Solar- und Batteriesysteme Autarke Energieversorgung für industrielle Funksysteme

Autor / Redakteur: Benjamin Fiene / Dr. Jörg Kempf

Die Erfassung von Daten entfernt gelegener Sensoren ist heute mit verschiedenen Funktechnologien möglich – kostenintensive Erd- und Verlegearbeiten für Kabel fallen dann weg. Um weit entfernte Funksysteme und Sensoren mit Energie zu versorgen, bieten sich industrietaugliche Insel-Solarsysteme und Batteriesysteme an.

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Die Energieversorgung mit Solar ist eine elegante Möglichkeit, vorausgesetzt, es werden industrietaugliche Komponenten eingesetzt.
Die Energieversorgung mit Solar ist eine elegante Möglichkeit, vorausgesetzt, es werden industrietaugliche Komponenten eingesetzt.
( Bild: Phoenix Contact )

Bei fehlender Infrastruktur können Funkmodule und Sensoren mit einer Solarstromversorgung oder einem Batteriesystem gespeist werden. Voraussetzung ist, dass diese für den Einsatz in industriellen Funkanwendungen konzipiert wurden. So verfügen die Solarsysteme von Phoenix Contact über einen vorkonfigurierten Schaltschrank mit Laderegler, Solarbatterien und Überspannungsschutz. Das mitgelieferte Montagematerial sorgt für einen stabilen Aufbau, mit dem sich die Solarmodule je nach Aufstellort auf den entsprechenden Sonnenstand ausrichten lassen.

Die Systeme sind so dimensioniert, dass auch an kurzen, dunklen Wintertagen ausreichend Solarstrom vorhanden ist. Die mitgelieferten Solarmodule erzeugen genügend Strom, um Funkmodule, GSM-Modems, dezentrale Messwertaufnehmer oder andere Geräte zu versorgen und die Solarbatterien nachzuladen. Sie besitzen eine Gangreserve von mehreren Tagen – wenn die maximal zulässige Last nicht überschritten wird.

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Die benötigte Leistung richtet sich nach angeschlossener Last und Aufstellort. So ist die mittlere Sonneneinstrahlung pro Quadratmeter und Tag im Süden Europas um das 18-fache höher als im Norden. Da die Sonneneinstrahlung auch jahreszeitlich schwankt, ist für eine Dimensionierung grundsätzlich der Monat mit der (für die nördliche Halbkugel) geringsten Einstrahlung entscheidend. Voraussetzung für den einwandfreien Betrieb sind ein ganzjährig unbeschatteter Aufstellort sowie ein optimaler Neigungswinkel und eine optimale Ausrichtung des Solarmoduls.

Je nach Anwendung bietet Phoenix Contact unterschiedliche autarke Energieversorgungen an. Für Anwendungen, bei denen die kontinuierliche Überwachung von Sensoren erforderlich ist, muss die Energieversorgung das Funkmodul und die Sensoren dauerhaft ausreichend versorgen. Hier kommt ein 24 V/100 Wp-Solarsystem vom Typ RAD-SOL-SET-24-100 zum Einsatz. (Anmerkung: Die Nennleistung des Solarmoduls wird in Wp (Wattpeak) angegeben. Wp bezieht sich auf die Leistung bei Testbedingungen, die zur Normierung und zum Vergleich verschiedener Solarzellen oder -module dienen.)

In vielen Applikationen – etwa bei sich langsam ändernden Pegelständen – ist eine dauerhafte Übertragung von Sensorsignalen allerdings nicht erforderlich. Hier müssen die Signale nur einige Male am Tage abgefragt werden. Für diese Anwendungen bietet Phoenix Contact Funksysteme vom Typ „RAD-Line IO“ mit einstellbarem zyklischem Sendebetrieb. Diese Module, die erheblich weniger Energie benötigen, können über ein kleines 12 V/10 Wp-Solarsystem oder über ein kompaktes industrietaugliches Batteriesystem in Schutzart IP65 mit einer Kapazität von 19 Ah autark versorgt werden.

Anschlussleistung beachten

Damit die angeschlossenen Verbraucher einwandfrei laufen und eine Gangreserve von mehreren Tagen ermöglichen, sollten maximal zulässige Anschlussleistungen nicht überschritten werden. Eine höhere Anschlussleistung kann nur zeitweise und niemals konstant zur Verfügung gestellt werden, denn die Batterie würde sonst schneller entladen als die Solarmodule Strom liefern könnten.

Die in den Solarsystemen von Phoenix Contact eingesetzten Hochleistungs-Solarzellen ermöglichen eine hohe Energieausbeute der Solarsysteme. Die Module sind in einem stabilen Aluminiumrahmen eingefasst, der leicht zu montieren ist. Die Anschlussdose auf der Rückseite ist mit Bypass-Dioden versehen, die das Überhitzungsrisiko einzelner Solarzellen verhindern (Hot-Spot-Effekt).

Wartungsfreie Batterien

Als Energiespeicher kommen unterschiedliche Arten wieder aufladbarer Batterien zum Einsatz. Herkömmliche Bleiplattenbatterien mit verdünnter Schwefelsäure als Elektrolyt sind allerdings nicht wartungsfrei, ihr Säuregehalt muss regelmäßig geprüft werden. Zudem besteht die Gefahr der Trennung von Säure und Wasser in der Batterie. Das kann bei niedrigen Temperaturen zum Gefrieren des Wassers und somit zum Platzen der Batterien führen. Aus diesem Grund werden so genannte Blei-Gel-Batterien genutzt. Ihr Elektrolyt besteht aus einer geleeartigen Masse, die Wartungsfreiheit und Frostsicherheit erhöht.

Der Laderegler ist für das Energie-Management zuständig. So wird die vom Solarmodul erzeugte Energie zum einen der Last zur Verfügung zu gestellt. Zum anderen wird der Energiespeicher nachgeladen und die Versorgung während der Nacht bei Schlechtwetterperioden ermöglicht. Der Laderegler verfügt über Tiefentladeschutz, temperaturkompensierte Ladespannung sowie Auswahlmöglichkeiten für Energiespeichertypen.

Der Tiefentladeschutz stellt sicher, dass die Last vom Energiespeicher getrennt wird, bevor eine Tiefentladung und somit eine Zerstörung des Energiespeichers eintritt. Eine Temperaturkompensation der Zellenspannung berücksichtigt die Erhöhung der Ladespannung je Zelle bei Temperaturerhöhung. Damit ist eine optimale Ladespannung für jede Umgebungstemperatur möglich. Nur so können die Überladung durch eine falsche Ladespannung verhindert und eine Zerstörung des Energiespeichers vermieden werden.

Hochwertige Lithium-Thionyl-Chlorid-Batterien

Im Batteriesystem selbst kommen hochwertige Lithium-Thionyl-Chlorid-Batterien (Li/SOCl2) zum Einsatz. Zu den Vorteilen gegenüber Primärzellen mit wässrigen Elektrolyten – wie Alkali-Mangan-Batterie, Zink-Kohle-Batterie oder Akkus – zählen die höhere Energiedichte (bis 500 Wh/kg), eine hohe Zellspannung und die über zehn Jahre lange Lagerfähigkeit aufgrund der geringen Selbstentladung von 0,1 Prozent pro Monat. Darüber hinaus verfügen sie über einen großen Temperaturbereich für Lagerung und Betrieb und besitzen eine hohe Auslaufsicherheit und hohe Lebensdauer.

Fazit: Sind Solar- und Batteriesysteme an die industriellen Bedingungen angepasst, bieten sie eine zuverlässige Energieversorgung für abgelegene Funksysteme und Sensoren.

Der Autor ist Mitarbeiter der Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont.

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