Projekt 11625/05

Integrierte Ertragskontrolle und Betriebsüberwachung bei regenerativen Energiesystemen

Projektträger

triconEnergie und Technik GmbH
Habsburgerstr. 4
79104 Freiburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Überwachung solarthermischer Anlagen sowie die Erfassung der solaren Erträge ist trotz einer steigenden Verbreitung bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst. Es fehlen kostengünstige und einfache Überwachungseinrichtungen, die auch mittels einer intelligenten Datenaufbereitung für den unbedarften Anwender die notwendigen Daten zur Verfügung stellen, um die Funktionsfähigkeit des Solarsystems zu bewerten.
Die Kombination aus photovoltaischen Elementen mit einem solarthermischen Generator setzt überdies zusätzliche Anforderungen an ein solches Ertragskontroll- und Betriebsüberwachungssystem. Besondere Schwerpunkte des Vorhabens liegen in der Realisierung eines kostengünstigen Systems, wobei ein Verkaufspreis von unter 500 DM angestrebt wird.
Die Fehlerdiagnose, die dem Anwender eine klare Gut-Schlecht-Aussage liefern soll, ist wissenschaftlich derzeit noch nicht eindeutig festgelegt. Neben dem aktuellen wissenschaftlichen Stand werden hier nach Bedarf auch eigene Erfahrungen einfließen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeiten gliederten sich grob in 3 Bereiche:
A) In der ersten Phase wurde aufbauend auf vorhandenen Technologien das Grundkonzept des integrierten Ertragskontroll- und Betriebsüberwachungssystems entwickelt. Neben der Untersuchung der Langzeitstabilität wurden insbesondere auch alternative Energiespeicher zur Realisierung eines möglichst langen Betriebszeitraumes untersucht. Die im Rahmen des Projektes vollständig neu entwickelte Firmware (Prozessorcode) dient insbesondere zur Datenvorverarbeitung, Datenkompression und Datenspeicherung. Des Weiteren wurden entsprechende Algorithmen zur Wärmemengenberechnung aus den Messdaten entwickelt bzw. optimiert unter Berücksichtigung des in solarthermischen Anlagen verwendeten Wasser-Glykol-Wärmeträgers. Ebenfalls wurde ein Verfahren zur Berechnung der Wärmemenge über das Pumpenlaufzeitverfahren in der Firmware implementiert. Hier wurden, aufbauend auf den wissenschaftlichen Stand, entsprechende Algorithmen entwickelt und umgesetzt. Allerdings ist anzumerken, daß die Problematik der Fehlerdiagnose in solarthermischen Anlagen noch nicht abschließend gelöst werden konnte. Des Weiteren war es die Aufgabe einzelne Messgeräte zur Durchführung komplexerer Messaufgaben zu kaskadieren. Möglichkeiten zur Anlagen-Fernüberwachung und Fernanalyse wurden ebenfalls entwickelt. Im weiteren wurde die Gehäusetechnik optimiert und den mechanischen und elektrischen EMV-Anforderungen angepasst.
B) In der zweiten Phase wurde das System über einen längeren Zeitraum in intensiven Feldtests untersucht. Aufbauend auf diesen Versuchen konnte die weitere Entwicklung forciert und Optimierungen durchgeführt werden. Diese Optimierungsarbeiten bezogen sich auf die Hard-, Soft- und Firmware. Ein Schwerpunkt wurde auch auf die Entwicklung der erforderlichen Peripherie gelegt. Hier wurde neue Sensorik entwickelt (Einstrahlung, Temperatur) und in Tests untersucht, so dass nun ein insgesamt kostengünstiges Messsystem aus Messgerät und Sensorik zur Verfügung steht.
In der dritten Phase wurde die notwendige externe Software realisiert.
Dies bezog sich zum einen auf die Weiterentwicklung und Optimierung der Konfigurationssoftware, die dazu dient, das Messsystem einfach und unkompliziert an verschiedenste Messaufgaben anzupassen. Des Weiteren wurde die Datenauslesesoftware weiterentwickelt und optimiert, die nun eine komfortable Verwaltung von Messsystemen erlaubt und eine Datenbank für die Messdaten enthält. Dabei wurde Wert darauf gelegt, daß die Datenstruktur zu Standard-Applikationen (Tabellenkalkulationen) kompatibel ist. Zur Datenvisualisierung auf dem PC wurde eine Visualisierungssoftware entwickelt, die neben der Live-Darstellung von Messdaten eine komfortable zeitliche Darstellung der Messdaten erlaubt. Die Datenlogging-Funktion der Visualisierungssoftware erlaubt den Einsatz eines PC als Datenlogger, auf diese Weise können Messdaten im zeitlich hochaufgelösten Raster von 2 Sekunden abgelegt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die entscheidenden Entwicklungsziele in bezug auf eine kostengünstige Messgerätentwicklung zur umfassenden Überwachung von Solaranlagen konnten erreicht werden. Ebenso ist das Messgerät durch eine sehr einfache Bedienung, Konfiguration und Kalibrierung für den breiten Einsatz am Markt geeignet. Für eine weite Verbreitung sprechen ebenfalls die universalisierten Messeingänge, das Kostenreduktionspotential durch das Pumpenlaufzeitverfahren und die Datenvorverarbeitung die den Aufwand zur Datenanalyse deutlich verringert.
Der typische Nutzer einer Solaranlage im Privathausbereich aber auch Anlagenbetreiber, Kontraktoren und Anlagenerrichter haben somit ein leistungsfähiges Gerät zur Kontrolle der Solaranlage an der Hand.
Während der Entwicklungsarbeiten zeigte sich, daß Detailfragen, die bei der Antragstellung noch als sinnvoll erachtet wurden, nicht mehr entscheidend für den Gesamterfolg der Entwicklung waren. Diese Detailaspekte wurden dementsprechend auch nicht weiter verfolgt, um die Entwicklungskosten und späteren Gerätekosten zu minimieren. Hierbei handelt es sich z. B. um die Zertifizierung (Bauartzulassung PTB), eine Bus-Anbindung an den Resol V-Bus und zusätzliche Messkanäle am Gerät.
Auf der anderen Seite gab es Punkte, die auch in Zukunft weiter verfolgt werden müssen, da auch im Rahmen der Entwicklungsarbeiten keine endgültig zufriedenstellende Lösung gefunden wurde. Dies betrifft insbesondere die Erfassung der Wärmemenge durch das Pumpenlaufzeitverfahren, deren Genauigkeit derzeit noch durch die Ermittlung des Volumenstromfaktors über TACO-Setter begrenzt wird. Andererseits ermöglicht das Verfahren derzeit schon die Einsparung von Volumenstromzählern und damit Systemkosten. Volumenstromzähler sind zur Zeit noch nicht auf eine Wasser-Glykol-Mischung geeicht, hier sind die Systemfehler noch offen. Hierzu wurden von tricon Untersuchungen bei der PTB angeregt.
Aufbauend auf dem mittlerweile vorhandenen Wissensstand über die Umsetzungsmöglichkeiten einer aus der Datenanalyse abgeleiteten Fehlerdiagnose kann zukünftig die Entwicklung geeigneter Algorithmen angegangen werden. Dabei ist noch zu untersuchen und zu klären wieviel Intelligenz vor Ort, d.h. im Messgerät implementiert sein muss und notwendig ist oder in welchem Umfang die (komplexe) Analyse auf einem externen PC automatisiert ablaufen kann. Derzeit wird das weitere Verfahren favorisiert.
Es gilt auch zukünftig das Gesamtsystem aus Messgerät und Sensorik unter Kostengesichtspunkten zu optimieren. Die Kosten des Messsystems sind entscheidend für eine weite Verbreitung dieser Technologie.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Arbeiten und Entwicklungsergebnisse wurden auf Symposien (Staffelstein Thermie) und Fachmessen sukzessive vorgestellt und präsentiert. Des Weiteren wurden Produkt-Werbeanzeigen und Produktinformationen in Fachzeitschriften lanciert. Eine Internetpräsentation des Messgerätes und der Sensorik ist mittlerweile ebenfalls realisiert. In einem Projekt an der Berufsbildenden Schule in Worms konnten einerseits die Grundlagen zur internetbasierenden Messdatenpräsentation im Internet gelegt als auch über die Internetseite der Schule eine Präsentation des Messsystems erzielt werden.


Fazit

Das Entwicklungsziel einer vollständigen Überwachung von solarthermischen Anlagen und der Erfassung der solaren Erträge konnte mit Hilfe eines kostengünstigen Messgerätes realisiert werden. Hierbei ist zu betonen, daß nach Abschluss der Entwicklungsarbeiten nicht nur das erforderliche Messgerät zur Verfügung steht, sondern auch die gesamte Peripherie mit der Sensorik insgesamt optimiert werden konnte. Für den Anwender ergeben sich somit erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lösungen.
Während der Entwicklungsarbeiten zeigten sich jedoch noch Defizite, deren Lösung nicht durch die Fa.
Tricon möglich war. Die Untersuchungen zum Fehlerverhalten von Volumenstromzählern bei Wasser-Glykol-Mischungen laufen derzeit noch an der PTB-Berlin. Die dort erzielten Ergebnisse werden in die weite-ren Projektarbeiten und Systemkonfigurationen einfließen.
Des Weiteren müssen die nun auf der Basis der Forschungsarbeiten am TZSB vorliegenden Funktionskontroll-Algorithmen geprüft und Möglichkeiten zur Umsetzung einer aus der Datenanalyse abgeleiteten Fehlerdiagnose durch die Entwicklung geeigneter Algorithmen angegangen werden.
In Zukunft gilt es diese externen Entwicklungen weiter zu verfolgen und eine ständige Optimierung des Ge-rätes vorzunehmen - auch unter Kostengesichtspunkten -, so dass jeweils der aktuelle Stand der Technik in das Gerät bzw. das Messsystem einfließt.