Entwicklung einer Funktionskontrolle für Solaranlagen

Aktenzeichen 11625/14
Zusammenfassung / Abstract: Dateigröße: 0.03 MB | Zuletzt geändert: 11.08.2009
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Projektträger: A3M - Ingenieurbüro Wechsung
Alte Dorfstr. 12 d
38104 Braunschweig
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Bundesland: Niedersachsen
Beschreibung:
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Mit Hilfe der Funktionsüberwachung sollen solare Mindererträge und Verluste nichtsolarer Energie bei thermischen Solaranlagen erkannt und mögliche Ursachen dafür ermittelt werden können. Das System soll an ein breites Spektrum von Anlagenkonfigurationen anpassbar sein und ist daher modular konzipiert. Altanlagen mit herkömmlichen Reglern sollen ohne großen Aufwand nachgerüstet werden können.
So soll eine Fehlerbehebung und Betriebsoptimierung vereinfacht bzw. überhaupt erst ermöglicht wer-den.
Durch weitere Module sollen u. a. die Anlagendaten dem Benutzer angezeigt werden und so zu einem bewußteren Umgang mit der Energie führen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst ist eine Marktübersicht über Solaranlagen und Solarregler sowie deren Anbieter zu erstellen. Auf der Basis technischer Unterlagen und einschlägiger Fachliteratur werden Übersichten über die Anlagenvarianten und die technischen Merkmale der Regler angefertigt.
Alternative Verfahren zur Bestimmung des solaren Energieertrages sind im Rahmen von Vorunter-suchungen auf deren Leistungsfähigkeit hinsichtlich Genauigkeit und Praktikabilität zu untersuchen. Ebenso sind marktgängige und preiswerte Durchflussmengenmessgeräte, mit denen die Wärmemengenmessung im Solarkreis durchgeführt werden kann, zu untersuchen und auf ihre Eignung zu prüfen.
Aus Fehlerstatistiken von Solaranlagen und deren Komponenten - beruhend auf Angaben von Friese und Röver, Nordsolar und Anlagen-Herstellern - sind die Wahrscheinlichkeiten für die unterschiedlichen Mängel zu ermitteln und in Relation zum messtechnischen Aufwand für ihre Erkennung zu setzen.
Die Auswertung der Daten aus der Fehlerstatistik liefern die Grundlage für die Computer-Modellierung der Anlagen und Regler, anhand der die zu entwerfenden und zu entwickelnden Module der Funktionskontrolle getestet und optimiert werden können.
Nach erfolgreichem Einsatz an realen Solaranlagen können die Module dann zur Serienreife gebracht werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die Prüfung der Ausstattung von handelsüblichen Solarreglern zeigte, dass eine Nutzung der von diesen zur Verfügung gestellten Werte für eine Funktionskontrolle aufgrund der sehr unterschiedlichen und nicht bei allen Reglern vorhandenen Schnittstellen nicht durchführbar ist. Die zu entwickelnde Funktionskontrolle musste daher vollständig mit eigenen Sensoren ausgestattet werden. Als besonders kostenintensiv stellten sich in erster Linie Globalstrahlungssensoren und Durchflusssensoren für den Solarkreis dar.
Während für die Globalstrahlungsmessung eine sehr preisgünstige Einheit entwickelt werden konnte, fand sich für die Realisierung eines entsprechenden Durchflusssensors keine innerhalb dieses Projektes gangbare Lösung. Um die Kosten für den Endanwender dennoch gering zu halten, wurde ein Konzept erarbeitet, das möglichst ohne die teuren und zudem aufwendig zu installierenden Durch-flusssensoren, auskommt. Stattdessen wurden Algorithmen erstellt, die sowohl die Fehlererkennung als auch die vergleichende Wärmeertragsermittlung vornehmlich durch Verwendung der Werte preisgünstiger und einfach zu installierender Temperaturfühler leisten können.
Im Verlaufe dieser Arbeiten wurde deutlich, dass bei nicht allzu hohen Erwartungen an die Genauigkeit der absoluten Wärmeertragsangaben auf ein gesondertes Wärmeertragsmodul verzichtet werden kann. Zur Erstellung der o. g. Algorithmen wurde zum einen auf die an bestehenden Anlagen aufgenommenen Messwerte zurückgegriffen, zum anderen wurden dazu theoretische Betrachtungen der Vorgänge in einer Solaranlage, insbesondere durch die Erstellung eines Simulationsmodells des Speichers, durchgeführt. Zur Vorbereitung von Simulationen, aber auch zur komfortablen Extraktion der Messdaten zum Zwecke der Darstellung in Diagrammen wurde eine speziell darauf zugeschnittene Software erstellt.
Bei der Hardwareentwicklung zeigte sich, dass zwischen dem ökologischen Anspruch, was die Auswahl der Komponenten anging, und der Forderung nach niedrigem Preis Kompromisse eingegangen werden müssen. Dennoch wurde insgesamt grosser Wert auf einen niedrigen Stromverbrauch der Einheit gelegt , da die Funktionskontrolle prinzipbedingt ununterbrochen in Betrieb ist. Da eine Erweiterung des Funktionsumfanges kaum merklich zur Erhöhung des Stromverbrauchs beiträgt, erscheint es sinnvoll, die Funktionskontrolle mit den zur Regelung der Solaranlage nötigen Komponenten auszustatten und zu betreiben. Aktuelle Marktbeobachtungen lassen den entsprechenden Trend, bei dem Solarregler bereits einfache Kontrollfunktionen erfüllen, bereits erkennen, was offenbar durch Förderungen des Bundesamtes für Wirschaft begünstigt wird.
Bis auf die Telekommunikationseinheit, die auch vorläufig durch ein handelsübliches Modem dargestellt werden kann, wurde die Hardware aller Komponenten der Funktionskontrolle bis zum Prototyp entwickelt und im Laboraufbau getestet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Teile der auch im Abschlussbericht beschriebenen, gewonnenen Erkenntnisse sind bereits anläßlich der Messe Neue Wege zum Klimaschutz, 1998, in Hannover präsentiert worden.
Die Teilnahme am Workshop Funktionskontrolle, 1999, in Saarbrücken wird weitere Gelegenheit zum Vortrag und Austausch des Kenntnisstandes bieten.
Derzeit wird geprüft, ob und in welcher Form der umfangreiche Messdatenbestand Dritten zu Verfügung gestellt werden kann.
Der Abschlussbericht soll der Öffentlichkeit über das Internet zur Verfügung gestellt werden.


Fazit

Die in bestehenden Anlagen im Laufe des Projektes gefundenen Mängel bestätigen die Notwendigkeit von Funktionskontrollen. Eine Ausstattung der Kontrolleinheit mit Regelungsfunktionen erscheint ökologisch und ökonomisch sinnvoll. Die im Förderantrag angestrebten niedrigen Endverbraucherpreise werden bei Einbindung des vorgesehenen Funktionsumfangs wohl nicht erreicht werden können. Das erarbeitete Konzept kommt aber weitgehend ohne aufwendige Durchflussmessung aus und erscheint prakti-kabel. Die Entscheidung zur Busanbindung aller Fühler erscheint als richtig, vor allem im Hinblick auf eine unkomplizierte und gegenüber Fehlern unanfällige Installation. Auf eine absolute und genaue Ermittlung des Energieeintrages wurde aus Kostengründen verzichtet. Zur Fehlererkennung dienen stattdessen Vergleiche mit historischen Werten.
Die weiteren Schritte sind die Weiterentwicklung zur Serienreife und die Vermarktung als Regler für thermische Solaranlagen mit integrierter, umfangreicher Funktionskontrolle.

Förderzeitraum: 08.01.1998 - 03.05.2000 (2 Jahre und 4 Monate)
Fördersumme: 99.037,24
Förderbereich: I.3.2
Themengebiet: Umwelttechnik
Stichworte: Umweltforschung, Klimaschutz, Umwelttechnik, Ressourcenschonung
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