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
• Gebäudeenergietechnik
• 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 Überprüfung der Gebrauchstauglichkeit von solarthermischen Kollektoren nach DIN EN 12975-2. Mit dem Sonnensimulator können die Auswirkungen der Sonneneinstrahlung auf die Effizienz der Solarkollekt-oren unter kontinuierlichen, tages- und jahreszeitlich unabhängigen 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 können. Aufgrund der stabilen und reproduzierbaren Einstrahlungsbedingungen können im Rahmen von Forschungsprojekten solarthermische Kollektoren vor ihrer notwendigen Zertifizierung auf ihre Leistungsfähigkeit 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 Einfamilienhäusern bis zu komplexeren Systemen für Mehrfamilienhäusern, Wärmenetze und Prozesswärmeanlagen. Die vorkonfigurierten Systeme können durch Änderung der Parameter (z.B. Kollektortyp, Kollektorfläche, 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 ermöglichen. 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 Städteversorgung und über Inselnetze verbundene Campuse und Militärbasen zu optimieren. HOMER ist ein Simulationsmodell: es ermöglicht, ein lebensnahes System für alle möglichen Ausstattungskombinationen zu schaffen, egal was die Studenten sich hierzu überlegt haben, z.B. könnte HOMER die Arbeit eines Hybrid-Microgrids für ein komplettes Jahr simulieren, in Zeitschritten von einer Minute bis hin zu einer Stunde. Darüber hinaus ermöglicht HOMER den Vergleich von tausenden Möglichkeiten in nur einem einzigen Durchlauf. Das erlaubt den Studenten, die Auswirkung auf Variablen zu sehen, die außerhalb ihres eigenen Einflussbereiches liegen, wie z.B. die Windgeschwindigkeit, Kraftstoffkosten etc., um so zu verstehen, wie sich das optimale System mit diesen Variationsmöglichkeiten verändert.

Mit diesem Prüfstandsaufbau für den Einsatz im Praktikum Solarenergietechnik, soll in der Lehre in kompakter Bauweise den Studenten die Funktionsweise einer solarthermischen Anlage zur Brauchwassererwärmung demonstriert werden. Der Prüfstand enthält alle wesentlichen Komponenten: die Sonneneinstrahlung fällt auf den Solarkollektor (Absorber) und erwärmt die darin fließende Solarflüssigkeit. Diese wird über Rohrleitungen durch den Warmwasserspeicher geführt und gibt über die Rohrwendel ihre Wärme an das Brauchwasser im Speicher ab. Nach Wärmeabgabe 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, Membranausdehnnungsgefäss) ergänzt.

Als Thermosiphon-Anlage bezeichnet man Anlagen zur Wärmegewinnung aus Sonnenenergie, die nach dem Prinzip des „Thermosiphons“ arbeiten. Das Thermosiphon ist eine passive Konstruktion, die einen Wärmeaustausch durch Nutzung der natürlichen Konvektion in einem geschlossenen Fluidkreislauf ermöglicht. 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 Sammelbehälter auf, während gleichzeitig kälteres Wasser in einer anderen Leitung abwärts zum Erhitzer sinkt. Dieses Prinzip wird insbesondere in wärmeren Ländern zur Warmwasserbereitung benutzt (Frostfreiheit in den Wintermonaten). Die Anlagen sind kostengünstig und aufgrund fehlender beweglicher Teile zuverlässig und wartungsarm.
Anhand der auf der Dachfläche installierten Thermosiphonanlage, soll den Studenten im Praktikumsbetrieb die Funktionsweise sowie die Unterschiede der Brauchwassererwärmung 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 Verständnis der technischen Nutzbarkeit der lokal verfügbaren Solarstrahlung. Umsetzungsnahe Beispiele hierfür sind thermische Solarkollektoren, Photovoltaik-Anwendungen, solarthermische Kraftwerke sowie die passive Sonnenlichtnutzung in Wohn- und Bürogebäuden. Das auf der Dachfläche 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 Öffnungswinkels von 5° nur die direkte, von der Sonne ausgesandte Strahlung erfasst. Aufgrund der Montage auf einem präzisen 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 können unter www.RegIN-plus.de online abgerufen werden (Webseite zum Netzwerkprojekt „Regeneratives Energienetzwerk Region Ingolstadt – RegIN+“) und dienen den Studenten in den Praktika als Einflussgrößen für ihre Berech-nungen z.B. im M-RES-Praktikum „Off-grid systems“.

Inselanlagen, auch als netzunabhängige, autarke Inselsysteme oder Off-grid-Systeme bekannt, sind festinstallierte oder mobile Anlagen, Geräte zur Stromversorgung, die ohne Anschluss an ein öffentliches Stromnetz realisiert werden. Sie werden dort eingesetzt, wo der Anschluss an das Stromnetz nicht möglich 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 können elektrische Parameter wie der Strom und die Spannung ermittelt werden, sowie der MPP (maximum power point) bei unterschiedlichen Einstrahlungseinstellungen bestimmt werden. Zusätzlich kann eine (Teil-) Verschattung des PV-Moduls simuliert werden, um deren Einfluss auf die Reduzierung der Modulleistung aufzuzeigen.

Der Labor-Prüfstand ermöglicht die Untersuchung moderner Windkraftanlagen mit „Doppelgespeisten Asynchrongeneratoren“. Der Wind lässt sich realitätsnah mit dem Servo-Maschinenprüfstand und der Software „WindSim“ emulieren. Durch die PC-Anbindung ist während der Experimente eine komfortable Bedienung und Visualisierung gewährleistet. Der dazu gehörende 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 Windstärken und Regelung der Ausgangsspannung und –frequenz zusätzlich zur Bestimmung von optimalen Arbeitspunkten bei wechselnden Windbedingungen stellen weitere Inhalte des Praktikum dar.

Der Spektroskopie-Prüfstand dient der Bestimmung der Durchlässigkeit (= 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 Wellenlängenbereiche des sichtbaren Lichtes und der Infrarotstrahlung nähergebracht werden. Daneben wird ein Verständnis für das Funktionsprinzip von optisch „aktiven“ Schichten aufgebaut (Prozesse, Charakterisierung). In den verschiedenen Versuchen können 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 Wellenlängenbereich zwischen 180nm und 2.500nm genutzt.

Norm- Prüfverfahren nach EN 12975-2 und ISO 9806:2013 im “steady state method” können mit dem auf der Dachfläche 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 äußerst wichtig. Durch eigene Versuche in kleinen Gruppen bekommen die Studierenden einen tieferen Einblick in das Zusammenspiel der Komponenten, in die Überwachung und Regelung der Anlage, in die verschiedenen Prozessparameter und deren Bedeutung für den Gesamtprozess. Zudem können verschiedene Betriebsweisen oder auch Betriebsstörungen nachgestellt und deren Auswirkungen untersucht werden.

Verschiedenste Komponenten von solarthermischen Kollektoren können charakterisiert, ausgetauscht und kombiniert werden. Der Solar-Tracker ermöglicht es den Studierenden, sich mit unterschiedlichen Messgeräten auseinanderzusetzen und mit der Verarbeitung und Auswertung von Messdaten vertraut zu werden. Darüber hinaus können am Beispiel des Teststandes Inhalte zu Normen und Standardtestkonditionen vermittelt und deren Bedeutung für die Entwicklung von neuen technischen Geräten aufgezeigt werden.