Die Auswirkungen der drahtlosen Kommunikation auf die Revolution der Solarindustrie

Radiocrafts verfügt über jahrzehntelange Erfahrung in der Solarbranche und hat Kunden aus aller Welt bei der Nachführung von Solarzellen, der Überwachung von Wechselrichtern, Energiespeicherprojekten und vielem mehr unterstützt. Obwohl wir drahtlose Funklösungen in verschiedenen Bereichen des IoT anbieten, zeichnete sich bereits vor einigen Jahren ein deutlicher Trend ab. Immer mehr Kunden wenden sich an uns, um Lösungen für Solaranwendungen zu erhalten. Da wir die Bedeutung dieses Trends erkannt haben, haben wir uns entschlossen, unser Verständnis für die Solarbranche zu vertiefen.

In der Folge haben wir ebenfalls beschlossen, aktiv an der Revolutionierung der Solarbranche mitzuwirken, indem wir an der Intersolar Europe und US, der RE+ und anderen Solarausstellungen teilnehmen. Diese Veranstaltungen boten uns unschätzbare Gelegenheiten, mit bestehenden Kunden und neuen Interessenten aus der Solarbranche in Kontakt zu treten. Durch unser Engagement, die Solarbranche zu verstehen, haben wir viele der Einblicke und Informationen, die wir präsentieren werden, durch unsere Bemühungen gewonnen, dieses spezielle Segment tiefer zu erforschen.

(Bildquelle: Radiocrafts)

Deshalb werden wir in diesem Blog tief in die Solarbranche eintauchen. Wir werden zunächst definieren, was die Solarbranche umfasst, Branchentrends erforschen, das breite Spektrum an Geräten untersuchen, die für die Stromversorgung von Solaranlagen unerlässlich sind, und die Rolle der einzelnen Geräte innerhalb des Systems erläutern. Darüber hinaus werden wir Verkabelungslösungen mit drahtlosen Alternativen vergleichen, auf die Solarbranche zugeschnittene drahtlose Lösungen erörtern und abschließend die RIIM-Mesh-Lösung von Radiocrafts vorstellen, die mehrere marktführende, für die Anforderungen der Solarbranche optimierte Funktionen unterstützt.

Was ist die Solarindustrie?

Die Solarbranche umfasst drei unterschiedliche, aber gleichermaßen wichtige Segmente:

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Das erste Segment, das wir hervorheben wollen, sind die ausgedehnten Großanlagen. Diese Anlagen bestehen aus vielen Reihen von Solarmodulen, deren Anzahl oft in die Tausende geht. Diese Solarmodule werden von Solartrackern begleitet, die eine präzise Nachführung der Sonne für einen optimalen Winkel während des Tages gewährleisten. Typischerweise befinden sich diese Anlagen in offenen Feldern und Wüstenlandschaften.

Das zweite Segment umfasst mittelgroße Anlagen, die zwar immer noch umfangreich sind, aber nicht so groß wie die in Wüstenregionen. Diese Systeme sind in der Regel auf Dächern zu finden und werden in das Segment der Aufdach- und Industrieanlagen eingeteilt.

Schließlich gibt es noch das Segment der Privathaushalte, das in der Regel aus einzelnen Haushalten oder Gruppen von Haushalten besteht, die mit Solaranlagen auf ihren Dächern ausgestattet sind. Einige Anlagen können auch Energiespeicher und Ladesysteme für Elektrofahrzeuge umfassen.

Interessant ist, dass die Unterschiede zwischen diesen Systemen von den Netz-Codes (Grid Codes) beeinflusst werden, die ihre Interaktion mit dem öffentlichen Stromnetz vorschreiben. Größere Anlagen unterliegen strengeren Anforderungen, die festlegen, wie sie Energie in das Netz einspeisen und die Leistung regulieren müssen, um eine Überlastung des Netzes zu verhindern. Das Verständnis dieser Unterschiede ist entscheidend für den Vergleich dieser verschiedenen Systeme.

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Es ist auch erwähnenswert, dass bestimmte EU-Verordnungen nun die Integration von Solaranlagen in bestimmte Neubauprojekte vorschreiben. Es wird erwartet, dass diese Vorschrift die Zahl der Anlagen, insbesondere auf Dächern und in Wohngebäuden, erheblich steigern wird.

Was ist der aktuelle Trend in der Solarindustrie?

Gibt es einen erkennbaren Trend in der Solarbranche? Erleben wir eine Verlagerung hin zu Wohngebäuden und kleineren Anlagen, oder findet das Wachstum in allen genannten Segmenten statt?

Sicherlich können wir in all diesen Segmenten ein Wachstum beobachten.

Obwohl es leichte Unterschiede bei den Anforderungen und Systemkonfigurationen gibt, um die Funkspezifikationen zu erfüllen, beobachten wir insgesamt eine stabile Akzeptanz in jedem dieser Segmente.

Welche Arten von Geräten gibt es in einer Solaranlage und welche Aufgaben haben sie in dem System?

Es gibt viele Geräte, die üblicherweise in Solaranlagen zu finden sind, wobei das Vorhandensein von Komponenten in verschiedenen Segmenten variiert.

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Das Herzstück von Solaranlagen sind die Solarmodule, die oft in Reihe geschaltet sind und ihre Gleichspannung über ein Gerät, den so genannten DC-Kombinator (DC Combiner), leiten. Der DC-Kombinator sammelt die Gleichspannung von den angeschlossenen Solarmodulen und hebt sie auf ein höheres Niveau an, bevor sie in den Wechselrichter eingespeist wird. In Großanlagen spielen DC-Kombinatoren eine entscheidende Rolle bei der Überwachung von Solarmodulen, da sie potenzielle physische Degradation im Laufe der Zeit erkennen.

In bestimmten Fällen können die Solarmodule den Wechselrichter direkt mit Gleichspannung versorgen, was eine flexible Architektur ermöglicht.

Anschließend wandelt der Wechselrichter die Gleichspannung in eine Netzwechselspannung um, die dann über einen Stromzähler an das Stromnetz weitergeleitet wird.

Eine weitere wichtige Komponente in Solaranlagen ist der Kraftwerkscontroller oder Datenlogger. In Großanlagen mit zahlreichen Wechselrichtern und DC-Kombinatoren wird dieses Gerät oft als Kraftwerkscontroller bezeichnet. Seine Hauptfunktion besteht darin, Steuerbefehle an die Wechselrichter zu übermitteln, damit diese ihre Leistung entsprechend den Anforderungen des Stromnetzes anpassen können.

In kleineren Anlagen wird das Gerät meist als Datenlogger bezeichnet und dient in erster Linie der Aufzeichnung der vom Wechselrichter erzeugten Energiedaten und der Erkennung von Funktionsstörungen im Wechselrichter.

In Großanlagen gibt es in der Regel eine Verbindung oder eine API, die den Netzbetreiber mit dem Kraftwerkscontroller verbindet. So kann der Betreiber des öffentlichen Stromnetzes Befehle an den Kraftwerkscontroller übermitteln, um die Leistung der Wechselrichter an die Anforderungen des Netzes anzupassen. Wenn beispielsweise ein Überschuss an Strom erzeugt wird, kann der Netzbetreiber den Kraftwerkscontroller anweisen, die Leistung der Wechselrichter zu reduzieren. Für diese Kommunikation sind in der Regel extrem niedrige Latenzzeiten erforderlich, um eine Echtzeitanpassung der Wechselrichter zu gewährleisten und mögliche Netzüberlastungen aufgrund eines übermäßigen Stromflusses zu verhindern.

Verschiedene andere Geräte sind in Großanlagen üblich, darunter Wetterstationen, Solartracker zur Optimierung der Ausrichtung der Module zur Sonne, Geräte zur Überwachung der Tracker-Winkel, um sicherzustellen, dass sich die Tracker tatsächlich entsprechend bewegen, und Irrometer zur Messung der Intensität des einfallenden Sonnenlichts.

Auch die Energiespeicherung spielt bei Solaranlagen eine wichtige Rolle, wobei Batteriespeicher in alle Anlagengrößen integriert werden.

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In Wohngebieten und auf Dächern ermöglicht die Einführung von Ladestationen für Elektrofahrzeuge die Unterstützung des Aufladens von Elektrofahrzeugen. Ein integraler Bestandteil von Wohnanlagen ist der Energiemanager, der den Verbrauch auf der Grundlage der lokalen Energieerzeugung und der Energiepreise im Netz überwacht. Er optimiert den Betrieb lokaler Lasten so, dass er mit den Zeiten niedrigster Energiekosten übereinstimmt, z. B. wenn tagsüber Spitzenenergie aus der Sonne erzeugt wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Solaranlage ein hochentwickeltes IoT-System mit umfangreichen Kommunikationsfunktionen darstellt.

Kabel oder drahtlose Lösung?

Bei den heutigen Großinstallationen sind Verkabelungslösungen die Norm, die komplizierte Netzwerke von Glasfaserschleifen und kilometerlange Kabel umfassen, einschließlich unterirdisch verlegter elektrischer, RS485- und Glasfaserkabel. Die drahtlose Technologie ist jedoch auf dem Vormarsch und bietet zahlreiche Vorteile für diese Einrichtungen.

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Kabelgebundene Verbindungen bringen Probleme mit sich, wie z. B. die Anfälligkeit für Blitzeinschläge und Erdschleifen, die die Kommunikation unterbrechen können, wenn ein Kabel, das mehrere Geräte verbindet, ausfällt. Darüber hinaus ist der Austausch und die Reparatur von Kabeln arbeitsintensiv und mit erheblichen Kosten verbunden.

Angesichts dieser Herausforderungen wächst das Interesse an drahtlosen Lösungen, da sie erhebliche Kosteneinsparungen und eine flexible Installation ermöglichen. Während der herkömmliche kabelgebundene Ansatz in der Regel mehrere Tage und einen erheblichen Personalaufwand erfordert, bieten die drahtlosen Alternativen eine schnelle und einfache Installation und Anpassungsfähigkeit. Diese Vorteile sind der Grund für die zunehmende Akzeptanz von drahtlosen Lösungen, insbesondere da die Nachfrage nach nahtlosen und effizienten Systemimplementierungen steigt.

Welche drahtlosen Technologien sind für Solaranlagen geeignet?

Es gibt zahlreiche drahtlose Technologien, die jeweils auf die spezifischen Bedürfnisse der drei verschiedenen Solarsegmente zugeschnitten sind, die wir bereits erörtert haben, und die verschiedenen Geräte, die für den Betrieb einer effizienten Anlage in jedem Segment erforderlich sind, was zu unterschiedlichen Anforderungen führt.

Eine wichtige Voraussetzung ist die Notwendigkeit einer großen Reichweite. Im Wohnbereich könnte das System beispielsweise Mikro-Wechselrichter umfassen, die direkt mit einem Solarpanel auf dem Hausdach verbunden sind. Das Steuergerät würde sich höchstwahrscheinlich auf der Innenseite des Hauses befinden, was die Kommunikation aufgrund der durch Betonwände verursachten Störungen erschwert. Auch bei Aufdachanlagen für Nichtwohngebäude stellt die effektive Kommunikation mit den Wechselrichtern auf dem Dach ein Reichweitenproblem dar, da sich die Steuergeräte mehrere Stockwerke tiefer im Gebäude befinden. In großen Versorgungsanlagen, die sich über mehrere Kilometer erstrecken, ist eine Kommunikation mit jedem Tracker und DC-Kombinator über große Entfernungen unerlässlich.

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Um diesen Reichweitenproblemen zu begegnen, bietet die Sub-GHz-Funkkommunikation im Vergleich zu 2,4-GHz-Technologien eine überlegene Lösung, da die Sub-GHz-Technologien eine höhere Durchdringung und Störfestigkeit bieten. Darüber hinaus ist in Szenarien, in denen Solarmodule oder Wechselrichter über mehrere Dächer innerhalb eines einzigen Netzes verteilt sind, eine Multi-Hop-Maschennetzlösung erforderlich, um die Skalierbarkeit zu gewährleisten.

Die Kombination aus Sub-GHz- und Maschennetz-Technologie erweist sich für alle drei Arten von Solaranlagen als äußerst effektiv.

Ein weiterer Vorteil der Sub-GHz-Maschennetz-Technologie ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Hier kommuniziert ein Kraftwerkscontroller mit einem Aufdachwechselrichter, der dann als Router fungiert und die Kommunikation zu und von anderen Wechselrichtern erweitert. Bei dieser Art von Solaranlage ist die große Reichweite sehr wichtig.

Es ist jedoch auch wichtig zu wissen, dass die Anforderungen an die Latenzzeit im Widerspruch zur Reichweite stehen. Beim Umgang mit latenzempfindlichen Geräten ist eine sorgfältige Auswahl der Kommunikationsmittel unerlässlich.

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Bei der Überwachung einer Wetterstation beispielsweise müssen nicht jede Millisekunde Daten erfasst werden, da die Wetterbedingungen normalerweise nicht so schnell schwanken. In Situationen, die schnelle Anpassungen erfordern, wie z. B. die Verringerung des Spannungszustroms ins Netz, ist jedoch eine Kommunikation nahezu in Echtzeit erforderlich, insbesondere wenn mehrere Wechselrichter gleichzeitig verwaltet werden.

RIIM-Maschennetz-Technologie von Radiocrafts für Solaranlagen

Radiocrafts bietet mit RIIM eine Sub-GHz-Maschennetzlösung mit großer Reichweite und geringer Latenz an, die sich hervorragend für alle drei oben genannten Segmente von Solaranlagen eignet.

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Mit RIIM haben die Nutzer die Flexibilität, verschiedene Anpassungen für unterschiedliche Solaranlagen vorzunehmen. Einige Nutzer legen beispielsweise Wert auf eine schnelle Verbindung zum Netz, während andere eine geringe Latenzzeit oder die Möglichkeit, zahlreiche Geräte in einem einzigen Netz zu betreiben, bevorzugen. Diese Anforderungen können in den Netzwerkeinstellungen feinabgestimmt und priorisiert werden. Darüber hinaus bieten wir umfassende Unterstützung für kundenspezifische Entwicklungen, d. h., wenn ein Kunde zusätzliche Funktionen wünscht, die über das Standardangebot hinausgehen, können wir diese Wünsche erfüllen.

Neben den bereits erwähnten Aspekten der Reichweite und Latenzzeit ist auch die Zuverlässigkeit ein entscheidender Faktor. Kabel sind zwar in der Regel zuverlässig, aber auch anfällig für Abnutzung und Verschleiß, was zu Problemen wie Kabelbruch und Ablagerungen in den Steckern führen kann. Im Gegensatz dazu besteht bei der drahtlosen Kommunikation die Möglichkeit, dass Datenpakete verloren gehen. Um dieses Problem zu entschärfen, setzt RIIM fortschrittliche Technologien wie „Time-Slotted Channel Hopping (TSCH)“ ein. TSCH ist ein Protokoll, das die Übertragung von Datenpaketen über verschiedene Frequenzen und Zeitschlitze nach einem synchronisierten Zeitplan ermöglicht. TSCH ist weltweit als ein Frequenzsprungsystem bekannt, das außergewöhnlich gut funktioniert, um eine Datenübertragungszuverlässigkeit von 99,99 % oder mehr innerhalb eines Systems zu erreichen.

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Auch der Datendurchsatz ist ein entscheidender Faktor bei der Konzeption eines Solarsystems. Die Menge der von den einzelnen Geräten erzeugten Daten ist sehr unterschiedlich. Eine Wetterstation zum Beispiel produziert relativ wenig Daten, während ein Solarwechselrichter eine beträchtliche Menge an Daten erzeugen kann. Bei der Systemauslegung müssen die lokalen Verarbeitungsmöglichkeiten im Wechselrichter oder in den Solarzellen, die Datenfilterung und die Komprimierung berücksichtigt werden. Letztlich geht es darum, eine bestimmte Datenmenge effizient zwischen Geräten zu übertragen. Wenn das Netz z. B. hauptsächlich Alarme überträgt, ist eine niedrige Latenz entscheidend, aber das Verkehrsaufkommen bleibt gering. Wenn jedoch jedes Gerät Hunderte von Datenbits pro Sekunde erzeugt, kann es aufgrund des hohen Verkehrsaufkommens zu Überlastungen kommen.

Die Behebung dieses Latenzproblems ist ein wichtiger Aspekt des RIIM-Netzentwurfs, insbesondere bei Netzwerken mit hohem Durchsatz. In der EU stellen die Beschränkungen des Arbeitszyklus eine Herausforderung dar. Im Rahmen der RED-Richtlinie können Sie beispielsweise nur 1 % der Zeit Daten übertragen. Diese Einschränkung hat erhebliche Auswirkungen auf Systeme mit hohem Durchsatz. Bei der Verwendung eines LoRaWAN-Netzes beispielsweise ist bei der Übertragung von Datenpaketen über große Entfernungen eine Wartezeit von 10 Minuten zwischen den einzelnen Paketen erforderlich, um die Arbeitszyklus-Regel einzuhalten. RIIM meistert diese Herausforderung, indem es Frequenzsprünge nutzt, die die Verwendung mehrerer Funkkanäle für die Datenübertragung ermöglichen. Darüber hinaus unterstützt RIIM die Funktion Adaptive Frequency Agility, mit der verrauschte Kanäle identifiziert und aus der Frequenzsprungliste ausgeschlossen werden können, um sicherzustellen, dass das System nur die optimalsten Funkkanäle zum Senden von Daten verwendet. Darüber hinaus verwendet RIIM beim Senden von Datenpaketen das Verfahren Listen-Before-Talk (LBT). Die Kombination dieser Merkmale wird als Polite Spectrum Access bezeichnet, der gemäß der RED-Richtlinie und den EU-Normen Datenübertragungen während bis zu 37 % der Zeit ermöglicht. Diese Kombination ermöglicht eine Vernetzung mit hohem Durchsatz bei minimalen Verkehrsstaus und Paketverlusten.

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Darüber hinaus bewältigt die Robustheit von RIIM effektiv Störgeräusche von anderen Protokollen wie Sigfox oder LoRa-Basisstationen, die in einem einzigen Funkkanal arbeiten. Wird auf einem bestimmten Kanal erhebliches Rauschen festgestellt, bietet RIIM die Möglichkeit, diesen Kanal nicht mehr zu verwenden.

Darüber hinaus eignet sich die RIIM-Architektur gut für skalierbare Szenarien mit mehreren parallelen Netzen in Anlagen im Versorgungsbereich. Bei einer Großanlage mit potenziell bis zu 10.000 Solarmodulen ist es beispielsweise nicht möglich, sie alle an ein einziges Netz anzuschließen. Stattdessen ist eine Lösung erforderlich, bei der mehrere Netze parallel und oft in unmittelbarer Nähe betrieben werden. Würden alle diese Netze auf demselben Funkkanal arbeiten, käme es zu erheblichen gegenseitigen Störungen. Wir sind auf Fälle gestoßen, in denen Kunden, die Einkanalsysteme verwenden, bei der Erweiterung ihrer Netze erhebliche Interferenzprobleme hatten. Die Unterstützung von RIIM für Frequenzsprünge und einzigartige Synchronisationsmethoden stellt jedoch sicher, dass Netzwerke automatisch Interferenzen vermeiden. Diese inhärente Fähigkeit entschärft Bedenken hinsichtlich der Skalierbarkeit, ohne dass der Kunde eingreifen muss.

Zusammenfassung

Die Nachfrage nach erneuerbaren Energien steigt in dem Maße, wie wir versuchen, die Auswirkungen der globalen Erwärmung zu bekämpfen. Die Solarbranche steht bei diesem Streben nach einer nachhaltigeren Energieerzeugung und Lebensweise an vorderster Front. Von Großanlagen mit Hunderttausenden von Solarmodulen und Wechselrichtern in Wüstenregionen bis hin zu einzelnen Haushalten in unseren Gemeinden spielt jeder Bereich der Gesellschaft eine wichtige Rolle beim Vorantreiben der Solarbewegung.

Jedes Segment der Solarbranche ist auf eine Vielzahl von Geräten und Anlagen angewiesen, um effiziente Solaranlagen zu errichten. Zu diesen Geräten gehören Kraftwerkssteuerungen, Wechselrichter, Energiezähler, EV-Ladestationen, Energiespeichersysteme und vieles mehr. Außerdem verlagert sich die Entwicklung in der Solarbranche allmählich auf drahtlose Lösungen als kostengünstige Alternative zu kabelgebundenen Lösungen. Bei kabelgebundenen Lösungen fallen oft erhebliche Kosten für Wartung, Installation und Arbeit an.

Eine führende drahtlose Lösung, die auf das Solarsegment zugeschnitten ist, ist die Sub-GHz-Maschennetztechnologie von Radiocrafts, RIIM. RIIM bietet eine Reihe von Vorteilen, darunter die Kommunikation über große Entfernungen durch seine Multi-Hop-Mesh-Architektur, niedrige Latenzzeiten und eine extrem hohe Zuverlässigkeit durch Kanalsprungfunktionen. Darüber hinaus unterstützt RIIM dank adaptiver Frequenzagilität und Listen-Before-Talk-Funktionen einen hohen Datendurchsatz und ist damit für den Betrieb in verrauschten Umgebungen bestens geeignet.