Demo PV-Leistung vs. Fahrrad

Studiengang

ET - auslaufend

Projektbeschreibung

Sonne vs. Muskelkraft – Wer liefert mehr Energie?

Stell dir vor, du trittst in die Pedale und bringst damit Lichter zum Leuchten! Schaffst du es, mit deiner Muskelkraft so viel Energie zu liefern wie die Sonne? In diesem interaktiven Experiment kannst du ausprobieren, wie viel mechanische Energie du erzeugen kannst und sie mit der elektrischen Leistung eines Photovoltaik-Moduls vergleichen. Also, rauf aufs Rad und teste, ob du mit deiner Muskelkraft mit der Sonne mithalten kannst – strampeln, staunen, strahlen!

Das Ziel dieses Projekts ist es, das Thema erneuerbare Energien auf eine anschauliche und spielerische Weise zu vermitteln. Durch einen direkten Vergleich zwischen der mechanischen Energie, die durch das Treten auf einem Fahrrad erzeugt wird, und der elektrischen Leistung eines Photovoltaik-(PV)-Moduls sollen Schulklassen, Messebesucher und weitere Zielgruppen ein besseres Verständnis für nachhaltige Energiequellen entwickeln. Der Fokus liegt darauf, das Bewusstsein für die Bedeutung erneuerbarer Energien zu stärken und das Interesse an nachhaltigen Technologien zu fördern.

Das System nutzt ein aufgebocktes Fahrrad als mechanische Energiequelle. Es wird die Drehzahl des Fahrrads erfasst und die erzeugte mechanische Leistung berechnet. Die Leistung des PV-Moduls wird ebenfalls gemessen. Die Werte für beide Energiequellen werden visuell dargestellt: Die mechanische Leistung erscheint auf den roten LEDs, die elektrische Leistung auf den grünen LEDs. Detaillierte Daten werden zusätzlich auf den LCD-Displays angezeigt.

Ein Aspekt des Projekts ist die Hochrechnung der Leistung des 10-Watt-PV-Moduls auf die eines gängigen 400-Watt-Moduls, um die Ergebnisse in einen verständlicheren Kontext zu setzen. Das Projekt bietet eine klare, verständliche Darstellung der Leistung unterschiedlicher Energiequellen und soll insbesondere junge Menschen für das Thema erneuerbare Energien begeistern und sensibilisieren.

Beteiligte Personen

Studierendengruppe: Jonas Keppler, Benjamin Pfleiderer, Mario Wilhelm

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Christine Schwaegerl

Veranstaltung

Systems Engineering 1 (IK)

Laufzeit

WS 2024/25

Zielsetzungsanforderungen

• Vergleich der Leistungsfähigkeit eines PV-Moduls mit der durch ein Fahrrad erzeugten mechanischen Energie.
• Gegenüberstellung der mechanischen Leistung durch Fahrradtreten und der elektrischen Leistung des PV-Moduls.
• Auswertung der Daten durch ein Arduino und visuelle Darstellung der Ergebnisse. 
• Zielgruppen: Schüler, Studierende und Messebesucher, um das Bewusstsein für erneuerbare Energien und nachhaltige Technologien zu fördern.

Funktionale Anforderungen

• Mechanische Leistungsmessung (Fahrrad):
• Drehzahlmessung durch Reed-Kontakt mit Magnet an den Speichen.
• Berechnung der mechanischen Leistung durch Arduino basierend auf Drehzahl und vordefiniertem Drehmoment.
• Visualisierung der Leistung auf roten LEDs und LCD-Display.

Elektrische Leistungsmessung (PV-Modul):

• Spannung des PV-Moduls mit Spannungsteiler messen, Widerstandswerte wurden im vorhinein erfasst.
• Berechnung der elektrischen Leistung basierend auf Spannungs- und Widerstandswerten.
• Darstellung der Leistung auf grünen LEDs und LCD-Display.
• Hochrechnung der Leistung des 10-Watt-Moduls auf ein 400-Watt-Modul.

Sicherheitsanforderungen

• Kettenschutz: Schutzblech zur Vermeidung von Verletzungen.
• Berührungssicherheit: Elektrische Komponenten sind isoliert.
• Fahrradsicherheit: Stabil und rutschfest aufgebockt.
• Steckerverbindungen: Farblich gekennzeichnete Kabel zur Vermeidung von Verwechslungen und Schäden.

Das Projekt basiert auf einer präzisen Kombination von Elektronikkomponenten zur Messung und Darstellung von mechanischer und elektrischer Leistung. Der Reed-Kontakt dient zur Drehzahlmessung des Fahrradrads. Wenn der Magnet an der Fahrradspeiche in den Wirkungsbereich des Reed-Kontakts kommt, wird dieser geschlossen und schaltet 5 Volt durch. Der Arduino wertet das Signal aus und erfasst die steigende Flanke, um die Drehzahl zu berechnen.

Die Spannungsmessung des PV-Moduls wird durch einen Spannungsteiler mit vier 10-Ohm-Widerständen in Reihe durchgeführt. Die Messung erfolgt über einen der Widerstände. Um den Arduino vor Überspannungen zu schützen, wird eine 5,1-V-Zenerdiode parallel geschaltet.

Für die Leistungsberechnung werden mechanische und elektrische Daten verwendet. Die mechanische Leistung wird basierend auf der Drehzahl des Fahrrads und einem vordefinierten Drehmoment berechnet. Die elektrische Leistung des PV-Moduls wird durch die gemessenen Spannungswerten und dem Wert der Widerstände berechnet.

Die Ergebnisse werden visuell angezeigt: Die mechanische Leistung ist auf den roten LEDs, die elektrische Leistung auf den grünen LEDs sichtbar. Detaillierte Leistungsdaten werden auf zwei LCD-Displays angezeigt. Um den Leistungsunterschied zwischen dem Fahrrad und dem PV-Modul auszugleichen, wird ein skalierbarer Faktor in der Software integriert. 

Der Schutz der Elektronik wird durch einen geschützten Schaltkasten sichergestellt, der vor Berührungen und elektrischen Gefahren schützt. Der Arduino arbeitet mit Schutzkleinspannung und wird über ein Netzteil mit Strom versorgt.

Einsatz auf einer Messe zur Demonstration erneuerbarer Energien

Das Projekt dient als anschauliches Exponat auf Fachmessen für erneuerbare Energien, um Besuchern die Prinzipien der Energiegewinnung durch Photovoltaik und mechanische Arbeit näherzubringen. Die Messebesucher können mithilfe einer Simulation mit künstlichem Licht die Funktionsweise der PV-Leistung nachvollziehen und aktiv durch Fahrradtreten eigene mechanische Energie erzeugen. Diese wird sofort in elektrische Energie umgewandelt, die auf Displays live dargestellt wird. Durch diese interaktive Erfahrung wird die Umwandlung von Energie greifbar und verständlich gemacht. Die Demonstrationseinheit dient als interaktives Exponat, das den Besuchern ermöglicht, komplexe Themen der erneuerbaren Energien auf eine spielerische Weise zu begreifen.

Einsatz in Schulen oder Universitäten als Lehrmittel

Das Projekt wird auch als Lernplattform in Schulen und Universitäten eingesetzt, um Schülern und Studierenden die Funktionsweise von Photovoltaik und mechanischer Energiegewinnung näherzubringen. Die Teilnehmer können die Systeme interaktiv bedienen, um praktische Erfahrungen mit den Konzepten der Energieumwandlung zu sammeln. Lehrkräfte können die Demonstration nutzen, um theoretische Inhalte zu Energieeffizienz, Stromerzeugung und Datenauswertung praxisnah und verständlich zu erklären. Dank der einfachen Bedienbarkeit und klaren Anzeigeelementen wird die Verbindung zwischen Theorie und Praxis direkt erlebbar, was den Lernprozess unterstützt.

Zur besseren Vergleichbarkeit sind hier typische mechanische Leistungen aus dem Sportbereich angegeben.

Freizeitfahrer:
Leistung: 50–150 Watt
Beschreibung: Freizeitfahrer mit moderatem Tempo auf ebenem Gelände. Keine spezielle Ausdauer- oder Krafttrainingsbasis.

Ambitionierte Hobbysportler:
Leistung: 150–250 Watt
Beschreibung: Regelmäßig trainierende Fahrer, die an längeren Fahrten oder Amateurrennen teilnehmen.

Gut trainierte Radfahrer:
Leistung: 250–400 Watt
Beschreibung: Sehr gut trainierte Fahrer, oft mit professionellem Trainingsplan. Sie können diese Leistung für längere Zeit aufrechterhalten.

Profisportler (z. B. bei der Tour de France):
Leistung bei einer Etappe: 300–450 Watt (über mehrere Stunden)
Spitzenleistung: 1000–1500 Watt (für wenige Sekunden, z. B. beim Sprint)
Beschreibung: Höchst trainierte Fahrer, die ihre Leistung gezielt für bestimmte Abschnitte optimieren können. Im Sprint oder bei steilen Anstiegen können sie kurzfristig enorme Leistungen abrufen.

Quellen:

Tour Magazin: In einem Artikel werden die Wattleistungen von Profis bei der Tour de France analysiert. Beispielsweise wird erwähnt, dass im Mannschaftszeitfahren in der Führung 500 bis 600 Watt über jeweils rund 30 Sekunden erforderlich sind. 
TOUR MAGAZIN
Link: https://blog.2peak.com/was-sind-die-durchschnittlichen-wattzahlen-eines-guten-radfahrer

Jorge Sports: Dieser Beitrag vergleicht die Leistungen von Durchschnittsradlern und Profis. Ein Durchschnittsradler hat demnach eine durchschnittliche Schwellenleistung (FTP) von etwa 200 Watt, während Profis bei etwa 415 Watt liegen. 
Link: https://jorge-sports.com/radfahren-wie-schneidest-du-im-leistungsvergleich-ab


Ilovecycling.de: In einem Artikel wird die Leistung von Radfahrern anhand physikalischer Berechnungen erläutert. Es wird beispielsweise beschrieben, dass ein Fahrer mit einem Systemgewicht von 81,5 kg und einer Geschwindigkeit von 40 km/h bei einer Steigung von 3,9% eine Leistung von etwa 646 Watt erbringen muss. 
Link: https://thecycleverse.com/de/rechner/fahrrad-wattrechner


Michael Konczer: Auf dieser Website wird angegeben, dass Top-Radprofis bis zu 6,5 W/kg über eine Stunde treten können, was bei einem Gewicht von 65 kg einer Leistung von gut 423 Watt entspricht. 
Link: https://www.rad-lager.de/leistungsbedarf.htm