Labor Elektrische Energienetze und Anlagen
Für die Studierenden des Studiengangs Elektrotechnik - Energiesysteme und Automation bzw. des Internationalen Studiums Elektrotechnik bieten wir die Praktika "Elektrische Energieversorgung", "Regenerative Energien" und "Renewable Energy" an. Dazu ist das Labor wie folgt ausgerüstet:
- Photovoltaikanlage
Das Labormodell ermöglicht die realitätsnahe Simulation des Sonnenverlaufs. Somit lassen sich auch ohne Sonne die Versuche im Labor praxisgerecht durchführen. Es wird die gesamte Kette der Energiewandlung von der Sonne über das PV-Modul bis zur 230V-Ebene abgebildet.
Die Messung und Steuerung der Anlage wurde mit LabView realisiert. LabView ist ein grafisches Programmiersystem von National Instruments. Die Programmierung erfolgt mit einer grafischen Programmiersprache, genannt „G“, nach dem Datenfluss-Modell.
- Qualitätskontrolle von PV-Anlagen
Die verlässliche und nachhaltige Stromerzeugung mit Photovoltaikmodulen und -anlagen erfordert eine hohe Produktionsqualität, damit die Ausgangsleistung möglich lange konstant bleibt. Oft werden fehlerhafte Module während der Produktion aber nicht erkannt. Diese installierten Module führen zu einer Minderleistung der gesamten Anlage. Intakte Module können auch im Laufe des Betriebs durch auftretende thermische oder mechanische Belastung beschädigt werden. Zur Beurteilung von Photovoltaikmodulen und -anlagen stehen folgende Messsysteme im Labor zur Verfügung:
- Kontroll- und Analysegerät für 1- und 3-Phasen-Photovoltaikanlagen
- Thermographie-Messtechnik
- Elektrolumineszenz-Messtechnik
- Peakleistungs- und Kennlinienmessung
Kontroll- und Analysegerät für 1- und 3-Phasen-Photovoltaikanlagen
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Das Bild zeigt die Benutzeroberfläche einer Analysesoftware für elektrische Netzanalysatoren. Der Bildschirm ist in drei Bereiche unterteilt. Im oberen Bereich dominiert ein großes Liniendiagramm mit einer Zeitachse (07.01.2015). Darin sind zwei Kurven zu sehen: Eine rote Spannungslinie, die konstant bei etwa 220 Volt verläuft, und eine blaue Linie, die periodisch auf Null abfällt und wieder ansteigt, was auf Lastwechsel oder Einbrüche hindeutet. Rechts neben dem Diagramm befindet sich eine Legende für verschiedene Messparameter wie Spannung, Frequenz und DC-Spannung. Unten links ist ein Konfigurationsbereich zu sehen, der Informationen zum angeschlossenen Gerät (Typ SLR300N) und ein kleines Schaltbild der Messanordnung anzeigt. Unten rechts befindet sich eine umfangreiche Tabelle („Tabelle alle Kanäle“), die die messbaren Werte (V1_Avg, freq_Avg etc.) zeilengenau mit Zeitstempeln auflistet.
Thermographie-Messtechnik
Der Einsatz von Infrarotkameras in der Photovoltaik ist eine gute Möglichkeit der schnellen, großflächigen, berührungslosen und zerstörungsfreien Fehlerortung im Gesamtsystem. Damit bieten sich Wärmebildkameras zur Charakterisierung und Fehleranalyse von PV-Modulen und Komponenten im Labor und im Feld an.
Elektrolumineszenz-Messtechnik
Bei einer Elektrolumineszenz (EL)-Messung wird das PV-Modul wie eine großflächige LED zum Leuchten gebracht. Dazu wird das Modul in Durchlassrichtung betrieben und eine Lichtemission ermöglicht. Defekte Bereiche bleiben dagegen dunkel.
Beispiel: Große inaktive Bereiche in einer Zelle
Beispiel: Mikrorisse in einer Zelle
Peakleistungs- und Kennlinienmessung
Die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Solargenerators wird hier über eine kapazitive Last gemessen. Die über die aktuelle Temperatur und Einstrahlung gewonnenen Daten lassen sich mit den Angaben des Herstellers auf Standard Test Conditions (STC) umrechnen und vergleichen.
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Der Screenshot zeigt ein Werkzeug zur Bewertung von Photovoltaikmodulen. Im Zentrum steht ein X-Y-Diagramm. Die X-Achse zeigt die Spannung in Volt (0 bis 22 V), die linke Y-Achse den Strom in Ampere (0 bis 4,0 A) und die rechte Y-Achse die Leistung in Watt. Drei Kurven sind eingezeichnet: Eine rote Linie zeigt die gemessene Strom-Spannungs-Kennlinie (I-U), die einen leichten Knick aufweist (möglicherweise durch Verschattung). Eine blaue Kurve zeigt die daraus resultierende Leistung, die bei etwa 18 Volt ihr Maximum (MPP) erreicht. Eine schwarze gepunktete Linie zeigt zum Vergleich eine ideale Nenn-Kennlinie. Auf der rechten Seite befindet sich ein Datenfeld „Vergleichsmodul“, das die gemessenen Werte (z. B. Pmax 41,8 W) den Standard-Testbedingungen (STC) und Referenzwerten gegenüberstellt. Zudem werden Umweltparameter wie die Modultemperatur (24 °C) angezeigt.
- Windkraftanlage
Die Ausstattung ermöglicht die Untersuchung moderner Windkraftanlagen mit "doppelgespeisten Asynchrongeneratoren". Der Wind lässt sich realitätsnah mit dem Servo-Maschinenprüfstand emulieren. Die Lehrinhalte gliedern sich wie folgt:
- Aufbau und Wirkungsweise moderner Windkraftanlagen
- Aufbau und Inbetriebnahme eines doppeltgespeisten Asynchronwindgenerators
- Betrieb des Generators bei wechselnden Windstärken und Regelung der Ausgangsspannung und -frequenz
- Bestimmung von optimalen Arbeitspunkten bei wechselnden Windbedingungen
- Untersuchung des Verhaltens bei Netzfehlern „Fault-ride-through“
- Software Digsilent PowerFactory
Digsilent PowerFactory ist ein Netzberechnungsprogramm für Anwendungen in der Stromerzeugung, Übertragung, Verteilung und im Bereich der Industrie- und Sondernetze. Es verfügt über alle wesentlichen Berechnungsfunktionen und eine Datenbank.
In der folgenden Abbildung ist der Netzplan für einen Windpark dargestellt. Für die Verbindung mit dem Festnetz stehen in dem Beispiel DC-Kabel, AC-Kabel und Freileitung zur Verfügung. Mit einer Lastflussberechnung können die Übertragungsverluste der Anbindungsarten verglichen werden.
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Die technische Zeichnung ist schematisch in drei vertikale Bereiche unterteilt: „Windpark“, „Übergabestation“ und „Übertragungsart“. Ganz links im Bereich „Windpark“ sind acht Windenergieanlagen symbolisch untereinander dargestellt. Jede Anlage ist über einen eigenen Transformator an eine gemeinsame Sammelschiene angeschlossen. In der Mitte, der „Übergabestation“, wird die gesammelte Energie über einen zentralen Transformator auf eine höhere Spannungsebene transformiert. Der rechte Bereich „Übertragungsart“ demonstriert drei parallele Möglichkeiten des Energietransports zur rechten Sammelschiene (Netzanschluss): Die oberste Verbindung ist als „AC - Kabel“ beschriftet, die mittlere als „AC - Freileitung“ und die unterste als „DC - Kabel“. Der DC-Pfad enthält Symbole für PWM-Umrichter, um die Wechselspannung in Gleichspannung und zurück zu wandeln. Unten rechts befindet sich ein Schriftfeld der Fachhochschule Lübeck, Laboratorium für Elektrische Energieversorgung, mit dem Projekttitel „RegEn“ und dem Datum 19.02.2015.
