Smart Solar oder „Wie kommt mehr Strom in die Steckdose?“

13.10.2021: Sind bewegliche Solar-Paneele ein Schritt zur Optimierung in der Energiegewinnung? Diese Frage stand am Anfang des Photovoltaik-Projekts. Das Team, bestehend aus 4 Valyue-IngenieurInnen, berichtet über ihre Erfahrungen auf dem Weg zur Antwort. Was sie dabei erlebt haben, lesen Sie hier …
 
Warum folgen die Solar-Paneele eigentlich nicht dem Lauf der Sonne? Gibt es da kein Optimierungspotenzial?“ Oleg, Senior Software-Entwickler, stellte sich die Frage, als er an einem Solarpark vorbeifuhr. Im Rahmen des Smart Solar Projekts wollen er und seine KollegInnen dieser Frage nachgehen. Solaranlagen, egal ob auf dem Dach oder auf Grünflächen, sollen das Optimum der Sonneneinstrahlung in elektrischen Strom umwandeln. Dazu werden sie, je nach baulichen Gegebenheiten, mit einem fixen Neigungswinkel verbaut, der nur einen Kompromiss darstellt, da sich der Einstrahlwinkel und somit der optimale Neigungswinkel der Paneele im Tagesverlauf ändert. Es gilt herauszufinden, wie stark eine vertikale Veränderung der Paneel-Neigung die Menge an elektrischer Energie erhöht.
 
Technische Beschreibung
Um den Unterschied zwischen statischen und sich am Sonnenstand ausrichtenden Paneelen empirisch messen zu können, haben die Valyue SpezialistInnen einen doppelten Versuchsaufbau konstruiert. Hinter den beiden Paneelen (statisch/ variabel) steht ein komplexer Mess- und Dokumentationsaufbau, um die Energieströme auslesen, speichern und analysieren zu können. Das Projekt besteht aus den folgenden Sprints:

• Sprint 1

Aufbau der Paneele und mechanische Ausrichtung
Embedded System – Hardware und Funktionsentwicklung

• Sprint 2

Stromspeicher und Battery Management System (BMS)
Messung der Energieströme – make or buy?

• Sprint 3

IoT oder wie die Daten zu Valyue kommen
Datenkonsolidierung und –analyse

 
Aufbau der Paneele und mechanische Ausrichtung
Das bewegliche Paneel wird von einem Schrittmotor (Schutzart IP65/ Wasser- und Staubschutz) dem täglichen Weg der Sonne nachgeführt. Aus dem Ruhemodus, in den sich das Paneel abends und bei Unwetter automatisch absenkt, fährt es kurz vor Sonnenaufgang in die maximale Position von 90°, um möglichst viel der Sonnenenergie aufzunehmen. Im Laufe des Tages senkt sich das Paneel bei Sonnenhöchststand auf 25° ab, um sich danach wiederaufzurichten. Die Justierung des beweglichen Paneels erfolgt alle 15 Minuten. Die Daten für die exakte Ausrichtung des Paneels am Sonnenstand werden mittels eines selbst erstellten Algorithmus ermittelt. Dieser enthält Daten und Berechnungsformeln der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), die exakte Position des Paneels sowie die aktuelle Zeit.

 
Embedded System – Hardware und Funktionsentwicklung
Als Hardware-Plattform standen Prozessorboards von Arduino und Raspberry Pi zur Auswahl. Boards von  Arduino (Uno/ Nano) haben die Wahl aufgrund der günstigeren elektrischen Verbrauchswerte und der plattformunabhängigen Integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) für sich entschieden.

 
Stromspeicher und Battery Management System (BMS)
Die gewonnene Energie wird aktuell in einer handelsüblichen 12V Autobatterie gespeichert. Aufgrund des hohen Stromflusses ist der Ladestatus ständig bei 100%. Da eine Messung nur bei fließendem Strom möglich ist, haben die KollegInnen ein smartes „Battery Management System“ (BMS) entwickelt. Es sorgt durch gezielten Verbrauch vor den Messungen für ausreichend zur Verfügung stehende Ladekapazität und gleichzeitig für einen ständig geladenen Stromspeicher.

 
Messung der Energieströme – make or buy?
Geplant war, die Messung der Energieströme mit einem externen Messgerät durchzuführen. Da die am Markt verfügbaren Geräte entweder nicht den Anforderungen (Verhältnis aus Qualität und Genauigkeit zu Kosten) entsprachen oder diese weit übertrafen, hat sich das Team entschieden, selbst ein Messgerät zu entwickeln und zu bauen. Durch an das Arduino-Board angeschlossene Sensoren und selbst in C entwickelte Funktionen werden die Messungen (Stromstärke/ Ampere und Spannung/ Volt) mit einer Eigenlösung durchgeführt. Die dabei ermittelten Werte werden alle fünf Sekunden auf einer SD-Karte gespeichert, um …

 
IoT oder wie die Daten zu Valyue kommen
… mittels des auf dem Board integrierten WLAN-Moduls, in Echtzeit auf den Valyue Server übertragen, gespeichert und zur Auswertung bereitgestellt zu werden. Für die Übertragung wird das MQTT Protokoll eingesetzt, dass im IoT Bereich für die drahtlose Kommunikation zwischen Sensor und Server/ Cloud verwendet wird.

 
Datenkonsolidierung und -analyse
Ziel des Projekts ist es mit empirisch erhobenen Daten eine Aussage zu treffen, wie groß der Unterschied der Stromerzeugung zwischen einem fixen und einem sich dem Sonnenstand anpassenden Paneel wirklich ist. Dazu wird auf die serverseitig gespeicherten Daten zugegriffen, Messreihen verglichen und ausgewertet, um Trends zu erkennen. Als Ergebnis kann das Team vorweisen, dass bei wechselnden Wetterbedingungen das bewegliche Paneel eine im Schnitt 17 Prozent höhere Strommenge generieren konnte als das fix montierte.

 
Fazit
Die Frage, ob sich ein Business Case für die Flexibilisierung von Sonnenkollektoren im privaten Haushalt rechnet, lässt sich bei unserem Versuchsaufbau mit einem eindeutigen Ja beantworten. 17 Prozent auf einer durchschnittlichen Anlage von 20qm (privates Einfamilienhaus/ 2kWp) ergeben über die Laufzeit von 20 Jahren im Vergleich zum Fremdbezug von aktuell 0,3€/ kWh eine erkleckliche Summe. Valyue ist damit in der Lage, mit individuellen Messungen vor-Ort Daten zu sammeln und diese auszuwerten, um belastbare Entscheidungshilfen zu generieren. Diese werden benötigt, da aufgrund der Vielzahl an Variablen (Dachwinkel/ Ausrichtung/ Abschattungen) in Energiewende-Projekten, Aussagen eher genereller Natur sind. Gerne bringen wir unsere Erfahrungen in etwaige Projekte mit ein.

 
Next steps
Die erste Phase des Projektes ist damit abgeschlossen. Eine Weiterentwicklung ist in folgenden Ausbaustufen geplant:

• Weiterentwicklung der Sensorik zum Schutz der Paneele vor Wettereinflüssen
• Anbindung an Cloud-Server
• App-Entwicklung für laufende Auswertungen
• Optimierung des elektrischen Outputs durch eine innovative Platzierung der Solarpaneele

 
Für Fragen und Anregungen steht Ihnen unser internationales Team von SpezialistInnen immer zur Verfügung. Gerne vernetzen wir uns mit anderen Interessierten und freuen uns auf spannende Diskussionen.