SPS-Nachführung

 

 

Nachführung von Solarzellen mit der C-Control-Station

 Bereits im Grundkurs 12/I "Energieumsatz in technischen Systemen" wurde im Unterricht die Umwandlung von solarer Strahlungsenergie in elektrische Energie thematisiert. Schwerpunkt der unterrichtlichen Arbeit war dabei die Optimierung der Betriebsbedingungen für Solarzellen (Leistungsanpassung, Abhängigkeit der Leistung von den Umweltgrößen Strahlungsdichte und Temperatur).

Auf Initiative des Grundkurses Technik wurde es möglich, auf dem Schuldach eine nachgeführte PV-Anlage zu installieren. Die Optimierung des Betriebszustandes durch eine Nachführeinrichtung hielt somit auch Einzug in den Unterricht.

Die Schülerinnen und Schüler übernehmen im Rahmen des Technikunterrichts die Patenschaft für die schuleigene Photovoltaikanlage auf dem Schuldach, d.h., sie kontrollieren die Anlage regelmäßig, führen ggf. kleine Wartungsarbeiten durch, stellen anderen Lerngruppen die Technik vor, registrieren den Energiegewinn und erstellen Berichte über die Wirtschaftlichkeit.

Zu Beginn der Unterrichtsreihe im Grundkurs 12/II wurden einige grundlegende Aspekte von nachgeführten Photovoltaikanlagen angesprochen. Dabei ist der durch eine Nachführeinrichtung zusätzlich zu gewinnende Energieanteil von besonderem Interesse.

 

Abb. 1: Vergleich der typischen Leistungsabgabe von stationären und  nachgeführten Solargeneratoren /1

Es fällt auf, dass der zu erwartende Energiegewinn sehr stark von dem jeweiligen Standort der Anlage abhängt. So wird verständlich, dass in Westeuropa kleinere Anlagen meist aus stationären Modulen aufgebaut werden. In Einzelfällen bietet sich eine saisonale Nachführung an. Dabei sollten die Module nach Süden geneigt sein, ca. 30° im Sommer und 70° im Winter. Bei größeren Anlagen liegt der Energiebedarf der Elektromotoren für den Antrieb bei ca. 2% des gesamten Energieertrages/1/.

 

Realisation einer Nachführeinrichtung im Unterricht

Üblicherweise werden im Unterricht Nachführeinrichtungen aus elektronischen Bauteilen aufgebaut. Besonders interessant ist eine Lösung mit zwei Operationsverstärkern, die zu einen Fensterkomparator verschaltet werden. Weiterhin kann im Unterricht mit den zwei gängigen Schnittstellen (Game-Port und LPT 1) eines Computers die Nachführeinrichtung realisiert werden. Beide Lösungen wurden von mir in dem vom Technik-Unterricht:Forum e.V. herausgegeben Heft "Elektronische und computergestützte Nachführung von Solarzellen" ausführlich dargestellt/2/.

Auf den folgenden Seiten soll die Nachführeinrichtung mit Hilfe der speicherprogrammierbaren Steuerung C-Conrol-Unit der Firma Conrad Electronic vorgestellt werden. Diese Einheit ist für  90 Euro zu erhalten und für den Einsatz im Technikunterricht bestens geeignet. Die kompakte Bauweise, die einfache Handhabung und die Spannungsversorgung mit 12 V sind dabei von besonderer Bedeutung.

  

 

Abb 2. : Aufbau der C-Control-Unit /3/

Fest eingebaut und für den Technikunterricht  interessant sind:

 

2 Temperatursensoren (T1 und T2)

4 analoge Eingänge (A1 bis A4)

6 digitale Ausgänge (P1 bis P6)

1  DCF-Funkuhr

2 Relais mit je einem Schließkontakt (K1, K1)

4 abfragbare Folientasten (F1 bis F4)

1 Frequenzmesseingang (f)

Die Einheit wurde auf einer Leiterplatte mit Hilfe einer sogenannten Hutschiene (Elektroinstallationsbedarf) befestigt.  Auf diese Art und Weise wird die SPS kompatibel zum in NRW weit verbreiteten EBS-System der Firma Niebuhr, Recklinghausen. Alle üblichen Sensoren und Aktoren lassen sich durch Lüsterklemmen mit der Unit verbinden.

Die Solarzelle wurde auf einer "Solardrehbühne" befestigt. Dieses Produkt ist für ca. 20 Euro (einschließlich Solarzelle)  ebenfalls bei der Firma Conrad Electronic zu beziehen und ermöglicht eine schnelle Realisation des mechanischen Teils der Nachführeinrichtung.

Zu Beginn der Unterrichtseinheit lernten die Schülerinnen und Schüler den prinzipiellen Aufbau von SPS-Anlagen kennen. Die Bedienung, die Programmentwicklung mit einem PC oder Notebook und den Transfer des Programms in die SPS übten die Schülerinnen und Schüler durch die Ansteuerung von Ampeln, 7-Segmentanzeigen, Motoren, Relais und Temperaturregelungen. 

 

 

Abb. 3: Montage der C-Control-Unit auf eine Leiterplatte und Integration in  das EBS-System

 

Zur Realisation der Nachführeinrichtung mussten zwei Teilprobleme (Strahlungsdichtemessung und Steuerung der Drehrichtung eines Elektromotors) gelöst werden.

Die Strahlungsdichte wird von der SPS mit Hilfe eines an einem analogen Eingang (hier A1) angeschlossenen LDR ermittelt.

 

 

Abb. 4:  Anschluss eines LDR zur Messung der Lichtintensität /3/

 Der ermittelte Zahlenwerte kann mit dem windowseigenen Hyper-Terminal-Programm auf einem Computerdisplay angezeigt werden. Das entsprechende Programm zur Anzeige des Zahlenwertes sieht wie folgt aus:

 Define A1 AD[1]

Print A1

 Für die Nachführeinrichtung müssen lediglich zwei LDR's  leicht v-förmig an zwei analoge Eingänge  angeschlossen werden. So lässt sich feststellen, welcher Widerstand die größere Strahlungsdichte misst. In Abhängigkeit vom Vergleich der beiden Strahlungsdichten muss die Ansteuerung der Drehrichtung des Elektromotors erfolgen.

Im Unterricht empfiehlt es sich, zuerst die klassische Transistorbrücke mit je 2 npn- und 2 pnp-Transistoren zu thematisieren.

 

 

Abb. 5: Ansteuerung des Elektromotors mit einer Transistorbrücke /4/

 

Im weitern Verlauf der Unterrichtsreihe kann dann der integrierte Baustein L 293 aus dem EBS-System den Schülerinnen und Schüler als elegante Lösungsalternative vorgestellt, analysiert und zur Ansteuerung des Motors verwendet werden. Dieses integrierte Bauteil ist wahrscheinlich vielen Kolleginnen und Kollegen aus der Schrittmotortechnik bekannt. Das ausführliche Datenblatt kann aus dem Internet unter: 

 http://us.st.com/stonline/books/ascii/docs/1328.htm bezogen werden.

 Die von den Schülerinnen und Schüler entwickelten Programme haben folgende Grundstruktur:

 Define A1 AD[1]

Define A2 AD[2]

Define P1 Port [1]

Define P2 Port [2]

P1=OFF

P2=OFF

 #label

If A1>A2 THEN P1=OFF

IF A1>A2 THEN P2=ON

If A1<A2 THEN P1=ON

IF A1<A2 THEN P2=OFF

If A1=A2 THEN P1=OFF

If A1=A2 THEN P2=OFF

GOTO label

 

 Da jedoch nur selten der Fall A1 = A2 auftritt, ist die Steuerung ständig aktiv und verbraucht daher auch viel Energie. Das folgende Programm berücksichtigt die Differenz der beiden Helligkeitswerte und zeigt den oben beschrieben Nachteil weniger ausgeprägt.

Define A1 AD[1]

Define A2 AD[2]

Define P1 Port[1]

Define P2 Port[2]

P1=OFF

P2=OFF

#label1

Pause 1

If A1>A2 then P1=On

If A1>A2 then P2=Off

If A1<A2 then P1=OFF

If A1<A2 then P2=On

IF A1=A2 then P1=Off

If A1=A2 then P2=OFF

IF A1-A2<150 then P1=OFF

IF A1-A2<150 then P2=OFF

If A2-A1<150 then P1=Off

IF A2-A1<150 then P2=OFF

GOTO label1

 

 

Schülerinnen und Schüler des Grundkurs 13 bei der Entwicklung des Programms

   Literaturverzeichnis:

 /1/        Muntwyler, Urs          Praxis mit Solarzellen, Franzis-Verlag, München 1993

/2/        Martin, Peter               Elektronische und computergestützte Nachführung von Solarzellen,

                                               TechnikUnterricht:Forum eV,  Duisburg 1991       

/3/        Conrad Electronic        Mitgeliefertes Handbuch C-Control-Unit

/4/        Thomsen Electronic      Datenblatt zur Motor-Steuereinheit DPS 9 (Transistorbrücke)