← ChangeLog | Inhaltsverzeichnis | Weiter: Hardware-Leitfaden →

1. Anwendungsübersicht

1.1 Zweck

ACRouter ist ein Open-Source-Controller zur automatischen Umleitung überschüssiger Solarenergie auf resistive Lasten (z. B. Warmwasserbereiter), anstatt sie ins Netz einzuspeisen. Außerdem optimiert er den Energieverbrauch während Hoch- und Niedrigtarifzeiten mit Verbrauchsgrenzen.

Hauptziel: Die Netzeinspeisung minimieren, indem die Last-Leistung dynamisch auf Basis der aktuellen Bilanz zwischen Erzeugung und Verbrauch gesteuert wird. Kosten des Stromverbrauchs aus dem Netz senken.

Hauptvorteile:

✅ Automatische Verwaltung überschüssiger Solarenergie
✅ Optimierung von Niedrigtarifen und Verbrauchsgrenzen
✅ Reduzierte Stromkosten (Eigenverbrauch)
✅ Niedrigere Anlagenkosten. Keine Batterien zur Energiespeicherung erforderlich
✅ Einspeiseschutz (ECO-Modus)
✅ Flexible Konfiguration über Weboberfläche
✅ Mehrere Betriebsmodi unterstützt
✅ Steuerung mehrerer Verbrauchsgeräte. Dimmer und Relais.
✅ Offener Quellcode

1.2 Funktionen

Messung und Überwachung

Netzspannungsmessung (ZMPT107 AC-Spannungssensor)
Strommessung an 3 Punkten (SCT-013/ACS-712 Stromsensoren):
Laststrom (Last)
Netzstrom (Netz) - Import/Export-Erkennung
Solarerzeugungsstrom (Solar)
Wirkleistungsberechnung in Echtzeit
Aktualisierungsfrequenz: 200 ms (5 Mal pro Sekunde)
Messgenauigkeit: 12-Bit ADC mit DMA (bis zu 80 kHz auf 8 Kanälen)

Laststeuerung

Phasenanschnitt-Dimmer-Steuerung (TRIAC-Dimmer)
Stufenlose Leistungsregelung 0–100 %
Synchronisierung mit Nulldurchgangsdetektor
Unterstützung für bis zu 2 Dimmer-Kanäle, erweiterbar auf verfügbare GPIO
Relaisausgänge (ROADMAP: Entwicklung Phase 2)
2 unabhängige Relais, erweiterbar auf verfügbare GPIO
Programmierbare Polarität (Active HIGH/LOW)

Steuerungsalgorithmen

Proportionalregler (P-Regler)
Ausgleich P_grid → 0
Einstellbarer Verstärkungsfaktor (Kp)
Betriebsmodi: OFF, AUTO, ECO, OFFGRID, MANUAL, BOOST
Flimmerreduzierung - Glättung von Dimmer-Änderungen

Kommunikation

WiFi: AP-Modus (192.168.4.1) + STA-Modus (Verbindung zum Router)
WebServer: REST API + Material-UI-Oberfläche
Serielle Konsole: Kommandozeile für Konfiguration (115200 Baud)
OTA-Updates: Firmware-Updates über Funk (Phase 2)

Konfiguration und Speicherung

NVS (Non-Volatile Storage):
ACRouter-Einstellungen (Modus, Kp, Sollwert)
WiFi-Konfiguration (SSID, Passwort)
Hardware-Konfiguration (GPIO-Pins, Sensortypen)
Weboberfläche:
Dashboard mit Echtzeit-Messwerten
WiFi-Einstellungsseite
Hardware-Konfigurationsseite
Betriebsmodus-Auswahl
Serielles Terminal (Konsole):
Echtzeit-Messwertanzeige
Kommandozeile für Hardware- und Geräteparameter-Konfiguration
Betriebsmodus-Auswahl

1.3 Funktionsweise

Automatische Steuerung

Leistungsmessung:
Spannung und Ströme werden alle 200 ms gemessen
Effektivwertberechnung (RMS - Root Mean Square)
Wirkleistungsberechnung (P = U × I × cos φ)
Bilanzermittlung:
P_solar = Leistung der Solarpanels
P_load = aktueller Hausverbrauch
P_grid = Import/Export ins Netz
P_dimmer = gesteuerte Last-Leistung
Steuerungsalgorithmus:
Ziel: P_grid → 0 (kein Export/Import)
Proportionalregler: ΔDimmer = Kp × P_grid
Wird auf den Dimmer mit Grenzen 0–100 % angewendet

Überwachung über Weboberfläche

Echtzeit-Messwerte:
Netzspannung (V)
Ströme: Netz, Solar, Last (A)
Leistung: Netz, Solar, Last, Dimmer (W)
Dimmer-Stufe (%)
Aktueller Betriebsmodus
Systeminformationen:
Firmware-Version
Betriebszeit
Heap-Speicher (freies RAM)
WiFi-RSSI (Signalpegel)

Konfiguration über Weboberfläche

Betriebsmodus-Auswahl (6 Schaltflächen)
Manuelle Dimmer-Steuerung (Schieberegler 0–100 %)
WiFi-Einrichtung (Netzwerk-Scan, Verbindung)
GPIO-Pin- und Sensortyp-Konfiguration
Sensor-Kalibrierung (Multiplikator, Offset)
Geräte-Neustart

1.4 Betriebsmodi

OFF (0) - Deaktiviert

Beschreibung: Dimmer ist vollständig deaktiviert (0 %), System ist inaktiv.

Usage:
- Maintenance
- Load disconnection
- Sensor testing without control

Behavior:
- Dimmer level = 0%
- Measurements continue (200 ms)
- Web interface is available
- Serial commands work

AUTO (1) - Automatisch (Solar-Router)

Beschreibung: Hauptmodus des Solar-Routers. Automatischer Ausgleich von P_grid → 0.

Algorithmus:

cpp

// Every 200 ms
P_error = P_grid;  // Positive = import, negative = export
delta = Kp * P_error;  // Proportional controller
dimmer_level += delta;
dimmer_level = constrain(dimmer_level, 0, 100);

Behavior:
- P_grid > 0 (import from grid) → Increase dimmer (more load)
- P_grid < 0 (export to grid) → Decrease dimmer (less load)
- P_grid ≈ 0 → Dimmer stabilized

Settings:
- Kp (gain) - gain coefficient (default: 0.05)
- Higher Kp = faster response, but possible oscillations
- Lower Kp = smoother, but slower
- setpoint - target P_grid value (usually 0 W)

Beispiel:

python

Initial state:
  P_solar = 2000 W
  P_load = 500 W
  P_grid = -1500 W (export!)
  Dimmer = 0%

After 5 seconds (AUTO mode, Kp=0.05):
  P_solar = 2000 W
  P_load = 500 W
  Dimmer = 75% (~1500 W to water heater)
  P_grid = 0 W ✅ (balance achieved)

ECO (2) - Sparmodus (Anti-Export)

Beschreibung: Verhindert die Einspeisung ins Netz. Import ist erlaubt, Export ist verboten.

Algorithmus:

cpp

if (P_grid < 0) {  // Export to grid
    // Decrease dimmer (reduce load)
    delta = Kp * P_grid;  // Negative delta
    dimmer_level += delta;
} else {
    // Import is allowed, do not increase dimmer
    // Keep current level
}
dimmer_level = constrain(dimmer_level, 0, 100);

Behavior:
- P_grid < 0 (export) → Decrease dimmer (avoid export)
- P_grid > 0 (import) → Do not change dimmer (import is allowed)
- P_grid = 0 → Dimmer is stable

Applications:
- Export tariff is unfavorable or absent
- Need to use only excess energy
- Export protection when there is no grid export contract

Beispiel:

python

Situation 1: Solar excess
  P_solar = 3000 W
  P_load = 1000 W
  P_grid = -500 W (export)
  → ECO mode will increase dimmer by ~500 W → P_grid = 0

Situation 2: Solar shortage
  P_solar = 500 W
  P_load = 1000 W
  P_grid = +500 W (import)
  → ECO mode will NOT change dimmer (import is allowed)

OFFGRID (3) - Netzunabhängig

Beschreibung: Modus für autonome Systeme mit Batterien. Nutzt überschüssige Solarenergie für die Last.

Algorithmus:

cpp

// Balance by solar panel current
P_available = P_solar - P_load;  // Available power
if (P_available > 0) {
    // There is solar excess → increase dimmer
    dimmer_level = map(P_available, 0, P_dimmer_max, 0, 100);
} else {
    // No excess → turn off dimmer (save battery)
    dimmer_level = 0;
}

Behavior:
- Uses only solar energy
- Does not consider P_grid (no grid)
- Priority: main load → batteries → dimmer
- Dimmer works only when there is solar excess

Applications:
- Systems without grid connection
- Solar panels + batteries
- Maximize solar energy usage

Beispiel:

python

Daytime (sunny):
  P_solar = 1500 W
  P_load = 800 W
  P_available = 700 W
  → Dimmer = 50% (~700 W to water heater)
  → Battery is not discharging

Evening (no sun):
  P_solar = 0 W
  P_load = 800 W (from battery)
  → Dimmer = 0% (battery saving)

MANUAL (4) - Manueller Modus

Beschreibung: Dimmer wird auf eine feste Stufe eingestellt (keine Automatisierung).

Behavior:
- Dimmer level is set by user (0-100%)
- No automatic regulation
- Level is maintained until manually changed

Applications:
- Load testing
- Night tariff (set to 100%)
- Temperature control (set to 50%)
- System debugging

Settings:
- manual_level - dimmer level (0-100%)

Beispiel:

bash

# Via Serial commands
set-manual 75        # Set dimmer to 75%
set-mode 4           # Switch to MANUAL mode

# Via web interface
1. Select MANUAL mode
2. Move slider to 75%
3. Click "Apply"

BOOST (5) - Maximale Leistung

Beschreibung: Dimmer auf 100 % (erzwungene Aufheizung).

Behavior:
- Dimmer level = 100% (constant)
- Ignores all sensors
- Maximum power to load

Applications:
- Fast water heater heating
- Using cheap tariff
- Emergency mode

Warnings:
- ⚠️ High grid consumption
- ⚠️ Possible load overheating
- ⚠️ Monitor temperature manually

Beispiel:

python

Night tariff (23:00-07:00):
  1. Switch to BOOST mode
  2. Water heater heats at maximum
  3. In the morning switch back to AUTO

Result:
  Heating from cheap tariff
  Daytime operation in AUTO mode (solar)

1.5 Modusvergleichstabelle

Modus	Dimmer-Steuerung	P_grid-Ausgleich	Import erlaubt	Export erlaubt	Anwendungsfall
OFF	0 % (fest)	❌ Nein	N/A	N/A	Wartung
AUTO	Automatisch	✅ Ja (→ 0)	✅ Ja	✅ Ja	Standard Solar-Router
ECO	Auto (Anti-Export)	⚠️ Teilweise	✅ Ja	❌ Nein	Kein Exportvertrag
OFFGRID	Auto (nur Solar)	❌ Nein	N/A	N/A	Netzunabhängige Systeme
MANUAL	Fest (Benutzer)	❌ Nein	✅ Ja	✅ Ja	Test / Nachttarif
BOOST	100 % (fest)	❌ Nein	✅ Ja	❌ Nein	Schnelle Aufheizung

1.6 Anwendungsszenarien

Szenario 1: Standard Solar-Router

Equipment:
- 3 kW solar panels
- Sensors: Solar, Grid, Load, Voltage
- Load: 2 kW water heater

Modus: AUTO

Operation:
1. During the day there is excess solar energy
2. P_grid is negative (export to grid)
3. Controller increases dimmer → water heater heating
4. P_grid balances → 0 (zero export/import)
5. All solar energy is used locally

Szenario 2: Einspeiseschutz (ECO)

Equipment:
- 5 kW solar panels
- No grid export contract
- Sensors: Solar, Grid, Voltage
- Load: Water heater element

Modus: ECO

Operation:
1. During the day solar excess → export to grid begins
2. ECO mode detects P_grid < 0
3. Dimmer increases → water heating
4. Export prevented (P_grid ≥ 0)
5. Evening sun sets → dimmer decreases
6. Import allowed (grid purchase when needed)

Szenario 3: Autonomes System (OFFGRID)

Equipment:
- 2 kW solar panels
- 10 kWh batteries
- No grid connection
- Sensors: Solar, Load, Voltage
- Load: Tank heating element

Modus: OFFGRID

Operation:
1. System is autonomous (no grid)
2. During the day solar excess → water heating
3. At night heating element is off (no sun)
4. Batteries are used for main load
5. Maximize solar energy usage

Szenario 4: Nachttarif + Warmwasserbereiter

Equipment:
- Two-tariff meter (day/night)
- Sensors: Grid, Voltage
- Load: Water heater

Modus: MANUAL (Nacht) / OFF (Tag)

Operation:
1. Night (23:00-07:00): MANUAL 100% (cheap tariff)
2. Day (07:00-23:00): OFF (expensive tariff)
3. Programmable via schedule (Phase 2: SCHEDULE mode)

1.7 Systemarchitektur

python

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      ESP32 Controller                        │
│                                                               │
│  ┌─────────────┐  ┌──────────────┐  ┌────────────────────┐ │
│  │ PowerMeter  │  │   Router     │  │  DimmerHAL         │ │
│  │   ADC       │→ │  Controller  │→ │  (Zero-cross)      │ │
│  └─────────────┘  └──────────────┘  └────────────────────┘ │
│         ↓                                      ↓             │
│    Measurements                           TRIAC Control      │
│    (200ms cycle)                          (50Hz sync)        │
│                                                               │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │              WiFi Manager                            │   │
│  │  ┌──────────────┐  ┌────────────────────────────┐   │   │
│  │  │ AP Mode      │  │ WebServer (Material UI)    │   │   │
│  │  │ 192.168.4.1  │  │ + REST API                 │   │   │
│  │  └──────────────┘  └────────────────────────────┘   │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────────┘   │
│                                                               │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │         ConfigManager + HardwareConfigManager        │   │
│  │                    (NVS Storage)                      │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────────┘   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
        ↑                              ↓
   ┌────────────┐             ┌──────────────────┐
   │  Sensors   │             │  Dimmer Output   │
   ├────────────┤             ├──────────────────┤
   │ ZMPT107    │             │  TRIAC           │
   │ (Voltage)  │             │  (0-100%)        │
   │ SCT-013    │             │                  │
   │ ACS-712    │             │  Load:           │ 
   │ (Current)  │             │  Heater/Boiler   │
   │ x3 sensors │             │  (up to 2kW)     │
   └────────────┘             └──────────────────┘

1.8 Zielgruppe

ACRouter ist konzipiert für:

DIY-Enthusiasten - einen Solar-Router selbst bauen
Hausbesitzer mit Solarpanels - Eigenverbrauch optimieren
Entwickler - Grundlage für eigene Projekte (Open Source)
Ausbildungsprojekte - IoT, Energiemanagement, ESP32 erlernen
Kleinunternehmen - Stromkosten senken

1.9 Einschränkungen und Warnungen

⚠️ WICHTIG:

Elektrische Sicherheit
Arbeiten mit 230V Netzspannung ist gefährlich
Elektrofachkraft-Qualifikation erforderlich
Galvanische Trennung der Sensoren ist zwingend erforderlich
FI-Schutzschalter (RCD) ist zwingend erforderlich
Lastkompatibilität für Dimmer
Geeignet nur für resistive Lasten (Heizelemente, Heizgeräte)
NICHT geeignet für induktive Lasten (Motoren, Transformatoren)
NICHT geeignet für Elektronik (LED-Treiber, Netzteile)
Leistung
Maximum ist begrenzt durch das TRIAC-Modul (üblicherweise 2 kW)
Kühlung ist bei hohen Lasten erforderlich
Überhitzungsschutz wird empfohlen
Messgenauigkeit
Kalibrierung ist für Genauigkeit erforderlich
Abweichung ±5–10 % mit Grundeinstellungen
Temperatur beeinflusst die Sensoren
Netzanforderungen
Stabile Netzfrequenz (50/60 Hz)
Qualitätsspannung ohne starke Schwankungen
Nulldurchgangsdetektor ist kritisch für TRIAC

← ChangeLog | Inhaltsverzeichnis | Weiter: Hardware-Leitfaden →

Produkte

Ausgewählt

Loslegen

Integrationen

Leitfäden & Artikel

ACRouter

Projektpräsentation

Erste Schritte

Integrationen

AC Dimmer

DimmerLink

ACRouter

GitHub

1. Anwendungsübersicht

1.1 Zweck

Hauptvorteile:

1.2 Funktionen

Messung und Überwachung

Laststeuerung

Steuerungsalgorithmen

Kommunikation

Konfiguration und Speicherung

1.3 Funktionsweise

Automatische Steuerung

Überwachung über Weboberfläche

Konfiguration über Weboberfläche

1.4 Betriebsmodi

OFF (0) - Deaktiviert

AUTO (1) - Automatisch (Solar-Router)

ECO (2) - Sparmodus (Anti-Export)

OFFGRID (3) - Netzunabhängig

MANUAL (4) - Manueller Modus

BOOST (5) - Maximale Leistung

1.5 Modusvergleichstabelle

1.6 Anwendungsszenarien

Szenario 1: Standard Solar-Router

Szenario 2: Einspeiseschutz (ECO)

Szenario 3: Autonomes System (OFFGRID)

Szenario 4: Nachttarif + Warmwasserbereiter

1.7 Systemarchitektur

1.8 Zielgruppe

1.9 Einschränkungen und Warnungen