Diese Diplomarbeit dokumentiert die Entstehung einer kompakten und netzautarken PV‐Klein‐Anlage zur elektrischen Versorgung eines mobilen Entertainmentsystems auf Basis regenerativer Energien. Verschiedene PV‐Zelltypen und Speichersysteme wurden verglichen und im Hinblick auf den speziellen Anwendungsfall bewertet. Es wurde eine vollständige Anlagendokumentation über AUTOCAD, ePLAN und PV‐Sol erstellt.
Die Anlage ist voll funktionstüchtig und entspricht den geplanten Zielsetzung. Sie wurde speziell konzipiert für den Einsatz im Freizeit und Unterhaltsbereich und kann musikbegeisterten, umweltbewussten Konsumentinnen und Konsumenten eine individualisierte Möglichkeit zur Versorgung Ihrer Endgeräte bieten.
Inhaltsverzeichnis
1. Inhalt:
2. Allgemeines
2.1 Projekt Team
2.2 Ideenfindung
2.3 Aufgabenstellung
2.4 Zielsetzung
3. Theoretische Ausarbeitung der Komponenten
3.1 Solarzellen
3.1.1 Funktionsweise
3.1.2 Verschaltungsmöglichkeiten
3.2 Aufbau der gebräuchlichsten Solarzellen
3.2.1 Kristalline Siliziumzellen im Allgemeinen
3.2.2 Kristalline Siliziumzellen - Monokristalline Solarzelle
3.2.3 Kristalline Siliziumzellen - Polykristalline Solarzelle
3.2.4 Dünnschichtzellen
3.2.5 Dünnschichtzellen - Amorphe Siliziumzelle
3.2.6 Dünnschichtzellen - CIS/CIGS-Module
3.2.7 Dünnschichtzellen - CdTe
4. Laderegler
4.1 Die Funktionsweise eines Ladereglers:
4.2 Typen von Ladereglern
4.2.1 Serienregler
4.2.2 Parallelregler/Shuntregler
4.2.3 PMW-Regler
4.2.4 MPP-Regler
4.3 Auswahlkriterien für Laderegler
4.4 Anbieter
5. Akkumulatoren
5.1 Bleiakkumulatoren:
5.1.1 Blei-Säure Technologie:
5.2 Blei-Gel Akku und AGM Akku
5.2.1 Blei-Gel Akku:
5.2.2 AGM Akku
5.3 Unterscheidungsmöglichkeiten von Blei Akkus:
5.4 Elektromechanische Vorgänge:
5.4.1 Entladen:
5.4.2 Laden:
5.5 Chemische Reaktion
5.6 Nickel-Cadmium-Akkumulator
5.6.1 Anwendung
5.6.2 Bauarten
5.6.3 Aufbau und elektrische Vorgänge
5.6.4 Elektrodenbauarten
5.6.5 Vorteile
5.6.6 Nachteile
5.6.7 Chemische Reaktion
5.7 Lithium-Ionen-Akkumulatoren
5.7.1 Allgemeines
5.7.2 Anwendung
5.7.3 Prinzip
5.7.4 Chemische Reaktion
5.7.5 Ausführungsformen
5.7.6 Vorteile
5.7.7 Nachteile
5.8 Lithium–Eisenphosphat–Akkumulatoren
5.8.1 Allgemein
5.8.2 Vorteile der LiFePO4-Zellen
5.8.3 Nachteile der LiFePO4-Zellen
5.8.4 Bauformen
5.8.5 Wichtige Anwendungsbereiche
6. Spannungswandler
6.1 Wechselrichter
6.1.1 Allgemeines
6.1.2 Anwendung
6.1.3 Steuerung
6.1.4 Inselwechselrichter
6.1.5 Funktionsweise
6.1.6 Formen der Ausgangsspannung Inselwechselrichtern
6.2 Gleichspannungswandler
6.2.1 Allgemeines
6.2.2 Anwendung
6.2.3 Bauarten
7. Festlegung der Kenndaten der Verbraucher
7.1 Radio und Lautsprecher
7.2 5 V DC „USB“ Ausgänge
7.3 12 V DC Ausgang
7.4 230 V AC Ausgang
8. Überlegungen zum Projekt
8.1 Lösungsansatz I
8.1.1 Blockschaltbild
8.1.2 Leistungsfaktoren
8.1.3 Schematische Darstellung
8.2 Lösungsansatz II
8.2.1 Blockschaltbild
8.2.2 Leistungsfaktoren
8.2.3 Schematische Darstellung
8.3 Vor- und Nachteile der Ansätze
8.3.1 Ansatz I
8.3.2 Ansatz II
8.4 Fazit
9. Theoretische Auslegung der Anlage
10. Dimensionierung einer Insel-PV Anlage
10.1 Festlegung der wichtigsten Daten
10.2 Erfassung der wichtigsten Größen
10.3 Berechnung
10.3.1 Dimensionierung des PV Generators
10.3.2 Akkuauslegung:
11. Leitungs- und Absicherungsdimensionierung
11.1 Erfassung der einzelnen Leistungen
11.2 Berechnung des Stroms
11.3 Auslegung der Absicherung und des Leitungsquerschnittes
12. Ausgewählte Komponenten
12.1 Photovoltaikmodul
12.1.1 Technische Merkmale
12.2 Laderegler
12.2.1 Eigenschaften des Reglers
12.2.2 Technische Merkmale
12.2.3 Funktionsweise
12.3 Speichersystem
12.3.1 Technische Daten
12.4 Anzeige/USB-Lader
12.4.1 USB-Lader
12.4.2 Voltmeter
12.4.3 Zigarettenanzünderbuchse
12.5 Wechselrichter
12.6 Radio
12.7 Lautsprecher
12.7.1 Technische Daten
12.8 Sicherungshalter
12.9 Klemmen/Stecker
12.10 Netzteil
12.11 Relais
13. Dimensionierung des Gehäuses
13.1 Form
13.2 Lautsprecher
13.3 Transportmöglichkeit
14. Konstruktion des Projektes
14.1 AutoCAD
14.2 ePlan
14.3 PV-Sol
15. Dokumentation der Umsetzung des Projekts
15.1 Fertigung des Gehäuses
15.1.1 Vorbereitungsarbeiten
15.1.2 Aufbau des Gehäuses
15.1.3 Zusammenbau des Gehäuses
15.1.4 Bilder der Fertigung
15.2 Fertigung der Panelaufständerung
15.2.1 Überlegung
15.2.2 Umsetzung
15.2.3 Bilder von der Fertigung der Aufständerung
15.3 Einbau der einzelnen Komponenten
15.4 Verkabelung der Anlage
16. Funktionstest und Fehlerbehebung
17. Kostendarstellung
17.1 Bestellliste
17.2 Zur Verfügung gestellte Artikel
18. Verbesserungsmöglichkeiten
19. Projektmanagment
19.1 Meilensteine
19.2 Terminplan
20. Resümee des Projektes
21. Anhang
21.1 Quellen
21.1.1 Bücher
21.1.2 Internet
21.2 Datenblätter
21.3 Formelverzeichnis
21.4 Abbildungsverzeichnis
21.5 Tabellenverzeichnis
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Diplomarbeit ist die Planung, Dimensionierung und praktische Umsetzung einer mobilen, netzautarken Photovoltaikanlage zur Versorgung eines mobilen Entertainmentsystems für den Freizeitbereich. Die Forschungsfrage fokussiert sich dabei auf die Auswahl effizienter Komponenten unter Berücksichtigung von Kosten, Mobilität und einer angestrebten Systemautonomie von 30 Stunden.
- Dimensionierung von PV-Modulen und Speichersystemen für autarken Betrieb
- Vergleich verschiedener Solarzellentechnologien und Akkutypen
- Konstruktion und Fertigung eines kompakten Gehäuses zur Integration der Technik
- Erstellung einer technischen Anlagendokumentation mittels CAD-Software
- Durchführung von Funktionstests und Optimierung der Verkabelung
Auszug aus dem Buch
3.1.1.1 Innerer Photoeffekt
Sonnenlicht setzt sich aus einzelnen unterschiedlichen Energieportionen zusammen. Diese Portionen werden als Photonen oder manchmal auch als Lichtquanten bezeichnet. Je nach Wellenlänge in der sie sich befinden enthalten sie unterschiedlich viel Energie.
Treffen nun Photonen auf ein Solarpaneel, so wird ein Teil von ihnen vom Silizium absorbiert und lösen dadurch aus dem Kristallgitter des Halbleiters ein fest gebundenes Elektron (negativ geladenes Teilchen).
Lichtquanten mit weniger Energiegehalt strahlen durch die Solarzelle ungenutzt hindurch und andere werden bereits an der Oberfläch reflektiert.
Das aus dem Kristallgitter gelöste Elektron hinterlässt an seiner ehemaligen Position ein positiv geladenes Loch. Zusammen ergeben die beiden ein Elektronen-Loch-Paar. Also zwei frei bewegliche Teilchen, die entgegengesetzt geladene sind.
Nun sind die frei beweglichen Ladungsträger, welche für die Solarstrom Erzeugung benötigt werden zwar vorhanden, jedoch bleiben die Teilchen nur kurzzeitig frei beweglich.
Zusammenfassung der Kapitel
2. Allgemeines: Dieses Kapitel stellt das Projektteam vor und beschreibt die Entstehung der Projektidee aus dem Bedürfnis nach einer netzautarken Stromversorgung für Musikbeschallung auf Festivals.
3. Theoretische Ausarbeitung der Komponenten: Hier werden die physikalischen Grundlagen der Photovoltaik, insbesondere der innere Photoeffekt und der photovoltaische Effekt sowie verschiedene Zelltypen detailliert erläutert.
4. Laderegler: Das Kapitel behandelt die Bedeutung des Ladereglers als Schaltzentrale für den Schutz des Akkus vor Über- und Tiefentladung sowie die Unterschiede zwischen verschiedenen Regler-Typen.
5. Akkumulatoren: Hier werden unterschiedliche Akkumulatortechnologien wie Blei-Säure, Nickel-Cadmium und Lithium-basierte Systeme hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Eignung für das Projekt verglichen.
6. Spannungswandler: Dieses Kapitel beschreibt Funktionsweisen von Wechselrichtern und Gleichspannungswandlern, die zur Bereitstellung der benötigten Ausgangsspannungen (230V AC und DC) notwendig sind.
7. Festlegung der Kenndaten der Verbraucher: Die Ermittlung der Leistungsaufnahme aller angeschlossenen Komponenten wie Radio, Lautsprecher und USB-Ausgänge wird hier dargelegt.
8. Überlegungen zum Projekt: Die Arbeit vergleicht zwei verschiedene Lösungsansätze bezüglich ihrer Umsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit, bevor die endgültige Entscheidung für den Prototypen getroffen wird.
9. Theoretische Auslegung der Anlage: Dieses Kapitel fasst das Blockschaltbild und die grundsätzliche Funktionsweise des Gesamtsystems zusammen.
10. Dimensionierung einer Insel-PV Anlage: Hier erfolgt die mathematische Herleitung der benötigten PV-Generatorleistung und der Akkukapazität für einen Betrieb von 30 Stunden.
11. Leitungs- und Absicherungsdimensionierung: Dieses Kapitel dokumentiert die Berechnung der benötigten Stromstärken sowie die Auswahl passender Leitungsquerschnitte und Absicherungen für alle Verbraucherkreise.
12. Ausgewählte Komponenten: Detaillierte Vorstellung der tatsächlich erworbenen Bauteile inklusive technischer Datenblätter und Begründung der Auswahlentscheidungen.
13. Dimensionierung des Gehäuses: Beschreibung der konstruktiven Überlegungen zur kompakten Unterbringung aller Komponenten unter Berücksichtigung von Transportfähigkeit und Wartung.
14. Konstruktion des Projektes: Kurzer Überblick über die verwendeten Software-Tools zur Planung wie AutoCAD, ePlan und PV-Sol.
15. Dokumentation der Umsetzung des Projekts: Detaillierte Darstellung des Bauprozesses, von der Materialwahl über die Gehäusefertigung bis hin zur Verkabelung.
16. Funktionstest und Fehlerbehebung: Dokumentation der bei der Inbetriebnahme aufgetretenen Probleme, insbesondere im Bereich der Einschaltströme und der Relais-Steuerung, sowie deren Lösungen.
17. Kostendarstellung: Aufstellung der gesamten Projektkosten inklusive einer Gegenüberstellung von käuflich erworbenen und zur Verfügung gestellten Artikeln.
18. Verbesserungsmöglichkeiten: Abschließende Reflexion über mögliche Optimierungen, die das Team bei einem erneuten Bau berücksichtigen würde.
19. Projektmanagment: Zusammenfassung der Projektphasen anhand von Meilensteinen und Zeitplan.
20. Resümee des Projektes: Persönliches Fazit der Projektgruppe zur wertvollen Lernerfahrung während der gesamten Arbeitsdauer.
Schlüsselwörter
Photovoltaik, Inselanlage, mobile Stromversorgung, Batterietechnik, Laderegler, Wechselrichter, Systemdimensionierung, Unterhaltungselektronik, Energiemanagement, Blei-Gel Akku, Nachhaltigkeit, Energietechnik, Projektarbeit, Gehäusekonstruktion, Stromlaufplan.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Planung, Dimensionierung und dem Bau einer tragbaren, netzautarken Photovoltaikanlage, die als mobile Stromquelle für Entertainment-Elektronik dient.
Was sind die zentralen Themenfelder des Projekts?
Die Schwerpunkte liegen auf der Photovoltaik-Technik, der Auswahl passender Speicher- und Ladetechnologien, der Gehäusekonstruktion sowie der elektrischen Anlagendokumentation.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist der Entwurf eines kompakten, netzautarken Systems, das eine Betriebsdauer von 30 Stunden ermöglicht und individuell auf die Bedürfnisse musikbegeisterter Festivalbesucher zugeschnitten ist.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Das Team nutzt theoretische Berechnungen zur Dimensionierung, CAD-Software für die Konstruktion, Schaltplan-Entwürfe mittels ePlan sowie eine empirische Fehleranalyse während der Testphase.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretische Ausarbeitung der Bauteile, die mathematische Anlagendimensionierung, die detaillierte Bauanleitung inklusive Fotodokumentation sowie die finale Fehlersuche.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Photovoltaik, Inselanlage, mobile Stromversorgung, Batterietechnik, Laderegler, Systemdimensionierung und Projektmanagement.
Warum wurde eine Blei-Gel-Batterie anstelle eines herkömmlichen Blei-Säure-Akkus gewählt?
Obwohl der Blei-Gel-Akku schwerer und teurer ist, wurde er aufgrund seiner Wartungsfreiheit, der Auslaufsicherheit und der Eignung für hohe Ladezyklen in Photovoltaikanlagen bevorzugt.
Wie wurde das Problem der hohen Einschaltströme des Wechselrichters gelöst?
Da der Einschaltstrom den Laderegler überlastete, wurde ein separater Stromkreis geschaffen, der den Wechselrichter direkt vom Akku speist, anstatt den Strom über den Laderegler zu leiten.
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- Daniel Pointner (Autor:in), Patrick Anzinger (Autor:in), Martin Lechner (Autor:in), 2015, Planung und Umsetzung einer netzautarken, mobilen Photovoltaik-Anlage als Versorgungsstation für ein mobiles Entertainmentsystem, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/916300
