Diese Anwendungsbereiche reichen von mobilen Autobahnschildern und Warnleuchten in Baustellenbereichen bis hin zu abgelegenen Pumpstationen und Kommunikationstürmen. Tatsächlich entwickelt sich Solarenergie zu einer praktikablen Energiequelle für eine ganz neue Generation netzunabhängiger Anwendungen.
Es gibt immer einen Grund, warum eine Anwendung nicht direkt über das Stromnetz versorgt werden kann: Die Geräte müssen möglicherweise mobil sein, wie beispielsweise Verkehrsschilder oder Warnleuchten in Baustellenbereichen; oder, wie bei Umspannwerken und Telekommunikationstürmen, der Standort ist schlichtweg zu abgelegen, um an das Stromnetz angeschlossen zu werden.
Einige der wichtigsten Designentscheidungen für die Stromversorgung netzunabhängiger Anwendungen mit Solarenergie hängen mit den spezifischen Vor- und Nachteilen des jeweiligen Stromversorgungssystems zusammen. Diese Aspekte werden primär durch die Art der Last und die Bedarfsmuster bestimmt, die für jede Anwendung individuell sind.
Lastanalyse.
Abbildung 1 zeigt das Blockdiagramm eines übergeordneten Systems, das die Grundlage für alle Solarenergieanlagen bildet. Ein umfassendes Verständnis der wichtigsten Lastmerkmale und ihres zeitlichen Verlaufs ist zu Beginn des Planungsprozesses unerlässlich, um für jede Anwendung ein Gleichgewicht zwischen aufgenommener, gespeicherter und verbrauchter Energie zu erreichen.
Lasten gibt es in verschiedenen Formen und Größen: Sie können konstant oder variabel sein, Tag oder Nacht; und sie können intermittierend sein oder 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche in Betrieb sein.
Die Analyse der Lastart und des Lastverhaltens jeder Anwendung bestimmt die Systemimplementierung. Beispielsweise weisen Warnblinkanlagen in Baustellenbereichen eine konstante, eine gepulste und eine Nachtlast auf. Diese Last kann tagsüber geladen werden, und die Batteriegröße kann so gewählt werden, dass die Warnblinkanlagen die ganze Nacht über ausreichend Strom haben. Im Gegensatz dazu benötigt eine Autobahnampel eine gepulste Last, die Tag und Nacht in Betrieb ist. In diesem Fall müssen Batterie und System so dimensioniert sein, dass sie tagsüber eine konstante Last versorgen und gleichzeitig den Akku aufladen, damit die Ampel auch nachts funktioniert.
Eine Pumpe müsste zwar Tag und Nacht laufen, ihre Last wäre jedoch eher intermittierend als konstant. In diesem Fall müsste ein Systemausfall analysiert und das System so ausgelegt sein, dass es auch den schlimmsten Fall bewältigen kann, einschließlich eines Notstromsystems für den Fall, dass die Solarenergie nicht ausreicht. Eine Regenwasserpumpstation benötigt beispielsweise ein Notstromsystem, da bei Regen nur sehr wenig Sonnenlicht zum Laden der Batterien vorhanden ist – und genau dann, wenn das System am stärksten beansprucht wird: während oder nach dem Regen.
Jede netzunabhängige Anwendung hat ihre eigene Lastart; Abbildung 2 zeigt die Lastmuster für eine Warnleuchte, ein Verkehrsschild und eine Pumpe.
Entscheidend ist die Kenntnis der durchschnittlichen Tageslast anhand ihrer Größe, Häufigkeit und ihres Betriebsverhaltens. Sobald die Last und ihre Betriebsbedingungen bekannt sind, lässt sich der Energiespeicherbedarf relativ einfach spezifizieren.
Energiespeicherung:
Der grundlegende Energiespeicherbedarf lässt sich mithilfe einer einfachen Energiebilanzmethode über einen Zeitraum von 24 Stunden berechnen. Abbildung 3 zeigt die Betriebsbedingungen und deren Einfluss auf die Batteriegröße. Die Speicherkapazität wird anhand der linken Seite dieser Tabelle bestimmt.
Die Last kann vorhersehbar sein, wie beispielsweise bei blinkenden Straßenlaternen, oder stark schwanken, wie bei Pumpenanwendungen. Der Umgang mit variablen Lasten umfasst zwei mögliche Szenarien: den Normalbetrieb, der 95 % der Fälle abdeckt, und den Worst-Case-Betrieb, der die restlichen 5 % abdeckt. Unter normalen Bedingungen kann der Energiespeicher tagsüber aufgeladen werden und verfügt über ausreichend Speicherkapazität, um die Last die ganze Nacht über zu versorgen. Im Worst-Case-Szenario hingegen könnte die Pumpe in der Dämmerung anlaufen und die ganze Nacht unter Volllast laufen. Die folgende Gleichung zeigt den erforderlichen Energiespeicher im Worst-Case-Szenario, indem die maximale stündliche Lastenergie über den Zeitraum ohne Aufladen konsolidiert wird.
Erforderlicher Energiespeicher = Maximale Energie der Last pro Stunde * (24 Stunden - Lastzeit)
Im ungünstigsten Fall wird davon ausgegangen, dass noch Restenergie im Akku oder Speicherelement vorhanden ist. Die Auswirkungen eines nicht vollständig geladenen Akkus vor dem Betrieb sollten jedoch berücksichtigt werden.
In allen Anwendungsfällen sind die Folgen und Kosten eines Ausfalls, beispielsweise durch ein nicht funktionierendes Warnsignal oder eine ausfallende Pumpe, von entscheidender Bedeutung. Eine naheliegende Methode zur Risikominderung ist die Vergrößerung des Energiespeichers. Dennoch gibt es immer einen absoluten Worst-Case-Fall. In Situationen, in denen ein Ausfall nicht toleriert werden kann oder die maximale Leistung selten benötigt wird, kann das System für den Normalbetrieb ausgelegt und ein Backup-System, wie beispielsweise ein Dieselgenerator, hinzugefügt werden.
Die linke Seite von Abbildung 3 zeigt die Anforderungen an den Energiespeicher, während die rechte Seite zur Dimensionierung der Solaranlage verwendet werden kann.
Dimensionierung von Solarmodulen:
Wenn die Lastanforderungen genau bekannt sind, kann die Größe der Solarmodule angepasst werden. Gemäß Abbildung 3 sollten die Solarmodule so dimensioniert sein, dass sie die Energiespeicherkapazität innerhalb der vorgegebenen Lastzeit abdecken und gleichzeitig die durchschnittliche Lastabgabe während dieses Zeitraums bewältigen können. Dieser übergeordnete Zusammenhang wird durch die folgende Gleichung beschrieben:
Ausgangsleistung des Solarmoduls =
Energiespeichergröße +
Ladezeit
+ Durchschnittliche Ladeleistung
Mithilfe einer vereinfachten Energiebilanzmethode lässt sich die Größe von Energiespeicherkomponenten und Solarmodulen abschätzen. Um die geschätzten Dimensionen zu präzisieren, müssen jedoch weitere interne und externe Faktoren berücksichtigt werden.
Ein entscheidender externer Faktor ist der Standort, insbesondere der Breitengrad der netzunabhängigen Anwendung. Dieser allein bestimmt die zu erwartende maximale Sonneneinstrahlung sowie deren Schwankungen im Jahresverlauf. Die geringste Sonneneinstrahlung tritt in den Wintermonaten, die höchste im Sommer auf, bedingt durch die Lage des Standorts zur Sonne.
Weitere externe Faktoren sind Bewölkung und Umgebungstemperatur, die die zu erwartende Sonneneinstrahlung und damit die Energieumwandlungseffizienz negativ beeinflussen können. Diese externen Faktoren variieren je nach Anwendung und Standort.
Interne Faktoren wie die Systemarchitektur und ihre Schnittstellen beeinflussen ebenfalls die Größe der Systemkomponenten. In den vorherigen Beispielen bestimmen die Größe des Energiespeichers und der Solarmodule die erzeugbare Energie und Leistung. Da ein Wirkungsgrad von 100 % jedoch nicht realisierbar ist, müssen diese unvermeidbaren Verluste berücksichtigt werden. Daher ist es unerlässlich, die Leistungselektronik bei der Berechnung der benötigten Energie zu berücksichtigen.
Leistungselektronik:
Das Systemblockdiagramm in Abbildung 1 erläutert zwar die Energiebilanz, doch sind weitere Informationen erforderlich, um die internen Faktoren zu berücksichtigen, die die Bauteilgröße beeinflussen. Abbildung 4 liefert detailliertere Informationen zur Systemimplementierung und behandelt zudem Fragen, die die Strategie für die Leistungselektronik betreffen.
Die Leistungsstrategie basiert auf einem Mikrocontroller und bietet dadurch hohe Flexibilität. Sie ermöglicht die Verwendung eines Standard-Referenzdesigns für vielfältige Anwendungen und berücksichtigt gleichzeitig spezifische Anwendungsanforderungen sowie erweiterte Funktionen. Ein mikrocontrollerbasiertes Leistungsdesign unterstützt nicht nur die grundlegende Leistungswandlung, sondern bietet auch Flexibilität bei der Auswahl wichtiger Komponenten; es ermöglicht Anpassungen und die Optimierung verschiedener Betriebszustände. Darüber hinaus lassen sich erweiterte Funktionen wie Kommunikation und Diagnose, die mit einem dedizierten, eigenständigen Leistungswandler nicht realisierbar wären, mit einem mikrocontrollerbasierten Design problemlos implementieren.
Bei dieser Implementierung beziehen sich die Hauptfragen auf die Last: Welcher Art ist die Last und wie wird sie gesteuert? Wird eine Spannung oder ein Strom benötigt und welche Genauigkeit muss der Sollwert für Strom oder Spannung aufweisen? Die Laststeuerung kann so einfach wie ein Relais oder so komplex wie ein Dreiphasenwechselrichter sein, aber beide benötigen eine Ladefunktion, die Solarenergie zum Laden des Energiespeichers nutzt und, wenn möglich, eine maximale Leistungsspitzennachführung (MPPT) ermöglicht.
Eine der ersten Entscheidungen betrifft die Wahl zwischen einer Common-Rail- und einer verteilten Stromversorgungsarchitektur. Abbildung 5 verdeutlicht den Unterschied zwischen diesen Architekturen, wobei das Lastverhalten den Hauptfaktor für diese Entscheidung darstellt. Benötigt die Last eine konstante Spannung, ist die in Abbildung 5a dargestellte Stromversorgung die beste Wahl. In diesem Fall reduziert sich der Laderegler auf ein einfaches Relais oder einen Halbleiterschalter. Der Solar-DC/DC-Wandler hält die Common Rail auf dem Sollwert, und der Akkulader wird über den Bus mit Strom versorgt, um den Energiespeicher zu laden. Die Vor- und Nachteile dieser Lösung liegen in den Leistungswandlungsschritten: Bei einem angenommenen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 85 % der Leistungswandlung entstehen dennoch 15 % Wandlungsverluste. Kann der Solar-DC/DC-Wandler die Last bewältigen, ist nur ein Wandlungsschritt erforderlich. Zum Laden des Akkus sind jedoch zwei Wandlungsschritte notwendig: der erste vom Solar-DC/DC-Wandler zur Common Rail, der zweite von der Common Rail zum bidirektionalen DC/DC-Wandler und der dritte vom bidirektionalen CC/CC zur gemeinsamen Leitung.
Eine Common-Rail-Leitung kann auch verwendet werden, wenn das Laden nur nachts erforderlich ist, wenn der Solar-DC/DC-Wandler nicht in Betrieb ist. In diesem Fall kann der Solar-DC/DC-Wandler entfallen, und der bidirektionale DC/DC-Wandler des Energiespeichers kann zum Laden der Batterie über die Solarmodule genutzt werden; alternativ kann eine alternative Stromquelle zur Versorgung der Last verwendet werden. In diesem Szenario sind nur zwei Wandlungsschritte erforderlich: vom Solar-DC/DC-Wandler zum bidirektionalen DC/DC-Wandler und vom bidirektionalen DC/DC-Wandler zur Last.
Die in Abbildung 6 dargestellte verteilte Architektur ist flexibler und kann unterschiedliche Ladeanforderungen erfüllen. Der Solar-DC/DC-Wandler kann beispielsweise zur Unterstützung der Energiespeicherung für die Last verwendet werden, während der DC/DC-Wandler an die Anforderungen der Last angepasst werden kann. Der Nachteil dieser Option besteht darin, dass immer zwei Wandlungen erforderlich sind. Sie ist jedoch die beste Lösung, wenn die Solarmodule und die Last gleichzeitig betrieben werden sollen.
Vorgeschlagener Schaltungsentwurf:
Diese Übersicht der Stromversorgungsarchitektur lässt sich auf ein einfaches Beispiel mit geringem Stromverbrauch für Gefahrensignalanlagen in Baustellen anwenden. Die Signalgeber sind nur nachts in Betrieb und werden die restliche Zeit vom Akku vollständig aufgeladen. Dadurch kann eine gemeinsame Busarchitektur verwendet werden. Da die Gefahrensignalgeber nur geladen werden oder blinken, lässt sich die Topologie vereinfachen, indem Solar-DC/DC-Wandler, bidirektionaler DC/DC-Wandler und Laststeuerung in einem einzigen bidirektionalen Wandler kombiniert werden. Abbildung 6 zeigt den vorgeschlagenen Schaltungsentwurf.
Diese Schaltung verwendet einen Microchip PIC16F690 Mikrocontroller und zwei MCP1630 analoge PWM-Controller zur Ansteuerung eines bidirektionalen Sperrwandlers. Tagsüber wird Solarenergie zum Laden der Batterie genutzt. Sobald die Nacht durch eine Warnung wegen niedriger oder fehlender Leistung des Solarpanels erkannt wird, versorgt der Wandler die LED mit Strom und legt dabei ein programmiertes Blinkmuster an. Die dieser Schaltung zugrunde liegenden Annahmen und Berechnungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Fazit:
Die geringeren Kosten von Solaranlagen werden es mehr netzunabhängigen Anwendungen ermöglichen, Solarenergie zu nutzen. Der Erfolg dieser neuen Solarenergiesysteme hängt vom Verhältnis zwischen Vor- und Nachteilen, Größe und Kosten sowie der Wahl einer geeigneten Topologie für die jeweilige Anwendung ab.
Die Verwendung eines Mikrocontrollers als Basis für die Energieumwandlung bietet ein hohes Maß an Flexibilität. Sie unterstützt nicht nur eine breite Palette von Endanwendungen auf Basis eines standardisierten Referenzdesigns, sondern gewährleistet auch die zukünftige Nutzbarkeit des Designs im Zuge der Weiterentwicklung der nächsten Generation von Photovoltaik-Solartechnologien.
Autor:
Von Stephen Stella, Direktor für Produktlinienmarketing, Abteilung Analog- und Schnittstellenprodukte, Microchip Technology Inc.
