur elektrolytischen Knallgassynthese führen könnte...

Software

• Timergesteuerte PWM-Regelung des Boilers.
• Berechnung der momentanen Heizleistung und des kumulierten Tagesertrags.
• Maximum Power Point Tracker (MPPT): Der Spannungskorridor für die PWM-Regelung wird regelmäßig variiert, um den optimalen Arbeitspunkt für die Solarmodule einzustellen.
• Temperaturmessung und -auswertung.
• Steuerung der Speicherladepumpe und Aktivierung der Stromversorgung für die Ladepumpe.
• Ansteuerung eines 2x16-Zeichen-LC-Displays. Im 2-Sekunden-Takt werden hier diverse Messwerte und Betriebsparameter wechselweise angezeigt.
• Ausgabe einiger Betriebsparameter über die serielle Schnittstelle. Die gesendeten Daten werden außerdem von einem im Gehäuse integrierten Datenlogger auf SD-Karte gespeichert.
• Erzeugung von Signal- und Warntönen für den angeschlossenen Lautsprecher.
• Nicht zuletzt sorgen verschiedene Fehlererkennungen dafür, dass der Boiler ggf. abgeschaltet wird.

Messdatenerfassung und Auswertung

Der Datenlogger zeichnet kontinuierlich die gemessenen Temperaturen sowie Leistung- und Spannungswerte auf. Pro Tag eintsteht eine Log-Datei, die mit Hilfe des Programms Gnuplot grafisch dargestellt werden kann. Das hier gezeigte Beispiel gibt den Tagesverlauf vom 18. Oktober 2018 wieder. Man sieht, dass die Warmwassertemperatur (blaue Linie) von 53°C am Morgen auf ca. 58°C am Abend gestiegen ist und hierfür 4,1 kWh elektrischer Energie aufgewendet wurden. Rein rechnerisch wäre mit dieser Energiemenge eine Erwärmung des 200l-Wasserspeichers um 18° möglich. Die Diskrepanz erklärt sich in erster Linie durch Wärmeabstrahlverluste vom Boiler, den Rohrleitungen und des Wasserspeichers selbst. Darüber hinaus können tagsüber kleinere Warmwasserentnahmen stattgefunden haben. Wie hoch die Abstrahlverluste des Wasserspeichers sind, erkennt man auch daran, dass dieser bei einer Anfangstemperatur von 60°C über Nacht um ca. 6° abkühlt. Deutlich schneller kühlt der 5l-Wasserboiler ab, dessen Temperaturverlauf im Bild mit der violetten Linie dargestellt ist. Die Boilertemperatur startet bei 37°C und steigt mit zunehmender Solarleistung (höhe der blassgelben Fläche) zunächst immer schneller an. Sobald die Boilertemperatur die Speichertemperatur um einen gewissen Wert (welcher von einigen Parametern abhängt) überschreitet, schaltet die Regelung die Pumpe ein, die den Wärmetransport zum Wasserspeicher gewährleistet. Dadurch fällt die Boilertemperatur steil ab und geht schließlich in einen sägezahnartigen Verlauf über. Wie man ebenfalls der Grafik entnehmen kann, schwankt die Temperatur der MOSFETs mit der Sonneneinstrahlung und erreicht bei einer Leistungsabgabe um 800 Watt (= Skalenwert 80) etwa 33°C. Dass die gelbe Ertragsfläche oben etwas ausgefranst wirkt erklärt sich übrignes durch den Rückgang der Heizleistung während der Pumpvorgänge, welche etwa 40 Watt für sich beanspruchen.