Labor für Erneuerbare Energien / Solarenergietechnik (G313/ C026)

• Untersuchung solar-thermischer Energiesysteme
• Anwendungen in der Photovoltaik
• Nutzung thermischer Solarenergie zur sorptionsgestützen Klimatisierun
• Konzeptionelle und konstruktive Optimierung von Solarkollektore
• Entwicklung neuer Werkstoffe und Fertigungsverfahren von solarthermischen Kollektore
• Normmessungen von solarthermischen Kollektoren unter Norm-Prüfbedingungen (Indoor und Outdoor)
• Anwendungen von Photovoltaik- Inselnetzsystemen
• Windkraft-Simulation (Labor-Prüfstandsaufbau)

• Energiesysteme und Energiewirtschaft
• Geb?udeenergietechnik
• Solarenergietechnik
• Regelungstechnik
• Introductory laboratory course
• System Analysis & Control
• Off Grid System
• Grundlagen der Elektrotechnik und Elektroni
• Energiespeicher
• Energieverteilung und Netzanbindung
• Wind power
• Selected topics of physics

Der Indoor Sonnensimulator von Mencke & Tegtmeyer dient zur Leistungsmessung und ?berprüfung der Gebrauchstauglichkeit von solarthermischen Kollektoren nach DIN EN 12975-2. Mit dem Sonnensimulator k?nnen die Auswirkungen der Sonneneinstrahlung auf die Effizienz der Solarkollekt-oren unter kontinuierlichen, tages- und jahreszeitlich unabh?ngigen Laborbedingungen untersucht und die Ergebnisse reproduziert werden. Im Bereich der Lehre wird anhand dieses Prüfstandsaufbaus analog der gültigen Norm den Studenten praktisch vermittelt, wie z.B. unterschiedliche Temperatur-Messtechniken bei einer Kollektorprüfung eingesetzt werden k?nnen. Aufgrund der stabilen und reproduzierbaren Einstrahlungsbedingungen k?nnen im Rahmen von Forschungsprojekten solarthermische Kollektoren vor ihrer notwendigen Zertifizierung auf ihre Leistungsf?higkeit geprüft und validiert werden.

Simulationsprogramm Polysun (Vela Solaris)
Das Simulationspragramm Polysun von Vela Solaris dient zur dynamischen, zeitschrittbasierten Berechnung solarthermischer Anlagen. Diese bietet eine Auswahl grundlegender Anlagenkonfigurationen von kleinen Solaranlagen in Einfamilienh?usern bis zu komplexeren Systemen für Mehrfamilienh?usern, W?rmenetze und Prozessw?rmeanlagen. Die vorkonfigurierten Systeme k?nnen durch ?nderung der Parameter (z.B. Kollektortyp, Kollektorfl?che, Speichervolumen, Regelreinstellungen) an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst und optimiert werden. Als Ergebnis stehen Berichte und Graphen zur Verfügung, die eine Auswertung der Energieflüsse und Temperaturen im System sowie der Wirtschaftlichkeit erm?glichen. Anhand eines realen Beispiels führen die Studierenden im Praktikum eine umfassende Bewertung eines solarthermischen Systems durch und vergleichen die Ergebnisse mit Messwerten der echten Anlage.

Microgrid Software HOMER Pro? (HOMER Energy)
Die HOMER Pro? Microgrid Software von HOMER Energy ist der globale Standard, um das Microgrid Design in allen Bereichen, von der St?dteversorgung und über Inselnetze verbundene Campuse und Milit?rbasen zu optimieren. HOMER ist ein Simulationsmodell: es erm?glicht, ein lebensnahes System für alle m?glichen Ausstattungskombinationen zu schaffen, egal was die Studenten sich hierzu überlegt haben, z.B. k?nnte HOMER die Arbeit eines Hybrid-Microgrids für ein komplettes Jahr simulieren, in Zeitschritten von einer Minute bis hin zu einer Stunde. Darüber hinaus erm?glicht HOMER den Vergleich von tausenden M?glichkeiten in nur einem einzigen Durchlauf. Das erlaubt den Studenten, die Auswirkung auf Variablen zu sehen, die au?erhalb ihres eigenen Einflussbereiches liegen, wie z.B. die Windgeschwindigkeit, Kraftstoffkosten etc., um so zu verstehen, wie sich das optimale System mit diesen Variationsm?glichkeiten ver?ndert.

Mit diesem Prüfstandsaufbau für den Einsatz im Praktikum Solarenergietechnik, soll in der Lehre in kompakter Bauweise den Studenten die Funktionsweise einer solarthermischen Anlage zur Brauchwassererw?rmung demonstriert werden. Der Prüfstand enth?lt alle wesentlichen Komponenten: die Sonneneinstrahlung f?llt auf den Solarkollektor (Absorber) und erw?rmt die darin flie?ende Solarflüssigkeit. Diese wird über Rohrleitungen durch den Warmwasserspeicher geführt und gibt über die Rohrwendel ihre W?rme an das Brauchwasser im Speicher ab. Nach W?rmeabgabe wird die abgekühlte Solarflüssigkeit wieder zurück zum Kollektor gepumpt und der Beladevorgang beginnt von neuem.  Die Komponenten im Beladekreislauf werden durch die notwendige Messtechnik (Temperatur, Durchfluss, Volumenstrom) zur Regelung des Vorgangs und Sicherheitseinrichtungen (Sicherheitsventil, Membranausdehnnungsgef?ss) erg?nzt.

Als Thermosiphon-Anlage bezeichnet man Anlagen zur W?rmegewinnung aus Sonnenenergie, die nach dem Prinzip des ?Thermosiphons“ arbeiten. Das Thermosiphon ist eine passive Konstruktion, die einen W?rmeaustausch durch Nutzung der natürlichen Konvektion in einem geschlossenen Fluidkreislauf erm?glicht. Die Anlage wird durch die unterschiedliche spezifische Dichte des Wassers bei unterschiedlichen Temperaturen genutzt, um den Fluidkreislauf anzutreiben. Das im Kollektor erhitzte Wasser steigt aufgrund seines geringen spezifischen Gewichts zum Sammelbeh?lter auf, w?hrend gleichzeitig k?lteres Wasser in einer anderen Leitung abw?rts zum Erhitzer sinkt. Dieses Prinzip wird insbesondere in w?rmeren L?ndern zur Warmwasserbereitung benutzt (Frostfreiheit in den Wintermonaten). Die Anlagen sind kostengünstig und aufgrund fehlender beweglicher Teile zuverl?ssig und wartungsarm.
Anhand der auf der Dachfl?che installierten Thermosiphonanlage, soll den Studenten im Praktikumsbetrieb die Funktionsweise sowie die Unterschiede der Brauchwassererw?rmung im Vergleich zur ?klassischen“ Solarthermie vermittelt werden (eingesetzte Medien, Standort-Bedingungen, Temperaturniveaus).

Durch die Nutzung der Erneuerbaren Energien rücken hochwertige Strahlungsmessungen immer mehr in den Fokus der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und bilden zudem die notwendige Grundlage zum Verst?ndnis der technischen Nutzbarkeit der lokal verfügbaren Solarstrahlung. Umsetzungsnahe Beispiele hierfür sind thermische Solarkollektoren, Photovoltaik-Anwendungen, solarthermische Kraftwerke sowie die passive Sonnenlichtnutzung in Wohn- und Bürogeb?uden. Das auf der Dachfl?che des Labors installierte Messsystem besteht aus zwei Pyranometern zur Erfassung der diffusen ungerichteten und der globalen, gesamt vorhandenen Solarstrahlung sowie einem Pyrheliometer, welches aufgrund seines geringen ?ffnungswinkels von 5° nur die direkte, von der Sonne ausgesandte Strahlung erfasst. Aufgrund der Montage auf einem pr?zisen GPS positionierten Tracker werden die Messeinrichtungen immer exakt der Sonne nachgeführt.

Die Wetterstation dient zur lokalen Erfassung der Wetterdaten (Temperatur, Luftdruck, Feuchte, Windrichtung und -geschwindigkeit, Globalstrahlung und Niederschlagsmenge) und zum Einsatz in Forschungs- und Entwicklungsprojekten. Die Messwerte der Wetterstation k?nnen unter www.RegIN-plus.de online abgerufen werden (Webseite zum Netzwerkprojekt ?Regeneratives Energienetzwerk Region Ingolstadt – RegIN+“) und dienen den Studenten in den Praktika als Einflussgr??en für ihre Berech-nungen z.B. im M-RES-Praktikum ?Off-grid systems“.

Inselanlagen, auch als netzunabh?ngige, autarke Inselsysteme oder Off-grid-Systeme bekannt, sind festinstallierte oder mobile Anlagen, Ger?te zur Stromversorgung, die ohne Anschluss an ein ?ffentliches Stromnetz realisiert werden. Sie werden dort eingesetzt, wo der Anschluss an das Stromnetz nicht m?glich oder nicht wirtschaftlich ist. Um hier kontinuierlich Energie zur Verfügung zu stellen, muss die Energie gespeichert werden. Diese ist durch den Einsatz von Akkumulatoren wieder abrufbar. Steigende Kosten für den Brennstoff (inklusive Transport, etwa zur Berghütte, zu Seezeichen oder in die Antarktis) und fallende Anlagenpreise lassen regenerative Energiequellen wirtschaftlicher werden.

Um den Studenten in den Praktika alle wichtigen Informationen zu einem Photovoltaik-Aufbau zu geben, ist ein Einzel-polykristallines Modul auf einer Unterkonstruktion montiert. Der Neigungswinkel des Moduls kann hierbei auf die Werte 30°, 45° und 60° eingestellt werden. Mittels diesen Aufbaus k?nnen elektrische Parameter wie der Strom und die Spannung ermittelt werden, sowie der MPP (maximum power point) bei unterschiedlichen Einstrahlungseinstellungen bestimmt werden. Zus?tzlich kann eine (Teil-) Verschattung des PV-Moduls simuliert werden, um deren Einfluss auf die Reduzierung der Modulleistung aufzuzeigen.

Der Labor-Prüfstand erm?glicht die Untersuchung moderner Windkraftanlagen mit ?Doppelgespeisten Asynchrongeneratoren“. Der Wind l?sst sich realit?tsnah mit dem Servo-Maschinenprüfstand und der Software ?WindSim“ emulieren. Durch die PC-Anbindung ist w?hrend der Experimente eine komfortable Bedienung und Visualisierung gew?hrleistet. Der dazu geh?rende Multimediakurs ?Interactive Lab Assistent“ vermittelt die theoretischen Kenntnisse, unterstützt die Durchführung der Versuche und die Auswertung von Messdaten. Lerninhalte für die Stu-dierenden sind unter anderem der Aufbau und die Wirkungsweise moderner Windkraftanlagen, die Erarbeitung der physikalischen Grundlagen ?Vom Wind zur Welle“ sowie das Kennenlernen verschiedener Windkraftanlagenkonzepte. Der Aufbau und die Inbetriebnahme eines doppeltgespeisten Asynchron-windgenerators sowie der Betrieb des Generators bei wechselnden Windst?rken und Regelung der Ausgangsspannung und –frequenz zus?tzlich zur Bestimmung von optimalen Arbeitspunkten bei wechselnden Windbedingungen stellen weitere Inhalte des Praktikum dar.

Der Spektroskopie-Prüfstand dient der Bestimmung der Durchl?ssigkeit (= Transmissions-) von transparenten Kollektorabdeckungen sowie der Ermittlung des Absorptions- und Emissionsgrades von Absorbern über den kompletten Bereich der Solarstrahlung. Eine weitere Anwendung ist die Bestimmung optischer Kennwerte transparenter und opaker Materialien (Reflektormaterialien, Fenster, transparente Kunststoffe, selektive Absorberbeschichtungen).
Im Rahmen der Praktikumsversuche soll den Studierenden die Thematik solarer Strahlung, Energiewandlung sowie die Wellenl?ngenbereiche des sichtbaren Lichtes und der Infrarotstrahlung n?hergebracht werden. Daneben wird ein Verst?ndnis für das Funktionsprinzip von optisch ?aktiven“ Schichten aufgebaut (Prozesse, Charakterisierung). In den verschiedenen Versuchen k?nnen somit Proben unterschiedlicher handelsüblicher Solarbeschichtungen vermessen und der Unterschied zwischen technisch hoch- und minderwertigen Schichten aufgezeigt werden. Zur praktischen Veranschaulichung der gesamten Bandbreite der eingesetzten Materialien wird der Wellenl?ngenbereich zwischen 180nm und 2.500nm genutzt.

Norm- Prüfverfahren nach EN 12975-2 und ISO 9806:2013 im “steady state method” k?nnen mit dem auf der Dachfl?che installierten, dem Sonnenstand nachgeführten Solartracker an 2 Kollektoren gleichzeitig durchgeführt werden.

In der Solarenergietechnik sind neben einer fundierten theoretischen Ausbildung das praktische ?Erleben“ der Anlagen und deren Prozesse ?u?erst wichtig. Durch eigene Versuche in kleinen Gruppen bekommen die Studierenden einen tieferen Einblick in das Zusammenspiel der Komponenten, in die ?berwachung und Regelung der Anlage, in die verschiedenen Prozessparameter und deren Bedeutung für den Gesamtprozess. Zudem k?nnen verschiedene Betriebsweisen oder auch Betriebsst?rungen nachgestellt und deren Auswirkungen untersucht werden.

Verschiedenste Komponenten von solarthermischen Kollektoren k?nnen charakterisiert, ausgetauscht und kombiniert werden. Der Solar-Tracker erm?glicht es den Studierenden, sich mit unterschiedlichen Messger?ten auseinanderzusetzen und mit der Verarbeitung und Auswertung von Messdaten vertraut zu werden. Darüber hinaus k?nnen am Beispiel des Teststandes Inhalte zu Normen und Standardtestkonditionen vermittelt und deren Bedeutung für die Entwicklung von neuen technischen Ger?ten aufgezeigt werden.