DiVER: effizientes Niederspannungsnetz

[shure]

DiVER / EiS:
Direct Current low Voltage Electric Grid for Renewable energies / Electrical InfraStructure (Gleichstrom-Niederspannungsnetz für erneuerbare Energien / Elektrische Infrastruktur)

• Jede Spannung über etwa 60 V DC ist bei Berührung nicht sicher.
• Jede Spannung über 60 V DC erfordert in Deutschland eine spezielle Betriebserlaubnis; man darf z. B. kein Netz über 60 V aufbauen und anschließen, es sei denn, ein qualifizierter Elektriker überprüft alles (VDE).
• Kleine Permanentmagnet-Generatoren, die in Windkraftanlagen oder Wasserturbinen verwendet werden, arbeiten normalerweise unter 100 V.
• Es ist sehr teuer, aus dem Gleichstrom (DC) niedriger Spannung von erneuerbaren Energien einen echten Sinus-Wechselstrom (AC) zu erzeugen.
• Solarpaneele liefern Gleichstrom mit niedriger Spannung.
• TEG (thermoelektrische Generatoren) liefern Gleichstrom mit niedriger Spannung.

Nur wenige Systeme benötigen wirklich die Hochspannungs-Wechselspannung von 230 V oder 110 V.

• Desktop-Computer (obwohl im Vergleich zu Laptops und Smartphones extrem ineffizient) benötigen 12 V DC, 5 V DC und 3,3 V DC.
• Laptops benötigen etwa 12-20 V DC.
• TFT-Flachbildschirme laufen mit Gleichstrom, insbesondere wenn sie eine LED-Hintergrundbeleuchtung haben.
• Mobiltelefone, Smartphones, Tablet-PCs usw. werden alle mit 5 V DC geladen und betrieben.

Schwierigkeiten und negative Punkte bei einem Gleichstrom-Niederspannungsnetz:

• Die Netzgröße ist bei niedrigerer Spannung kleiner oder:
• Die verfügbare Leistung ist bei gleichen AWG- / Kabeldimensionen geringer.
• Es müssen spezielle Steckverbinder gewählt werden.

Ich denke an eine 230 V AC + DiVER-Infrastruktur für OSEG/FeFG: 230 V AC für Hochleistungsgeräte wie einige Maschinen, DiVER für alle Unterhaltungselektronik (wo immer möglich) und effiziente Beleuchtung.

Haushalts-Leitungsschutzschalter können für ein DiVER-Netz wiederverwendet werden, z. B. alles von 8-63 A pro Phase.

Systemspannung:

N: 0 V, GND
l1: 12 V DC, 10-15 V DC (eine Blei-Säure-Batterie)
l2: 36 V DC, 24-48 V DC (drei Blei-Säure-Batterien)

Eine günstige NYM-J 3x2,5 mm² Verkabelung kann für leistungsschwache Zweige des Netzes verwendet werden.

Die Nennspannung könnte 3x12 V = 36 V betragen, was drei in Reihe geschalteten Blei-Säure-Batterien entspricht. Bei voller Ladung läge die Netzspannung an der Quelle bei 3*14 V = 42 V, bei leeren Batterien bei etwa 32 V.

Die Netzspannung (nur die Spannung!) könnte mit PoE (Power over Ethernet) 802.3af (802.3at Typ 1) und 802.3at Typ 2 kompatibel sein, wenn die Netzspannung über 40 V liegt.

Bei 36 V und 63 A stehen 2268 W im Netz zur Verfügung, vorausgesetzt, es werden geeignete Kabel und Steckverbinder verwendet. Es hängt von der Anwendung ab, aber bei dieser Leistungsaufnahme wäre ich bereits auf 230 V AC umgestiegen.

Man könnte die 12 V-Phase mit einem effizienten ATX-Netzteil + zwei Schottky-Dioden redundant zum Netz schalten.

[aron]

+1 ergibt absolut Sinn.

Ich hatte bereits über das gleiche Konzept nachgedacht, aber nicht so detailliert.

Ein weiterer Nachteil (Con):

• Wir benötigen einen speziellen Transformator, um Consumer-Hardware (Consumer HW) wie einen Laptop direkt an das DIVER-Netz anzuschließen, da jedes Consumer-Gerät mit einem Netzkabel + Transformator für 110V/230V und einem Schuko-/US-Netzstecker geliefert wird. Die Umwandlung von niedrigem Gleichstrom (DC) auf 230V Wechselstrom (AC) und wieder zurück auf niedrigen Gleichstrom wäre wirklich eine besondere Art von Dummheit

[shure]

Einige Unterhaltungselektronikgeräte sind mit Standard-Koaxial- oder USB-Anschlüssen ausgestattet, die problemlos verwendet werden könnten. Wie in fast jedem anderen Fall sind proprietäre Anschlüsse der schlimmste Fall: Apple verwendet ein proprietäres Protokoll für seine MagSafe-Ladegeräte, und sie beginnen nicht zu laden, wenn man einfach nur die Spannung anlegt. iPhones, iPads, iPods usw. sind jedoch USB-kompatibel. Und es gibt MagSafe-Ladegeräte von Drittanbietern für 12V

Topologie:

Stern-Topologie mit mehreren Energiequellen: Ein BMS (Batteriemanagementsystem) wird hier helfen; es wird auch möglich sein, Batteriebänke zu laden und deren Spannung automatisch anzugleichen:

verlustfreier Ausgleich (no-loss-balancing):

Batterie → Sicherung → ZVD (Zero Volt Diode) → Kabel → Geräte ← Kabel ← ZVD (Zero Voltage Diode) ← Sicherung ← Batterie

und mit automatischem Ausgleich + anypoint™-Laden :

Batterie → Sicherung → ZVD (Zero Volt Diode) || antiparallel (ZVD mit Offset oder Schottky-Diode) + Ladeschaltung, Strombegrenzer → Kabel → Geräte ← Kabel ← jede Stromquelle im Nennspannungsbereich.

Zusätzlich zu den fest verdrahteten Sicherungen würde ich einen Controller implementieren, der die Ströme und Spannungen überwacht und protokolliert, der über einen eingebauten Überstromschutz verfügt und allgemeines Feedback darüber gibt, wie viel Energie verfügbar ist und verbraucht wird. Hinweis: Energiemonitoring mit Gleichstrom (DC) ist viel einfacher als mit Wechselstrom (AC). Außerdem bräuchten wir keine galvanische Trennung.

[shure]

@aron

• Wir benötigen einen speziellen Transformator, um Consumer-Hardware (Consumer HW) wie einen Laptop direkt an das DIVER-Netz anzuschließen, da jedes Consumer-Gerät mit einem Netzkabel + Transformator für 110V/230V und einem Schuko-/US-Netzstecker geliefert wird. Die Umwandlung von niedrigem Gleichstrom (DC) zu 230V Wechselstrom (AC) und wieder zurück zu niedrigem Gleichstrom wäre wirklich eine besondere Art von Dummheit

Wenn das 230V-Kabel fest verdrahtet ist und das Gerät über einen internen Transformator verfügt, würde ich das Gerät für die Verwendung mit Niederspannung modifizieren.

[aron]

FYI Chrono von Apollo NG arbeitet im Rahmen seiner PDU an genau so etwas. Und da ist Monitoring etc schon fertig. Er ist sehr weit wenn ich ihn richtig versanden habe.

Sein System wäre sogar in der Lage auf Basis von Metriken weniger wichtige Systeme bei Engpässen zeitweise abzuschalten etc.

Echt cooles Zeug. Sollten wir mit ihm abstimmen.

Lg!

[shure]

Ja die PDU kenne ich, gefällt mir auch super gut und so etwas werden wir auch verwenden: So einen PDU node braucht man an einem Zweig vor den Verbrauchern, falls diese über 12/5/3.3V versorgt werden. In einem Auto klappt das die PDU zentral einzusetzen, aber bei einem DIVER grid nicht möglich: Vdrop von Kabeln ist nicht konstant und auch recht hoch je nach Last. Ein DIVER.Wilssen wandelt keine Spannungen an der Quelle (also auch keine Verluste, und das grid funktioniert auch ohne Wilssen), die Spezifikationen vom DIVER grid erlauben eine voltage range anstatt eine fixe Spannung am Eingang. Nur so kommen wir um die Wandlung herum. Ein feedback loop vom node zur source bringt hier auch nichts, denn wir wollen ja ein grid mit mehreren branches, also ring mit stern.

[shure]

Welche Spannung sollte für das Netz verwendet werden?

12V (10-14V): hohe Verluste, hohe Ströme, große Steckverbinder erforderlich, aber gut geeignet für alle kleinen Geräte.

24V (21-28V): einfach mit zwei Bleiakkumulatoren zu erreichen, Industriestandard, Solarmodule, Motoren sind oft 24V.

36V (32-42V): drei Bleiakkumulatoren. Etwa 30 % weniger Infrastrukturverluste in den Kabeln, weniger Strom, längere Kabelwege im Vergleich zu 24V, ich kenne keine kommerziellen 36V-Quellen und -Geräte.

48V (42-56V): vier Bleiakkumulatoren. Etwa 50 % weniger Infrastrukturverluste in den Kabeln, weniger Strom, längere Kabelwege im Vergleich zu 24V, es gibt industrielle Wechselrichter und netzunabhängige Systeme, die mit 48V betrieben werden. Ein Nachteil ist die maximale Spannung von etwa 56V bei voll geladenen Batterien: Die meisten Komponenten sind für maximal 50V ausgelegt, wie kleine DC/DC-Netzteile und Elektrolytkondensatoren auf SMPS-Leiterplatten.

Ich würde mich für ein Zweiphasensystem mit 12V (zwingend erforderlich) und 24V entscheiden.