Beim Photovoltaikanlagen ist der Betrieb der Anlage im Maximum Power Point (MPP) sehr wichtig um die höchst mögliche Leistung zu erzielen. Der MPP beschreibt den
Punkt auf der Leistungskurve der dem höchsten Leistungswert entspricht. Der MPP einer Photovoltaikanlagen wird in Intervallen bestimmt oder im Falle des Maximum
Power Point Tracking (MPPT) fortlaufend verfolgt. Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile. Beim MPPT-Verfahren kann es passieren dass, ein lokales Maximum verfolgt
wird. Das MPP-Verfahren das in Intervallen den MPP sucht hat schwächen im Zeitraum der Prüfung. Wird das Durchlaufen der U/I-Kennlinie ohne Schwankungen der Einstrahlung durchlaufen kann der Ermittelte MPP als der optimale angesehen werden. Gibt es Störungen beim Durchlaufen der Kennlinie wie (vorübergehende) Teilabschattung oder Störungen (Im Sinne von künstlich verursachten Schwankungen) bei der Einstrahlung ist die Korrektheit des ermittelten MPP zu bezweifeln, ohne weitere Validierung der Sensorwerte ist es nicht möglich dies zu untersuchen oder den ermittelten MPP durch Begründete Zweifel zu verwerfen. Bei der Beobachtung eines Solarpanelprototypen im Outdoorbereich wird der Prototyp und die Umweltdaten überwacht. Die Überwachung der Einstrahlung wird für gewöhnlich mittels Video realisiert, was große Datenmengen erzeugt. Die Videodaten erfordern dementsprechend hohen Aufwand zu Analyse. Ziel dieser Arbeit ist es ein System zu entwickeln das Daten über die Einstrahlung unabhängig vom Photovoltaikanlagen aufnimmt, die Daten bewertet und die Veränderung der Einstrahlung analysiert in wenigen Kerndaten ausgibt. Diese Datenauswertung soll mit möglichst geringen Hardware-Ressourcen umgesetzt werden. Die Umsetzung soll so ausgelegt sein das die Implementierung in bestehende Datensysteme schnell und einfach erfolgen kann. Diese Studienarbeit zeigt die Umsetzung der Datenerhebung, die schritte der Datenanalyse und die Ausgabe der Kerndaten. Das
Ergebnis dieser Studienarbeit soll zeigen das mit wenigen Sensoren und geringen Hardwareaufwand eine qualifizierte Aussage über die Einstrahlung getroffen werden kann, die zur Verifizierung des MPP genutzt werden können. Es soll auch gezeigt werden das die Datenanalyse zur Langzeitüberwachung genutzt werden kann.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Grundlagen
2.1. Fotodiode
2.1.1. Einfluss der Beleuchtungsstärke
2.1.2. Der Fotostrom
2.1.3. Die Temperaturspannung
2.1.4. Der Sättigungsstrom
2.1.5. Rauschquellen der Fotodiode
2.1.6. Das Ersatzschaltbild
2.2. Optokoppler
2.2.1. Aufbau des Optokopplers
2.2.2. Die Leuchtdiode
2.2.3. Externe Beschaltung des Optokopplers
2.3. Operationsverstärker
2.3.1. Der Aufbau
2.3.2. Idealer und realer Operationsverstärker
2.3.3. Ersatzschaltbild des realen Operationsverstärker
2.4. Transimpedanzverstärker (TIA)
2.4.1. Aufbau
2.4.2. Rauschen der Schaltung
2.4.3. Bandbreite und Stabilität
2.4.4. Dimensionierung und Rauschverstärkung
2.5. Signalumwandlung
2.5.1. Analog-Digital-Converter (ADC)
2.5.2. Digital-Analog-Converter (DAC)
2.6. Mikrocontroller
2.6.1. Die Grundlage des modernen Mikrocontrollers
2.6.2. Innerer Aufbau des Mikrocontrollers
2.6.3. Externe Bussysteme beim Mikrocontroller
2.6.4. Das Funktionsregister
2.6.5. Programmieren des Mikrocontrollers
2.6.6. Beschreiben des Mikrocontrollers mit dem Programmcode
2.6.7. Entwicklung der Mikrocontroller
3. Detektorentwicklung
3.1. Kriterien zur Auswahl der Hard- & Software Umgebung
3.2. Schaltungsdesign
3.2.1. Bussystem zum Ansprechen des DACs und ADCs
3.2.2. Triggerquelle
3.2.3. Strahlungsquelle für den Laboraufbau
3.2.4. Vom Sensor zur Ausgabe der Ausgewerteten Daten
3.2.5. Einstrahlungsanalyse
3.2.6. Einstrahlungsbewertung
3.3. Technische Realisierung des Prototyps im Labormaßstab
3.3.1. Anpassungen für den Prototypen
3.3.2. Schaltplan
3.4. Aufbau der Firmware
3.4.1. Initialisierung der Programmbestandteile & Hardware
3.4.2. Hauptprogramm oder Hauptschleife
3.4.3. Timer und Interrupt
3.4.4. Sensorabfrage und Datenauswertung
3.4.5. Analyse der Sensordaten
3.4.6. Rauschen & Vertrauensbereich der Messkette
4. Auswertung & Datenanalyse
4.1. Bewertung der Ergebnisse
4.2. Fehleranalyse
4.3. Grenzen & Einschränkungen
5. Zusammenfassung & Ausblick
A. vinciDuino mit der Arduino IDE nutzen
A.1. Einbinden des Boards in die IDE
A.2. Pin Change Interrupt Request-Funktion nutzen
A.3. External Interrupts
B. Nachbildung der relativen Empfindlichkeit der Fotodiode
B.1. Die maximale strahlungsphysikalische Empfindlichkeit
B.2. Mathematische Approximation der spektralen Empfindlichkeit einer Fotodiode
B.3. Berechnung der Strahlungsquelle durch das Planck’sche Strahlungsgesetz
B.4. Die charakteristische Empfindlichkeit der Diode
C. Realisierung des Prototypen
C.1. Datenreihen der Analyse
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Systems, welches Daten über die Einstrahlung unabhängig von Photovoltaikanlagen aufnimmt, bewertet und analysiert, um eine qualifizierte Aussage über die Einstrahlung zur Verifizierung des Maximum Power Point (MPP) zu ermöglichen, wobei die Umsetzung mit geringen Hardware-Ressourcen erfolgen soll.
- Grundlagen von Halbleiterbauelementen wie Fotodioden, Optokopplern und Operationsverstärkern.
- Konzeption und Aufbau eines Detektorsystems unter Verwendung eines Mikrocontrollers.
- Methoden der Signalumwandlung und Datenanalyse zur Einstrahlungsbewertung.
- Implementierung von Firmware für Datenerhebung und -auswertung.
- Validierung des Systems durch Labortests und Analyse verschiedener Einstrahlungsszenarien.
Auszug aus dem Buch
1. Einleitung
Beim Photovoltaikanlagen ist der Betrieb der Anlage im Maximum Power Point (MPP) sehr wichtig um die höchst mögliche Leistung zu erzielen. Der MPP beschreibt den Punkt auf der Leistungskurve der dem höchsten Leistungswert entspricht. Der MPP einer Photovoltaikanlagen wird in Intervallen bestimmt oder im Falle des Maximum Power Point Tracking (MPPT) fortlaufend verfolgt. Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile. Beim MPPT-Verfahren kann es passieren dass, ein lokales Maximum verfolgt wird. Das MPP-Verfahren das in Intervallen den MPP sucht hat schwächen im Zeitraum der Prüfung. Wird das Durchlaufen der U/I-Kennlinie ohne Schwankungen der Einstrahlung durchlaufen kann der Ermittelte MPP als der optimale angesehen werden.
Gibt es Störungen beim Durchlaufen der Kennlinie wie (vorübergehende) Teilabschattung oder Störungen (Im Sinne von künstlich verursachten Schwankungen) bei der Einstrahlung ist die Korrektheit des ermittelten MPP zu bezweifeln, ohne weitere Validierung der Sensorwerte ist es nicht möglich dies zu untersuchen oder den ermittelten MPP durch Begründete Zweifel zu verwerfen. Bei der Beobachtung eines Solarpanelprototypen im Outdoorbereich wird der Prototyp und die Umweltdaten überwacht. Die Überwachung der Einstrahlung wird für gewöhnlich mittels Video realisiert was große Datenmengen erzeugt.
Die Videodaten erfordern dementsprechend hohen Aufwand zu Analyse. Ziel dieser Arbeit ist es ein System zu entwickeln das Daten über die Einstrahlung unabhängig vom Photovoltaikanlagen aufnimmt, die Daten bewertet und die Veränderung der Einstrahlung analysiert in wenigen Kerndaten ausgibt. Diese Datenauswertung soll mit möglichst geringen Hardware-Ressourcen umgesetzt werden. Die Umsetzung soll so ausgelegt sein das die Implementierung in bestehende Datensysteme schnell und einfach erfolgen kann. Diese Studienarbeit zeigt die Umsetzung der Datenerhebung, die schritte der Datenanalyse und die Ausgabe der Kerndaten.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Bedeutung des MPP bei Photovoltaikanlagen und das Ziel der Entwicklung eines ressourcensparenden Systems zur Einstrahlungsverifizierung.
2. Grundlagen: Erläutert die notwendigen elektronischen Bauteile und Prinzipien wie Fotodioden, Operationsverstärker, Signalwandlung und Mikrocontroller-Architekturen.
3. Detektorentwicklung: Detailliert die Auswahl der Hardware- und Softwareumgebung sowie das Schaltungsdesign und die Firmware-Implementierung für den Prototyp.
4. Auswertung & Datenanalyse: Bewertet die Ergebnisse des entwickelten Algorithmus anhand von generierten Sensordatenreihen und diskutiert Fehlerquellen.
5. Zusammenfassung & Ausblick: Zieht ein Fazit über die Erreichung der Zielsetzung und skizziert Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung des Systems.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, MPP, MPPT, Fotodiode, Transimpedanzverstärker, Mikrocontroller, Datenauswertung, Einstrahlungsanalyse, Signalumwandlung, ADC, DAC, Firmware, Sensorik, Rauschquellen, SPI-Bus.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Studienarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Detektors zur unterstützenden Verifizierung des Maximum Power Point (MPP) von Photovoltaik-Modulen bei Outdoor-Messplätzen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Themen umfassen die physikalischen Grundlagen von Sensoren (Fotodioden), analoge Schaltungstechnik, Signalwandlung, Mikrocontroller-Programmierung und Methoden zur Analyse von Einstrahlungsdaten.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Entwicklung eines Systems, das Einstrahlungsdaten unabhängig von der PV-Anlage aufnimmt, bewertet und mit geringem Hardwareaufwand eine verlässliche Aussage zur Verifizierung des MPP liefert.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein experimenteller Ansatz gewählt, bestehend aus der theoretischen Analyse von Schaltkreisen, der Konstruktion eines Prototyps auf Basis eines Arduino-Derivats sowie der Entwicklung und Testung eines mathematischen Algorithmus zur Datenauswertung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Betrachtung der Elektronik-Komponenten, die konkrete Schaltungsentwicklung, den Aufbau der Firmware sowie die Evaluation mittels definierter Datenreihen zur Fehleranalyse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Photovoltaik, MPP-Verifizierung, Transimpedanzverstärker, Mikrocontroller, Signalverarbeitung und Einstrahlungsanalyse.
Warum wird für das Design ein TWI-Bus anstelle von SPI gewählt?
Der TWI-Bus bietet ein intelligenteres Protokoll mit Acknowledge-Meldungen und ist besser für die Anbindung mehrerer Teilnehmer geeignet, wobei der Aufwand für die Implementierung im Vergleich zum SPI-Bus abgewogen wurde.
Welche Rolle spielt das Rauschen bei der Messkette?
Das Rauschen muss berücksichtigt werden, um den Toleranzbereich bei der Datenanalyse korrekt festzulegen, da nur Werte außerhalb dieses Rauschbereichs als signifikante Abweichungen interpretiert werden können.
Wie wurde der Algorithmus zur Mittelwertbildung verbessert?
Der Algorithmus wurde um Kriterien wie Range-Überprüfung und die Positionierung der Sensordaten zueinander ergänzt, um Schwächen bei der Korrelationsberechnung zu beheben, wenn eine Datenreihe keine Varianz aufweist.
- Quote paper
- Markus Lange (Author), 2013, Entwicklung eines Detektors zur unterstützenden Verifizierung des eingestellten statischen MPP der PV-Module des Outdoor-Messplatzes, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/282311
