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Das Projekt PHOTOPUR soll die Reduzierung von Pestiziden in Oberflächengewässern ermöglichen. In dieser Arbeit wird eine Automatisierung eines ersten Demosystems entwickelt, welches den gesamten Reinigungsprozess abbildet. Eine Projektierung der Automatisierung des Systems wird mit den dafür vorgesehenen Fließschemas und Gerätelisten durchgeführt. Darauf aufbauend wird die Ablaufsteuerung des Demosystems durch einen Ablauf-Funktionsplan umgesetzt. Um eine Systemüberwachung der Anlage zu gewährleisten wurde dazu eine Visualisierung ausgearbeitet. Zusätzlich wurden die Regelstrecken der Durchflussregelungen in den zwei Teilprozessen des Reinigungsprozesses bestimmt und durch unterschiedliche Einstellregeln der optimale Regler der Regelkreise ermittelt.
Die in dieser Arbeit entwickelte Software, beinhaltet die drei folgenden Umsetzungen: Realisierung der Ablaufsteuerung, Implementierung der Reglerparameter durch einen vorhandenen Regelalgorithmus und die Visualisierung des Demosystems.
Bifaziale Photovoltaikmodule werden durch ihre höhere Leistung, bezogen auf den Flächenbedarf immer attraktiver. Die meisten der bislang hergestellten Photovoltaik Module sind Monofazial ausgeführtund schöpfen damit nicht ihr vollständiges Potential aus. Weiterhin bestehen die konventionell hergestelltenPhotovoltaik(PV) Module aus einem Verbund aus Glas und Kunststoff sowie verschiedenen Metallen, was die Entsorgung oder ein Recycling kostenaufwendig und kompliziert gestaltet. Die Firma Apollon greift diese Punkte auf und versucht, beides in dem NICE-Modul(Siehe Anhang 12.1)zu vereinen,nämlich ein bifaziales Modul, bei dem die PV-Zellen zwischen zwei Glasplatten, anstelle von zwei Kunststoffen eingespannt werden. Die Hochschule Offenburg ist F&E-Partner der Firma Apollon und betreibt ein kleines Labor zur Herstellung von NICE-Modulen. Zu Testzwecken werden diese der Witterung ausgesetzt und so der Energieertrag,sowie deren Lebensdauer unter geltenden Witterungsbedingungen ermittelt. In der Masterarbeit von Benjamin Smith[1]stellte sich heraus, dass sich bei den Modulen nach weniger als zwei Wochen im Freien die Klebefläche zwischen den Glasplatten löste. Somit fielen die Module beim Witterungstest unter realen Bedingungen durch.Im Anschluss an die Arbeit von Benjamin Smith besteht diese Arbeit darin,einen Außenteststand zu konzipieren und aufzubauen, um das in Zwischenzeit neu entworfene Klebe-konzept, welches einem TC 50 Test standhielt, auf die Lebensdauer im Freien und das PV Modul selbst auf den elektrischen Ertrag zu untersuchen. Für den elektrischen Ertrag werden Strom-und Spannungsverlauf aufgezeichnet. Außerdem musste für eine Charakterisierung der Module die Bestrahlungsstärke,der Temperaturverlauf, sowie die Inho-mogenität der Bestrahlungsstärke auf der Rückseite und die Windgeschwindigkeit ermittelt werden. Um eine Alterung des Modulwechselrichters auszuschließen, werden speziell dafür die Wechselspannung und Leistung auf der Ausgangsseite des Modulwechselrichters aufgezeichnet. Sämtliche modulrelevanten Messwerte werden im 3-5 s Intervall abgespeichert und sind auf einem Webserver sowie für eine spätere Datenanalyse als .csv Datei abrufbar. Somit eignet sich die Messeinrichtung lediglich für eine Bilanzierung,nicht aber für eine Leistungsmessung.
Für den Außenteststand musste eine Unterkonstruktion, geeignet für bifaziale Module entworfen und aufgebaut werden. Die Konstruktion ist vollständig aufgebaut. Das Messsystem wurde auf deren Funktion erfolgreich geprüft und steht bis auf die Strahlungsinhomogenitätsmessung im Technikum am Campus Nord der Hochschule Offenburg bereit zur Inbetriebnahme.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist das netzdienliche Betreiben einer Wärmepumpe. Um diese Netzdienlichkeit zu erreichen, wird ein modellprädiktiver Regler entwickelt und implementiert, dessen Ziel es ist die Stromkosten einer Wärmepumpe zu senken. Dazu werden die Variablen Stromkosten und ein simulierter Heizbetrieb betrachtet.
Die Entwicklung eines modellprädiktiven Reglers setzt zunächst eine Modellierung der Komponenten des Heizsystems voraus. Ebenfalls muss eine Kostenfunktion formuliert werden, die es zu minimieren gilt. In einem Optimierungsproblem werden die Modelle als Randbedingungen und die Kostenfunktion als Zielfunktion der Optimierung formuliert. Dazu müssen gewisse Vereinfachungen getroffen werden, um das Optimierungsproblem zuverlässig und ohne enormen Rechenaufwand in einer Regelungsschleife lösen zu können.
Nun wird das Optimierungsproblem mit externen Modulen verknüpft, die eine Kommunikation mit der realen Wärmepumpen, Strompreisprognosen und Wettervorhersagen ermöglichen. Der dabei entwickelte Algorithmus wird auf einem Raspberry Pi Einplatinencomputer gespeichert und dort in einem regelmäßigen Zeitintervall von 15 Minuten ausgeführt, um den Betrieb der Wärmepumpe zu regeln.
Schließlich wird der modellprädiktive Regler in Betrieb genommen. Anschließend kann der modellprädiktive Betrieb mit dem konventionellen Betrieb verglichen werden. Aus dem Vergleich wird deutlich, dass eine modellprädiktive Regelung tatsächlich die Netzdienlichkeit einer Wärmepumpe verbessern kann. Andererseits werden auch die Entwicklungspotentiale identifiziert.
Das Konzept der Thermoaktiven Bauteilsysteme (TABS) zur Heizung und Kühlung von Gebäuden gewinnt aufgrund seiner Kompatibilität mit erneuerbaren Energiequellen an Popularität. Die Steuerung von TABS und somit auch die Gewährleistung eines behaglichen Raumklimas erweist sich allerdings aufgrund der hohen Systemträgheit als komplex. Kurzfristige Witterungsänderungen sorgen für unerwünschte Raumtemperaturänderungen, die nur langsam korrigiert werden können. Bei Nichtwohngebäuden wie dem Regionalen Innovationszentrum für Energie (RIZ Energie) in Offenburg wird dieser Umstand durch die unregelmäßige Gebäudenutzung zusätzlich erschwert, da innere Wärmelasten stark variieren und nicht vorhersehbar sind.
Konventionelle TABS-Steuerungen können Störgrößen im TABS-Betrieb nur bedingt und zeitverzögert berücksichtigen, weswegen eine dauerhafte Gewährleistung des thermischen Komforts im Gebäude oft nicht erreichbar ist – dies ist auch am RIZ Energie der Fall. Als Lösung dient der Einsatz prädiktiver Steuerungsalgorithmen, die Störgrößen prognostizieren und den TABS-Betrieb dementsprechend anpassen können.
Diese Arbeit überprüft das Potenzial von intelligenten TABS-Steuerungsalgorithmen für den Einsatz am RIZ Energie anhand der Umsetzung mit einem digitalen Zwilling des Gebäudes. Dabei konnte unter Verwendung der Algorithmen und Berücksichtigung von inneren und äußeren Störgrößen im TABS-Betrieb ein verbessertes Raumklima simuliert werden. Infolgedessen konnte zudem der digitale Zwilling optimiert werden.