Nutzung von Solarenergie in Heim oder Garten
Einleitung: Insellösung, Hybridwechselrichter oder Rückspeisung?Solarenergie lässt sich heutzutage mit wenigen Mitteln im eigenen Heim oder im Garten nutzen. Dabei reicht die Leistungsbandbreite von kleinen Lösungen etwa zu Versorgung einer Fritz-Box oder Handy Ladestation bis hin zur kompletten Versorgung eines Einfamilienhauses. Im Internet gibt es neben Ebay spezielle Photovoltaik Shops über die man alle benötigen Komponenten bestellen kann z.B. Grundsätzlich lassen sich drei Modelle für die Nutzung von Solarenergie definieren: 1.) Insellösung
Die Solaranlage arbeitet vollkommen autark und es wird kein Anschluss an das Stromnetz benötigt etwa beim Camping oder zum betreiben einer Gartenteichpumpe. Die Solarmodule speisen einen Solarladeregler der einen Akku auflädt (12V oder 24V). Hinter dem Akku befindet sich ein Wechselrichter der die Gleichspannung auf 230V Wechselstrom transformiert. Auf diese Weise lässt sich ein Campingwagen mit Kühlschrank und Fernseher versorgen. Ebenso kann an den 12V Akku über ein Adapterkabel eine Fritz-Box angeschlossen werden. Die meisten Solarladeregler besitzen gleich eine 5V USB Buchse über die ein Mobiltelefon geladen werden kann. Die Insellösung ist einfach zu installieren und benötigt kein Eingriff in das hauseigene Stromnetz. Beim längeren Ausbleiben des Sonnenlichtes (trübe Wintertage) kann der Akku nicht mehr genügend nachgeladen werden. Der Laderegler schaltet dann die Verbraucher ab, um eine Tiefenentladung des Akkus zu vermeiden. Eine 12V Akku, z.B. Autobatterie oder Solar Akku, sollte nicht unter 11.5 Volt entladen werden - beachte dazu den Artikel Winnerbaterien.pdf. Es gibt Verbraucher wie z.B. der Kühlschrank die keine längere Unterbrechung der Stromversorgung zulassen. In diesem Fall benötigt man eine Kombination aus Insellösung und Stromnetz. 2.) Die Hybrid-Insellösung
Wie der Name verrät wird hier die Speisung der Verbraucher kombiniert aus Solarenergie und Netzwechselstrom. Der Aufbau ist ähnlich wie bei der Insellösung. An Stelle des Solarladereglers tritt ein Hybridwechselrichter. Er übernimmt das Aufladen der Akkumulatoren, die Bereitstellung des 230V Wechselstromes und die automatische Umschaltung auf das Stromnetz, falls keine Solarenergie mehr verfügbar ist. Die Hybridlösung kommt vorzugsweise in Wohnungen, Einfamilienhäusern oder auf Campingplätzen mit Stromanschluss zum Einsatz. Hybridwechselrichter gibt es für Leistungen von 1kW … 5kW. Die Installation ist mit ein wenig handwerklichen Geschick und Grundkenntnissen der Wechselstromversorgung für Jedermann selbst durchführbar. Der gesamte Solarstrom ist für den eigenen Verbrauch bestimmt. 3.) Photvoltaik Anlage mit Rückspeisung in das Stromnetz und Rückvergütung
Wer über eine größere Dachfläche verfügt und bereit ist einige tausend Euro zu investieren, kann über den Aufbau einer größeren Photovoltaikanlage (5 kW - 20 kW) nachdenken. Für die Installation und Inbetriebnahme ist eine autorisierte Fachfirma notwendig die über das entsprechende Know-How verfügt. Der Strom von den Solarmodulen speist einen Wechselrichter der die Energie über einen separaten Stromzähler in das öffentliche Drehstromnetz zurückspeist und endsprechend vergütet wird. Die Anlage kann zusätzlich mit einem Energiespeicher kombiniert werden, der dann das Haus kontinuierlich mit Strom versorgt. In den eingangs gennanten Photvoltaik Shops werden Komplettanalgen angeboten.
Die folgenden Kapitel geben Aufbaubeispiele für die Insellösung bzw. Insel-Hybridlösung. Sie sind dazu gedacht eigenständig, d.h. ohne Hilfe von Fachfirmen eine kleine Solaranlage zu installieren und zu nutzen. Es gibt dazu Beiträge im Internet z.B. auf https://www.oeko-energie.de/produkte/solarstrom-photovoltaik/selbstbau-anlagen---diy/index.php MPP- oder PWM LadereglerHandelsübliche Solarmodule liefern je nach Anzahl der verbauten Zellen eine Gleichspannung im Bereich 18V … 40V. Um die Leistung zu erhöhen können mehre Module in Reihe geschaltet werden, so dass sich die Gleichspannung entsprechend aufsummiert. So ergibt die Reihenschaltung von zehn 300 Watt Modulen eine Leelaufspannung von 400V. Zum Aufladen der Akkus wird eine Gleichspannung im Bereich 12V … 14V bzw. 24V … 28V benötigt. Das bedeutet zwischen den Solarmodulen und den Akkus muss eine Spannungsumsetzung erfolgen. Dafür gibt es zwei Techniken. Bei der Pulsweitenmodulation (PWM) wird die Gleichspannung der Solarmodule in eine Rechteckimpulswechselspannung umgeformt, wobei die Pulsweite gesteuert werden kann. Je größer die Pulsweite des Rechteckimpulses ist desto mehr Energie kann von den Solarmodulen zu den Akkus gelangen.
Der Akkuladeregler prüft den Ladezustand der Akkus. Sind die Akkus fast leer (11.5V) wird ein relativ hoher Ladestrom eingestellt (große Implusweite). Zum Ende der Ladung wird der Strom kontinuierlich abgesenkt, um eine Überladung der Akkus zu vermeiden (kleine Impulsweite). Der PWM Laderegler berücksichtigt dabei nicht den aktuellen Innenwiderstand der Solarmodule. Dieser ändert sich in Abhängigkeit von der Beleuchtung und Temperatur. Solarmodule sind Siliziumhalbleiter, deren Leitfähigkeit mit steigender Temperatur abnimmt. So haben an einem sonnenklaren Wintertag mittags die Module die größtmögliche Leistung! Beim Maximum-Power-Point-Tracking – kurz MPPT- wird fortlaufend der Innenwiderstand der Solarmodule erfasst. Der Akkuladestrom wird so eingeregelt, dass der Lastwiderstand genau dem Innenwiderstand der Solarmodule entspricht. Dann ergibt sich das Leistungsmaximum. Der MPPT Regler ist in der Anschaffung teurer. Er rechnet sich besonders bei Anlagen wo sich die Beleuchtungsstärke im Laufe des Tages ändert, z.B. durch die Abschattung von Laubbäumen. Eine ausführliche Erläuterung findet sich im Artikel: Welcher Solar-Lade-Regler: PWM oder MPPT Verschaltung der SolarmoduleFür größere Leistungen kommt man mit einem Solarmodul alleine nicht aus. Eine Möglichkeit besteht in der Reihenschaltung aller Module, wie das folgende Bild zeigt.
Der Vorteil ist ein geringer Aufwand bei der Verkabelung. Der Pluspol des ersten Moduls wird mit dem Minuspol des Zweiten zusammengeschaltet usw. Die maximale Stromstärke bleibt konstant, d.h. für den Kabelquerschnitt der Leitungen zum Solarregler genügen 4 … 6 mm². Bei der Reihenschaltung summieren sich die Einzelspannungen der Module, so dass wir an den beiden Enden in obigen Beispiel 144 Volt messen. Normale PWM Regler verkraften eine so hohe Eingangsspannung nicht, d.h. hier ist ein geeigneter MPPT Regler erforderlich. Ein weiteres Problem entsteht, wenn einige (oder eines) der Module eine teilweise Verschattung erfahren. Dann sinkt automatisch die Leistung der gesamten Anlage, da die verschatteten Module einen größeren Innenwiderstand haben. Wenn mit einer teilweisen Verschattung häufig zu rechnen ist, sollte die Parallelschaltung der Module bevorzugt werden oder zumindest eine Kombination aus Parallel- und Reihenschaltung (siehe weitere Abbildungen).
Bei der Parallelschaltung summieren sich die Ströme. Aus den 6A des Einzelmoduls werden 36A, so das stärkere Kupferleitungsquerschnitte erforderlich werden.
Bei dem einem Mix aus Parallel- und Reihenschaltung bleibt die Stromstärke in erträglichen Grenzen. Ein Kabelquerschnitt von 6mm² wäre ausrechend. In der Praxis wird deshalb häufig diese Mix-Variante gewählt. MC4 Klemmen für die Parallelschaltung gibt es in verschiedenen Varianten. Weitere Details zur Verschaltung der Module findet man im Beitrag: http://www.solarstromerzeugung.de/photovoltaikanlage/netzgekoppelte-photovoltaikanlage/ Wissenswertes zu SolarbatterienAls Energiespeicher kommen momentan Bleiakkumulatoren oder Lithium-Ionen Akkus in Frage. Bleiakkumulatoren sind die eindeutig preiswertere Variante. Speziell für den Einsatz als Solarenergiespeicher wurden sogenannte Solarbatterien entwickelt die eine hohe Zyklenzahl (Lade/Endladezyklus) aufweisen und für eine kontinuierliche Stromabgabe konstruiert wurden. Normale Autobatterien sind hier nicht optimal und sollten nur als Notlösung dienen. Die WEB Seite https://www.winnerbatterien.de gibt einen umfassenden Überblick über die verschiedenen Akkutypen und erläutert deren Einsatzzweck. Um eine lange Lebensdauer der Solarbatterien zu erreichen, sollte man die Pflegehinweise aus diesem Beitrag beachten: https://www.winnerbatterien.de/Produktdatenblatt/Hinweise-Winner-Batterien.pdfVersorgung eines WLAN- Routers (Fritz-Box) mit SolarenergieDie Fritz-Box benötigt 12 Volt Gleichspannung bei ca. 2 Ampere zur Stromversorgung. Die Solaranlage besteht aus einem 100 Watt Solarmodul, einer Solarbatterie 12V 70Ah und einem Solarladeregler. Das Solarmodul kann auf einem südlich gelegenen Balkon oder einer Hauswand montiert werden. Als Montageelemente ist das K2 MiniRail Endklemmen Set zu empfehlen. Es handelt sich um Alu Schienen mit je 35 cm Länge. Diese werden auf der Wand mittels Dübel und Schrauben montiert. Auf die Schienen wird dann mittels der Spannbolzen das Solarmodul geklemmt.
K2 MiniRail Endklemmen Set (es werden vier Stück benötigt) Der Laderegler lädt tagsüber den Akku auf und versorgt die Fritz Box mit Strom. Nach Einbruch der Dunkelheit versorgt der Akku die Box. Gerade im Herbst / Winter empfiehlt es sich die Box nach „Betriebsschluss“ abzuschalten, damit der Akku eine Reserve hält bei trüben Tagen. Als Verbindungskabel zwischen Laderegler und Fritz-Box kann ein handelsübliches Verlängerungskabel mit Hohlstecker benutzt werden (die Buchse wird abgeschnitten und die Kabelenden am Solarregler geklemmt). Am Solarladeregler befindet sich eine 5V USB Buchse zum Aufladen eines Handys.
Überwachunsgskamera mit Solarenergie
Insellösung mit Hybridladeregler zur Versorgung eines Wohnraums / BürosDie vorgestellte Lösung liefert max. 2400 Watt und kann damit normale Wohn- oder Büroräume (ohne Großverbraucher) mit Elektroenergie versorgen. Für die Installation der Solarmodule sollte ein Balkon, Gartenschuppen oder Hausdach vorhanden sein. Eine südliche Ausrichtung ohne Verschattung durch Laubbäume wäre optimal. Eine westliche Ausrichtung ist aber auch möglich.
Installation der 300 Watt Solarmodule auf dem Dach eines Geräteschuppen. An Materialien wurden verwendet:
Kernstück der Anlage ist der MPP Solar Inverter PIP-2424MSX mit einer Maximalleistung von 2.4 kW. Wie auf der folgenden Abbildung zu sehen ist, wird dieser auch an das 230V Wechselstromnetz angeschlossen (im Bild als „Utility“) bezeichnet. Falls es zu einer längeren Sonnenpause kommt und die Akkuladung nicht mehr ausreicht, wird im Hybridwechselrichters automatisch eine Bypass Funktion aktiv, die die Endverbraucher aus dem Wechselstromnetz versorgen. Für die Speicherung der Energie werden zwei in Reihe geschaltete 12V/120 Ah Solar Akkus verwendet. Der Solar Inverter und die Solarbatterien sollten einigermaßen wettergeschützt untergebracht werden z.B. im Geräteschuppen, im Keller oder im Hauswirtschaftsraum. Je nach Entfernung zwischen Solarmodulen und Solar Inverter muss das benötige Solarkabel bestellt werden. Am besten man bestellt gleich das Kabel mit fertig montierten MC4 Steckern und erspart sich damit die Crimpmontage.
Verschaltung des MPP Hybridwechselrichter 2.4 KW PIP-2424MSXE im Heimnetz
Insellösung mit Hybridladeregler zur Versorgung eines HausesMöchte man ein Einfamilienhaus mit 5kW Leistungsbedarf versorgen benötigt man einen entsprechend stärken Solar Inverter sowie vier Baterien a 12V = 48 V. Die Anzahl der Solarmodule sollte dann 12 Stück a 300 W betragen (als Grid 3 Reihen zu je 4 Modulen in Reihe). Die Gesamtkosten belaufen sich dann auf 3824 Euro.
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