Projekt 05278/01

Entwicklung eines modular geschalteten Inverters fĂŒr kleine Photovoltaikanlagen an schwachen Netzen

ProjekttrÀger

Wuseltronik GbR
Paul-Lincke-Ufer 41
10999 BerlinZielsetzung und Anlass des Vorhabens Entwicklung eines Solarstrom-Wechselrichters fĂŒr kleine, autarke Netze, die ĂŒber mehrere Energiequellen verfĂŒgen. Ziel der Entwicklung ist es, den Anwendern von Solarstrom die Möglichkeit zu geben, mit einer kleinen Anlage im Inselnetz oder netzparallel zu arbeiten. FĂŒr kleinere Verbraucher kann das Netz aufrecht erhalten werden, ohne daß ein zusĂ€tzliches Dieselaggregat laufen muß. In ein vorhandenes Netz kann eingespeist werden, wenn ein EnergieĂŒberschuß vorliegt. Auf diese Weise wird Dieseltreibstoff eingespart und die Betriebsstunden des Dieselaggregates werden verringert. Das zu entwickelnde GerĂ€t sollte folgende Funktionen zusammenfassen: *PV-Batterie-Laderegler mit MPP-Tracking, *Sinus-Wechselrichter fĂŒr Inselnetz, *Netzeinspeisung ĂŒberschĂŒssiger Energie, *Laden der Akkus aus dem Netz bei Energiemangel, *Unterbrechungsfreie Stromversorgung. Da ein GerĂ€t dieser Art vorwiegend in LĂ€ndern eingesetzt werden wird, die ĂŒber eine schlechtere Infrastruktur - nicht nur der Stromversorgung - verfĂŒgen, als Mitteleuropa, wird auf eine Hardwareumsetzung mit Standard-Elektronikbauteilen Wert gelegt. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Entwicklungsvorhaben wurde in 3 Projektphasen aufgeteilt. In der ersten Projektphase wurden die wichtigsten Arbeiten zum Schaltungskonzept und zum GehĂ€usekonzept des GerĂ€tes durchgefĂŒhrt. Vorarbeiten zur EMV-VertrĂ€glichkeit des GerĂ€tes und Recherchen nach Kooperationspartnern fĂŒr eine spĂ€tere Produktion und Vertrieb des GerĂ€tes wurden durchgefĂŒhrt. In der zweiten Projektphase wurden vor allem die Schaltungskonzepte umgesetzt. DafĂŒr sind fĂŒr jede Baugruppe des GerĂ€tes (Solarwandler mit MPP-Tracking, bidirektionaler DC/DC-Wandler, mit dem Netz synchronisierbarer Sinuswandler, MOSFET-BrĂŒcke mit FunktionsĂŒberwachung) nach und nach mehrere Prototypen-Platinen entworfen, angefertigt, ausfĂŒhrlich getestet und entsprechend verbessert worden. Die einzelnen Versuchsaufbauten wurden von einem EMV-Fachmann vermessen und erforderliche Korrekturen am Layout vorgenommen. Ein GehĂ€use wurde entworfen. Die Baugruppen wurden zu einem Gesamt-Versuchsaufbau vereint und das Betriebsverhalten untersucht. In der dritten Projektphase wurde die BetriebsfĂŒhrung entworfen, alle Layouts ĂŒberarbeitet, 3 lauffĂ€hige Prototypen aufgebaut und an ihnen das Betriebsverhalten und die EMV-Eigenschaften untersucht. Ergebnisse und Diskussion Die Entwicklungsarbeiten wurden auf das GerĂ€t 24 V / 1000 W konzentriert, da die 12 V / 500 W - Version praktisch die gleichen Produktionskosten verursacht. Es wurden einzelne Funktionseinheiten entwickelt, die sich zum Teil auch als eigenstĂ€ndige Lösung einsetzen lassen, so z.B. der MPP-Tracking-Laderegler fĂŒr 24 V / 600 W. Die Leistungsstufen sind prinzipiell auf höhere Leistungen erweiterbar. Die einzelnen Stufen der Energieaufbereitung im GerĂ€t wurden bis zur Prototypenreife entwickelt und ausfĂŒhrlich getestet. FĂŒr das ursprĂŒngliche Konzept der Akkuladung ĂŒber eine Hilfswicklung am Netztransformator wurde mit dem bidirektionalen Wandler eine elegantere Lösung gefunden. Der Energiefluß lĂ€ĂŸt sich stufenlos in beiden Richtungen regeln. Bei den Arbeiten an der BetriebsfĂŒhrung, d.h. Lademanager fĂŒr den Akku, NetzĂŒberwachung und Management fĂŒr den USV-Betrieb wurde offenbar, daß eine Realisierung mit Mikrokontroller angestrebt werden sollte, die aber den Rahmen des Projektes sprengen wĂŒrde. FĂŒr den Testbetrieb wurde daher eine manuelle Minimallösung aufgebaut, mit der sich alle BetriebszustĂ€nde untersuchen lassen. Der automatische USV-Betrieb ist damit allerdings nicht möglich. Die folgenden Funktionen wurden im Test untersucht: Ist ausreichend Sonnenenergie vorhanden, wird der Akku geladen, bis eine einstellbare Spannungsgrenze erreicht ist. Ein gleichstromseitiger Lastkreis wird bei Bedarf mit Energie versorgt. Ist der Akku geladen, darf Energie in ein externes Netz abgegeben werden, dazu wird der Wechselstrom-Lastkreis mit diesem Netz synchronisiert und bei Übereinstimmung der Parameter Spannung, Frequenz und Phase aufgeschaltet. Über eine Regelung des Stromes kann jetzt Energie ans externe Netz ĂŒbertragen werden. Wenn die Bilanz aus solar geernteter und im Lastkreis verbrauchter Energie negativ ist und der Akku eine untere Spannungsschwelle erreicht, kann auch Energie aus dem externen Netz entnommen werden. Die Entwicklung einer automatischen BetriebsfĂŒhrung mit Mikrokontroller wĂŒrde zusĂ€tzlich mindestens 6 Monate intensiver Arbeit in Anspruch nehmen. Soll eine intelligente Steuerung entwickelt werden, die verschiedene BetriebszustĂ€nde selbstĂ€ndig erkennt, sind weitere, umfangreiche Untersuchungen des Verhaltens in der Praxis nötig, die sich nur ĂŒber eine lĂ€ngerfristige wissenschaftliche Begleitung realisieren lassen. Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation Der entwickelte Prototyp des Netz-/Inselnetz-Wechselrichters wurde auf dem 11. Symposium Photovoltaische Solarenergie (April ÂŽ96) in Staffelstein mit einem Posterbeitrag und einer Veröffentlichung im Tagungsband des Symposiums vorgestellt. Fazit Aus der Kombination Laderegler, Akku, Wechselrichter und Netz-LadegerĂ€t lĂ€ĂŸt sich eine autonome Energiezentrale fĂŒr kleine Netze realisieren, die momentan weltweit auf großes Interesse stĂ¶ĂŸt. In entlegenen Regionen wird oft eine Stromversorgung mit Dieselaggregaten im KW-Bereich aufgebaut, die sich durch kleine PV-Anlagen unterhalb 1 kW ideal ergĂ€nzen lĂ€ĂŸt. Die Lebenserwartung der Dieselaggregate wird verlĂ€ngert, der Kraftstoffverbrauch reduziert. Der Akkuspeicher kann kleiner ausgelegt werden, als bei reinen PV-Systemen. Ein Marktpotential ist z.B. in SĂŒdeuropa an Stellen vorhanden, die ĂŒber kleine Dieselaggregate oder lange Netzleitungen versorgt werden.

Übersicht

Telefon

030/6185071

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Bundesland

Berlin

Fördersumme

75.444,70 €

Förderzeitraum

22.12.1994 - 21.12.1995