• Bessers Verständnis der Leistung und Nutzung unserer Solaranlagen
• Bewertung verschiedener Optionen zur Verbesserung der Solaranlagen
• Implementierung der empfohlenen Verbesserungen

Batterien:

• Spannung: 12 V
• Kapazität: 60 bis 80 Ah pro Klassenraum
• Zuletzt verwendete Modelle: Victron Gel Deep Cycle 66 Ah (1 Panel, 6 Lampen) und 130 Ah (2 Panele, 12 Lampen) (Datenblatt)

Solarpaneele:

• Dimensionierung: ein Paneel pro Klassenzimmer
• Zuletzt verwendetes Modell: SolarWorld SW85 (Datenblatt)
• Maximalleistung P: 85 Wp (Standardtestbedingungen 1000W/m2)
• Leerlaufspannung U: 22,0 V (Standardtestbedingungen 1000W/m2)
• Spannung bei Maximalleistung U: 17,9 V (Standardtestbedingungen 1000W/m2)
• Kurzschlussstrom I: 5,20 A (Standardtestbedingungen 1000W/m2)
• Strom bei Maximalleistung I: 4,77 A (Standardtestbedingungen 1000W/m2)

Verbraucher:

• Typischerweise 6 CFLs pro Klassenzimmer, davon werden 5 im Klassenzimmer installiert und 1 für die Außenbeleuchtung oder das Büro
• Spannung: 12 V
• Stromaufnahme: 900 mA
• Zuletzt verwendetes Modell: Phocos CL1211 (Datenblatt)

Blockdiagramm

Stand der Dinge 17/09/14 Jan und Keno konnten qualitativ feststellen, das in den bisherigen Installationen Überschussenergie anfällt. Eine quantitative grobe abschätzung ergab, dass diese je nach Standort und Größe des Systems ausreicht, um zwischen 10 und 50 Handyakkus von ca. 3Wh zu laden. Auf dieser Grundlage sollen in einem nächsten Schritt verschiedene Excess Energy Management Tools zur Handyladung getestet werden.

Praktikumsausschreibung 2013:

SEWA ist seit über 15 Jahren in Burkina Faso tätig und fördert seit dem die Nutzung von Solarenergie, insbesondere im ländlichen Raum. Ein Fokus unserer Arbeit liegt auf der Elektrifizierung von Schulen und Krankenstationen mit angepassten Lösungen zur abendlichen Beleuchtung (Siehe [1] für ausführliche Projektinformationen). Die Installationen dienen primär dazu, die Beleuchtung während des Schulunterrichts und medizinischer Behandlungen zu ermöglichen. Beides kann häufig nur abends/nachts stattfinden, so dass elektrisches Licht einen essentiellen Faktor für Schulbildung und medizinische Versorgung darstellt. Der inzwischen flächendeckend verfügbare Mobilfunk nimmt in Entwicklungsländern zunehmend eine wichtige soziale und entwicklungspolitische Stellung ein, da ansonsten im ländlichen Raum der Bevölkerung keine Kommunikationseinrichtungen zur Verfügung stehen (Festnetz gibt es oft nicht). Daher soll untersucht werden ob die Anlagen funktional erweitert werden können, um sekundär als Handyladestation zu dienen, ohne dass dabei darunter die Nutzung der Beleuchtung leidet

Anmerkung: Die Beleuchtung in den Schulen soll den Schülern die Möglichkeit bieten, Hausaufgaben zu erledigen, Nachzuarbeiten und insbesondere sich auf die Prüfung zum Abschluss der sechsten Klasse vorzubereiten (CEP). Der Unterricht findet tagsüber bei tageslicht statt. Auch die medizinische Versorgung ist tagsüber gegeben. Allerdings ist für Notfälle und für Geburten eine ausreichende Beleuchtung in der Nacht essentiell. (Keno 11.08.14)

U.a. beinhaltet dies:

• Dimensionierungsmessungen an verschiedenen existierenden Anlagen mit anschließender Auswertung.
• Marktrecherche zum Thema excess energy, Laderegler und Handylader.
• Ggf. prototypische Umsetzung eines Handyladers.
• die technische und organisatorische Projektbegleitung vor Ort, sowie eine ausführliche Dokumentation der Tätigkeiten.

Projekt von Arwed Milz:

Pilotversuche zu solarem Handy- und Akkuladen in Gourgou, Burkina Faso.

batteriereferat_arwed_milz_2013.pdf

1. Was wollen wir mit dem Vorhaben insgesamt erreichen?
   • Die Überschussenergie unserer Solaranlagen soll der Dorfgemeinschaft zur Verfügung gestellt werden.
   • Die Menschen vor Ort sollen selber die Entscheidung treffen, wie sie diese Energie nutzen.
   • Wir erwarten, dass ein großer Bedarf für das Laden von Handys besteht, deshalb soll die Anlage hierfür optimiert sein.
   • Prinzipiell sollen aber auch andere Nutzungsmöglichkeiten bestehen, z.B. das Laden eines Laptops, einer A utobatterie oder das Betreiben eines Laptops.
     
     
2. Wer ist unsere Zielgruppe? Personen/Nutzerkreis?
   • Es soll der Schulgemeinschaft (Lehrern und Elternvertretern) überlassen bleiben zu entscheiden, wer die Anlage nutzen darf und welche Regeln es hierfür gibt.
     
     
3. Was ist wichtiger: Handys Laden oder Sonnenenergie für Beleuchtung speichern?
   • Sonnenenergie für Beleuchtung zu speichern ist wichtiger.
     
     
4. Welche Schnittstelle wird für die Bereitstellung von Überschussenergie verwendet?
   • 12 V DC, in Form eines Zigarettenanzünderanschlusses wie im Auto
   • Wahrscheinlich werden die Nutzer für das Laden von Handys Adapter von der 12-V-Buchse auf USB-Standard verwenden.
     
     
5. Wollen wir die entnehmbare Energie grundsätzlich auf die Maximalleistung des Panels begrenzen? (erscheint sinnvoll, da wir andernfalls definitiv den Akku entladen würden)
   • Ja, eine Begrenzung der Ausgangsleistung der Handyladeanschlüsse auf die Maximalleistung des Paneels erscheint sinnvoll.
   • Falls dies jedoch mit erheblichem technischen Aufwand verbunden wäre und die Fehleranfälligkeit des System deutlich erhöhen würde, kann auf diese Begrenzung auch verzichtet werden. Das System würde dann nach einer gewissen Zeit sowieso abschalten, da der Akkuladezustand sinkt.
     
     
6. Wieviele Handys muss man mindestens Laden können? Wieviele Handys erwarten wir maximal?
   • Die maximale Leistungsabgabe wird von den technischen Parametern der Solaranlage vorgegeben, richtig Es muss sichergestellt werden, dass durch die Stromflüsse des Handyladens die Anlage nicht beschädigt werden kann.
   • Es kann nicht sichergestellt werden, dass die Anzahl der angeschlossenen Handys nach oben begrenzt ist. Das System muss darauf ausgelegt sein, dass die Nutzer eventuell weitere Verteiler anschließen werden.
   • Es gibt keine Mindesanforderung an die Energieabgabe der Handyladefunktion, der begrenzende Faktor ist die Verfügbarkeit von Überschussenergie.
   • Wir erwarten, dass an einem durchschnittlichen Tag zwischen 3 und 15 Handyladungen erfolgen.
   • Es ist wichtig, dass die technische Vorrichtung das Handyladen unmöglich macht, sobald dadurch der Hauptakku der Solaranlage in seiner Funktion als Energiespeicher für die nächtliche Beleuchtung signifikant beeinträchtigt wird.
     
     
7. Wenn mehr Handys angeschlossen sind als wir Überschussenergie haben (oder geben wollen), schalten wird dann komplett ab oder nur Teile der angeschlossenen Handys?
   • Möglichkeit 1: Das System schaltet nacheinander einzelne Steckdosen ab, bis die Last an den verbleibenden Steckdosen versorgt werden kann oder alle Steckdosen abgeschaltet sind. Hierbei wäre eine separate Funktionsanzeige an jeder Steckdose wünschenswert.
   • Möglichkeit 2: Das System schaltet alle Steckdosen ab, sobald die angeschlossene Last nicht mehr versorgt werden kann.
   • Der Aufwand für Möglichkeit 1 wäre eventuell zu groß und ein solches System wäre fehleranfälliger. Wir erwarten, dass die Anlagennutzer bei Möglichkeit 2 selber regulierend eingreifen und die Anzahl der angeschlossenen Handys verringern. Daher ziehen wir Möglichkeit 2 vor.
     
     
8. Wie verhält sich das System, wenn mehr Handys angeschlossen sind als aktuell geladen werden können?
   • Bitte Unterschied zur vorherigen Frage erklären.
     
     
9. Wie sichern wir die Buchsen gegen Überlast? Schmelzsicherung (muss ersetzt werden)? Stromregelung? Pop-Sicherungen?
   • Kann erst nach einem genaueren Kosten-Nutzen-Vergleich entgültig entschieden werden.
   • Schmelzsicherungen erscheinen nicht praktikable, da sie vor Ort wahrscheinlich nicht ersetzt werden können und die Anreisekosten eines Technikers erheblich sind.
   • 12 V DC Sicherungsautomaten erscheinen auf dem ersten Blick am besten geeignet (z.B. Phaesun Modelle)
     
     
10. Wie ist hier die Priorität: Darf ein geringer Teil der verfügbaren (im Akku gespeicherten) Sonnenenergie für die Handyladung „abgezweigt“ werden, wenn dies bei der Handyladung substantielle Vorteile bietet?
    • Bis 10 Prozent der Akkukapazität kann für die Handyladung verwendet werden.
      
      
11. Darf die Energie im Akku auch dann zur Handyladung verwendet werden, wenn sie aktuell nicht durch Sonneneinstrahlung gedeckt ist, aber das (vermutlich!) in naher Zukunft sein wird?
    • Bitte Frage präzisieren. Wie würde das System seine Prognose der Energieerzeugung treffen?
    • Geht es um die gesamte Akkukapazität? Dann nein. Geht es um die oberen 10 Prozent der Akkukapazität? Dann ja, siehe vorherige Frage.
      
      
12. Wie wird dem Benutzer angezeigt, daß er Laden kann?
    • Eine Anzeige ist nicht zwingend erforderlich. Wir sehen es als ausreichend an, wenn die Nutzer durch die Ladeanzeige der angeschlossenen Handys sehen, ob geladen werden kann.
    • Wenn technisch mit einfachen Mitteln realisierbar, wäre eine grüne LED zur Anzeige von vorhandener Überschussenergie wünschenswert.
      
      
13. Muss die Schaltung und Anschlusstechnik eine IP Klasse erfüllen? („wetterfest?“)
    • Die Schutzart soll sich grundsätzlich an der Schutzart der bisher installierten Solaranlagen orientieren.
    • Für die Sicherheit der Anschlusstechnik ist zu beachten, dass die Laderegler und Akku häufig in einem Klassenraum mit neugierigen Kindern installiert sind.
    • vielleicht sollte in Betracht gezogen werden Handylader nur dort zu installieren, wo die Steckdose(n) nicht in einem Klassenraum befindlich wären, da dies den Unterricht ungemein stören würde. (Keno 11.08.14)
      
      
14. Wollen wir uns auf das Excess Energy Konzept von Phocos verlassen, oder ein eigenes Konzept entwickeln, um Überschussenergie zu erkennen?
    • Beides ist möglich.
    • Momentan scheint ein eigenes Konzept vorteilhafter (siehe Abschnitt zu Phocos unten)
      
      

Die Installation einer großen Handyladestation scheint organisatorisch zu aufwändig. Yeral und Souley raten dringend davon ab, mit der Begründung, dass der Schulbetrieb gestört werden könnte, für diejenigen die den Energiezugang kontrollieren ein „Buisnes“ entstehen könnte oder Konflikte bezüglich des Zugangs zur Energie auftreten könnten.

Die Überschuss-Energie soll daher zunächst den Lehrern zur Verfügung gestellt werden, damit diese ihre Handys und gegebenfalls eigene Batterien aufladen können. Da Lehrer in der Regel nicht aus dem Dorf kommen, sondern vom Staat dorthin entsandt werden, nehmen sie eine Sonderrolle ein. Es ist davon auszugehen, dass die Dorfgemeinschaft eine Bevorzugung der Lehrer in der Energienutzung akzeptiert.

Nach den ersten Erfahrungen mit der Nutzung der Überschussenergie sollte die Möglichkeit eine größere Ladestation zu installieren noch einmal überdacht werden.

Entsprechend der Entscheidung, die Nutzung der Überschussenergie lediglich den Lehrern zu gestatten, reichen zwei Steckdosen an einem Standort aus. An einem Tag lassen sich mit zwei Steckdosen ca. 4 Handys aufladen bei drei Stunden Ladezeit). Bei maximal 8 Lehrkräften pro Schule und einer Akkulaufzeit von ungefähr einer Woche pro Handy, sollten der Energiebadarf für Handyladung bereits durch eine Steckdose vollständig gedeckt sein geht man von zwei Handys pro Lehrer aus. Bei 16 Handys könnte jedes Handy alle 5 Tage geladen werden. Die zweite Steckdose kann folglich zum Laden von Batterien genutzt werden. Beide Steckdosen sollen auf 12V betrieben werden (Zigarettenanzünder von Auto). Entsprechende Adapter zum Laden der Handy sind in Burkina Faso leicht verfügbar. Zur Ladung einer zweiten Batterie sollen die Lehrer ebenfalls selber die nötigen Kabel und Adapter besorgen.

Um sicherzustellen, dass die Primärfunktion der Solaranlagen -die Beleuchtung der Schulen- nicht beeinträchitgt wird bestehen drei unterschiedliche Konzepte zum Excess-Energy-Management, die alle drei getestet und evaluiert werden sollen:

Ausgangsregelung

• Der Gleichspannungswandler DCL der Marke Phocos, bietet einer Funktion zum Management von Excess Energy. Vermutlich gibt der DCL seinen Ausgang erst dann frei, wenn der Laderegler CML die Ausgleichsladung der Batterie vollständig abgeschlossen hat und diese tatsächlich zu 100% geladen ist. Da die genaue Funktionsweise des DCL nicht bekannt ist, soll er zwar getestet werden, aber andere Lösungen sind zu bevorzugen. Gegen den DCL spricht, das SEWA mit den Phocos CXN bereits keine guten Erfahrungen gemacht hat und bei evtl. Modifikationen der Laderegler (updates des CML) evtl. Probleme in der Kommunikation zwischen DCL und CML bei neuen Installationen auftreten könnten. Wir können den DCL nicht in unserem Sinne optimieren.

• Der Batteriewächter von KEMO bietet die Möglichkeit eine obere Schwellspannung zu wählen, ab der Verbraucher angeschlossen werden können. Bei Unterschreiten einer unteren Schwellspannung, die 0,8V unter der oberen Schwellspannung liegt, werden die Verbraucher automatisch abgeschaltet. Wählt man für die obere Schwellspannung 13,8 V und für die untere dementprechend 13,0 V ist garantiert, dass beim Freischalten des Ausgangs folgende Bedingungen erfüllt sind.
  1. das Solarpanel liefert Energie, andernfalls liegt die Spannung der Batterie stets unter 13V
  2. die Batterie ist bereits zu ca. 85-90% geladen.
  3. die Batterie kann nicht wesentlich entladen werden, bei unterschreiten von 13V wird der Verbrauch gestoppt.

• Ein selbst programmierter MicroController kann das Excess Energy Management übernehmen. Die Funktion des KEMO Batteriewächters kann leicht in einen Programmcode geschrieben werden, der MircroController bietet darüber hinaus aber viel Spielraum für weitere Details im Excess Energy Managament (z.B. könnte eine interne Uhr die nächtliche Nutzung grundsätzlich untersagen, oder aber in den Ferien auch erlauben.)

Hinter das jeweilige Management-Tool sollen die beiden Steckdosen installiert werden. Jede Steckdose soll mit einer grüen LED ausgestattet werden, die leuchtet sobald an der Steckdose Spannung anliegt. Der Strom jeder Steckdose soll begrenzt werden. Wenn die Anlage nur zum Handyladen dienen soll, genügen 0,5A Pop-Sicherungen. Soll die Anlage auch Batterien laden können, muss ein Mechanismus zur Strombegrenzung eingebaut werden (keine Sicherung, die den Stromkreis unterbricht), der den maximalstrom auf 5A stabilisiert. Die Steckdosen sollen im Direktorbüro installiert werden.

In ihrem Praktikum werden Barbara und Jens die drei Möglichkeiten zum Energiemanagement testen, miteinander vergleichen und evtl. optimieren.

Alle Einkäufe müssen bis spätestens 6.9. an Jens geliefert sein: Jens Brand, c/o Christoph Reuter, Mumsenstr. 3, 22767 Hamburg

Phocos-Geräte:

Bestellung bei Solarc. Souley ist zwar auch offizieller Phocos-Händler, kann aber nur nach Burkina geliefert bekommen und das dauert zu lange.

Datenlogger:

Bestellung bei http://www.datenlogger-store.de

Elektronikbauteile etc.:

Hier bitte Boards, ICs, Widerstände, etc. eintragen.

Zwischenbericht Überschussenergie von Jens

In den Systemen folgender Schulen bzw. CSPS wurden Handyladesteckdosen installiert:

Ort	Überschussregler	Abschaltspannung Kemo	Ergebnisse
école Foulla	Kemo 148A	13,3 V (Anschlag rechts)	Logger falschrum angeschlossen –> nichts gemessen
école Boron	Kemo 148A	13,0 V (Kreuz senkrecht)	Kemo gibt nur in den ersten Tagen zweimal Überschuss frei, dann nicht mehr. Warum? Ferien?
école Gambo A	Kemo 148	13,1 V (fast senkrecht)	Kemo war zuerst auf rechts gestellt, nach erstem Besuch etwas weiter nach links gedreht. Angeblich funktioniert Handy laden nicht, Bei Jens klappt es aber. Plastikteil steckte in 12V-Buchse
école Issiri-Yaoghin	Kemo 148A	13,3 V (Anschlag rechts)	Keine Logger angeschlossen, da zu weit weg von Ouaga Wird zuerst nicht genutzt, weil kein Adapter vorhanden, dann funktioniert es nicht
CSPS Rakaye	Phocos DCL		System funktioniert, aber wird nicht benutzt, weil Krankenschwester eigene Solaranlage hat. Angeblich ist wegen Überschussregler die Batterie schneller leer (unlogisch, wenn sie gar nicht genutzt wird). Trotzdem bauen wir das System wieder ab

Da auch mit zwei Steckdosen zum Handyladen nicht alle überschüssige Energie genutzt werden kann und durch die Umstellung von CFL- auf LED-Lampen der Verbrauch noch weiter sinken wird, haben wir überprüft, ob auch eine geringere PV-Leistung und eine kleine Batterie den Anforderungen genügen können.
Der Bericht dazu hier.

• 2 PV-Panels mit jeweils 75 W = 150 W
• Verbraucher:
  • 5 CFL à 11 W je Klassenzimmer
  • 1 CFL à 11 W im Lehrerzimmer
  • 1 CFL à 11 W zur Außenbeleuchtung

= 12 x 11 W = 132 W

• 2 Batterien (12 V) mit jeweils 75 Ah = 150 Ah

• PV-Leistung = 75 W
• Verbraucher:
  • 9 LEDs à 4 W je Klassenzimmer
  • 2 LEDs à 4 W im Lehrerzimmer
  • 1 CFL à 11 W zur Außenbeleuchtung

= 20 x 4 W +11 W = 91 W

• 1 Batterie (12V) mit 90 Ah#

• Verzichtet man auf die großzügige Reserve der bisherigen Dimensionierung, kann ein System mit einem 75 W - Panel und einer 90 Ah - Batterie den üblichen Verbrauch einer Schule mit zwei LED-elektrifizierten Klassenzimmern noch zuverlässig decken.
• Im Fall von mehr als zwei aufeinanderfolgend bewölkten Tagen kann es passieren, dass die Batterie nicht mehr ausreicht, um den gesamten Bedarf zu decken. Auch das PV-Panel braucht dann im Anschluss mehr als einen sonnigen Tag um die Batterie wieder vollständig aufzuladen. Da dieser Fall in Burkina Faso aber selten eintrifft, kann dieser Nachteil in Hinblick auf die Kosteneinsparungen bei Panel und Batterie hingenommen werden.
• Im Testfall (an einem wolkenlosen Tag) könnte ab 13 Uhr, dem Ende der Hauptladungsphase außerdem noch Überschussenergie genutzt werden, z.B. um Handys zu laden.

Stand der Dinge 17/09/14
Die Messungen von Jan und Keno haben ergeben, dass eine Konfiguration mit 9 LED-Lampen einen Klassenraum besser beleuchtet als eine Konfiguration aus 5 CF-Lampen. Gleichzeitig wird die Leistungsaufnahme um 43% gesenkt und damit die Leuchtdauer um 75% gesteigert bei gleicher zur Verfügung stehender Energiemenge. Genauere Infos: siehe Bericht LED.

Da wir aus den Ergebnissen zur Messung der Energiebilanz wissen, dass im Mittel signifikant mehr Energie zur Verfügung steht, als nachgefragt wird, scheint es sinnvoll eine in zwei Klassenräume mit mit einem Panel 85WP und einem Akku 70Ah zu betreiben. Jeder Klassenraum wird mit 9 LED-Lampen ausgestattet, die Außenbeleuchtung und die des Direktorbüros werden durch 2 LED-Lampen gewährleistet.

• Gesamt installierte Leistung LED: 22*3,5W = 77W

gegenüber zuvor

• Gesamt installierte Leistung CFL: 12*11W=132W

Daraus ergibt sich eine Beleuchtungszeit T_LED=1,71*T_CFL bei gleicher Energiemenge. Halbieren wir die Energie für die LED-Konfiguration, so ergibt sich T_LED=0,86*T_CFL, was nach wie vor als ausreichend erachtet wird.

Weiteres Vorgehen 17/09/14
Barbara bringt LED-Lampen für mindestens eine LED-Installation mit. Mehrkosten der LED-Lampen decken sich ungefähr mit den Einsparungen, die aus der Verwendung eines einzelnen Panels erfolgen (interner Preis =50€), aber wir sparen ein Modul!

• Bei der Installation im CSPS soll ein analoger Leuchtmittelvergleich zu dem vom Juni durchgeführt werden, um auch für ein CSPS verlässliche Daten zu haben, mit wie viel LED-Lampen jeder einzelne Raum ausgestattet werden muss, um eine mindestens gleichwertige Beleuchtung zu erreichen. HINWEIS: bei CSPS sollte überlegt werden, an der Rückseite des Gebaüdes eine helle Beleuchtung anzubringen, denn typischerweise warten dort häufig angehörigen und kochen für Kranke oder Krankenplfeger.

• Die Schule in Yssiri-Yaoghin soll mit einer LED-Konfiguration ausgestattet werden. Mit Hilfe der Datalogger, soll evaluiert werden, ob diese neue Dimensionierung ausreichend ist.

• Die Schule in Kayegue könnte ebenfalles eine LED-Konfiguration erhalten. Falls die Evaluierung der Daten aus Yssiri-Yaoghin ergibt, dass weiterhin Überschuss-Energie auftritt, könnte die Schule in Kayegue zusätzlich einen Handylader erhalten.

Kostenvoranschläge / Rechnungen von MicroSow:

• leds.pdf
• csps.pdf
• ecole_01_salle.pdf
• ecole_02_salles.pdf

Was wollen wir messen? In welcher Einheit?

• Nutzungsverhalten
• Was wurde eingespeist (Strom messen, rein/raus und gleichzeitig Spannungskurve)? Was wird entnommmen (Über einschaltzeiten)?

• Luxmeter
• Datenlogger
• Was muss in Deutschland beschafft werden?
• Was muss in Deutschland getestet werden?

Ein paar Überlegungen und Ideen für zukünftige Projekte (Jens)