Energietechnik
Was ist Energie?
Energie ist eine fundamentale physikalische Größe, die in allen Teilgebieten der Physik sowie in der Technik, Chemie, Biologie und der Wirtschaft eine zentrale Rolle spielt. Ihre Einheit ist Joule.
1 Joule = 1 Ws = 1 Nm
Energie ist die Größe, die aufgrund der Zeitinvarianz der Naturgesetze erhalten bleibt, das heißt, die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems kann weder vermehrt noch vermindert werden (Energieerhaltungssatz).
Energie kann in verschiedenen Energieformen vorkommen, beispielsweise als potentielle Energie, kinetische Energie, chemische Energie, elektrische Energie oder thermische Energie. Energie lässt sich von einem System zu einem anderen übertragen und von einer Form in eine andere umwandeln.
Energie hat die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten!
Eine Zufuhr von Energie ist unter anderem nötig, um einen Körper zu beschleunigen oder ihn entgegen einer Kraft zu bewegen, um eine Substanz zu erwärmen, ein Gas zusammen-zudrücken, elektrischen Strom fließen zu lassen oder elektromagnetische Wellen abzustrahlen.
Lebewesen benötigen Energie, um leben zu können. Energie wird auch für den Betrieb von Computersystemen, für Telekommunikation und für jegliche wirtschaftliche Produktion benötigt.
Verwendung von Solarenergie
Meine Solar-Prototypanlage besteht aus zwei monokristallinen 30W-Solarmodulen, einem Laderegler, einer Bleigel-Solarbatterie 12V / 13Ah und einem Wechselrichter 12V-230V. Sie besitzt eine Energiereserve von 150Wh (-> detaillierte Daten).
Bemerkungen zum Solarmodul:
Es wird unterschieden nach Monokristallinen und Polykristallinen Solarzellen:
Die monokristallinen Solarmodule sind aus einem einzigen Kristallgitter aufgebaut, haben abgeschrägte. quadratische Felder und besitzen einen grösseren Wirkungsgrad (bis 17%). Sie sind daher auch etwas teurer.
Die polykristallinen Solarzellen sind aus kleineren, gerasteten Einzelkristallen aufgebaut und daher billiger herzustellen. Ihr Wirkungsgrad liegt mit ca. 12% tiefer.
Die elektrische Grösse von Solarmodulen wird in Watt (Wp) angegeben. Das ist die grösst-mögliche Leistung die das Solarmodul bei optimalen Verhältnissen (25°C / 1kW/m2)abgeben kann.
Übliche Zusammenschaltung: Bei batteriespeichernden Solaranlagen Parallelschaltung, bei netzspeichernden Solaranlagen Serieschaltung bis ca. 650V.
Bei Serieschaltung von Solarmodulen muss zum Schutz bei unterschiedlicher Ausleuchtung paralell zu jeder Solarzelle eine Freilauf- oder Bypassdiode (ca 100 V / 3 A) geschaltet werden. Dies ist bei Parallelschaltung nicht nötig!
Bemerkungen zur Batterie
Bleiakkus werden in der Regel mit einer konstanten Spannung von 2.35 V/Zelle geladen. Da leere Bleiakkus jedoch enorme Ladeströme aufnehmen können, ist es erforderlich, die Spannung (U) zu regeln und somit den Strom (I) zu Beginn des Ladevorgangs auf ca. 0.4C* zu begrenzen. Dies geschieht entweder durch die max. Leistungsfähigkeit des Ladegerätes oder durch eine eingebaute Ladeelektronik. Wenn nach einiger Zeit die konstannte Ladespannung von 2.35V/Zelle erreicht wird, erfolgt die Stromregelung durch den Ladezustand des Akkus. Je länger der Ladevorgang dauert, desto geringer wird der Stromfluss. Erst wenn der Strom einen minimalen Wert erreicht hat, ist der Akku voll geladen.
Die minimal zulässige Entlade-Schlussspannung beträgt 1.75V/Zelle.
*) Lade-/Entladerate (C-Rate): Dieser Begriff dient zur Angabe der Grössen des Lade- oder Entladestromes, unabhängig von der Kapazität der Zellen. Die C-Rate multipliziert mit der Ladekapazität ergibt den maximalen Lade- bzw. Entladestrom für die Batterie.
Bemerkungen zum Laderegler
Als Regler wird der Regler Solar Trend verwendet der folgende Schutzfunktionen aufweist:
Laderegelung durch MPPT (Max Power Point Tracking) wodurch die Solarleistung der Solarmodule optimal genutzt wird. Der effizienteste Arbeitspunkt der Solarmodule verändert sich durch verschiedene Faktoren, wie Modultemperatur, Einstrahlung, Modultyp usw. Dieser Arbeitspunkt kann von einem Mikrocontroller ständig überwacht und gegebenenfalls so gesteuert werden, dass die optimalste Leistung des Solarmoduls gegeben ist und die Akkus mit dem jeweiligen grössten Strom geladen werden.
Überladeschutz durch Pulsweitenmodulierte Serienregelung. Wird die Ladeendspannung erreicht, ist die Batterie noch nicht vollständig geladen. Der Ladestrom aus dem Solarmodul wird deshalb nicht völlig abgeschaltet, sondern zeitlich nur soweit reduziert (moduliert), dass die Ladeendspannung gerade nicht überschritten wird.
Tiefentladungsschutz durch Lastabschaltung unterhalb einer Spannung von 11.1 Volt. Die Lastabschaltung wird bei Überschreiten von 12.6 Volt wieder deaktiviert.
Bemerkungen zum Wechselrichter
Zur Spannungswandlung wird der Autozubehör Spannungswandler 12-230V 150W von HP verwendet. Er liefert am Ausgang einen sog. modifizierten Sinus. Sein Wirkungsgrad ist mit 90% eher etwas tief. Er bezieht einen Leerlaufstrom von 100mA, was in etwa einer Leerlauf-leistung von 1.5 Watt entspricht.
Bei zu tiefer Eingangsspannung schaltet er sich mit einem Tiefentladungsschutz vorübergehend aus; schaltet sich aber sobald genug Spannung anliegt automatisch wieder ein.
Physikalische Einflüsse und Komponenten:
Der Durchschnittswert für den Tageseffizienzfaktor von 0.4 bis 1 wurde aus den Quartalswerten der untenstehenden linken Kurven wie folgt ermittelt:
- gemittelt über Frühlingsszeit zwischen (0.4 1(h)) x Wp(W) mit 4 Defizittagen
- gemittelt über Sommerzeit zwischen (2.2 2.9(h)) x Wp(W) mit 2 Defizittagen
- gemittelt über Herbstzeit zwischen (2.2 2.9(h)) x Wp(W) mit 1 Defizittag
- gemittelt über Winterzeit zwischen (0.3 1(h)) x Wp(W) mit 3 Defizittagen
Berechnungsbeispiel:
Vorgaben:
verwendete Last 6 Watt (LED-Lampe)
Leerlaufkonsumation Spannungswandler: 2 W
Anschaltedauer: Fall 1: 3 Std pro Tag / Fall 2: dauernd
Anschaltezeit: Fall 1: abends / Fall 2: dauernd
Batteriespannung: 12 V
Batteriekapazität: 13 Ah / 20 Ah
Sonnenscheindauer: 6 Std (10 16 Uhr)
Defizittage (Tage ohne Ladung): Fall 1: 6 / Fall 2: 1 Tag
Berechnungsschritte:
Verlangte Leistung pro Tag für Fall 1: 8 Watt x 3 Std -> 24 Wh
Verlangte Leistung pro Tag für Fall 2: 8 Watt x 24 Std -> 192 Wh
Mögliche Leistungreserve bei voller Batterie: 12V x 13Ah / 20Ah -> 150 / 240 Wh
Ladezeit der Batterie bei optimalen Verhältnissen: 13 / 20 Ah : (2 x 1.65 A) -> 4 / 6 Std
Maximale Leistungsabgabe Solarmodule pro Tag: 0.4 (2 x 30W x 6 Std) -> 144 Wh
Mögliche Defizittage bei 3 Std Betrieb (Fall 1): 150 / 240 Wh : 24 Wh -> 6 / 10 Tage
Mögliche Defizittage bei Dauerbetrieb (Fall 2): 150 / 240 Wh : 192 Wh -> 0.78 / 1.25 Tage
Bemerkungen zu den Berechnungen:
Die im Fall 2 verwendeten Daten wiederspiegeln die Resultate meines Versuches sehr genau!
Hier zeigt sich, dass die Reserve der verwendeten Batterie zu klein ist. Es kann nur 2/3 der Sonnenscheindauer ausgenutzt werden. Die Batterie müsste mindestens 50% mehr Leistungsreserve d.h. 20 Ah anbieten. In diesem Fall wäre wenigstens der gewünschte Defizittag voll verkraftbar.
Formeln zur Berechnung der Anzahl Module und der Batteriekapazität:
Verbrauch (W) x Verbrauchsdauer (Std) x (Defizittage + 1)
Batteriekapazität (Ah) = ---------------------------------------------------------------
Betriebsspannung (V)
Verbrauch (W) x Verbrauchsdauer (Std) x (Defizittage + 1)
Anzahl Module (Stk) = ---------------------------------------------------------------
Betriebsspannung (V) x Ladedauer (Std) x Ladestrom (A)
-> Hier eine Werteliste mit verschiedenen Berechnungsresultaten
Erkenntnisse:
Die Effizienz von Solaranlagen ist sehr stark abhängig von der Jahreszeit, der Sonnenein-strahlungsdauer und -intensität, der Batteriereserve und den Defizittagen (Tage mit schlechten Lichtverhältnissen).
Der im Versuch ermittelte Tageseffizienzfaktor betrug wegen der zu kleinen Batteriereserve nur 0.25 pro Watt. Bei einer grösseren Batterie wäre er auf 0.35 angestiegen, was für die herrschende Sommerzeit aber immer noch ein viel zu tiefer Wert ist. Eine bessere Positionierung der Solarmodule (Erhöhung der Sonnenscheindauer um 4 Std) und eine weitere Erhöhung der Batteriereserven auf 40 Ah hätte diesen Wert sogar auf 1 gebracht.
Es gibt ausser den technischen Problemen auch noch bauliche zu beachten: Die Anlage musste wegen Verletzung der Bauvorschriften aufgegeben werden. Grund: Nicht erlaubte Veränderung der Fassadenansicht!