Die Energiekrise der 70er Jahre hat deutlich gemacht, daß die bis dahin betriebene Energiepolitik die Menschheit in doppeltem Sinn in eine Sackgasse geführt hat, nämlich zu einem stetig schwindenden Vorrat an fossilen Energieträgern und zu den damit verbundenen Umweltproblemen. Fossile Energieträger (Öl, Kohle, Erdgas) decken derzeit etwa 90% des Weltenergieverbrauchs. Wasserkraft und Kernenergie stellen ergänzende Faktoren mit einigen Prozenten dar. Fest steht, daß die heutigen Hauptenergieträger in absehbarer Zeit zur Neige gehen und daher durch neue ersetzt werden müssen. Diese müssen nicht allein regenerativ, sondern auch umweltverträglich sein, da mittlerweile erkannt worden ist, daß die bei der Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzten Schadstoffe Umweltprobleme mit sich bringen, die nicht mehr länger vernachlässigt werden können.
Die seit dieser Zeit intensiv vorangetriebene Suche nach alternativen Energiequellen führte zwangsläufig zur Energiequelle "Sonne", jener Quelle, aus der die Erde seit Jahrmilliarden ihren Energiebedarf deckt. Während die Natur jedoch ihre eigenen Verfahren hat, um diese Energiequelle zu nutzen, muß sich der Mensch technischer Hilfmittel bedienen, um diese Energie für sich nutzbar zu machen. Dabei stehen zur Gewinnung elektrischer oder thermischer Energie aus der Sonnenenergie die unterschiedlichsten Verfahren zur Verfügung. Eines dieser Verfahren ist die Photovoltaik - die Gewinnung elektrischer Energie aus dem Sonnenlicht auf direktem Weg. Dank des an der HTL-St.Pölten installierten Solarkraftwerks sind wir an der Abteilung Elektrotechnik - Energietechnik und Leistungselektronik in der Lage, uns intensiv mit dieser zukunftsweisenden Technologie auseinanderzusetzen.
Das Solarkraftwerk wurde von der EVN finanziert und im Jahr 1989 auf dem Dach der KFZ-Halle errichtet. Die erforderliche Steuerelektronik, die Meß- und Zusatzeinrichtungen sind in einem Raum darunter untergebracht. Nach einer Bauzeit von ca. 3 Monaten konnte die Anlage im Herbst 1989 in Betrieb gehen. Sie ist mit einer Gesamtleistung von 20 kWp die derzeit zweitgrößte in Österreich.
Aufbau der Anlage:
Das Solarkraftwerk besteht aus zwei voneinander unabhängigen photovoltaischen Anlagenteilen, einem 15 kWp System für Netzeinspeisung und einem 5 kWp Inselbetrieb, sowie allen erforderlichen Nebenanlagen.
Netzparallelbetrieb:
Dieser Teil der Anlage wird parallel zum elektrischen Verbundnetz betrieben. Das heißt, der von den Solarzellen erzeugte Gleichstrom wird über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt und in das elektrische Verbundnetz eingespeist. Der Vorteil dieser Variante liegt darin, daß hier kein Energiespeicher erforderlich ist. Das Netz übernimmt die Speicherfunktion. Übersteigt die Solarstromproduktion den momentanen Energiebedarf der Anlage, so wird elektrische Energie in das Netz geliefert. In Zeiten zu geringer Energieerzeugung wird elektrische Energie aus dem Netz bezogen. Daraus ergeben sich eine Reihe von Problemen, die keineswegs nur bei photovoltaischen Anlagen auftreten, sondern prinzipiell die Einspeisung elektrischer Energie durch "Kleinkraftwerke" betreffen.
Bild 1 Netzparallelbetrieb
Technische Daten:
Solargenerator:
Modul:
Wechselrichter:
Inselbetrieb:
Die PV-Anlage für den Inselbetrieb wird mit einem elektrischen Energiespeicher betrieben. Bei einem Überangebot an Solarenergie wird diese in einer Batterie gespeichert. Die Verbraucher werden über einen Wechselrichter mit Wechselspannung versorgt. Den Schutz der Batterie vor Überladung und Tiefentladung übernimmt ein Laderegler. Mit der von dieser Anlage erzeugten Energie wird ein Testhaushalt versorgt. Die Geräte dieses Haushalts werden durch einen Rechner aus- und eingeschaltet, um so das Langzeitverhalten einer Haushaltsversorgung zu simulieren und zu testen.
Bild 2 Inselbetrieb
Technische Daten:
Solargenerator:
Modul:
Wechselrichter:
Installierte Geräte
An jeder Anlage werden neben den elektrischen Daten auch noch eine Reihe von meteorologischen Daten erfaßt, wie z.B. Temperatur, Windgeschwindigkeit, Einstrahlung. Damit ist es möglich, genaue Aussagen über den Einsatz von Photovoltaikanlagen zu erhalten.
| Erzeugte Energie | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Jan | Feb | Mar | Apr | Mai | Jun | Jul | Aug | Sep | Okt | Nov | Dez |
| 2.6 | 6.5 | 9.1 | 7.3 | 11.5 | 9.9 | 6.0 | 10.6 | 6.0 | 6.3 | 2.0 | 1.5 |
Systemwirkungsgrad als Funktion der Energie:
| Systemwirkungsgrad | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| kWh/m2 | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 5.0 | 6.0 | 7.0 |
| % | 0.6 | 4.1 | 6.4 | 7.2 | 7.7 | 8.0 | 8.4 | 8.7 | 8.8 | 9.0 | 9.0 |
Was kostet Solarzellenstrom heute ?
Aufgrund der gemessenen Daten und der Anlagenkosten ergibt sich bei einer angenommenen Lebensdauer von 20 Jahren ein Preis von ca. 18 öS/kWh.
Solarkraftwerk und Schulbetrieb
Eine Besonderheit dieser Anlage besteht zweifelsfrei darin, daß sämtliche Meßwerte und Daten, die in der Anlage erfaßt werden, auch der HTL gesondert zur Verfügung gestellt werden. Über eigene Meß- und Steuerleitungen sind wir in der Lage, die gesamte Anlage vom Labor aus zu überwachen und zu steuern. Durch diese Besonderheit können wir in der Abteilung Elektrotechnik unseren Schülern diese Technologie hautnah präsentieren und sie an einer realen Anlage arbeiten lassen.
Ausbildung an der HTL-St.Pölten
Gerade an einer Schule wie der HTL, in der die zukünftigen Ingenieure ausgebildet werden, ist eine Beschäftigung mit alternativen Energieformen ganz besonders wichtig. Die Schüler von heute werden morgen mit den Problemen der Energieversorgung konfrontiert sein und sich mit der Photovoltaik verstärkt auseinanderzusetzen haben.
An der HTL-St.Pölten, Abteilung Elektrotechnik - Energietechnik und Leistungselektronik, wird dieser Entwicklung ganz besonders Rechnung getragen. Neben der grundlegenden Ausbildung über Projektierung und Bau von Energieversorgungsanlagen wird hier in einem zweistündigen Freigegenstand "Prozeßleittechnik an einer Photovoltaischen Versuchsanlage" im 4. und 5. Jahrgang ganz gezielt die Solartechnologie vermittelt. Durch diese Ausbildung soll der Absolvent in der Lage sein, später einmal selbständig Solaranlagen zu planen, zu errichten und in Betrieb zu nehmen.
Darüber hinaus wird im Rahmen des Projektunterrichts mit Schülern der Abschlußklassen an der Photovoltaik-Anlage gearbeitet und geforscht. Diese Projekte werden von Gruppen zu je zwei Mann in selbständiger Arbeit durchgeführt. Die Projektdauer erstreckt sich über das gesamte Schuljahr. Die dabei durchzuführenden Tätigkeiten reichen von der Planung über die Durchführung bis hin zur Inbetriebsetzung und erlauben so dem Schüler eine optimale Vorbereitung auf das spätere Berufsleben.
Projekte an der Abteilung Elektrotechnik
Prozeßüberwachung für die Netzeinspeisung
Bei diesem Projekt wurde von den Schülern eine rechnergestüzte Meßdatenerfassung entwickelt, die es erlaubt, die Netzeinspeisung von der Schule aus mit einem PC zu überwachen. Alle erfaßten Meßwerte können archiviert werden und stehen damit für eine spätere Auswertung zur Verfügung.
Steuerung eines mit Solarstrom versorgten Haushalts
Mit diesem Programm sollen die in einem Haushalt vorhandenen Geräte (Licht, Heizung, Waschmaschine, Kühlschrank etc.) entsprechend ihrer Priorität gesteuert werden. Dabei muß laufend die eingestrahlte Energie und der momentane Ladezustand der Speicherbatterien berücksichtigt werden, um eine Tiefentladung der Batterien zu vermeiden und die vorhandene Energiemenge optimal zu nutzen. Darüber hinaus soll auch noch die aktuelle Wetterprognose berücksichtigt werden, um so zu entscheiden, welche Energiemenge in der nächsten Zeit noch zu erwarten ist.
Jedesmal, wenn ein Gerät eingeschaltet werden soll, ist die energiemäßige Konsequenz zu kontrollieren. So darf z.B. während einer Schlechtwetterperiode ein Gerät der "Luxuskategorie" wie z.B. ein Geschirrspüler nur dann betrieben werden, wenn die Versorgung mit absolut notwendiger Energie für z.B. Licht oder Heizung nicht gefährdet ist.
Entwicklung einer Regelung für optimalen Betrieb eines Solarmoduls
Solarzellen haben die Eigenschaft, daß sie nur in einem einzigen Betriebspunkt wirklich optimal arbeiten, d.h. die maximale Leistung abgeben. Dieser Betriebspunkt hängt naturgemäß stark von der eingestrahlten Energie, aber auch von der Temperatur und der Belastung der Zelle ab.
Bei dem vorliegenden Projekt soll nun ein Gerät entwickelt werden, mit dem dieser optimale Betriebspunkt eingestellt und während des Betriebs gehalten werden kann. Dazu muß das Gerät selbständig Einstrahlung und Temperaturänderungen erkennen und darauf reagieren können.
Erweiterung der Meßwerterfassung
Mit dem derzeit vorhandenen Meßsystem können maximal 16 Meßwerte zugleich gemessen werden. Die Schüler haben nun die Aufgabe, eine Schaltung zu entwickeln, die es gestattet, alle von der Anlage zur Verfügung gestellten Meßwerte zu erfassen und in einem Rechner zu speichern.