Solarfahrzeug

Projekt Solarauto
Nino Pommerencke
Sören Ole Sauer
Konstantin Fischer
Felix Nollain
Nino Pommerencke, Sören Ole Sauer, Konstantin Fischer, Felix Nollain
Projekt Solarauto
Inhaltsverzeichnis
1. Projektvorstellung………………………………………………………………..3
2. Solarmodule………………………………………………………………….......4
2.1.
Messreihen……………………………………………………………..4
2.2.
Auswertung……………………………………………………...….….6
3. Schaltplan…………………………………………………………...……………7
3.1.
Überlegungen und Probleme…………………………………………7
3.2.
Komponenten…………………………………………………………..8
3.3.
Funktionsprinzip…………………....………………………………….8
4. Konstruktion………………………………………………………………………9
5. Projizierung auf Kfz.……………………………………………………………10
5.1.
Potenzial der Module………………………………………………...10
5.2.
Anwendungsbeispiel kompletter E-Motor………………………….11
5.3.
Kostenbeispiel………………………………………………………..12
6. Fazit……………………………………………………………………………...15
7. Anhang…………………………………………………………………………..16
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Nino Pommerencke, Sören Ole Sauer, Konstantin Fischer, Felix Nollain
Projekt Solarauto
1. Projektvorstellung
Im täglichen Leben fällt einem die Häufigkeit von solar-unterstützten Produkten in den
unterschiedlichsten Situationen auf. Von den Leuchten im Garten über
Parkscheinautomaten bis hin zum Taschenrechner. Der Trend in der Automobilbranche
bewegt sich in die Richtung, dass in absehbarer Zeit immer mehr Elektroautos die Straßen
befahren. Diese Tatsachen brachten unser Projektteam auf die Idee, ob es nicht möglich
wäre, Kraftfahrzeuge mit solarer Energie fortzubewegen, oder wenigstens unterstützend
bei dem Antrieb mitzuwirken. Um die Machbarkeit zu prüfen, setzten wir uns zum Ziel, dies
in geringerem Maßstab zu modellieren und umzusetzen.
Um dieses zu realisieren teilten wir unser Modellauto in drei Bestandteile auf:
1.
2.
3.
Solarmodul
Motor
Karosserie
Wichtigstes Kriterium zur Auswahl der einzelnen Bestandteile war dabei das Verhältnis
von Leistung zu Gewicht. An Solarmodulen standen uns drei zur Auswahl, die wir
durchgemessen haben. Jeweils eine mono- und polykristalline Solarzelle wurde uns dafür
vom Labor gestellt und eine weitere haben wir in einem Onlineshop erworben. Anhand
dieser Daten begaben wir uns auf die Suche nach einem geeigneten Motor. Eine Auswahl
dafür fanden wir ebenfalls im weltweiten Netzwerk. Sobald das Solarmodul und der Motor
gewählt waren, konnten wir mit der Messung der tatsächlich erbrachten Leistung
beginnen. Diese Werte würden für die Konstruktion ausschlaggebend sein. Das Design
würden wir dabei in den Hintergrund stellen und uns hauptsächlich auf die Machbarkeit
beschränken. Aus dem Modellauto können wir die Erkenntnis ziehen, welche Leistung ein
Solarmodul auf einem herkömmlichen Kraftfahrzeug erbringen müsste, oder welches
Gewicht dieses Fahrzeug maximal haben darf, um eine sinnvolle Nutzung der
Sonnenenergie zu ermöglichen. Es handelt sich hierbei um eine Machbarkeitsstudie und
jeden von unserem Modellauto zurückgelegte Meter, betrachten wir deshalb als einen
vollen Erfolg.
Für eine erfolgreiche Projektplanung und Durchführung haben wir mit den uns bekannten
Projektmanagmentwerkzeugen gearbeitet. Zuallererst haben wir uns mit dem
Projektstrukturplan (PSP) beschäftigt. Hier wurden die einzelnen Teilaufgaben und die
dazu gehörigen Arbeitspakete definiert. Als nächstes wurde der Netzplan (NP) aufgestellt,
der die Logik des Projekts entwickelt. Beim Netzplan arbeitet man sich durch die erste
Teilaufgabe und deren Arbeitspakete. Nach jeder Teilaufgabe wird eine Entscheidung
getroffen, ob es weiter geht zur nächsten Teilaufgabe oder, wenn die Anforderungen nicht
erfüllt werden, diese wiederholt wird, bis sie den Anforderungen entspricht. Wenn keine
angemessene Lösung der Teilaufgabe gefunden wird, kann unter Umständen das Projekt
auch beendet werden. Anschließend wird im Rahmenterminplan (RTP) der zeitliche
Rahmen und die Dauer des gesamten Projekts und der einzelnen Teilaufgaben bestimmt.
Auch die Meilensteine sind hier festgelegt, die einen gewissen Erfolg im Projekt
beschreiben oder ein Arbeitspaket abschließen.
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2. Solarmodule
2.1. Messreihen
Nachdem das Projekt soweit geplant und die Zielvorgabe festgehalten war, bestand die
erste Aufgabe darin, eine passende Photovoltaik-Zelle zu finden. Wir entschieden uns
dazu mehrere Zellen durchzumessen um daraufhin die für unsere Anforderungen am
besten geeignete zu ermitteln. Herr Laufer konnte uns dafür zwei Module zur Verfügung
stellen, zu welchen wir die Spannung-Strom-Kennlinie aufzeichnen sollten. Für diese
Aufgabe stand uns ein Versuchsaufbau in der Fachhochschule zur Verfügung. Die
Durchführung bestand darin, die PV-Zelle anzuschließen und in eine Vorrichtung zu
schieben, in der sie bestrahlt wurde. Die Ergebnisse wurden vollautomatisch in ein
Programm auf einen danebenstehenden Rechner übertragen. Das Programm lieferte uns
nicht nur die Messwerte, aus welchen die Kennlinien erstellt werden konnten, sondern
auch den Strom
und die Spannung
im "Point of Maximum Power". Für die
polykristalline Zelle ergab sich dabei (Abb. 1):
und somit für die Leistung:
bei einer Einstrahlung von
und einer Temperatur von
Der Wirkungsgrad
liefert mittels folgender Formel einen Wert von:
I [A] / P [W]
bei einer bestrahlten Fläche von
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
I [A]
0,4
P [W]
0,3
0,2
0,1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
U [V]
0,6
Abbildung 1: Spannung-Strom-Kennlinie der polykristallinen PV-Zelle
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Die monokristalline Zelle lieferte folgende Ergebnisse (Abb. 2):
bei einer Einstrahlung von
und der Temperatur
Der Wirkungsgrad liefert einen Wert von
mit
I [A] / P [W]
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
I [A]
P[W]
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
U [V]
Abbildung 2: Strom-Spannung-Kennlinie der monokristallinen PV-Zelle
Außerdem bestellten wir uns eine PV-Zelle mit passendem Motor im Internet dazu. Auch
zu dieser nahmen wir zunächst die Kennlinie auf. Da das Programm aber sobald die Zelle
bestrahlt wurde einen Fehler anzeigte, und auch nach mehrmaligem ändern der
Parameter für die Aufzeichnung, dieser immer wiederkehrte, blieb uns nichts anderes
übrig als sie per Hand zu vermessen. Dazu schalteten wir zwei Schieber mit
veränderlichen Widerständen vor die Zelle und bekamen so unsere Ergebnisse (Abb. 3).
Ein Problem dabei stellte das Heißwerden der Zelle dar, welches deren Eigenschaften
veränderte und so ungenaue Daten liefern würde. Da eine gute Belüftung nicht zu
gewährleisten war, entschieden wir uns dennoch mit den erhaltenen Ergebnissen zu
arbeiten.
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Diese ergaben:
bei einer Einstrahlung von
und der Temperatur
Der Wirkungsgrad liefert einen Wert von
mit
I [A] / P [W]]
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
I=f(U)
0,25
P=f(U,I)
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
U [V]
Abbildung 3: Strom-Spannung-Kennlinie
2.2. Auswertung
Die Kriterien für die Auswahl des Moduls waren vielfältig. Zum einen durfte der Strom nicht
zu hoch sein, um den Motor sowie die Akkus nicht zu gefährden. Zum anderen sollte die
PV-Zelle stabil genug sein um Witterungen wie Regen, Hagel oder Schneefall zu
überstehen.
Für die Projizierung auf ein wirkliches Kraftfahrzeug galt aus Effizienzgründen außerdem
der Vorsatz, dass das Auto mit der kleinstmöglichen Leistung zum Fahren gebracht
werden sollte. Aus diesem Grund entschieden wir uns für die aus dem Internet bestellte
Zelle. Sie lieferte die geringste Leistung, bei dem gleichzeitigen kleinsten Strom. Zudem ist
sie die mit Abstand widerstandsfähigste Zelle.
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3.Schaltplan
3.1. Überlegungen und Probleme
Nach der Wahl des Solarmoduls stellte sich die Aufgabe einen Schaltplan zu entwickeln,
der die Anforderungen des Moduls erfüllt. Dabei war unser erstes Ziel, dass das
Solarmodul die Motoren direkt ansteuert. Nach einem ersten „Kick-off-Meeting“ mit
unserem Projektbetreuer wurde deutlich, dass diese Umsetzung zu einfach und zu wenig
Bezug auf elektrobetriebene Kraftfahrzeuge hat. Um unser Projekt dem aber näher zu
bringen, entschlossen wir uns einen Schaltplan zu konstruieren, in der die Zelle einen
Akku auflädt, welcher die Motoren auch bei keiner direkten (Verschattungen) oder diffusen
Einstrahlung mit genügend Energie versorgt. Durch das Einfügen eines Akkus kamen
diverse Probleme hinzu. Denn durch ständiges auf- und entladen dieses, würde riskiert
werden diesen über Zeit zu beschädigen. Um dieses Problem zu beheben entschlossen
wir uns einen weiteren Akku einzusetzen, damit jeweils ein Akku entladen und der andere
gleichzeitig von der Zelle geladen werden kann. Ein solcher Aufbau musste aber auch
geregelt werden, damit diese abwechselnd geladen werden können. Eine einfache sowie
praktische Ladesteuerung musste also entwickelt werden. Diese Regelung sollte jedoch
keine bis wenig weitere Energie durch die Solarzelle beziehen, da diese an
Antriebsleistung verloren ginge. Mittels zwei Leuchtdioden, die parallel zu den Akkus
geschaltet werden, schien dieses Problem leicht zu beheben zu sein. Die LEDs würden
bei der geladenen Spannung der Akkus zu leiten anfangen und somit ein weiteres
aufladen verhindern und gleichzeitig als Ladeanzeige dienen. Jedoch würde die Spannung
eines aufgeladenen Akkus mit 1,2 V nicht ausreichen um diese zum Leuchten zu bringen,
da selbst eine rote LED eine Mindestspannung von 1,63 V benötigt. Auch dieses Problem
musste behoben werden und wir entschieden uns für ein System mit einem Paar aus zwei
in Reihe geschalteten NiMH Akkus à 1,2 V, die zusammen 2,4 V ergeben würden. Diese
Spannung würde dann ausreichen um die Dioden zum Leuchten zu bringen, um so ein
weiteres Laden und möglicherweise überladen der Akkus zu vermeiden. Wir entschieden
uns somit für zwei grüne LEDs, da diese zwischen einer Spannung von 2 bis 3,4 V zu
Leuchten beginnen. Ausgewählt wurden zwei Dioden die mit 25 mA und 2,2 V betrieben
werden. Zwei weitere Probleme kamen hinzu: Die Spannung einer Solarzelle würde nicht
ausreichen um dieses System mit Spannung zu versorgen und der durch die Dioden
fließende Strom wäre zu groß und würde diese zerstören. Das Problem ließ sich durch
zwei in Reihe geschalteter Solarmodule beheben. Ein jeweils vor die Dioden geschalteter
100 Ohm großer Widerstand begrenzt den Strom auf die zugelassenen 25 mA. Durch die
Parallelschaltung des Diodenkreises kam jedoch ein weiteres Problem hinzu. Die Dioden
würden auch dann Strom beziehen, wenn die Akkus die Motoren antreiben sollen. Diese
Leistung fehlt dann an Antriebsleistung an den Motoren. Wir entschieden uns deshalb für
einen weiteren Wechselschalter mit Öffner und Schließer. Dieser soll den
Diodenstromkreis abschalten, wenn die Akkus die Motoren antreiben. Jetzt fehlten für
einen kompletten Schaltplan lediglich ein Wechselschalter zum Wechseln der Akkus und
eine Schottky Diode, die hinter die Solarzellen geschaltet wird um zu verhindern, dass der
Strom, für den Fall, dass das Spannungspotenzial der Akkus über dem der Zelle liegt, in
die Solarzelle fließt. Schottky Dioden benötigen kleinere Spannungen um in den leitenden
Zustand zu kommen. Dadurch wird der Verlust durch die Schleusenspannung weiter
begrenzt. Damit man auch die Motoren abschalten kann, wurde ein einfacher Schalter S5
vor die Motoren geschaltet.
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3.2. Komponenten
Der Schaltplan (Abb. 4) besteht aus zwei Solarmodulen (2 V, 380 mA), einem
Wechselschalter mit den Schließern S1 und S2, einem Wechselschalter mit Öffner und
Schließer, zwei Gleichstrommotoren für Photovoltaik (Anlaufstrom 12 mA, 0.45-5 V), vier
NiMH Akkus à 1,2 V 600 mAh, einer Schottky Diode (I r= 1 A ; Ur=40 V) sowie zwei grünen
Leuchtdioden (If=25 mA ; Uf=2,2 V) und zwei Widerstände à 100 Ohm.
Abbildung 4: Der Schaltplan
3.3. Funktionsprinzip
Die beiden in Reihe verschalteten Solarmodule versorgen das System mit Spannung.
Durch die Akkus wird die Spannung auf 2,4 V gesenkt. Eine hinter die Module geschaltete
Schottky-Diode verhindert, dass der Strom in die Solarmodule fließt, wodurch diese zum
Verbraucher werden könnten. Dies wäre immer dann der Fall, wenn das
Spannungspotenzial der Akkus auf einem höheren Niveau liegen würde als das der
Solarmodule. Durch einen Wechselschalter kann der zu laden gewünschte Akku
angesteuert und geladen bzw. durch die Motoren entladen werden. Dazu sind die zwei
Motoren parallel geschaltet, so dass diese jeweils mit der gleichen Spannung versorgt
werden. Der Strom teilt sich dadurch logischerweise auf die beiden Motoren auf. Ebenfalls
parallel angeschlossen, aber zu den Akkus, ist ein Strang aus Widerstand und Diode. Der
Widerstand begrenzt den Strom auf 25 mA, da die Diode bei höheren Strömen zerstört
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werden würde. Ebenfalls vor die Dioden geschaltet ist ein Wechselschalter mit Öffner und
Schließer, der immer den Stromkreislauf der Diode trennt, der gerade die Motoren mit
Leistung speist. Dies verhindert, dass die Dioden zusätzlich Leistung beziehen, die an den
Motoren fehlen würde. Der Schalter S5 hat lediglich die Funktion die Motoren
abzuschalten.
4. Konstruktion
Nachdem das Solarmodul und der Motor gewählt waren, mussten wir uns weitere
Gedanken über die Konstruktion im Einzelnen machen. Dabei sollte sie bestimmte
Anforderungen erfüllen, sowie auf ein reales Kfz übertragbar sein. Die Anforderungen
sollten sein, dass im Inneren genug Platz für Motor, das Getriebe und den Akku und auf
dem Dach genug Fläche für die Module vorhanden ist. Ein Modul hat eine Abmessung von
120mm x 62mm, ist 4mm dick und liefert bei voller Sonneneinstrahlung und unbedecktem
Himmel eine Spannung von 2 Volt und einen Strom von 380 mA (Angaben vom
Hersteller). Der Motor muss demnach angepasst werden. Wir haben uns deswegen für
den Solarmotor RF 300 entschieden. Dieser benötigt einen geringen Anlaufstrom von
12mA und arbeitet im Spannungsbereich von 0,45 V bis 5 V. Somit ist dieser optimal für
unsere Zwecke. Die nächste Frage, mit der wir uns beschäftigen mussten, war die Wahl
der Form. Um ausreichend Platz bereit zu stellen, haben wir uns für ein Auto in Form eines
Transporters entschieden (Abb. 5). Als stilistische Vorlagen diente dabei die T-Reihe von
Volkswagen. Aufgebaut wird das Ganze auf einer Platte aus PVC. Darauf werden die
Motoren, das Getriebe, die Akkubuchsen sowie die Achsen montiert. Die Verkleidung wird
aus einem dünnen Aluminiumblech gebogen. Es soll nach der Endmontage leicht wieder
abgenommen werden können. Die Solarmodule werden über einen Winkel mit dem Bus
verbunden. Mit dem Winkel bleibt das Modul verstellbar und kann, wenn das Auto parkt, in
einer günstigen Position zur Sonne aufgestellt werden.
Abbildung 5:
Diese Abbildung
zeigt das fertige
Auto. Eine der
beiden Anlagen
ist aufgestellt wie
es im
Parkzustand
möglich wäre.
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5. Projizierung auf ein Kfz
Die Idee ein Auto über Strom zu betreiben ist so alt wie das Auto selbst. Zu der Zeit war
allerdings Benzin und Diesel günstig zu besorgen und die Stromherstellung war dagegen
sehr aufwendig. Die Batterien von damals waren ebenso sehr leistungsschwach im
Gegensatz zu dem heutigen Stand der Technik. Von daher konzentrierte sich die
Entwicklung in der Automobilbranche auf die Verbesserung der gängigen
Kraftstoffmotoren. Seit der Ölkrise in den 70'ern jedoch erregte die Elektromobilität neues
Interesse, sodass heutzutage viele Hersteller darin die Zukunft sehen und eigene Modelle
erfolgreich auf den Markt gebracht haben. Der Peugeot iOn ist ein Beispiel für die enorme
technologische Entwicklung in den letzten Jahrzehnten. Er wird über einen Lithium-IonenAkku betrieben, hat eine Ladezeit von sechs Stunden und bei einer Reichweite von 150
Kilometern erreicht er eine Höchstgeschwindigkeit von 130 km/h. Sein Stromverbrauch
beträgt dabei 13,5 kWh/100km [1].
Dieses Beispiel ist sicherlich nicht mit dem aus unserem Projekt gebauten Solarauto
vergleichbar. Um dieses in der Realität umzusetzen bedarf es vor allem in der Elektronik
einige Änderungen. Zum einen müsste die Ladesteuerung optimiert werden, damit dortige
Verluste so gering wie möglich bleiben. Zum anderen bedarf es leistungsfähigerer Akkus,
um eine größtmögliche Reichweite zu garantieren. Bei der Entwicklung von immer
besseren Energiespeichern haben die Hersteller verschiedene Ansätze. Der gängigste
dabei ist jedoch die Verwendung von Lithium-Ionen-Akkus. Diese weisen nach dem
heutigen Stand die höchste Leistungsdichte auf. Neben dem Motor wird der Akku auch
von anderen Verbrauchern belastet. Eine Lichtanlage und elektronische Fahrhilfen wie
ABS oder ESP sollten in jedem Fahrzeug vorhanden sein, das heute auf dem Markt
erscheint.
[1]: Quelle: http://www.emobility-web.de/spaces/12/efahrzeuge-im-überblick-siehe-wiki/wiki/view/28/peugeot-ion
5.1. Potenzial der Module
Um eine vergleichbare Dachfläche zu bekommen, haben wir uns an dem Modell T3Caravelle von VW orientiert. Anhand der Daten aus dem Bild haben wir eine abgeschätzte
Dachfläche von 4000mm * 1845mm (Abb. 6). Demgegenüber hat ein Solarmodul eine
Länge von 1653mm, ist dabei 982mm breit und hat ein Gewicht von 18,69kg (Tab. 1).
Tabelle 1: Daten des monokristallinen Solarmoduls Suniva Optimus (Modell 250-60-4-100)
Quelle: Vorlesungsskript, Photovoltaik und Brennstoffzellen, Prof. Blome
Nimmt man in Kauf, dass die Module ein Stück vorn und hinten, sowie ein Teil an den
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Seiten überstehen, können vier Module auf dem Dach des VW Transporters installiert
werden. Die vier Module kommen so insgesamt auf eine Leistung von 1000
. Um den
Transporter T3 von VW mit anderen Nutzfahrzeugen vergleichen zu können, beziehen wir
uns beim Verbrauch auf den Van EQ 6380 vom chinesischen Hersteller Dongfeng. Dessen
Verbrauch liegt nach Angaben des Herstellers bei 15,5 kWh auf 100 km Strecke [2]. Um
diese Distanz zurückzulegen bzw. um die dafür erforderliche Energie bereitzustellen,
müssen die Solarzellen 15,5 Stunden lang bei voller Sonneneinstrahlung laden. Dies ist
für den alltäglichen Gebrauch sehr unpraktisch, da vor allem die reale Ladezeit über den
15,5 Stunden liegt. In Wirklichkeit schwankt die von den Solarmodulen gelieferte Leistung,
da die globale Einstrahlung im Laufe des Tages zu und wieder abnimmt.
[2]: Quelle: http://www.emobility-web.de/spaces/12/efahrzeuge-im-überblick/wiki/view/41/dfm-mini-auto-van-eq-6380
Abbildung 6: Maße eines T3 VW Transportes
Quelle: http://www.o-kruecke.de/gallerie/01/CaravelleCarat1.jpg
5.2. Anwendungsbeispiel kompletter E-Motor
Um weiter vergleichen zu können, haben wir uns drei Beispielmotoren mit dazugehörigen
Akkumulatoren herausgesucht und miteinander verglichen. Über die Kapazität der Akkus
haben wir die Ladezeit und Reichweite bestimmt. Eine volle Ausnutzung der gesamten
Kapazität würde die Lebensdauer der Akkus stark reduzieren. Um eine reale Reichweite
bestimmen zu können, haben wir in der Berechnung der Kapazität den Faktor von
berücksichtigt, damit eine Restkapazität erhalten bleibt.
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Tabelle 2: Verschiedene Motoren und Akkus
Quelle: http://www.elektro-auto-umbau.de/index.php5?weiter=6
Motor
Akku
4 kW / 48 V
4 St. à 12V/150Ah [Pb]
Höchstgeschwindigkeit
Gewicht
KapazitätAkku
Ladezeit
Reichweite
50 – 60 km/h
224 kg
6000 Wh
6h
40 km
7,5 kW / 72 V
11 kW / 144 V
6 St. à 12V/150Ah [Pb] 48 St. à 3,2V/160Ah
[LiFePO4]
70 – 80 km/h
100 – 120 km/h
310 kg
349 kg
9000 Wh
20480 Wh
9h
20,5 h
60 km
128 km
Um eine richtige Auswahl beim Motor und Akku zu treffen muss man besonders den
Verwendungszweck beachten, da gewisse Unterschiede erkenntlich wurden.
Herkömmliche Bleiakkus (Pb) besitzen eine geringere Kapazität und Reichweite als die
Lithium-Phosphat-Akkus (LiFePO4). Bleiakkus haben ein vergleichsweise hohes Gewicht,
weshalb man bei anspruchsvollen Anforderungen an den Motor auf einen, mit einer
höheren Leistungsdichte aufweisenden, LiFePO4 Akku zurückgreift. In Bereichen, wo
Geschwindigkeit und Reichweite keine große Rolle spielen (Gabelstapler,
Putzmaschinen), benutzt man von daher herkömmliche Bleiakkus. Im Straßenverkehr hat
sich derzeit deshalb die Lithium-Phosphat Variante durchgesetzt. Die rasante Entwicklung
der Technik lässt den Preis pro Kilowattstunde momentan immer weiter fallen, sodass sie
in naher Zukunft für eine immer breitere Masse bezahlbar werden. Unter der Annahme,
dass die Akkus ausschließlich von den Solarmodulen geladen werden, wird die Ladezeit
nur von der Kapazität bestimmt. Die Zeiten um den Akku voll aufzuladen sind
dementsprechend hoch. Eine Verwendung im alltäglichen Gebrauch kommt daher, für den
Betrieb des Motors über reinen Solarstrom, nicht in Frage.
5.3. Kostenbeispiel
Das folgende Anwendungsbeispiel soll die Vorteile eines Hybrid Antriebs verdeutlichen
und dabei die vorhergehenden Rechnungen noch einmal aufgreifen. Dazu soll die auf den
Kilometer Wegstrecke bezogene spezifische Fahrenergie
bei konstanter
Geschwindigkeit von
berechnet werden. Dies bedarf folgender Annahmen.
Masse PV-Module:
Masse Transporter:
Masse Motor und Akkus:
Resultierend:
Stirnfläche des Transporters:
Luftwiderstandsbeiwert:
Die folgenden Formeln und Werte wurden dem Vorlesungsskript „Energieeffizienz und
Anwendungstechnik“ von Herrn Hagedorn entnommen.
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Rollreibungswiderstand:
Dichte der Luft:
mit
Da die Geschwindigkeit nicht geändert wird und wir eine Fahrt auf ebener Fläche
annehmen, fallen die Kräfte und
weg und die Formel reduziert sich auf
mit
und
mit
mit
]
Damit erhält man einen Fahrwiderstand von
Also ist
Aus dem Fahrwiderstand ergibt sich multipliziert mit der dazugehörigen Geschwindigkeit
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die Fortbewegungsleistung
.
Um nun die Motorleistung zu errechnen nehmen wir einen Übertragungswirkungsgrad von
an. Damit ergibt sich eine Motorleistung von
Anhand dieser Leistung wählen wir einen Motor mit 7,5kW/72V und die dazu passenden
Blei Akkus mit 12V/150Ah aus. Um den Motor zu betreiben werden sechs dieser Akkus in
Reihe geschaltet, so dass sich eine für den Motor erforderliche Betriebsspannung von 72V
ergibt. Die Blei Akkus haben somit insgesamt eine elektrische Kapazität von 9000Wh,
wenn man wie zuvor unter Punkt 5.1 beschrieben, berücksichtigt, dass die Blei Akkus nur
bis zu einem gewissen Teil entladen werden dürfen. Bei einer spezifischen Fahrenergie
von
und einer Energie von 9000Wh erhält man eine Reichweite von
84,11km.
In einem Hybriden Fahrzeug besteht die Möglichkeit während der Fahrt den
Verbrennungsmotor abzuschalten, so dass das Fahrzeug rein elektrisch betrieben wird.
Nachfolgend wollen wir einen Vergleich der Kosten für den, auf der Wegstrecke
benötigten Strom und den Kosten für den von einem herkömmlichen Verbrennungsmotor
benötigten Kraftstoff anstellen.
Dazu nehmen wir einen Strompreis
sowie einen Kraftstoffverbrauch von
bei
an. Damit ergeben sich folgende Kosten:
Durch den Betrieb mit einem Elektromotor spart man also gegenüber dem Betrieb mit
einem Verbrennungsmotor Kosten in der Höhe von 3,13€.
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6. Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dies eine schöne Idee ist, jedoch nach dem
heutigen Stand der Technik eine Serienproduktion wirtschaftlich nicht rentabel wäre. Dies
hat mehrere Gründe: Der Ladevorgang des Solarautos würde deutlich mehr Zeit in
Anspruch nehmen, als das dieses in Betrieb genommen werden kann. Die
Amortisationszeit würde die Lebensdauer der Module überschreiten. Des Weiteren sind
die Anforderungen im öffentlichen Straßenverkehr deutlich anspruchsvoller. Ein Auto, was
daran teilnehmen möchte, muss gewissen Standards entsprechen, wie eine
funktionierende Beleuchtung und ein bestimmtes Maß an Sicherheit bieten. Dies würde
sich deutlich auf das Gewicht niederschlagen, sodass eine Anlage eine höhere Leistung
erzielen müsste. Bei dem Potenzial der Fläche und dem heutigen Wirkungsgrad von
modernen PV-Anlagen ist dies nicht realisierbar.
Zukünftig wird der Wirkungsgrad der Module weiter optimiert werden, so dass dadurch
auch die Leistungen der Module weiter steigen. Ein Vorreiter in der Entwicklung
regenerativer Antriebstechnik ist beispielsweise Bertrand Piccard. Mit seinem
Solarflugzeug HB-SIA setzt er in dieser Technologie neue Maßstäbe und treibt die
Forschung voran. Darüber hinaus sensibilisiert er die Öffentlichkeit für die Thematik
„Erneuerbarer Energien“.
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7. Anhang
Projektstrukturplan
Solarauto
Testreihen
Bestandteile
Auswertung
Konstruktion
Karosserie
Motor
Bewertung
Messergebnisse
Entwurf
Module
Karosserie
Fazit
Detailkonstruktion
Module
Bau
Projekt 6.Semester
Projektstart
Netzplan
Bestandteile
Bestandteile
geeignet
Nein
Ja
Testreihen
Testreihen
Nein
ausreichend
Ja
Auswertung
Ja
Projekt
möglich
Nein
Ja
Nein
Konstruktion
Fertigung
möglich
Nein
Ja
Bau
Funktionstüchtig
Projektende
Projekt
fortführen
Nein
Rahmenterminplan