Anpassung an deutsches Wetterprofil. Von: Peter Schweimnitz Sven Sonntag Yanik Tsachoua

Transkript

1 Anpassung an deutsches Wetterprofil Von: Peter Schweimnitz Sven Sonntag Yanik Tsachoua

2 Agenda Energieverbrauch weltweit Vorstellung der autarken solaren Straßenleuchte Prinzip der solaren Energiegewinnung Wetterverhältnisse Messungen Auswertung Lösungsansätze Fazit

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4 Weltweiter Stromverbrauch von Beleuchtungsanlagen

5 LED vs. klassische Lichtquellen

6 LED vs Natriumdampflampe Eav =21.6 lx, P=0.61 W/m2 Street lighting with 108W LED lamp Eav =23 lx, P=1.26 W/m2 Street lighting with 250W HPS lamp

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8 Aufbau: solare Straßenleuchte Solarpanel Laderegler Batterie Timer Leuchte

9 Aufbau: Schematische Darstellung

10 Solarzelle Das Bändermodell Valenzband Energiedifferenz ΔE Bandabstand Leitungsband

11 Solarzelle Photovoltaischer Effekt Strahlungsenergie elektrische Energie

12 Solarzellen-Typen Monokristalin Polykristalin Amorphe Färbung: Blau bis schwarz Hellblau bis blau Dunkelbraun bis violett Wirkungsgrad: ca % ca. 17% Ca. 7-8% Kosten

13 Solarstrahlung Jährliche Energiemenge: Kilowattstunden Arten: Direktstrahlung diffuse Strahlung Strahlungsenergie pro Jahr: kwh/m² in Deutschland 2200 kwh/m² in Nähe des Äquators

14 Ausrichtung Strahlungsintensität

15 Light Emitting Diode pn Halbleiterdiode umgekehrte Wirkungsweise III-V-Halbleiter direkter Bandübergang Elektrolumineszenz

16 Laderegler Funktionen: Über-/Tiefenentladeschutz MPP Maximum-Power-Point Abhängig von: Bestrahlungsstärke Solarzellentemperatur Anschluss: Solarpanel Akku LED

17 Maximum Power Point Bei 25 C Zellentemperatur

18 Akkumulatoren Gravimetrische Energiedichte Nickel MH Lithium Ionen Bleiakkus 80 Wh/kg ca. 140 Wh/kg ca. 30 Wh/kg Memory Effekt: Vorhanden - - Temperaturbereich -10 bis 40 C -5 bis 50 C -20 bis 50 C Ladezyklen Lebensdauer Monate Monate Monate

19 Deutschland und Bangladesch

20 Klima Deutschland: gemäßigtes Klima Bangladesch: subtropisches Klima Milder Winter Heißer und feuchter Sommer Geprägt durch den Monsun

21 Klima 30 Regentage Tage Köln Dhaka

22 Klima 9 Sonnenstunden Stunden Köln Dhaka

23 Mittelwert Tagesdauer 19:12:00 Mittelwert der Tagesdauer 16:48:00 14:24:00 Dauer in Stunden 12:00:00 9:36:00 7:12:00 4:48:00 2:24:00 0:00:00 Mittelwert der Tagesdauer in Deutschland Mittelwert der Tagesdauer in Bangladesch

24 Globalstrahlung Deutschland - Bangladesch 180,00 160,00 140,00 120,00 kwh/m² 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 Deutschland Bangladesch

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26 Messungen Messung 1 Messung 2 Messung 3 Messung 4 Messung 5 Einh. Paneltemperatur: 16,9 17,3 27, ,7 C Messungen der - Beleuchtungsstärke: (Sonnentag) 18000, , , ,00 lux Ladespannung von Solarpanel zu Solarregler unter Last: 21,25 19,95 19,94 20,56 20,80 V Ladestrom von Solarpanel zu Solarregler unter Last: 23,00 19,95 848,00 34,00 9,00 ma Leerlaufspannung: 21,20 20,70 20,47 20,67 21,18 V Kurzschlussstrom: 2,800 0,452 0,876 2,520 0,663 A

27 Leistungscharakteristik

28 Leistungscharakteristik

29 Leistungscharakteristik 50,00 Leistungskurve 1 Leistung [W] 45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 Leistungskurve Spannung [V]

30 Erzielte Leistung Wetter: Sonnig Leicht bewölkt - wechselhaft Beleuchtungsstärke: [lx] Stark bewölkt Leerlaufspannung: 20,67 V 21,20 V 21,18 V 20,47 V 20,70 V Kurzschlussstrom: 2,52 A 2,80 A 0,663 A 0,876 A 0,452 A Erzielte Leistung: 40,63 W 45,73 W 11,4 W 15,2 W 8,1 W

31 Verbraucher LED-Leuchte Timer Spannung 13,5 V 14,14 V Strom 1,5 A 5,65 ma Leistung 20,25 W 79,9 mw

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33 Betrachtung Frühjahr Ausgangsbedingung im April: Vollgeladene Batterie: 100 Ah Leuchtdauer am Tag: 12 Stunden 18.00pm am 5.00am am Ladezeit am Tag: 12 Stunden Minimaler Ladestand: 50 %

34 Betrachtung Frühjahr Sonnig Leicht bewölkt - wechselhaft Stark bewölkt Einheit Start Ah Tag 1 105,45 88,32 90,78 86,56 Ah Tag 2 110,90 76,65 81,55 73,12 Ah Tag 3 116,36 64,97 72,33 59,68 Ah Tag 4 121,81 53,29 63,10 46,24 Ah Tag 5 127,26 41,62 53,88 32,80 Ah

35 Betrachtung Sommer Ausgangsbedingung im Sommer: Vollgeladene Batterie: 100 Ah Leuchtdauer am Tag: 7 Stunden am 5.00am am Ladezeit am Tag: 14 Stunden Minimaler Ladestand: 50 %

36 Betrachtung Sommer Sonnig Leicht bewölkt - wechselhaft Stark bewölkt Einheit Start Ah Tag 1 116,88 96,90 99,76 94,84 Ah Tag 2 133,77 93,80 99,52 89,69 Ah Tag 3 150,65 90,70 99,28 84,53 Ah Tag 4 167,53 87,60 99,04 79,37 Ah Tag 5 184,42 84,50 98,80 74,21 Ah Tag 6 201,30 81,40 98,56 69,06 Ah Tag 7 218,18 78,30 98,32 63,90 Ah

37 Betrachtung Winter Ausgangsbedingung im Winter: Vollgeladene Batterie: 100 Ah Leuchtdauer pro Tag: 12 Stunden 17.00pm am 5.00am am Ladezeit am Tag: 8 Stunden Minimaler Ladestand: 50 %

38 Betrachtung Winter Sonnig Leicht bewölkt - wechselhaft Stark bewölkt Einheit Start Ah Tag 1 97,59 86,17 87,80 84,99 Ah Tag 2 95,18 72,34 75,60 69,98 Ah Tag 3 92,77 58,51 63,41 54,98 Ah Tag 4 90,36 44,68 51,21 39,97 Ah

39 Erkannte Probleme Starke Verringerung der Tagesdauer im Winter Starke Erhöhung der Leuchtdauer im Winter Erzielte Leistung bei starker Bewölkung zu gering Klimaverhältnisse: Hohe Anzahl an Regentagen Geringe Anzahl an Sonnenstunden pro Tag im Winter

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41 Mögliche Lösungen Senkung der Leuchtdauer/Stromverbrauchs: Bewegungssensor Kombination mit Dimmfunktion Erhöhung der Energiegewinnung Ein zweites Solarpanel Leistungsstärkeres Solarpanel

42 Erweiterung durch einen Bewegungsmelder

43 Bewegungsmelder Ausgangsbedingung im Winter: Reduzierte Nutzung: 50 % Ersparnis Leuchtdauer pro Tag: 6 Stunden Vollgeladene Batterie: 100 Ah Ladezeit am Tag: 8 Stunden Minimaler Ladestand: 50 %

44 Bewegungsmelder Sonnig Leicht bewölkt - wechselhaft Stark bewölkt Einheit Start Ah Tag 1 106,59 95,17 96,80 93,99 Ah Tag 2 113,18 90,34 93,61 87,99 Ah Tag 3 119,77 85,51 90,41 81,98 Ah Tag 4 126,36 80,68 87,22 75,98 Ah Tag 5 132,95 75,85 84,02 69,97 Ah Tag 6 139,54 71,02 80,83 63,97 Ah Tag 7 146,13 66,19 77,63 57,96 Ah

45 Erweiterung durch ein zweites Solarpanel

46 Ein zweites Solarpanel Ausgangsbedingung im Winter: Vollgeladene Batterie: 100 Ah Leuchtdauer pro Tag: 12 Stunden 17.00pm am 5.00am am Ladezeit am Tag: 8 Stunden Minimaler Ladestand: 50 % Leistung erhöht um: 100%

47 Ein zweites Solarpanel Verdopplung der Leistung: Wetter: Sonnig Leicht bewölkt - wechselhaft Bestrahlungsstärke [lx] Ursprünglicher Wert: Neuer Wert: Stark bewölkt ,63 W 45,73 W 11,4 W 15,2 W 8,1 W 91,46 W 81,26 W 22,8 W 30,4 W 16,2 W

48 Ein zweites Solarpanel Sonnig Leicht bewölkt - wechselhaft Stark bewölkt Einheit Start Ah Tag 1 113,31 90,48 93,75 88,13 Ah Tag 2 126,63 80,95 87,49 76,25 Ah Tag 3 139,94 71,43 81,24 64,38 Ah Tag 4 153,26 61,91 74,98 52,50 Ah Tag 5 166,57 52,38 68,73 40,63 Ah Tag 6 179,89 42,86 62,47 28,75 Ah Tag 7 193,20 33,33 56,22 16,88 Ah

49 Kombination der Lösungsansätze I & II

50 Kombination beider Betrachtungen Ausgangsbedingung im Winter: Reduzierte Nutzung: 50 % Ersparnis Leuchtdauer pro Tag: 6 Stunden Vollgeladene Batterie: 100 Ah Ladezeit am Tag: 8 Stunden Minimaler Ladestand: 50 % Leistung erhöht um: 100%

51 Kombination beider Betrachtungen Sonnig Leicht bewölkt - wechselhaft Stark bewölkt Einheit Start Ah Tag 1 122,31 99,48 102,75 97,13 Ah Tag 2 144,63 98,95 105,49 94,25 Ah Tag 3 166,94 98,43 108,24 91,38 Ah Tag 4 189,26 97,91 110,98 88,50 Ah Tag 5 211,57 97,38 113,73 85,63 Ah Tag 6 233,89 96,86 116,47 82,75 Ah Tag 7 256,20 96,33 119,22 79,88 Ah

52 Fazit Starker Einbruch der Solarstrahlung im Winter in Deutschland Bei Einsatzgebiet in Deutschland: 2 Solarpanels mit Bewegungsmelder Bedingung: keine stark frequentierte Straße

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