Projekt 05278/01

Entwicklung eines modular geschalteten Inverters für kleine Photovoltaikanlagen an schwachen Netzen

Projektdurchführung

Wuseltronik GbR
Paul-Lincke-Ufer 41
10999 Berlin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Entwicklung eines Solarstrom-Wechselrichters für kleine, autarke Netze, die über mehrere Energiequellen verfügen. Ziel der Entwicklung ist es, den Anwendern von Solarstrom die Möglichkeit zu geben, mit einer kleinen Anlage im Inselnetz oder netzparallel zu arbeiten. Für kleinere Verbraucher kann das Netz aufrecht erhalten werden, ohne daß ein zusätzliches Dieselaggregat laufen muß. In ein vorhandenes Netz kann eingespeist werden, wenn ein Energieüberschuß vorliegt. Auf diese Weise wird Dieseltreibstoff eingespart und die Betriebsstunden des Dieselaggregates werden verringert. Das zu entwickelnde Gerät sollte folgende Funktionen zusammenfassen: *PV-Batterie-Laderegler mit MPP-Tracking, *Sinus-Wechselrichter für Inselnetz, *Netzeinspeisung überschüssiger Energie, *Laden der Akkus aus dem Netz bei Energiemangel, *Unterbrechungsfreie Stromversorgung.
Da ein Gerät dieser Art vorwiegend in Ländern eingesetzt werden wird, die über eine schlechtere Infrastruktur - nicht nur der Stromversorgung - verfügen, 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 Gehäusekonzept des Gerätes durchgeführt. Vorarbeiten zur EMV-Verträglichkeit des Gerätes und Recherchen nach Kooperationspartnern für eine spätere Produktion und Vertrieb des Gerätes wurden durchgeführt. In der zweiten Projektphase wurden vor allem die Schaltungskonzepte umgesetzt. Dafür sind für jede Baugruppe des Gerätes (Solarwandler mit MPP-Tracking, bidirektionaler DC/DC-Wandler, mit dem Netz synchronisierbarer Sinuswandler, MOSFET-Brücke mit Funktionsüberwachung) nach und nach mehrere Prototypen-Platinen entworfen, angefertigt, ausführlich getestet und entsprechend verbessert worden. Die einzelnen Versuchsaufbauten wurden von einem EMV-Fachmann vermessen und erforderliche Korrekturen am Layout vorgenommen. Ein Gehäuse wurde entworfen. Die Baugruppen wurden zu einem Gesamt-Versuchsaufbau vereint und das Betriebsverhalten untersucht. In der dritten Projektphase wurde die Betriebsführung entworfen, alle Layouts überarbeitet, 3 lauffähige Prototypen aufgebaut und an ihnen das Betriebsverhalten und die EMV-Eigenschaften untersucht.


Ergebnisse und Diskussion

Die Entwicklungsarbeiten wurden auf das Gerät 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 eigenständige Lösung einsetzen lassen, so z.B. der MPP-Tracking-Laderegler für 24 V / 600 W. Die Leistungsstufen sind prinzipiell auf höhere Leistungen erweiterbar.
Die einzelnen Stufen der Energieaufbereitung im Gerät wurden bis zur Prototypenreife entwickelt und ausführlich getestet. Für das ursprüngliche Konzept der Akkuladung über eine Hilfswicklung am Netztransformator wurde mit dem bidirektionalen Wandler eine elegantere Lösung gefunden. Der Energiefluß läßt sich stufenlos in beiden Richtungen regeln.
Bei den Arbeiten an der Betriebsführung, d.h. Lademanager für den Akku, Netzüberwachung und Management für den USV-Betrieb wurde offenbar, daß eine Realisierung mit Mikrokontroller angestrebt werden sollte, die aber den Rahmen des Projektes sprengen würde. Für den Testbetrieb wurde daher eine manuelle Minimallösung aufgebaut, mit der sich alle Betriebszustände 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 übertragen 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 Betriebsführung mit Mikrokontroller würde zusätzlich mindestens 6 Monate intensiver Arbeit in Anspruch nehmen. Soll eine intelligente Steuerung entwickelt werden, die verschiedene Betriebszustände selbständig erkennt, sind weitere, umfangreiche Untersuchungen des Verhaltens in der Praxis nötig, die sich nur über eine längerfristige wissenschaftliche Begleitung realisieren lassen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Der entwickelte Prototyp des Netz-/Inselnetz-Wechselrichters wurde auf dem 11. Symposium Photovoltaische Solarenergie (April ´96) in Staffelstein mit einem Posterbeitrag und einer Veröffentlichung im Tagungsband des Symposiums vorgestellt.


Fazit

Aus der Kombination Laderegler, Akku, Wechselrichter und Netz-Ladegerät läßt sich eine autonome Energiezentrale für kleine Netze realisieren, die momentan weltweit auf großes Interesse stößt. In entlegenen Regionen wird oft eine Stromversorgung mit Dieselaggregaten im KW-Bereich aufgebaut, die sich durch kleine PV-Anlagen unterhalb 1 kW ideal ergänzen läßt. Die Lebenserwartung der Dieselaggregate wird verlängert, der Kraftstoffverbrauch reduziert. Der Akkuspeicher kann kleiner ausgelegt werden, als bei reinen PV-Systemen. Ein Marktpotential ist z.B. in Südeuropa an Stellen vorhanden, die über kleine Dieselaggregate oder lange Netzleitungen versorgt werden.