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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK >Heim-Photovoltaikanlage mit Batterie. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Eine Solaranlage mit Batterien kann viele Geräte mit Strom versorgen, solange ihr Stromverbrauch die Leistung des Generators nicht übersteigt. Daher ist es notwendig, die Leistung des Systems korrekt zu bestimmen. Der erste Schritt in diese Richtung ist die Erstellung einer Spezifikation, d.h. technische Beschreibung des Systems.
Energieberechnung Wenn Sie eine Photovoltaik-Heimanlage planen, müssen Sie zunächst eine Liste aller Elektrogeräte im Haus erstellen, deren Stromverbrauch ermitteln und diese zur Liste hinzufügen. Die folgende Tabelle enthält Informationen zum durchschnittlichen Stromverbrauch einiger Geräte als Referenz. Es muss jedoch beachtet werden, dass es sich lediglich um grobe Schätzungen handelt. Um den Stromverbrauch (E) eines Wechselrichtersystems (für Wechselstromgeräte) zu berechnen, müssen Sie eine Korrektur vornehmen (den Durchschnittsverbrauch mit dem Faktor C multiplizieren, um die Gesamtleistung zu erhalten).
Zum Betrieb anderer Elektrogeräte – Kühlschrank, Bügeleisen, Ventilator, Elektroherd usw. - Sie benötigen ein größeres und teureres System. Da diese Systeme keinen einheitlichen Standards unterliegen, sondern von den spezifischen Bedürfnissen des Verbrauchers abhängen, muss die Berechnung von einem Fachmann durchgeführt werden. Zweitens müssen Sie beurteilen, wie viel Zeit am Tag bestimmte Elektrogeräte genutzt werden. Beispielsweise brennt eine Glühbirne im Wohnzimmer 10 Stunden am Tag, in der Speisekammer jedoch nur 10 Minuten. Notieren Sie diese Informationen in der zweiten Spalte der folgenden Tabelle. Erstellen Sie dann eine dritte Spalte, in der Sie Ihren täglichen Energiebedarf eintragen. Um sie zu ermitteln, müssen Sie die Leistung des Geräts mit seiner Betriebszeit multiplizieren, zum Beispiel: 27 W x 4 Stunden = 108 Wh. Tragen Sie die resultierende Zahl in die dritte Spalte ein – das ist Ihr Gesamtenergieverbrauch pro Tag.
Als nächstes müssen Sie die Menge an Solarenergie bestimmen, mit der Sie in einem bestimmten Gebiet rechnen können. Diese Daten erhalten Sie in der Regel von Ihrem örtlichen Solarmodullieferanten oder Ihrer Wetterstation. Es ist wichtig, zwei Faktoren zu berücksichtigen: die durchschnittliche jährliche Sonneneinstrahlung, sowie deren durchschnittliche Monatswerte bei schlechtesten Wetterbedingungen (siehe allgemeine Informationen im Kapitel „Sonneneinstrahlung“). Mit dem ersten Wert kann die Photovoltaikanlage entsprechend der durchschnittlichen jährlichen Sonneneinstrahlung angepasst werden, sodass in einigen Monaten mehr Energie als benötigt zur Verfügung steht und in anderen weniger. Wenn Sie sich für die zweite Zahl entscheiden, haben Sie immer mindestens genug Energie, um Ihren Bedarf zu decken, außer bei extrem langen Schlechtwetterperioden. Jetzt können Sie die Nennleistung des Photovoltaikmoduls berechnen. Multiplizieren Sie den Energieverbrauch (Wh pro Tag) mit dem Faktor 1,7, um Energieverluste im System zu korrigieren, und dividieren Sie ihn dann durch die Sonneneinstrahlung (Wh pro Tag), z. B. 280 (Wh/Tag) x 1,7/5 (Wh). /Tag) = 96,2 W. Leider ist die Auswahl an PV-Modulleistungen begrenzt. Mit 50-W-Modulen können Sie einen Generator mit einer Leistung von 50 W, 100 W, 150 W usw. bauen. Beträgt der Energiebedarf 95 W, wird er am besten durch ein Zwei-Modul-System gedeckt. Weicht die Gesamtleistung der Module stark von Ihrem errechneten Wert ab, müssen Sie entweder einen ungenügenden oder einen zu starken Generator einsetzen. Im ersten Fall kann die Fotobatterie nicht den gesamten Energiebedarf decken. Es liegt an Ihnen, zu entscheiden, ob Sie mit der teilweisen Deckung Ihres Bedarfs zufrieden sind. Im zweiten Fall haben Sie überschüssigen Strom. Die Bestimmung der Batteriegröße richtet sich nach dem Energiebedarf und der Anzahl der Photovoltaikmodule. Im angegebenen Beispiel beträgt die minimale Batteriekapazität 60 Amperestunden (Ah) und die optimale Batteriekapazität 100 Ah. Eine solche Batterie kann bei 1200 V 12 Wh speichern. Dies reicht aus, um im oben beschriebenen Fall Strom zu liefern, wenn der tägliche Energieverbrauch 280 Wh beträgt.
Konstanter Druck Früher nutzten fast alle Photovoltaikanlagen eine konstante Spannung von 12 V. Weit verbreitet waren 12-V-Geräte, die direkt aus der Batterie gespeist wurden. Mit dem Aufkommen effizienter und zuverlässiger Wechselrichter nutzen Batterien zunehmend eine Spannung von 24 V. Derzeit wird die Spannung des elektrischen Systems durch die tägliche Energieaufnahme während des Tages bestimmt. Systeme, die weniger als 2000 Wh pro Tag produzieren und verbrauchen, lassen sich am besten mit 12 V kombinieren. Systeme, die 2000–6000 Wh pro Tag produzieren, verwenden normalerweise 24 V. Systeme, die mehr als 6000 Wh pro Tag produzieren, verwenden 48 V. Die Netzspannung ist ein sehr wichtiger Faktor, der sich auf Wechselrichter, Steuerung, Ladegerät und Verkabelung auswirkt. Sobald Sie alle diese Komponenten gekauft haben, ist es schwierig, sie zu ersetzen. Einige Systemkomponenten, wie zum Beispiel PV-Module, können von 12 V auf eine höhere Spannung umgestellt werden, während andere – der Wechselrichter, die Verkabelung und die Steuerung – für eine bestimmte Spannung ausgelegt sind und nur innerhalb dieser Spannung betrieben werden können. Batterie Die Batterie speichert die vom Solarmodul erzeugte Energie. Die Batterie gleicht Schlechtwetterperioden oder einen zu hohen Energieverbrauch aus (Mittelfristspeicherung).
Die am häufigsten verwendeten Batterien sind Autobatterien, die erschwinglich und überall auf der Welt erhältlich sind. Sie sind jedoch darauf ausgelegt, große Ströme über einen kurzen Zeitraum zu übertragen. Sie halten den für Solaranlagen typischen langen Lade-Entlade-Zyklen nicht stand. Die Industrie produziert das sogenannte. Solarbatterien, die diese Anforderungen erfüllen. Ihr Hauptmerkmal ist die geringe Empfindlichkeit gegenüber dem Betrieb im zyklischen Modus. Leider produzieren nur wenige Entwicklungsländer solche Batterien, und importierte Batterien sind aufgrund der Versandkosten und Zölle unerschwinglich teuer. In einer solchen Situation können Sie auf leistungsstarke LKW-Batterien zurückgreifen – das ist eine günstigere Variante, allerdings müssen diese häufiger gewechselt werden. Für eine große Photovoltaikanlage reicht die Kapazität einer Batterie möglicherweise nicht aus. Dann können Sie mehrere Batterien parallel schalten und dabei alle Plus- und alle Minuspole miteinander verbinden. Zum Anschließen benötigen Sie einen dicken Kupferdraht, vorzugsweise nicht länger als 30 cm. Beim Laden gibt der Akku potenziell explosive Gase ab. Daher müssen Sie sich vor offenen Flammen in Acht nehmen. Die Gasemissionen sind jedoch vernachlässigbar, insbesondere wenn ein Laderegler verwendet wird; Daher ist das Risiko nicht größer als das, das normalerweise mit der Verwendung einer Batterie in einem Auto verbunden ist. Dennoch benötigen Batterien eine gute Belüftung. Daher sollten Sie sie nicht abdecken und in Kisten verstecken. Die Batteriekapazität wird in Amperestunden angegeben. Beispielsweise kann eine 100-Ah-12-V-Batterie 1200 Wh (12 V x 100 Ah) speichern. Allerdings hängt die Kapazität von der Dauer des Lade- bzw. Entladevorgangs ab. Die Ladedauer wird als Kapazitätsindex C angegeben, beispielsweise „C100“ für 100 Stunden. Beachten Sie, dass Hersteller möglicherweise Batterien für unterschiedliche Basiszeiträume produzieren. Bei der Speicherung von Energie in einer Batterie geht ein gewisser Teil davon bei der Speicherung verloren. Autobatterien haben einen Wirkungsgrad von etwa 75 %, während Solarbatterien eine etwas bessere Leistung erbringen. Mit jedem Lade-Entlade-Zyklus geht ein Teil der Kapazität des Akkus verloren, bis er so schwach ist, dass er ersetzt werden muss. Solarbatterien halten länger als leistungsstarke Autobatterien, die zwei bis drei Jahre halten. Batteriedimensionierung Es ist wichtig, dass die Batterie so dimensioniert ist, dass sie Energie für mindestens 4 Tage speichert. Stellen wir uns ein System vor, das 2480 Wh pro Tag verbraucht. Dividiert man diesen Wert durch die Spannung von 12 Volt, erhält man einen Tagesverbrauch von 206 Ah. 4 Tage Lagerung entsprechen also: 4 Tage x 206 Ah pro Tag, also 824 Ah. Bei Verwendung eines Bleiakkus müssen zu diesem Wert noch 20 % hinzugerechnet werden, damit der Akku nie vollständig entladen wird. Das bedeutet, dass die Kapazität unseres idealen Blei-Säure-Akkus 989 Ah beträgt. Bei Verwendung einer Cadmium-Nickel- oder Eisen-Nickel-Batterie sind keine zusätzlichen 20 % Kapazität erforderlich, weil Alkalibatterien schadet eine regelmäßige Tiefentladung nicht. Laderegler Eine Batterie hält nur dann mehrere Jahre, wenn sie in Verbindung mit einem hochwertigen Laderegler verwendet wird, der die Batterie vor Überladung und Tiefentladung schützt. Ist die Batterie vollständig geladen, reduziert der Regler den vom Solarmodul erzeugten Strom auf einen Wert, der den natürlichen Ladungsverlust ausgleicht. Umgekehrt unterbricht der Regler die Energieversorgung der Verbraucher, wenn die Batterie auf ein kritisches Niveau entladen ist. Ein plötzlicher Ausfall der Stromversorgung kann daher nicht durch einen Ausfall des Systems, sondern durch diesen Schutzmechanismus verursacht werden.
Laderegler sind elektronische Geräte, die durch Fehlfunktionen oder unsachgemäße Handhabung des Systems ebenfalls beschädigt werden können. Fortgeschrittenere Modelle sind mit Sicherungen ausgestattet, um Schäden am Regler und anderen Systemkomponenten zu verhindern. Darunter befinden sich Sicherungen gegen Kurzschlüsse und Polaritätswechsel (bei Vertauschung der +/- Pole), eine Sperrdiode, die verhindert, dass sich die Batterie nachts entlädt. Viele Modelle sind mit LEDs ausgestattet, die den Betriebszustand und den Ausfall des Systems anzeigen. Einige Modelle zeigen sogar den Ladezustand des Akkus an, allerdings ist eine genaue Bestimmung sehr schwierig.
Wechselrichter Der Wechselrichter wandelt Niederspannungs-Gleichstrom in Standard-Wechselstrom (120 oder 240 V, 50 oder 60 Hz) um. Wechselrichter reichen von 250 Watt (Kosten etwa 300 US-Dollar) bis über 8000 Watt (ca. 6 US-Dollar). Der von modernen Sinus-Wechselrichtern erzeugte Strom ist von besserer Qualität als der Strom, der aus dem örtlichen Stromnetz zu Ihnen nach Hause geliefert wird.
Es gibt auch „modifizierte“ Sinus-Wechselrichter – diese sind nicht so teuer, aber dennoch für die meisten Heimanwendungen geeignet. Sie können in elektronischen Geräten und Telefonen leichte Störungen oder „Rauschen“ verursachen. Ein Wechselrichter kann als „Puffer“ zwischen dem Haus und dem öffentlichen Stromnetz dienen, sodass überschüssiger Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann.
Kabel Der beste Weg, unnötige Verluste zu vermeiden, besteht darin, geeignete Elektrokabel zu verwenden und diese korrekt an Geräte anzuschließen. Das Kabel sollte so kurz wie möglich sein. Leitungen, die verschiedene Geräte verbinden, müssen einen Querschnitt von mindestens 1,6 mm2 haben. Damit der Spannungsabfall 3 % nicht überschreitet, muss das Kabel zwischen Solarmodul und Batterie einen Querschnitt von 0,35 mm2 (12-Volt-System) bzw. 0,17 mm2 (24 V) pro 1 Meter pro Modul haben. Das heißt, ein 10 m langes Kabel für zwei Module sollte nicht dünner sein: 10 x 2 x 0,35 mm2 = 7 mm2. Da Kabel größer als 10 mm2 schwierig zu handhaben und noch schwieriger zu finden sind, muss man mitunter höhere Verluste in Kauf nehmen. Wenn ein Teil des Kabels im Freien verläuft, muss es witterungsbeständig sein. Sehr wichtig ist auch die Beständigkeit gegen ultraviolette Strahlung. Sonnentracker Photovoltaikmodule funktionieren am besten, wenn die Photovoltaikzellen senkrecht zur Sonneneinstrahlung positioniert sind. Im Vergleich zu einem festen PV-Modul kann die Solarnachführung die jährliche Energieproduktion im Winter um 10 % und im Sommer um 40 % steigern. „Tracking“ wird durch die Montage eines Solarmoduls auf einer beweglichen Plattform realisiert, die sich hinter der Sonne dreht. Der erste Schritt besteht darin, den Nutzen der zusätzlichen Energie, die durch die Solarnachführung gewonnen wird, gegen die Kosten für die Installation und Wartung des Nachführungssystems abzuwägen. Ortungsgeräte sind nicht billig. In vielen Ländern ist es wirtschaftlich nicht sinnvoll, eine Solarnachführung für weniger als acht Solarmodule zu installieren (z. B. in den USA). Mit acht PV-Modulen erhalten wir mehr Energie, wenn wir Geld für mehr Module ausgeben, anstatt Nachführungen zu installieren. Erst ab acht Panels amortisiert sich das Ortungsgerät. Es gibt Ausnahmen von dieser Regel: Wenn beispielsweise Photovoltaikmodule eine Wasserpumpe direkt und ohne Batterie antreiben, ist die Solarnachführung für zwei oder mehr Module von Vorteil. Dies ist auf technische Eigenschaften zurückzuführen, beispielsweise auf die maximale Spannung, die zum Antrieb des Pumpenmotors erforderlich ist. Lampen Aufgrund ihrer hohen Effizienz und langen Lebensdauer empfehlen sich Energiesparlampen für den Einsatz in Photovoltaikanlagen. Für viele Anwendungen eignen sich Leuchtstofflampen oder die neuen Kompaktleuchtstofflampen (CFLs). Die 18-Watt-CFL ersetzt die herkömmliche 100-Watt-Glühbirne. Wenn diese Lampen mit einem Gleichstromsystem betrieben werden, benötigen sie ein elektronisches Vorschaltgerät. Die Qualität des Schotters kann sehr unterschiedlich und sogar unbefriedigend sein. Ein minderwertiges Vorschaltgerät verursacht zusätzliche Kosten für den ständigen Austausch der Lampen. Das Vorschaltgerät muss effizient sein, eine hohe Anzahl von Starts ermöglichen, eine zuverlässige Zündung bei niedrigen Temperaturen und niedriger Spannung (10,5 V) sowie Schutz vor Kurzschlüssen, Unterbrechungen, Polaritätsänderungen und Funkstörungen bieten. Obwohl die meisten Kompaktleuchtstofflampen nur mit Wechselstrom betrieben werden, bieten einige Unternehmen Lampen an, die mit Gleichstrom betrieben werden. Preise für Lebensdauer und Komponenten Ein sehr wichtiger Faktor in der wirtschaftlichen Analyse ist die Lebensdauer der Photovoltaikanlage. Die Lebensdauern verschiedener Solarstromversorgungskomponenten werden auf Basis der Erfahrungen der letzten Jahre berechnet.
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