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Potential der Sonne

Die Sonne liefert das Zwanzigtausendfache jener Energie, welche wir weltweit benötigen. Sicher, sauber und kostenlos.

Bei klarem Himmel und direkter Einstrahlung bringt die Sonne 1000W pro Quadratmeter.

Der Menschheit würde also genügend Energie zur Verfügung stehen, ohne dass wir durch den Verbrauch von fossilen Brennstoffen die Erde mit CO2 belasten. Die Sonnenergie muss nur genutzt werden.

Grundsätzlich stehen zwei Technologien zur Verfügung.

• Die eine Solartechnik nutzt die Wärme, welche entsteht, wenn die Sonne auf eine schwarze Oberfläche scheint. Diese Wärme kann zum heizen von Brauchwasser oder zur Raumheizung genutzt werden.  Eigentlich sollte jeder Neubau mit einer Solaranlage ausgestattet werden, welche das Brauwasser erwärmt.
  Mit thermischen Anlagen kann auch über die Erzeugung von Dampf und einer Dampfturbine elektrische Energie generiert werden.

• Die zweite Art der Sonnenenergie ist die Photovoltaik. Dabei wird direkt aus dem Sonnenlicht elektrische Leistung generiert.  Der Nachteil dieser Technik ist, dass die Wirkungsgrade immer noch bescheiden sind und die Anlagen recht kostspielig.

 Photovoltaik

Unter Photovoltaik versteht man die Umwandlung von Sonnen-Energie in elektrischen Strom. Das Herzstück der Photovoltaik bildet die Solar-Zelle: In ihr treffen Sonnenstrahlen auf eine Siliziumschicht, wo sie negativ geladene Teilchen aus den Siliziumatomen herausschlagen. Dies führt dann einer elektrischen Spannung und somit auch zu einem Strom.

Photovoltaik wird heute verschieden eingesetzt. Wir können folgende Anwendungen unterscheiden:

1. Inselanlagen welche eine autarke Stromversorgung darstellen

2. Netzverbundanlagen welche das Ziel haben, Strom ins öffentliche Netz einzuspeisen

3. Kleingeräte wie Solarradios, Solarlampen, Solarmützen oder Solarladegeräte, welche punktuell ein Gerät mit Strom versorgen

Inselanlagen

Inselanlagen werden überall dort eingesetzt, wo kein Anschluss ans öffentliche Stromnetz besteht. Typische Anwendungen sind: Segelschiff, Ferienhaus, Camper, Fernmeldeanlage in den Alpen, usw.

Die Solarzelle wird über einen Laderegler an die Batterie angeschlossen. Der Laderegler verhindert, dass die Batterie überladen wird.

Beim Laderegler gibt es zwei verschiedene Ansätze:

Einfacher Solar-Laderegler

Der Serieladeregler wird in der Photovoltaik eingesetzt. Hier ist er auch unter dem Namen Solarladeregler oder Solar-Batterie-Laderegler bekannt. Er wird in Serie zur Batterie platziert. Ist die Batterie voll, wird die Stromzufuhr unterbrochen. Anstatt die Zuleitung im Plus- oder Minusleiter zu unterbrechen, kann auch bei voller Batterie die Solarzelle kurz geschlossen werden. Dies wird jedoch selten gemacht. Ein Serieladeregler sollte nicht eingesetzt werden, wenn die Energiequelle aus einem rotierenden Generator besteht. Die Induktivität der Generatorspule kann beim Unterbrechen eine erhebliche Spannungsspitze erzeugen, welche das Schaltelement im Regler sofort oder schleichend zerstören kann.

Moderne Solarladeregler unterbrechen nicht einfach die Stromzufuhr sondern regeln die Stromzufuhr mittels Puulsweitenmodulation, wenn sich die Batteriespannung der Ladeendspannung nähert. So können für die Batterie optimalere Ladezyklen gefahren werden.

Solarladeregler sind, dank den grossen Stückzahlen, heute recht günstig und in verschiedenen Ausbaustufen verfügbar:

• Der einfache Laderegler hat nur einen Solareingang und einen Batterieausgang und ist nur für die entsprechende Batteriespannung anwendbar.

• Wenn die Entladeströme nicht zu gross sind, z.B. für ein Beleuchtungssystem ohne Wechselrichter, lohnt es sich, einen Solarladeregler einzusetzen, welcher die Verbraucher abschalten kann, sabald die Batterie leer ist. Dies kann die Lebensdauer der Batterie erheblich verlängern. Je nach Inteligenz des Solarladereglers kann die Abschaltung der Verbraucher über die Batteriespannung oder über die Restladung geschehen.

• Wenn bei der Projektierung die Batteriespannung noch nicht bekannt ist, oder das System später umgebaut werden sollte, kann auch ein Serieladeregler eingesetz werden, welcher die Batteriespannung selbständig erkennt.

MPPT-Laderegler

Der 'Maximum Power Point Tracker' sucht je nach Sonneneinstrahlung den optimalen Arbeitspunkt der Solaranlage. Dafür hat er so etwas wie  ein Gleichspannungswandler eingebaut, welcher die Spannung von den Solarzellen am Eingang so anpasst, dass eine möglichst hohe Leistung in die Batterie geladen wird.  Die Spannung von der Solarzelle muss immer höher sein als die der Batterie.

Mit diesem Laderegler muss nicht unbedingt ein Photovoltaikmodul verwendet werden, welches für Batterieladung geeignet ist. Es kann auch auf Module zurückgegriffen werden, welche für die Einspeisung ins Netz gebaut wurden. Da diese in grösserer Stückzahl produziert werden, sind sie oftmals günstiger.

Batterie

Die Batterien machen einen erheblichen Teil der Kosten für die gesamte Anlage aus. Deshalb sollte diese gut ausgewählt werden. Obwohl die klassischen Starterbatterien der Autos heute schon recht günstig sind, sollte keine solche eingesetzt werden.

Es ist wichtig, dass die Batterie zyklenfest ist. Dies bedeutet, dass die Batterie für das relativ tiefe entladen einer Solaranlage geeignet ist.  So hat z.B. Varta eine spezielle Solarbatterie in der Produktion, welche vom Preis her sicher interessant ist. Diese ist jedoch nicht wartungsfrei. Der Säurestand muss von Zeit zu Zeit kontrolliert werden und sie darf wegen der Gasbildung nicht in geschlossenen Räumen eingesetzt werden. Die Varta Hobby dagegen ist komplett wartungsfrei und verschlossen. Dank der relativ hohen Energiedichte eignet sich diese Batterie vorzüglich für Photovoltaikanlagen auf Booten oder Camper. Die Varta Solarbatterie wie auch die Varta Hobby arbeiten mit ungebundener Batteriesäure. Ohne Bewegung der Batterie oder spezielles überladen (nur bei der Solarbatterie zulässig) kann es zu Säureschichtung kommen. D.h. die Säure scheidet sich vom Wasser, da die spezifischen Gewichte unterschiedlich sind.

Deshalb kommen bei Solaranlagen mehr und mehr die zyklenfesten und wartungsfreien AGM-Batterien in Frage.

weitere Informationen über Batterien finden Sie hier.

An der Batterie können dann die gewünschten Verbraucher angeschlossen werden. Arbeiten die Verbraucher mit 230VAC so kann  an der Batterie ein geeigneter Wechselrichter dazwischen geschaltet werden.  Informationen über den richtigen Einsatz von Wechselrichtern finden Sie hier. Wir empfehlen Verbraucher mit geringer Leistung wie z.B. Beleuchtungskörper direkt von der Batterie zu speisen, da der Wechselrichter bei kleinen Verbrauchern einen schlechten Wirkungsgrad hat.

Dabei ist zu beachten, dass die Batterie gegen Tiefentladung geschützt werden sollte, das dies normalerweise der Wechselrichter macht. Als Batteriewächter empfehlen wir z.B. den BW40, bei welchem die Abschaltspannung programmiert werden kann. Oft ist auch der Laderegler fähig, die Last abzuwerfen (die Verbraucher auszuschalten), wenn die Entladespannung erreicht ist. So kann z.B. der Ausgang zu den Verbrauchern über einen Energiemanager geschlauft werden.

Verbraucher

Bei Solaren-Inselanlagen muss man meistens sehr haushälterisch mit dem Strom umgehen, um die Batterie nicht zu stark zu belasten und eine möglichst lange Autonomie zu erhalten. Deshalb ist bei den Geräten auf geringen Stromverbrauch zu achten. Bei Beleuchtungskörpern empfehlen Geräte, welche direkt von der Batterie gespiesen werden, z.B. LED-Leuchten, welche neben dem tiefen Stromverbrauch auch eine lange Lebensdauer haben. So kann der Wechselrichter am Abend in den Standby, auch wenn noch einzelne Lampen eingeschaltet sind.  Auch bei den Kühlgeräten sollten Boxen oder Kühlschränke verwendet werden, welche auch direkt mit der Batteriespannung betrieben werden können. So kann auch der Wechselrichter kleiner dimensioniert werden, da 230VAC-Kühlgeräte einen enormen Anlaufstrom haben.

Wie dimensioniere ich eine Solaranlage für Inselbetrieb?
 

Solaranlagen mit Li-Ion-Batterien

Lithium-Ionenbatterien einige Vorteile, welche auch in einer Solaranlage genutzt werden können. Gerade die hohe Energiedichte sprechen für den Einsatz in mobilen Anwendungen wie Campingfahrzeuge oder Boote.

Die enorm hohe Zyklenzahl der Li-Ion Batterien macht diesen Akku aber auch, und das trotz relativ hohem Preis, für stationäre Anwendungen wirtschaftlich.

Li-Ion-Batterie ist nicht Li-Ion-Batterie

Mittlerweile gibt es eine grosse Anzahl unterschiedliche Hersteller, Technologien und verschiedene Chemie bei diesen Batterien.

Unter dem Namen Li-Po auch Lithium-Polymer-Batterien genannt, kamen die ersten Lithium-Batterien auf, welche auch einen anständigen Strom liefern konnten. Diese Batterien gelten aber als gefährlich, da sie bei falscher Anwendung von selber in Brand geraten können.

LiMN2O4-Batterien werden oft in Elektro-Fahrrädern oder bei Elektrobooten eingesetzt. Sie haben eine mittlere Zyklenzahl und eine relativ hohe Zellspannung.

Für Solaranlagen empfehlen wir die LiFePO4-Batterien. Diese Akkus sind als 12V-Batterie oder als Einzelzellen erhältlich.  Die Zellen haben eine Nennspannung von 3,2V und sind bis zu Kapazitäten von 800Ah erhältlich.

Die 12V-Module dürfen nicht in Serie geschaltet werden. Wenn eine grössere Spannung oder Kapazität benötigt wird, müssen Einzelzellen zusammegeschaltet werden.

Um eine Nennspannung von 12V zu erhalten, werden 4 Einzelzellen eingesetzt. Bei 24V sind es 8 Zellen.

Was muss beachtet werden?

Auch wenn von einer Nennspannung von 12V, 24V usw. gesprochen wird muss man wissen, dass die LiFePO4 eine höhere Betriebs- und Ladeendspannung haben als die Bleibatterien. Eine 12V-Batterie wird bis zu 16V geladen (14,8V bei Bleibatterien). Der Solarladeregler muss somit fähig sein, die Batterie bis auf 16V zu laden. Einige Laderegler wie z.B. der Energiemanager PL20 oder der MPPT-Laderegler von Outback können so konfiguriert werden.

Dasselbe gilt bei den Verbrauchern. Auch diese müssen eine Spannung von 16V vertragen können. Dies ist z.B. bei der AJ-Serie der Wechselrichter von Studer gegeben. Auch bei den Lampen, welche direkt an der Batterie angeschlossen werden, muss auf die Spannung geachtet werden. Hier könnten wir die 12V LED Birnen empfehlen, welche z.T. einen Spannungsbereich von bis zu 17V haben.

! ACHTUNG ! Auch wenn die LiFePO4 fast so gutmütig sind wie Bleizellen, bei einem Einsatz ausserhalb der spezifizierten Werte kann bei diesen Batterien ein Gas und Staubgemisch austreten, welches giftig ist und Krebs erzeugen kann. Es ist deshalb sehr wichtig, die Zellen und Blöcke gegen Über-und Unterspannung zu schützen und allenfalls auch die Temperatur zu überwachen.

Wir empfehlen wärmstens, bei in Serie geschalteten Zellen ein Batteriemanagementsystem (BMS) einzubauen, welches jede einzelne Zelle überwacht und allenfalls auch die Ladung der einzelnen Zellen ausgleichen kann.

Da noch wenig Erfahrungen mit LiFePO4-Batterien bestehen, empfehlen wir, die Batterien nicht im Innenraum und nur bei genügender Belüftung einzusetzen.

Berechnen der Solaranlage

Vorab muss gesagt werden dass die gesamte Berechnung der Solaranlage mit einigen unsicheren Annahmen gemacht wird und deshalb nur als Anhaltspunkt verwendet werden kann. Die Anzahl Sonnenstunden oder der tatsächliche Energieverbrauche sind nicht genau voraussehbar.

Trotzdem sollte eine Inselanlage mit Solarpanel nicht ohne Berechnung erstellt werden.

Berechnung vom Stromverbrauch pro Woche (Energiebilanz)

Es macht Sinn, den Stromverbrauch über eine Woche zu berechnen, da sich einige Situationen wöchentlich wiederholen. Oftmals werden Solarzellen in Ferienhäuser eingesetzt, bei welchem der Strom nur am Wochenende benötigt wird.

Vorgehen:

1. Jeder Verbraucher wird Aufgelistet

2. Zu jedem Verbraucher, egal ob an Batteriespannung oder am Wechselrichter wird die Leistung bestimmt. Einerseits die durchschnittliche Leistung, wenn dieser Verbraucher im Betrieb ist, andererseits die maximale Leistung (Anlaufströme von Motoren, z.B. Kühlschrank) zur Bestimmung eines allfälligen Wechselrichters.

3. Zu jedem Verbraucher wird aufgelistet, wie lange (in Stunden) dieser am entsprechenden Wochentag in Betrieb ist.

4. Die Stunden der Wochentage werden zusammengezählt und mit der Leistung des Verbrauchers multipliziert. So erhalten wir die Energie in Wh, welche jeder Verbraucher pro Woche benötigt

5. Die Energie aller Verbraucher zusammen ergibt dann die gesamte Energiemenge, welche pro Woche benötigt wird.

6. Die Wochenenergie geteilt durch 7 ergibt die durchschnittliche tägliche Energiemenge

Bestimmung der Batterie

Als erstes gilt es festzulegen, mit welcher Batteriespannung gearbeitet werden soll. Wenn nicht schon Geräte mit 12V vorhanden sind, welche unbedingt verwendet werden sollten, und es sich nicht um eine sehr kleine Anlage handelt, empfehlen wir, auf die Batteriespannung von 24V zu gehen. Dies bedeutet, dass zwei 12V-Batterien in Serie geschaltet werden. So sind die Verluste kleiner und auch die Querschnitte der Kabel nicht so gross.

Die Kapazität der Batterie hängt einerseits von den Verbrauchern oder von der Grösse des Wechselrichter ab.

Die Wechselrichterhersteller empfehlen eine Batteriekapazität in Ah welche etwas dem 5-fachen Nennstrom des Wechselrichters entspricht. Wenn Sie z.B. ein 1000W Wechselrichter an einer 12V-Batterie betreiben möchten sollte die Batterie eine Kapazität von (1000/12)x5=416Ah haben.

 Bei der Berechnung der Kapazität über die Energiebilanz kann wie folgt vorgegangen werden:

1. Bestimmen Sie die Autonomietage der Anlage

2. Die tägliche Energiemenge mal die Autonomietage ergibt die Energiemenge, welche in der Batterie gespeichert werden muss. Damit die Batterie aber nur etwa 70% entladen werden muss, rechnen Sie diese Energiemenge in Wh mal 1,4.

3. Die Energiemenge geteilt durch die gewählte Batteriespannung ergibt dann die Batteriekapazität.