Die Technologien in der Solarenergie sind darauf ausgelegt, mit Sonnenkraft Häuser zu heizen, Licht zur Verfügung zu stellen, Wasser zu erwärmen, Strom zu generieren und sogar Klimaanlagen für Privathäuser, Unternehmen und Industrieanwendungen zu betreiben. Der Aufbau eines Solar-Energiesystems erfolgt grundsätzlich in drei Phasen: Zusammenstellung der Komponenten (zum Beispiel der photovoltaischen Module), deren Installation und Montage sowie abschließend die Integration aller Komponenten in ein effizientes Gesamtkonzept. Embedded Computer eignen sich aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften für Solar-Steueranlagen optimal: Im Gegensatz zu traditionellen Industrie-PCs passen die kompakten Embedded Computer auch in kleinere Schaltschränke. Ihr robustes Design – in der Regel ohne Lüfter, Leitungen und rotierende Massenspeicher – unterstützt den zuverlässigen Dauerbetrieb (24/7) auch bei extremen Umgebungsbedingungen – zum Beispiel in der Wüste oder im Regenwald. Embedded Computer lassen sich auf spezifische Anwendungen zuschneiden. Vorinstallierte Betriebssysteme unterstützen dabei den Entwickler. Da die Rechner nur die für die Anwendung notwendigen Funktionen ausführen, müssen sie weniger Leistung vorhalten und verbrauchen dadurch wesentlich weniger Energie als herkömmliche Rechner – ein wichtiger Aspekt für Betreiber von Solaranlagen, die möglichst viel Strom ins Netz einspeisen wollen. Zur  Effizienz-Kontrolle  ihrer  Solar-Energiesysteme installieren Betreiber inzwischen intelligente Steuerungssysteme. Größere Systeme – Solarfarmen – werden sogar an zentrale Leitstellen angebunden und permanent überwacht. Internetbasierte Schnittstellen machen die Überwachung der Energie-Einsparung einfach und bieten einen direkten Zugang zum Mess- und Abrechnungssystem – in der Regel ein Embedded Controller, der Daten aus unter- schiedlichen Quellen ausliest, beispiels- weise die Wechselrichter, Stromzähler so- wie die Ladegeräte der Pufferbatterien, die applikationsspezifisch vorhanden sind. Die Informationen werden über serielle Schnittstellen erfasst, archiviert, aufbereitet und anschließend per LAN oder Funkverbindung an die Überwachungszentrale gesendet. Auch bei Störungen setzt das System sofort eine Meldung ab.  

Die Anforderungen der Solarbranche

Der Einsatz von Embedded Computern in Solar-Energiesystemen ist vor allem auch wegen der Vielzahl verschiedener Schnitt- stellen in einem Gerät sinnvoll. Einfache Geräte können nach wie vor oft nur über serielle Verbindungen kommunizieren. 3- in-1-UARTs  (Universal  Asynchronous Receiver Transmitter), die sowohl RS232/422/485-Schnittstellen als auch nicht-standardisierte Baudraten unterstützen, sind hierfür die beste Lösung. Unabdingbar sind USB-Ports für optionale Erweiterungen des Systems, etwa mit Datenspeichern. Für die Kommunikation mit den übergeordneten Systemen sind neben Ethernet eine Reihe von Wireless-Schnittstellen wie WiFi, GSM, GPRS oder das in den USA verbreitete CDMA notwendig. Hinzu kommen die üblichen analogen und digitalen Ein-/Ausgänge für die verschiedenen Sensoren und Aktoren, die in einer Solaranlage installiert sind. Erfasst werden längst nicht nur die Ströme des Wechselrichters und die Werte der Stromzähler am Übergabepunkt ins Stromnetz. 

Für die Ermittlung der Performance einer Solaranlage sind weitere Größen  notwendig,  unter  anderem  die Umgebungs- und Solarzellentemperaturen, die über Widerstandsthermometer erfasst werden, sowie die aktuelle Sonneneinstrahlung über ein Pyranometer. Dieser Sensor erfasst die Strahlungsflussdichte der Sonne in W/m² und ist notwendig, um den Wirkungsgrad der Solarmodule zu ermitteln, aus dem sich wiederum die Alterung und Ausfälle von Solarzellen ableiten lassen. Diese Daten bilden die Grundlage für das Fernwartungskonzept eines Dienstleisters  für  Solaranlagenbetreiber, die überall und jederzeit auf Ihre Anlagen zugreifen wollen. Der Dienstleister hat dafür ein Steuerungs-, Überwachungs- und Reporting- System entwickelt, das dem Betreiber sämtliche Information grafisch und möglichst anwenderfreundlich aufbereitet. Dazu zählen beispielsweise Informationen über die aktuellen und historischen Leistungswerte der Solarmodule, Alarmmeldungen sowie die Berechnung der eingesparten CO2-Emissionen und die Vergütung der Stromeinspeisung. Das Unternehmen erfasst für den Betreiber die Daten mit Hilfe von Embedded Computern und stellt die Informationen – abhängig vom Umfeld per Ethernet, Wireless oder per GSM/GPRS – zentral auf einem Server zur Verfügung. Die Betreiber können ihre eigenen Daten bei Bedarf bequem über herkömmliche Internet- Verbindungen abrufen und auswerten. Das System erstellt automatisch Leistungsberichte und sammelt kritische Felddaten. Die zu Reports verdichteten Daten können vom Betreiber langfristig zur Verbesserung der Systemoptimierung genutzt werden.

Drei Szenarien umgesetzt

Den unterschiedlichen Einsatzszenarien entsprechend, hat der Dienstleister zusammen mit der Firma Moxa Lösungen für Solar-Gemeinden, Solar-Kraftwerke und fürs das Verkehrswesen entwickelt. In den USA gibt es bereits Siedlungen, die sich primär auf Solarenergie als Lieferant ihres gesamten Energiebedarfs verlassen, so genannte Solarenergie-Gemeinden. Das Versorgungskonzept setzt ein stabiles und zuverlässiges Überwachungsund Kontrollsystem voraus. Hier setzt der Dienstleister Embedded Computer des Typs UC7112 und eine davon abgeleitete Wireless-Version ein. Die Wireless-Gerätereihe (W315/W325/W345) verfügt über ein Quadband-GSM/GPRS-Modul der Klasse B, das weltweiten Betrieb und zuverlässige, stabile Kommunikation gewährleistet. Zusätzliche Kommunikations- Schnittstellen sind ein Ethernet-Port sowie bis zu vier serielle Schnittstellen (RS232/422/485). Die auf den Linux Kernel 2.6 aufsetzende Middleware-Software deckt TCP/IP-Protocol-Stack, VPN, iptables, telnetd, Apache, ftpd, snmpd, pppd und MySQL-Server ab.

Energieausbeute optimieren

Die Kommunikationsplattform UC-7112 basiert auf einer RISC-CPU (ARM9 mit 32 Bit und 192 MHz Taktfrequenz). Der IPC hat zwei serielle RS232/422/ 485-Ports und einen Ethernet-Port (10/100 MBit/s). Mit 32 MByte RAM, 16 MByte Flash und einer SD-Schnittstelle stehen flexible Speichermöglichkeiten zur Verfügung. Solar-Kraftwerke und hochentwickelte Solar-Energiesysteme nutzen zur Optimierung der Energie-Ausbeute daneben noch Ortungssysteme, um die Solarpanels der Sonne nachzuführen. Der Embedded Computer, arbeitet hier zusätzlich als zentraler Controller für die Antriebssteuerungen der Solarpanels. Hierfür eignen sich beispielsweise x86-basierte oder RISC-basierte Embedded Computer wie der V468 oder IA261. Letztere haben neben den Dual-Ethernet-Ports für optionale Redundanz je acht digitale Ein- und Ausgänge. Hinzu kommen ein VGA-Ausgang, zwei USB-Hosts, CompactFlash und vier serielle RS232/422/ 485-Ports. Alternativ dazu stellt die Variante IA262 zwei serielle Ports und zwei CAN-Interfaces bereit. Beide Rechner setzen auf einer Cirrus Logic EP9315 ARM9, 32 Bit, 200 MHz RISC CPU, einem leistungsstarken Prozessor, der bei geringer Wärme-Entwicklung zahlreiche Kommunikationsfunktionen erfüllt. Die eingebauten 32 MByte NOR Flash ROM und 128 MByte SDRAM bieten ausreichend Arbeitsspeicher für die zusätzliche Ansteuerung der Azimuth-Steuerungen.

Die Computer gibt es optional im erweiterten Betriebstemperaturbereich zwischen –40 °C und 75 °C. Neben dem anderen Formfaktor setzt die Embedded-Computer-Serie V460 auf eine x86-basierte Architektur. Deren Einsatzschwerpunkt liegt in der Datenerfassung und -verarbeitung sowie Protokollumwandlung. Die Serie umfasst ingesamt vier Modelle, die umfangreiche Schnittstellen bereitstellen: vier serielle Ports, einen 8-Port-Switch, vier USB und je 8 digitale E/As. CompactFlash- und PCMCIA-Interfaces bieten ausreichend Platz für Speichererweiterung. Mit Solarenergie werden viele Signalanlagen, digitale Straßenschilder und weitere Peripheriegeräte im Straßennetz gespeist. Für diese Art von Anwendung eignen sich Embedded Computer zur Kontrolle, Steuerung und Fernüberwachung sowohl der Ampeln als auch der Komponenten des Solarsystems. Hier steht die Überwachung vieler Geräte im Vordergrund, und weniger die Anlageneffizient. Daher sind in diesem Fall eine große Anzahl serieller Schnittstellen sowie der PCMCIA-Steckplatz zur Übertragung der wenigen Statusdaten per GSM/ GPRS von Vorteil.

Autor:
Jordi Pujol ist Produktmarketing Manager Energiewirtschaft bei der Firma Moxa Europe in Unterschleißheim.