Erstellt am 12.06.2013
Leistungsmessung
Natürlich ist es schön und gut, wenn man die grüne Ökostrom
-LED sieht, so lange die Panele Strom einspeisen. Allerdings interessierte mich dann doch, wie viel da so an einem Tag zusammen kommt. Daher habe ich zunächst einmal ein wenig recherchiert, welcher Chip mir denn am besten den Strom und die Spannung messen kann. Insbesondere bei der Spannung müssen ja bis zu 40 V gemessen werden.
Zur Strommessung habe ich in Richtung Shunt-Widerstand und current sense amplifier gesucht. Hier gibt es eine ganze Menge Chips von Maxim, die aber alle jeweils einen externen AD-Wandler vorraussetzen. Zwar haben die gängigen Mikrocontroller welche an Board, aber dann muss man auch noch eine entsprechend exakte Referenzspannung bereitstellen. Alles in Allem viel Aufwand.
Die Wahl fiel schließlich auf den LTC4151. Dieser Chip hat drei Messeingänge: VIN, ADIN und SENSE+/SENSE-. An VIN kann direkt die Panelspannung angelegt werden. Dort können maximal 102,4 V eingespeist werden, typisch 80 V. Die SENSE-Anschlüsse werden mit dem Shuntwiderstand verbunden. ADIN ist schließlich noch ein dritter Eingang für z.B. das Messen einer Akkuspannung.
Die Werte der (bzw. des - es ist nur einer mit Multiplexer) AD-Wandler können dann bequem über I²C ausgelesen werden.
Zum Strommessen gibt es auch noch andere Wege, wie z.B. über das induzierte Magnetfeld und einen Hallsensor. Dies hat den Vorteil, dass keine Leistung am Shunt-Widerstand verbraten wird, jedoch auch den Nachteil, dass diese Sensoren sehr teuer sind. Daher habe ich mich für die Shunt-Messung entschieden und bei 10 mOhm werden bei maximaler Leistungsentnahme von etwa 6 A etwa 360 mW vernichtet. Das ist für mich noch im Rahmen.
Den LTC4151 habe ich auf ein Breakoutboard gelötet, damit ich ihn auf einer standard Lochrasterplatine verwenden kann. Dort gelangt der Solarstrom auf der linken Seite (1. Bild) in die Schaltung, fließt über den Shunt und geht anschließend in meinen Spannungswandler. Auf der Unterseite (2. Bild) kann man schön erkennen, wie die Leitung beim Shunt unterbrochen ist. Für eine noch exaktere Messung hätte ich eigentlich einen 4-Punkt-Widerstand benötigt, aber bei dem Bastelladen meines Vertrauens war nur dieser zweibeinige Typ zu haben. Ich denke aber mal die Abweichung ist nicht zu groß.
Auswertung
Die Auswertung der gemessenen Werte übernimmt ein Atmega8 an den ich ein zwei Zeilen, 16 Zeichen Display angeschlossen habe. Außerdem ist eine RealTimeClock (DS1307) mit von der Partie, die zwei Aufgaben erfüllt:
Einmal brauche ich einen Taktgeber, der mir sehr exakt eine Sekunde vorgibt, damit ich die geleistete Arbeit in Wh messen kann.
Zum anderen hat dieser Chip 56 Byte nvRAM (also Speicher, der durch die Batterie am Leben gehalten wird), die einem zur freien Verfügung stehen. Hier rein speicher ich alle paar Minuten die bisher geleistete Arbeit, sodass ich den Mikrocontroller ohne Verlust der gemessenen Arbeit vom Strom trennen kann (z.B. nachts, wo keine Leistung gemessen werden muss). Der Atmega8 bietet zwar selber auch einen EEPROM, dieser hat aber nur begrenzte Schreibzyklen, sodass die Verwendung eines nvRAM für häufiges Speichern die bessere Alternative darstellt.
Die Leistung wird dabei jede Sekunde einmal gemessen und in einer Variable Ws aufaddiert. Ich gehe dabei davon aus, dass die Leistung innerhalb dieser Sekunde konstant ist. Teilt man diesen Wert nun durch 3600s erhält man die Arbeit in Wh, geteilt durch weitere 1000 in kWh.
Spannung, Strom und im sekündlichen Wechsel die aktuelle Leistung, sowie geleistete Arbeit werden schließlich noch auf dem LCDisplay ausgegeben:
Schön zu sehen: da kommt selbst bei einem so kleinen Verbraucher an einem sonnigen Tag einiges zusammen. Bei 10 Sonnentagen etwa 1,5 kWh. Als nächstes wird der MPPTracker in Angriff genommen.