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Montag, 24. Juli 2023

Stromverbrauch am digitalen Zähler auslesen

Im Post "Solarzelle Ahoy! - Leistungsmessung beim Balkonkraftwerk" stellten sich mir die Fragen:

Wie viel Energie liefern mir die Zellen meines Balkonkraftwerkes?

Wie viel Energie davon nutze ich und wieviel verschenke ich ins Stromnetz?

Die letzte Frage kann der digitale Stromzähler liefern. Aber jedesmal zur Hauptverteilung laufen und ablesen ist mühsam und langweilig.

Zudem gibt es brauchbare Datenerfassungssystem im Umfeld von Home Automation, die man mit den Daten füttern kann und diese dann übersichtlich in Tages-, Wochen- und Monatsverläufen darstellen können. Achtung Spoiler: ein Post zum Thema Home Assistant folgt noch.

GEFAHR!

In der Unterverteilung bzw. im Zählerschrank besteht Gefahr durch Netzspannung von 230 V~ oder sogar 400 V~ an. Daher: keine Schutzverkleidungen abnehmen! Arbeiten in der Unterverteilung nur von Fachpersonal durchführen lassen. Elektrische Spannung ab 50 Volt Wechselspannung sowie ab 120 Volt Gleichspannung kann beim Menschen zu Verletzungen (z.B. Verbrennungen oder Herzkammerflimmern) und im schlimmsten Fall sogar zum Tod führen. Siehe auch: https://de.wikipedia.org/wiki/Stromunfall

Mein Zähler (Lepus 3.060 von Apator) besitzt wie die meisten Digitalzähler eine optische Schnittstelle (Infrarot), die das Auslesen der Daten ermöglicht. Damit alle Daten auslesbar sind, muss man sich beim Messstellenbetreiber die PIN des Zählers besorgen. Bei mir war das über die Hotline binnen Minuten erledigt.

 

Schnittstellenbeschreibung:

Datenübertragungsrate 9.600 Baud
Modus 8N1
Byteabstand im Telegramm < 2 ms
Protokoll SML + COSEM

 

Leseköpfe für die IR-Schnittstelle gibt es für unter 25 € inkl. magnetischem Gehäuse, aber ohne Kabel. Elektrisch werden die Leseköpfe über eine UART-Schnittstelle gekoppelt.

 

Das Auslesen, Verarbeiten und Übermitteln der Daten ins WLAN übernimmt wieder ein ESP8266 D1 mini. Dieser wir mit einer Firmware names Tasmota bespielt. 

Alle Infos zu Tasmota findet man unter:

https://tasmota.github.io/docs/

Leider unterstützt Tasmota aktuell nicht ohne weiteres Zutun das Auslesen der Zähler. Hierzu muss die Firmware konfiguriert und anschließend compiliert werden. Hört sich kompliziert an, ist es auch. Aber es gibt ein Video von haus-automatisierung.com, dass das Vorgehen nachvollziehbar erklärt:


Da nicht alle Zähler gleich sind, muss das im Video erwähnte Script für den Lepus 3.060 wie folgt aussehen:

>D  
>B
=>sensor53 r
>M 1
+1,3,s,0,9600,SML,1,1
1,77070100010800FF@1000,Zählerstand Total,kWh,Zählerstand_total_kwh,1
1,77070100020800ff@1000,Export (Total),kWh,export_total_kwh,1
1,770701000E0700FF@1,Netz Frequenz,Hz,Netz_Frequenz,1
1,77070100100700FF@1,aktuelle Wirkleistung,W,aktuelle_Wirkleistung,0
1,77070100240700FF@1,Wirkleistung L1,W,Wirkleistung_L1,0
1,77070100380700FF@1,Wirkleistung L2,W,Wirkleistung_L2,0
1,770701004C0700FF@1,Wirkleistung L3,W,Wirkleistung_L3,0

 

Nach Abschluss er "Firmware-Arbeiten" und dem Flashen auf den ESP8266, muss noch der Lesekopf mit dem ESP8266 verbunden werden. 

Da meine Unterverteilung in einem soliden Metallschrank untergebracht ist, der WLAN erfolgreich abschirmt, platziere ich den ESP8266 außerhalb des Schrankes. 

Als Kabel zum Lesekopf nutze ich ein altes Telefon-Anschlusskabel mit RJ45-Stecker. Der Stecker ist klein genug, um ihn durch eine Kabeltülle des Schaltschranks zu führen. Die vier Adern werden im Lesekopf angelötet. Ein Kabelbinder als Zugentlastung sollte ausreichen.

Eine 25 cm Netzwerk-Verlängerungskabel wird kurzerhand seines Steckers beraubt und mit dem ESP8266 verbunden.

Lesekopf <---> ESP8266 D1 mini

     VCC ----- 3V3

     GND ----- G

      RX ----- TX

      TX ----- RX

 

Zusätzlich erhält der ESP noch 2 Leitungen für die Stromversorgung, die er ebenfalls aus der Unterverteilung erhält.


Netzteil <---> ESP8266 D1 mini     

      +V ----- 5V

      -V ----- G 

Als Netzteil nutze ich ein Mean Well HDR-30-5.


Der ESP wird in einem kleinen Kunststoffgehäuse untergebracht.


 

Der Lesekopf wird auf dem Zählerinterface angebracht und die Zuleitung in der Unterverteilung durch eine Tülle im Schrankboden geführt.


Durch die gleiche Öffnung gelangen die Leitungen zur Spannungsversorgung des ESP in die Unterverteilung. Den ESP habe ich dann noch mit Kabelbinder unter der Unterverteilung fixiert.

Wenn alles ordnungsgemäß verdrahtet ist, der Lesekopf richtig auf dem Interface sitzt und die WLAN-Verbindung steht, kann Tasmota über die IP-Adresse des ESPs aufgerufen werden:


Durch Anpassen des oben gezeigten Scripts können noch weitere Werte, wie z.B. die Ströme und Spannungen pro Phase ausgelesen werden. Die fand ich jedoch für meine Zwecke uninteressant.

Meine Anfangsfrage, wieviel Energie ich vom Balkonkraftwerk nutze und wieviel ich verschenk, lässt sich nun beantworten.

Eingespeist habe ich, wie in Zeile 2 von Tasmota erkennbar: 31,1 kWh.

Zeitgleich hat mir das Balkonkraftwerk 304 kWh geliefert (Abfragbar über die AhoyDTU).

Ergo: Nutzen konnte ich 273,9 kWh bzw. rund 90% der erzeugten Energie.


Samstag, 28. August 2021

Bau eines 6Ah Akkupacks

Zum Betrieb von Amateurfunk-Equipment oder Teleskopmontierungen fern jeglicher 230V-Steckdose ist ein Akku das Mittel der Wahl. 


 Damit verbunden sind folgende Einschränkungen:

  1. Die Kapazität des Akkus und dessen Entladecharakteristik beschränken die Einsatzdauer.
  2. Das Gewicht und Größe des Akkus beschränken die Transportfähigkeit.
  3. Die Selbstentladung beschränkt die Lagerfähigkeit.
  4. Die maximal möglichen Ladezyklen beschränken den langfristigen Einsatz des Akkus.
  5. Die mechanische und/oder technologische Robustheit beschränken die Handhabbarkeit.

Nicht zu vergessen, die eigene Vergesslichkeit, den Akku rechtzeitig vor dem nächsten Einsatz zu laden. Schwierig, wenn der Einsatz nicht geplant war. Nachdem ich schon NiMH- und Bleigel-Akkus mehr oder weniger lange im Einsatz hatte und diese zumeist durch Tiefentladung ihr Einsatzende erreichten, War eine neue Technologie notwendig.

Nach Vergleich und Abwägung aller Pro und Contras, entschied ich mich für LiFePO4 (Lithium-Eisen-Phosphat) Zellen. Sie sind zwar etwas teurer als LiPo-Akkus, sind dafür aber sicher bzgl. Brand- und Explosionsgefahr. Als konfektioniertes Pack enthalten sie bereits ein Batterie-Management-System (BMS) zum Laden und Schutz der Zellen.

 

Welche Kapazität ist sinnvoll?

Bei der Teleskopmontierung hatte ich meist einen 7Ah Akku, der zum automatischen Nachführen mehr als eine Nacht hielt. 

Etwas Recherche brachte mich zum Anbieter EREMIT. Meine Wahl fiel auf einen 12,8V Akkupack, bestehend aus 4x 32700er Zellen inkl. BMS, mit 6Ah Kapazität. (Datenblatt: hier)

Mein Transceiver für Outdoor-Einsätze ist ein Xiegu G90. Bei einer Sendeleitung von 20W liegt der max. Strom bei ca. 3A. Bei 5W Sendeleistung sind ca. 1,8A notwendig.
Bei Betrieb mit 5W Sendeleistung und 30% Zyklus heißt das pro Stunde 0,3h senden und 0,7h empfangen. Kurz überschlagen: 0,7h * 0,5A + 0,3h * 1,8A = 0,89Ah. Die Kapazität würde für rund 6h reichen. 

 

Das Gehäuse

Angeboten hat sich ein Polycarbonat Gehäuse von Pollin mit den Abmessungen 120x80x85mm in IP65 Ausführung - auch wenn die IP65 durch die weitere Bearbeitung verloren gingen, so ist es doch ein robustes, witterungs- und UV-beständiges Gehäuse.
Die Innenmaße lassen ausreichend Platz für eine Lage Luftpolsterfolie zur Stoßdämpfung. Die Anschlussleitung wurde mit einer XT60 Hochstrombuchse versehen, um Ober- und Unterschale des Gehäuses trennen zu können und einen Akkutausch zu vereinfachen.

Auf der Oberschale befinden sich die Anschlüsse zum Abgreifen der Energie, und natürlich auch zum Laden des Akkus. Es handelt sich hierbei um Anderson Powerpole® Steckverbinder für 30A - Verbinder, die sowohl Stecker als auch Buchse sind.

Sie wurden mit einem 3d-gedruckten Wallsocket (Thingiverse) auf der Oberschale montiert und mit einem XT60 Stecker abgeschlossen.




Zur Überwachung der Akkuspannung wurde noch ein Voltmeter. Da ich nicht möchte, dass das Voltmeter dauerhaft eingeschaltet ist, kommt noch ein Schiebeschalter hinzu. So kommt es nicht zu Störung der Dunkeladaption des Auges bei astronomischen Beobachtungen, und das Entladen des Akkus bei Lagerung wird vermieden. Der Akku selbst wird nicht geschaltet.

Schalter und Voltmeter werden mit Heißkleber fixiert, der Schalter zusätzlich verschraubt.

Das Display des Voltmeters habe ich plan zur Oberfläche eingefügt, um anschließend eine Schutzfolie aufkleben zu können. Als Stoßdämpfung dient eine Lage Verpackungsschaumstoff.


Ein erster Funktionstest:

Abschließend wird noch das Cover aufgeklebt. Für das Display wurde eine Aussparung vor dem Laminieren aus dem bedruckten Papier geschnitten.

Nun muss sich der Akkupack noch im Ausseneinsatz beweisen.

Gewicht: 850g

Kosten: 65 €

  • Akku 47 €
  • Gehäuse 11 €
  • Stecker 2 €
  • Schalter 1 €
  • Voltmeter 4 €

Zum Vergleich: Ein Bleiakku ähnlicher Kapazität (7Ah) kostet nur ca. 20 €, ist jedoch doppelt so groß und 3x so schwer.