Planung und Umsetzung einer netzautarken, mobilen Photovoltaik-Anlage als Versorgungsstation für ein mobiles Entertainmentsystem

Inhaltsverzeichnis

1. Inhalt:

2. Allgemeines

2.1 Projekt Team

2.2 Ideenfindung

2.3 Aufgabenstellung

2.4 Zielsetzung

3. Theoretische Ausarbeitung der Komponenten

3.1 Solarzellen

3.1.1 Funktionsweise

3.1.2 Verschaltungsmöglichkeiten

3.2 Aufbau der gebräuchlichsten Solarzellen

3.2.1 Kristalline Siliziumzellen im Allgemeinen

3.2.2 Kristalline Siliziumzellen - Monokristalline Solarzelle

3.2.3 Kristalline Siliziumzellen - Polykristalline Solarzelle

3.2.4 Dünnschichtzellen

3.2.5 Dünnschichtzellen - Amorphe Siliziumzelle

3.2.6 Dünnschichtzellen - CIS/CIGS-Module

3.2.7 Dünnschichtzellen - CdTe

4. Laderegler

4.1 Die Funktionsweise eines Ladereglers:

4.2 Typen von Ladereglern

4.2.1 Serienregler

4.2.2 Parallelregler/Shuntregler

4.2.3 PMW-Regler

4.2.4 MPP-Regler

4.3 Auswahlkriterien für Laderegler

4.4 Anbieter

5. Akkumulatoren

5.1 Bleiakkumulatoren:

5.1.1 Blei-Säure Technologie:

5.2 Blei-Gel Akku und AGM Akku

5.2.1 Blei-Gel Akku:

5.2.2 AGM Akku

5.3 Unterscheidungsmöglichkeiten von Blei Akkus:

5.4 Elektromechanische Vorgänge:

5.4.1 Entladen:

5.4.2 Laden:

5.5 Chemische Reaktion

5.6 Nickel-Cadmium-Akkumulator

5.6.1 Anwendung

5.6.2 Bauarten

5.6.3 Aufbau und elektrische Vorgänge

5.6.4 Elektrodenbauarten

5.6.5 Vorteile

5.6.6 Nachteile

5.6.7 Chemische Reaktion

5.7 Lithium-Ionen-Akkumulatoren

5.7.1 Allgemeines

5.7.2 Anwendung

5.7.3 Prinzip

5.7.4 Chemische Reaktion

5.7.5 Ausführungsformen

5.7.6 Vorteile

5.7.7 Nachteile

5.8 Lithium–Eisenphosphat–Akkumulatoren

5.8.1 Allgemein

5.8.2 Vorteile der LiFePO4-Zellen

5.8.3 Nachteile der LiFePO4-Zellen

5.8.4 Bauformen

5.8.5 Wichtige Anwendungsbereiche

6. Spannungswandler

6.1 Wechselrichter

6.1.1 Allgemeines

6.1.2 Anwendung

6.1.3 Steuerung

6.1.4 Inselwechselrichter

6.1.5 Funktionsweise

6.1.6 Formen der Ausgangsspannung Inselwechselrichtern

6.2 Gleichspannungswandler

6.2.1 Allgemeines

6.2.2 Anwendung

6.2.3 Bauarten

7. Festlegung der Kenndaten der Verbraucher

7.1 Radio und Lautsprecher

7.2 5 V DC „USB“ Ausgänge

7.3 12 V DC Ausgang

7.4 230 V AC Ausgang

8. Überlegungen zum Projekt

8.1 Lösungsansatz I

8.1.1 Blockschaltbild

8.1.2 Leistungsfaktoren

8.1.3 Schematische Darstellung

8.2 Lösungsansatz II

8.2.1 Blockschaltbild

8.2.2 Leistungsfaktoren

8.2.3 Schematische Darstellung

8.3 Vor- und Nachteile der Ansätze

8.3.1 Ansatz I

8.3.2 Ansatz II

8.4 Fazit

9. Theoretische Auslegung der Anlage

10. Dimensionierung einer Insel-PV Anlage

10.1 Festlegung der wichtigsten Daten

10.2 Erfassung der wichtigsten Größen

10.3 Berechnung

10.3.1 Dimensionierung des PV Generators

10.3.2 Akkuauslegung:

11. Leitungs- und Absicherungsdimensionierung

11.1 Erfassung der einzelnen Leistungen

11.2 Berechnung des Stroms

11.3 Auslegung der Absicherung und des Leitungsquerschnittes

12. Ausgewählte Komponenten

12.1 Photovoltaikmodul

12.1.1 Technische Merkmale

12.2 Laderegler

12.2.1 Eigenschaften des Reglers

12.2.2 Technische Merkmale

12.2.3 Funktionsweise

12.3 Speichersystem

12.3.1 Technische Daten

12.4 Anzeige/USB-Lader

12.4.1 USB-Lader

12.4.2 Voltmeter

12.4.3 Zigarettenanzünderbuchse

12.5 Wechselrichter

12.6 Radio

12.7 Lautsprecher

12.7.1 Technische Daten

12.8 Sicherungshalter

12.9 Klemmen/Stecker

12.10 Netzteil

12.11 Relais

13. Dimensionierung des Gehäuses

13.1 Form

13.2 Lautsprecher

13.3 Transportmöglichkeit

14. Konstruktion des Projektes

14.1 AutoCAD

14.2 ePlan

14.3 PV-Sol

15. Dokumentation der Umsetzung des Projekts

15.1 Fertigung des Gehäuses

15.1.1 Vorbereitungsarbeiten

15.1.2 Aufbau des Gehäuses

15.1.3 Zusammenbau des Gehäuses

15.1.4 Bilder der Fertigung

15.2 Fertigung der Panelaufständerung

15.2.1 Überlegung

15.2.2 Umsetzung

15.2.3 Bilder von der Fertigung der Aufständerung

15.3 Einbau der einzelnen Komponenten

15.4 Verkabelung der Anlage

16. Funktionstest und Fehlerbehebung

17. Kostendarstellung

17.1 Bestellliste

17.2 Zur Verfügung gestellte Artikel

18. Verbesserungsmöglichkeiten

19. Projektmanagment

19.1 Meilensteine

19.2 Terminplan

20. Resümee des Projektes

21. Anhang

21.1 Quellen

21.1.1 Bücher

21.1.2 Internet

21.2 Datenblätter

21.3 Formelverzeichnis

21.4 Abbildungsverzeichnis

21.5 Tabellenverzeichnis

Zielsetzung & Themen

Das Hauptziel dieser Diplomarbeit ist die Planung, Dimensionierung und praktische Umsetzung einer mobilen, netzautarken Photovoltaikanlage zur Versorgung eines mobilen Entertainmentsystems für den Freizeitbereich. Die Forschungsfrage fokussiert sich dabei auf die Auswahl effizienter Komponenten unter Berücksichtigung von Kosten, Mobilität und einer angestrebten Systemautonomie von 30 Stunden.

• Dimensionierung von PV-Modulen und Speichersystemen für autarken Betrieb
• Vergleich verschiedener Solarzellentechnologien und Akkutypen
• Konstruktion und Fertigung eines kompakten Gehäuses zur Integration der Technik
• Erstellung einer technischen Anlagendokumentation mittels CAD-Software
• Durchführung von Funktionstests und Optimierung der Verkabelung

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

2. Allgemeines: Dieses Kapitel stellt das Projektteam vor und beschreibt die Entstehung der Projektidee aus dem Bedürfnis nach einer netzautarken Stromversorgung für Musikbeschallung auf Festivals.

3. Theoretische Ausarbeitung der Komponenten: Hier werden die physikalischen Grundlagen der Photovoltaik, insbesondere der innere Photoeffekt und der photovoltaische Effekt sowie verschiedene Zelltypen detailliert erläutert.

4. Laderegler: Das Kapitel behandelt die Bedeutung des Ladereglers als Schaltzentrale für den Schutz des Akkus vor Über- und Tiefentladung sowie die Unterschiede zwischen verschiedenen Regler-Typen.

5. Akkumulatoren: Hier werden unterschiedliche Akkumulatortechnologien wie Blei-Säure, Nickel-Cadmium und Lithium-basierte Systeme hinsichtlich ihrer Eigenschaften und Eignung für das Projekt verglichen.

6. Spannungswandler: Dieses Kapitel beschreibt Funktionsweisen von Wechselrichtern und Gleichspannungswandlern, die zur Bereitstellung der benötigten Ausgangsspannungen (230V AC und DC) notwendig sind.

7. Festlegung der Kenndaten der Verbraucher: Die Ermittlung der Leistungsaufnahme aller angeschlossenen Komponenten wie Radio, Lautsprecher und USB-Ausgänge wird hier dargelegt.

8. Überlegungen zum Projekt: Die Arbeit vergleicht zwei verschiedene Lösungsansätze bezüglich ihrer Umsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit, bevor die endgültige Entscheidung für den Prototypen getroffen wird.

9. Theoretische Auslegung der Anlage: Dieses Kapitel fasst das Blockschaltbild und die grundsätzliche Funktionsweise des Gesamtsystems zusammen.

10. Dimensionierung einer Insel-PV Anlage: Hier erfolgt die mathematische Herleitung der benötigten PV-Generatorleistung und der Akkukapazität für einen Betrieb von 30 Stunden.

11. Leitungs- und Absicherungsdimensionierung: Dieses Kapitel dokumentiert die Berechnung der benötigten Stromstärken sowie die Auswahl passender Leitungsquerschnitte und Absicherungen für alle Verbraucherkreise.

12. Ausgewählte Komponenten: Detaillierte Vorstellung der tatsächlich erworbenen Bauteile inklusive technischer Datenblätter und Begründung der Auswahlentscheidungen.

13. Dimensionierung des Gehäuses: Beschreibung der konstruktiven Überlegungen zur kompakten Unterbringung aller Komponenten unter Berücksichtigung von Transportfähigkeit und Wartung.

14. Konstruktion des Projektes: Kurzer Überblick über die verwendeten Software-Tools zur Planung wie AutoCAD, ePlan und PV-Sol.

15. Dokumentation der Umsetzung des Projekts: Detaillierte Darstellung des Bauprozesses, von der Materialwahl über die Gehäusefertigung bis hin zur Verkabelung.

16. Funktionstest und Fehlerbehebung: Dokumentation der bei der Inbetriebnahme aufgetretenen Probleme, insbesondere im Bereich der Einschaltströme und der Relais-Steuerung, sowie deren Lösungen.

17. Kostendarstellung: Aufstellung der gesamten Projektkosten inklusive einer Gegenüberstellung von käuflich erworbenen und zur Verfügung gestellten Artikeln.

18. Verbesserungsmöglichkeiten: Abschließende Reflexion über mögliche Optimierungen, die das Team bei einem erneuten Bau berücksichtigen würde.

19. Projektmanagment: Zusammenfassung der Projektphasen anhand von Meilensteinen und Zeitplan.

20. Resümee des Projektes: Persönliches Fazit der Projektgruppe zur wertvollen Lernerfahrung während der gesamten Arbeitsdauer.

Schlüsselwörter

Photovoltaik, Inselanlage, mobile Stromversorgung, Batterietechnik, Laderegler, Wechselrichter, Systemdimensionierung, Unterhaltungselektronik, Energiemanagement, Blei-Gel Akku, Nachhaltigkeit, Energietechnik, Projektarbeit, Gehäusekonstruktion, Stromlaufplan.

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?

Die Arbeit befasst sich mit der Planung, Dimensionierung und dem Bau einer tragbaren, netzautarken Photovoltaikanlage, die als mobile Stromquelle für Entertainment-Elektronik dient.

Was sind die zentralen Themenfelder des Projekts?

Die Schwerpunkte liegen auf der Photovoltaik-Technik, der Auswahl passender Speicher- und Ladetechnologien, der Gehäusekonstruktion sowie der elektrischen Anlagendokumentation.

Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?

Das Ziel ist der Entwurf eines kompakten, netzautarken Systems, das eine Betriebsdauer von 30 Stunden ermöglicht und individuell auf die Bedürfnisse musikbegeisterter Festivalbesucher zugeschnitten ist.

Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?

Das Team nutzt theoretische Berechnungen zur Dimensionierung, CAD-Software für die Konstruktion, Schaltplan-Entwürfe mittels ePlan sowie eine empirische Fehleranalyse während der Testphase.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Der Hauptteil umfasst die theoretische Ausarbeitung der Bauteile, die mathematische Anlagendimensionierung, die detaillierte Bauanleitung inklusive Fotodokumentation sowie die finale Fehlersuche.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Wichtige Begriffe sind Photovoltaik, Inselanlage, mobile Stromversorgung, Batterietechnik, Laderegler, Systemdimensionierung und Projektmanagement.

Warum wurde eine Blei-Gel-Batterie anstelle eines herkömmlichen Blei-Säure-Akkus gewählt?

Obwohl der Blei-Gel-Akku schwerer und teurer ist, wurde er aufgrund seiner Wartungsfreiheit, der Auslaufsicherheit und der Eignung für hohe Ladezyklen in Photovoltaikanlagen bevorzugt.

Wie wurde das Problem der hohen Einschaltströme des Wechselrichters gelöst?

Da der Einschaltstrom den Laderegler überlastete, wurde ein separater Stromkreis geschaffen, der den Wechselrichter direkt vom Akku speist, anstatt den Strom über den Laderegler zu leiten.