(Bild: Arne Bramsen)
Erschienen in: E&E September 2010, S. 61
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Der Sonne auf der Spur

Die Nutzung von erneuerbaren Energien wird erst durch den Einsatz von Elektronik richtig effizient. Das gilt auch für Solaranlagen. Diese können mithilfe spezieller Steuerungsanwendungen noch mehr Energie aus den Strahlen der Sonne gewinnen.

Fossile Energiereserven sind endlich – das ist allseits bekannt. Und wer weiß, vielleicht hat uns die Ölkatastrophe im Golf von Mexiko schneller dem Ende des fossilen Zeitalters näher gebracht als uns lieb ist. Aus diesem Grund – und auch wegen der zwingenden Notwendigkeit, aus Rücksicht auf das Klima CO2einzusparen bzw. ganz zu vermeiden – gewinnt der Einsatz von erneuerbaren Energien immer mehr an Bedeutung. Hierzu zählt zum Beispiel die Stromversorgung mithilfe von Photovoltaikanlagen. Solche Anlagen, die sich die Kraft der Sonne zu Nutze machen, erfreuen sich weltweit zunehmender Beliebtheit. Denn sie lassen sich einfach installieren, kostengünstig betreiben und können dort eingesetzt werden, wo es Sonnenlicht gibt – also praktisch überall. Das Spektrum dieser Art der Stromerzeugung reicht von kleinen Anlagen für den Privatgebrauch bis hin zu großen Solarparks, in denen bewegliche Module dem Stand der Sonne folgen. Damit Solaranwendungen die Sonnenenergie so effizient wie möglich nutzen können, bedürfen sie der Steuerung, Regelung und Überwachung. Dabei gibt es verschiedene Steuertechniken, die sicherstellen, dass die Solarzellen jederzeit, also auch bei Änderung der Sonnenrichtung, der Lufttemperatur oder der Stärke der Einstrahlung, den jeweils möglichen Maximalstrom erzeugen. Gängige Lösungen hierfür sind das Maximum Power Point Tracking (MPPT) und das Solar-Tracking. Solar-Tracker, auch als nachgeführte Photovoltaikanlagen bezeichnet, folgen im Tagesverlauf dem Sonnenstand und arbeiten daher besonders effektiv. Die am weitesten verbreitete Variante ist ein mit Solarmodulen bestückter Gestellrahmen, der auf einem Trägersystem befestigt ist. Erhältlich sind ein- und zweiachsige Solar-Tracker. Während bei dem erstgenannten System die Photovoltaikzellen der Sonne nur horizontal oder vertikal folgen, ist das andere in beiden Achsen beweglich und liefert damit die höhere Energieausbeute. Dadurch, dass die Module nicht statisch sind, können sie – unterstützt durch eine entsprechende Steuerung – dem jeweiligen Sonnenverlauf nachgeführt werden, damit die Sonneneinstrahlung stets möglichst senkrecht mit der größten Wirkung auf die Solarzellen trifft. Der Vorteil dieser Technik lässt sich auch in Zahlen ausdrücken: Ein zweiachsig nachgeführter Solar-Tracker kann einen Mehrertrag von circa 30 Prozent gegenüber einer fest Richtung Süden ausgerichteten Anlage bringen.

Große Solarparks bestehen heute zumeist aus beweglichen Solar-Modulen, die dem Stand der Sonne folgen.

* ABB

Ein Solar-Tracking-System besteht hauptsächlich aus folgenden Komponenten:Sun-Tracking-Algorithmus:Dieser Algorithmus berechnet den Azimut- (Abweichung des Sonnenkollektors von der Himmelsrichtung Süden) und Elevations-Winkel (Sonnenhöhenwinkel) der Sonne und gibt die Richtung an, in die sich das Solarpanel ausrichten soll. Er kann die Sonnenposition auf zwei Arten kalkulieren: Entweder indem er auf die in Echtzeit ermittelte Lichtintensität zurückgreift oder vorhandenes Wissen über die Bewegung der Sonne nutzt.Motion-Control-System:Es bewegt mittels eines Motors das Solarpanel, wobei ein Encoder die aktuelle Position des Panels erfasst. Diese Bestandteile des Tracking-Systems gewährleisten, dass das Panel immer auf den gewünschten Azimut- bzw. Elevations-Winkel ausgerichtet ist.Power-Quality-Monitoring-System:Um die Effizienz und das korrekte Funktionieren der Solarzelle zu überwachen, muss man den Strom, die Spannung und die Leistung, die diese erzeugt, beobachten. Verwendet man ein Solarpanel für das Sun-Tracking, kann man eine Leistungsüberwachung in das System integrieren. Die ermittelten Strom- und Spannungswerte lassen sich auch nutzen, um Maximum-Power-Point-Tracking durchzuführen.System zur Erfassung der Umgebungsbedingungen:Da sich die Umgebungsbedingungen auf die Effizienz der Solarpanels auswirken, ist es nötig, die von Sensoren gemessenen Werte über Lichtintensität, Temperatur oder Feuchtigkeit zu erfassen. Außerdem braucht man Pyranometer, die die Lichtintensität messen, wenn man diesen Wert direkt für den Sun-Tracking-Algorithmus nutzen möchte.

Sauber auf dem Wasser unterwegs

Um Vor-Ort-Steueranwendungen wie Solar- und MPP-Tracking zu realisieren, stellt zum Beispiel National Instruments diverse Produkte zur Verfügung. Etwa ein spezielles System, das Steuerungseinheiten, Antriebe und Motoren umfasst, die die Entwicklung von Motorsteuerungsanwendungen vereinfachen und sich in Datenerfassungs- und Bildverarbeitungsanwendungen integrieren lassen. Oder die Programmable-Automation-Controller(PAC)-Plattform NI CompactRIO – ein rekonfigurierbares Datenerfassungs-, Steuer- und Regelsystem für Anwendungen, die hohe Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit erfordern. Es zeichnet sich aus durch Embedded-Echtzeit- und -FPGA-Technik und einen kompakten, robusten Formfaktor – optimal für den Einsatz im Feld. Und auch die Softwareprodukte aus der Labview-Familie (z. B. NI Labview PID and Fuzzy Logic Toolkit) lassen sich für Entwicklungen in diesem Bereich verwenden. Den Beweis, dass man diese Produkte mit Gewinn für die Steuerung und Überwachung von Solarzellen einsetzen kann, hat das Solarteam des Berufsschulzentrums ROC Friese Poort in Sneek, Niederlande, erbracht. Das Team, bestehend aus acht Studenten sowie je vier Maschinenbau- und Elektroingenieuren, hat für die „Frisian Solar Challenge“ – ein Wettrennen, das in elf Städten nahe der Nordküste der Niederlande Station macht und bei dem die beteiligten Teams an sechs Tagen 220 Kilometer zurücklegen – ein komplett solarbetriebenes Boot gebaut. Es ist sechs Meter lang und erreicht eine Spitzengeschwindigkeit von 24 km/h, die Energie für den Antrieb liefern fünf Solarzellen. Im Inneren des Bootes arbeitet ein CompactRIO-System von National Instruments, das die Tüftler mithilfe Labview Real-Time und Labview FPGA programmiert haben. Dabei hat sich das ROC-Friese-Porot-Sneek-Solarteam vor allem aus folgendem Grund für den Einsatz des CompactRIO-Moduls entschieden: „Es bietet eine einzigartige Kombination von I/O-Vielfalt sowie Steuerungs- und Verarbeitungsfunktionen in einem kleinen, leistungsstarken System. Diese Tatsache ist für die Anwendung entscheidend, denn Platz ist bei unserem Boot äußerst knapp bemessen. Zudem ist es wichtig, das Gewicht sehr gering zu halten“, so Folkert Attema, eines der Teammitglieder. Das System überwacht neben der Leistung der Solarzellen und der Lithium-Polymer-Batterien auch die Kapazität. Darüber hinaus steuert es einen Dauermagnetmotor mit hohem Wirkungsgrad, der den Antrieb des Bootes übernimmt. Schließlich steuert es auch die MPPTs, die die Leistung der Solarzellen auf ein für den Elektromotor geeignetes Niveau anpassen. CompactRIO berechnet Änderungen der Arbeitspunkte der maximalen Leistung sofort und reagiert schnell auf sie. So wird sichergestellt, dass die Solarzellen immer die maximale Ausgangsleistung liefern.

Dem Maximum stets auf der Spur

Bei dem Maximum Power Point (MPP) handelt es sich um den Punkt des Strom-Spannungs-Diagramms einer Solarzelle, an dem die größte Leistung entnommen werden kann. Das heißt, es ist der Punkt, an dem das Produkt von Strom und Spannung seinen Höchstwert hat. Der MPP ist keine konstante Größe, sondern abhängig von Faktoren wie der Stärke der Bestrahlung oder der Temperatur. Dafür, dass eine Solarzelle stets am MPP operiert, sorgt ein MPP-Tracker, der die Spannung auf den benötigten Wert regelt. Hierfür variiert er den entnommenen Strom um einen geringen Betrag, berechnet das Produkt aus Strom und Spannung und stellt den Stromwert in Richtung höherer Leistung nach. Dieses Verfahren führt ein Mikroprozessor ständig aus, so dass auch bei sich verändernden Bestrahlungsverhältnissen immer eine Leistungsanpassung vorgenommen wird. Mit MPPT lässt sich also die Effizienz von Solarenergie-Systemen steigern – was wiederum den Vorteil bietet, dass sich die Anzahl der benötigten Solarzellen reduzieren lässt. Ein Unternehmen aus der Elektronikbranche, das sich mit seinen Produkten unter anderem auch in diesem Bereich tummelt, ist Infineon. So hat der Solarexperte Dr. Gerald Deboy mit seinem Team in der österreichischen Niederlassung in Villach einen MPP-Tracker mit integriertem Halbleiter-Know-how von Infineon entwickelt. Es ist ein kleines Zusatzgerät, das auf jedem Solarpanel angebracht wird. Er sorgt dafür, dass bei Beschattung einzelner Panels die Leistung der anderen Panels nicht in Mitleidenschaft gezogen wird und sich damit der maximal verbleibende Ertrag der gesamten Solaranlage gewinnen lässt. Der Mikroinverter des Halbleiterherstellers, der zur direkten Erzeugung von Wechselstrom aus dem einzelnen Solarpanel dient, gewährleistet hohe Effizienz und einfaches Installieren und Warten. Auch National Semiconductor ist in der Photovoltaik-Industrie aktiv: „Unsere Power-Management-Elektronik wird in beinahe zwei Dritteln des Wechselrichter und Anschlussdosen-Markts eingesetzt, und schon jetzt sind Photovoltaik-Anlagen mit einer Gesamtleistung von über 100 MW mit unseren SolarMagic-Überwachungs- und -Managementlösungen bestückt“, erklärt Mike Polacek, Senior Vice President der Key Market Segments Group von National Semiconductor. Erst jüngst hat das Unternehmen auf der Intersolar Europe in München seinen aktuellen SolarMagic-Chipsatz SM3320 für den Einbau in Photovoltaik-Panels vorgestellt. Als komplette Platine konfektioniert, oder auch als reiner Chipsatz, umfasst der SM3320 zehn proprietäre Analog- und Mixed-Signal-ICs, die die zuverlässige digitale Regelung im Verbund mit analogen Mess- und Kommunikations-Funktionen übernehmen. Proprietäre Algorithmen für das lokale MPP-Tracking ergeben eine maximale Energieausbeute, indem sie die Spannung und den Strom am Eingang in jene Spannungs-/Strom-Kombination umwandeln, die einen größtmöglichen Energiefluss ergibt. Dabei arbeitet der Chipsatz kognitiv: Das System erfasst die Eingangsspannungen und Ströme im gesamten Array und optimiert die Werte der einzelnen Strings. Das Platinensystem lässt sich mit seinen Abmessungen von 12,7 cm x 8,9 cm x 1,2cm einfach in die Anschlussdose einbauen, mit der jedes Panel ohnehin ausgestattet ist. Gegenwärtig wird es von Partnerunternehmen, wie etwa QC Solar, im Anschlussdosen- und Modulbereich integriert.

Quellen:

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