Schlussbericht
(Deutsch)
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Die thermische Solarenergie in der Schweiz ist längst dem Pionierstadium entwachsen. Dennoch hat sie den Durchbruch zur Konkurrenzfähigkeit gegenüber konventionellen Energieträgern und damit den Durchbruch zur breiten Markteinführung noch nicht geschafft. Die Gründe dazu sind vielfältig. Einer davon sind Zweifel an der technischen Ausgereiftheit und Sicherheit der Anlagen. Die hierzulande übliche Einbindung der Solarenergie in ein Wärmeerzeugungssystem, welches klimabedingt nebst solarer Energie auch mit Unterstützungsenergie arbeitet, birgt insofern ein Problem, als eine Störung des solaren Anlageteils nicht unmittelbar wahrgenommen wird. Erst eine hohe Rechnung für den erhöhten Bedarf an Unterstützungsenergie gibt dem aufmerksamen Anlagebesitzer einen Hinweis auf eine Störung. Dieser einfache Sachverhalt ist für die breite Markteinführung von Solaranlagen hinderlich, weil dem potentiellen Käufer nicht genügend Sicherheit und keinen Investitionsschutz geboten werden. Dies wäre gegeben, wenn sich die Anlage bei Störungen möglichst unverzögert melden würde. Auf diesen Überlegungen basiert die vorliegende Arbeit. Sie hat zum Ziel, wirtschaftlich tragbare technische Lösungen zur permanenten Funktionskontrolle zu finden. Dieser Gedanke ist im Grunde nicht neu, nur wurde er in dieser Form noch nie näher evaluiert. Der bekannteste Ansatz in diese Richtung ist ein europaweites Projekt mit der Bezeichnung GRS (Garantierte Resutate von Solaranlagen). Dort geht man allerdings noch einen Schritt weiter, indem der Anlagelieferant den Kunden einen definierten Solarenergieertrag garantiert. Dieses Konzept erfordert aber eine umfangreichen Messtechnik und ist daher nur für grössere Anlagen vertretbar. Für kleine und mittlere Anlagen fehlen bislang jedoch solche Ansätze. In der Schweiz wurde dieses Problem mit anderen Ansätzen angegangen: Die Solarbranche schloss sich im SOFAS zu einem Fachverband zusammen und erarbeitete unter anderem Empfehlungen zur Nutzung Sonnenenergie ENS. Dort ist festgehalten, auf welche Weise Solaranlagen aufgebaut sein müssen, damit sie möglichst zuverlässig funktionieren. Im Weiteren wurde an der Hochschule Rapperswil das Institut für Solartechnik Prüfung Forschung SPF eingerichtet, welches einzelne Komponenten oder vorgefertigte Kompaktanlagen auf deren Leistungsfähigkeit und/oder Qualität hin prüft und zertifiziert. Damit wurde die Sicherheit für den Kunden zwar verbessert, aber von Störungen befreit sind die Anlagen dadurch noch lange nicht. Die Suche nach einem (oder mehreren) Funktionskriterium, durch dessen permanente Überwachung möglichst zuverlässig und kostengünstig Störungen erkannt werden können, führte letztlich zu zwei Lösungsansätzen: · Simulation unter gemessenen Bedingungen: Permanenter Vergleich von gemessenen Betriebsdaten der Anlage mit denjenigen eines mathematischen Modells. Bei grenzwertüberschreitenden Abweichungen wird eine Störungsmeldung ausgegeben. Probleme: - Das mathematische Modell muss mit den aktuellen Betriebsbedingungen versorgt werden und erfordert daher eine aufwendige Messtechnik. - Das Modell ist komplex, weil das System nichtlinear ist und viele Freiheitsgrade aufweist. · Permanente Überprüfung bestimmter Betriebsdaten oder Betriebsmuster bei wiederkehrenden Vorgängen im Kollektorkreis. Je nach Anlagetyp und Betriebsart sind dabei verschiedene Funktionskriterien auf unterschiedliche Weise zu überprüfen. Basis für die Definition der Funktionskriterien bilden die typischen Auswirkungen und Muster von den in der Praxis häufig festgestellten Anlagemängeln. Probleme: - Die Funktionskontrolle ist beschränkt auf den Kollektorkreis. Vorteil: - Es sind sehr kostengünstige Lösungen erreichbar. Der erste Ansatz ist in der Technik bestens bekannt und machbar, scheitert aber zumindest bei Kleinanlagen am Aufwand. Daher wurde das Schwergewicht der Arbeiten auf die Suche nach Kontrollalgorithmen gemäss dem zweiten Ansatz gelegt. Dazu konnten für die Betriebsphase der Anlage wiederum zwei vielversprechende Ansätze gefunden werden: · Energiedifferenzberechnung: Wird das Einschaltkriterium der Kollektorkreispumpe nicht allein nach einer fix eingestellten Temperaturdifferenz zwischen Speicher und Kollektor bestimmt, sondern modulierend unter Einbezug der Temperatur der stehenden Kollektorleitungen, dann kann mittels einer Wärmemengenmessung beim Wärmetauschereingang am Speicher überprüft werden, ob die Pumpeneinschaltung zu dem erwarteten Energiegewinn führte. · Spektralmethode: Mit lediglich einem zusätzlichen Temperaturfühler kann der transiente Temperaturverlauf an der Kollektorleitung vor dem Wärmetauschereingang nach Pumpeneinschaltung aufgezeichnet und mittels Fouriertransformation im Frequenzbereich abgebildet werden. Ein Vergleich dieser Impulsantwort mit einer aufgezeichneten Referenzimpulsantwort der fehlerfreien Anlage erlaubt Rückschlüsse auf mögliche Anlagestörungen. In Form eines Pflichtenheftes sind die Angaben zur praktischen Umsetzung dieser Kontrollfunktionen im Rahmen eines Pilotprojektes aufgeführt. Ein Kapitel wurde der Frage gewidmet, inwiefern eine permanente Funktionskontrolle analog dem GRS-Ansatz als Ertragsgarantie-Kriterium verwendet werden könnte. Die Anwort ist grundsätzlich positiv, weil die vorgeschlagenen Funktionskontrollagorithmen eine Störung des Solarkreises melden, ähnlich wie bei der aufwendigen Messtechnik nach GRS-Konzept mit anschliessender Auswertung und Beurteilung durch einen Experten. Mit dem Unterschied allerdings, dass es sich bei der Spektralmethode um eine rein relative Beurteilung handelt und daher eine qualitativ und quantitativ fehlerfreie Inbetriebnahme der Anlage voraussetzt. Es müsste demnach eine Abnahmemessung der Leistungsfähigkeit durchgeführt werden. In diesem Kapitel wurde jedoch auch die Frage nach der zu garantierenden Betriebsgrösse aufgeworfen und dabei festgestellt, dass der solare Ertrag - und nur der könnte mit einer permanenter Funktionskontrolle gemäss Energiedifferenzmessung und Spektralmethode garantiert werden - keineswegs ein geeigneter Leistungsindikator für thermische Solaranlagen ist.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Synetrum AG
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Synetrum AG,
Zugehörige Dokumente
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