Der Aufbau von Solarsystemen

Hier finden Sie umfassende Informationen zu Komponenten, Materialien & Funktionsweisen einer Solaranlage.


Inhalt


Das Solarsystem

Eine Solaranlage zur Ladung von Batterien besteht aus nur 3 Komponenten:

Solarmodul + Laderegler + Batterie

Eine photovoltaische Solaranlage wandelt in den Solarmodulen Licht in Gleichstrom um. Je stärker die einfallende Lichtintensität ist, desto größer ist der erzeugte Strom. Alle Solarmodule - gleich welcher Bauart - erzeugen linear abhängig von der Lichtintensität Strom. Nur bei direktem Sonnenlicht, klarem dunkelblauem Himmel und senkrechtem Einfall des Lichtes auf das Modul, wird die auf dem Modul angegebene Nennleistung erreicht. Bei stark bewölktem Himmel fällt die Leistung je nach Jahreszeit auf 10% bis 20% der Nennleistung zurück.

Der vom Modul erzeugte Strom wird zum Laden von Batterien verwendet. Stellen Sie sich eine Solaranlage wie ein normales Ladegerät vor - z.B Lichtmaschine, Netzladegerät oder Stromgenerator - nur dass der Ladestrom von der Lichtintensität abhängt. Bei großen Solaranlagen wird der Strom in Wechselstrom umgewandelt und in das öffentliche Stromnetz eingespeist.

Sobald Licht auf das Solarmodul fällt wird Strom erzeugt, d.h. Ihre Batterie wird tagsüber permanent mit einem mehr oder weniger großen Ladestrom geladen. Um ein Überladen der Batterie zu verhindern, sollte immer ein Laderegler zwischen Batterie und Modul angeschlossen sein. In der Literatur wird teilweise behauptet, dass man unter bestimmten Bedingungen auf den Laderegler verzichten kann. Aus unserer Sicht empfehlen wir nachdrücklich einen Laderegler zu verwenden, ein Schaden an der Batterie wegen fehlendem Laderegler wird wesentlich teurer.

In einem Solarmodul sind viele Zellen in Serie wie eine Kette verschaltet. Eine Solarzelle liefert ca. 0,5V im Arbeitspunkt bei 25°C und 0,4V bei 75° Zelltemperatur. Um eine Batterie vollständig zu laden, muss dass Modul eine Spannung von mindestens 15,0V-16,0V abgeben. Hierin liegt der Grund warum Solarmodule für 12V Systeme i.d.R. aus 36 bis 42 Zellen gefertigt werden.

Solarmodule können zur Spannungserhöhung in Serie verschaltet werden (max. Systemspannung der Hersteller beachten). Zur Erhöhung der Stromabgabe werden Module parallel verschaltet.

Auswahl der Modulgröße

Bei vielen Solarinstallationen entscheidet das Platzangebot über die möglichen Modultypen und Größen. Eine auch nur teilweise Abschattung von einer einzelnen Solarzelle kann die Leistungsabgabe des Moduls stark beeinträchtigen, deshalb bei der Auswahl der Flächen auf jeden Fall auf eine mögliche Abschattung der Module achten und unbedingt vermeiden.

Bei einem Solarmodul sind die einzelnen Solarzellen - wie eine Kette - in Reihe verschaltet. Fällt nun auf eine Solarzelle ein Schatten, lässt diese Solarzelle nur soviel Strom durch, wie diese selbst - im Schatten liegend - erzeugen kann. D.h., die eine abgeschattete Solarzelle beschränkt den Stromfluss des gesamten Moduls.
Wird nur ein kleiner Teil einer Zelle oder von mehreren Zellen abgeschattet, verringert sich die Leistungsabgabe auch nur um diesen kleinen abgeschatteten Bereich. Wirft z.B. eine Leine einen Schatten auf das Modul verringert sich die Leistung des Moduls um ca. 5%.

Besonders auf Segelbooten sollten lieber mehrere kleine, unabhängig voneinander arbeitende Solarmodule installiert werden, als wenige große Solarmodule. In der Praxis wird dann die Leistungsausbeute der kleineren Module bei gleicher nominal installierter Leistung wesentlich höher sein.

Auslegung der Solaranlage

Bei der Auslegung der Solaranlage müssen Stromverbrauch, installierte Leistung, zur Installation zur Verfügung stehende Fläche und die Einstrahlung in Abhängigkeit von Jahreszeit und Region in Einklang gebracht werden. Die täglichen Erträge von einer Solaranlage können hier online ermittelt werden.

Bei den Daten wird von einer horizontalen Montage ohne jegliche Teilabschattung ausgegangen. Anhand der Tabelle können Sie online ermitteln, welchen Tagesertrag Ihr Solarsystem erzeugen wird. Hierbei ist bereits berücksichtigt, dass an einigen Tagen die Sonne mehr und an anderen weniger scheint. Der Wert für den Ertrag stellt einen für die Praxis verwertbaren Mittelwert dar. An besonders schönen Tagen wird mehr, bei nieseligem Wetter weniger Strom erzeugt. Diese Schwankungen müssen von der Batterie überbrückt werden. Deshalb ist in Verbindung mit Solaranlagen immer eine ausreichend groß dimensionierte Batterie notwendig. Häufig ist es sinnvoller die Batteriekapazität zu erweitern, als die Solaranlage zu vergrößern, um die Schwankungen in der Einstrahlung besser ausgleichen zu können.

Installation

Solarmodule sollten fest auf dem Fahrzeug oder Boot installiert werden. Eine mobile Anwendung ist nur bedingt zu empfehlen. Es ist zu bedenken, dass die Solarzellen ein Siliziumkristall sind und so bruchempfindlich wie eine 0,2mm dicke Glasscheibe. Lokale Biegungen, Schwingzustände oder Punktbelastungen können schnell zu einer dauerhaften Schädigung der Zellen und damit zu einem dauerhaften Leistungsverlust führen.

Module mit steifer Trägerplatte oder Glasmodule mit Rahmen sind durch die Konstruktion steif genug, aber nicht begehbar. Leicht flexible Module wie die meisten SunWare Module (Serie-20, Serie-40) müssen auf einem steifen Untergrund wie das Bootsdeck fest montiert werden, dann ist das Modul problemlos mit Bootsschuhen begehbar. Werden diese Module auf dem Bimini montiert, ist hinter dem Modul eine Platte zur Aussteifung vorzusehen. Speziell für die Montage auf Bimini und Sprayhood sind die Module der TX-Serie entwickelt worden. Diese Module sind in einem Persenningstoff eingefaßt und können einfach mit Tenax/LOXX Elementen befestigt werden.

Wärmedehnung

Bei der Installation von Solarmodulen sind die unterschiedliche Wärmedehnungen der verschiedenen Materialien zu berücksichtigen.
Obwohl ein Modul offensichtlich keine beweglichen Teile enthält, finden Bewegungen im Modul statt. Unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche Wärmeausdehnungen. Solarzellen dehnen sich nur sehr gering (Faktor=2), Edelstahl gering (Faktor=12), Aluminium mittel (Faktor=24), Kunststoffe sehr stark (Faktor=65) aus. Das führt bei einem Temperaturunterschied von 80°C und 1,0m Modullänge zu folgenden Längenänderungen:

Solarzellen = +0,16 mm
Edelstahl = +0,96 mm
Aluminium = +1,9 mm
Kunststoffe = +5,2 mm

Aus dieser Tabelle ist leicht zu erkennen warum Solarzellen tunlichst nicht in oder zwischen dickeren (größer 0,5mm) Kunststoffträgern eingebettet sein sollten. Diese extrem ungünstige Materialpaarung führt zwangsläufig zu einer extremen Belastung der Zellen, elektrischen Verbindungen und hohen Delaminationskräften. Da Solarmodule permanent der Witterung ausgesetzt sind, treten sehr häufig große Temperaturschankungen im täglichen und jahreszeitlichen Rhythmus auf.

Solarzellen

Derzeit, Stand 2017, werden vier verschiedene Solarzellentypen industriell eingesetzt. Sicherlich werden weitere Typen in der Literatur und Presse beschrieben, diese haben jedoch keinen relevanten Marktanteil oder sind im Laborstadium.

Typen der Solarzellen:

  • amorphe Solarzellen
  • multikristalline Solarzellen
  • monokristalline Solarzellen
  • Solarzellen mit Rückseitenkontakt

Solarmodule mit amorphen Solarzellen haben derzeit einen Wirkungsgrad von 10% bis 12% und wurden in den letzten zwei Jahren immer als "die" Lösung für das Kostenproblem der Solarzellen beworben. Tatsache ist jedoch, dass in dieser langen Periode kein einziger Hersteller mit den Produkten dauerhaft Geld verdienen konnte und heute amorphe Module vom Markt nahezu komplett verschwunden sind (Ausnahme Taschenrechner u.ä.)

Multi- und monokristalline Solarzellen besitzen derzeit einen Wirkungsgrad zwischen 18% und 21% und können heutzutage als gleichwertig angesehen werden. Die Leistungsunterschiede sind eher hersteller- und prozessbedingt als kristallbedingt und in der Praxis eigentlich vernachlässigbar. Bei vergleichbaren Zellen multi/mono tritt eine Leistungsdifferenz von nur ca. 2% auf. Die minimale Differenz von 2% kann leicht durch eine geschickte Montage, z.B. Verringerung der Abschattung, ausgeglichen werden.

Bei Rückseitenkontaktzellen ist seit vielen Jahren Sunpower am Markt vertreten. Die Sunpower Solarzellen haben einen sehr hohen Wirkungsgrad, bis hin zu 23% (im Idealfall!). Wegen des hohen Preises der extrem leistungsstarken Zellen werden für die Modulproduktion i.d.R. Zellen mit 20% - 22% eingesetzt. Gerne wird dann aber in den Prospekten mit den maximalen Wirkungsgraden von Sunpower geworben.

Rückseitenkontaktzellen sind zudem wesentlich teurer als normale Solarzellen (Preis/Leistung) und erfordern in der Produktion einen komplett anderen Herstellungsprozess. Mit Rückseitenkontaktzellen lassen sich nur wenige Modulformate realisieren, da die Zellen nur in wenige Formate geschnitten werden können.

Ein Vorteil speziell der Sunpower Zelle besteht darin, dass diese Zelle wesentlich stärker gebogen werden kann als herkömmliche Solarzellen. Falls ein Zellbruch auftritt, ist nur ein minimaler Leistungsverlust zu verzeichnen. Anzumerken ist allerdings, dass gekrümmte Solarmodule einen, aufgrund der unterschiedlichen Einstrahlungswinkel auf die Zellen, wesentlich geringen Wirkungsgrad haben.

Laderegler, MPPT-Regler

Zu jeder Solaranlage gehört ein Laderegler. Der Laderegler hat die Aufgabe, die Batterie vor Überladung- und Tiefentladung zu schützen und nachts den Rückstrom von der Batterie in die Module zu verhindern (auch wenn es nur wenige mA sind). Alle weiteren Funktionen der Laderegler können sein, sind aber nicht zwingend erforderlich.

Auf Dauer wird der permanente Ladestrom vom Modul die Batterie überladen und die Batterie schädigen. Sparen Sie nicht am falschen Ende. Solarregler nutzen die speziellen Eigenschaften von Solarmodulen aus und dürfen nicht als Laderegler für andere Stromquellen eingesetzt werden. Solarmodule können z.B. kurzgeschlossen werden oder mit offenen Kabelenden in der Sonne liegen ohne Schaden zu nehmen, ganz im Gegensatz zu einem Windgenerator.

Bei den am Markt befindlichen Ladereglern haben sich 3 unterschiedliche Typen durchgesetzt.

  • Shunt-Regler
  • Serien-Regler
  • MPPT-Regler
Shunt-Regler und Serien-Regler werden aktiv, wenn der Ladestrom begrenzt werden muß. Ist die Batterie voll aufnahmefähig, wird einfach der gesamte Strom vom Solarmodul zur Batterie weitergeleitet. Im Gegensatz hierzu ist ein MPPT Regler permanent zwischen Modul und Batterie als Wandler geschaltet. Ohne dass der Wandler arbeitet, findet keine Ladung statt. Deshalb ist bei einem MPPT-Regler ein hoher Wirkungsgrad sehr wichtig und sollte größer 95% im gesamten Strombereich liegen.

Bei Shunt-Reglern wird der Ladestrom dadurch reduziert, dass das Modul kurzzeitig getrennt wird und somit keine Ladung mehr erfolgt. Dieses trennen erfolgt 50 bis 200 mal je Sekunde, je nach Reglertyp. Je länger das Modul kurzgeschlossen wird, desto weniger Strom fließt in die Batterie. Zwischen Batterie und Modul ist eine Schottky-Diode eingebaut, so dass kein Rückstrom erfolgen kann. Die Schottky-Diode führt allerdings zu einem permanenten Spannungsverlust von 0,6V. Diese Shunt-Regler sind seit langem bewährt und arbeiten sehr zuverlässig, auch über viele Jahre hinweg.

Serien-Regler werden ebenfalls schon seit vielen Jahren eingesetzt und haben sich als sehr zuverlässig erwiesen. Beim Regelvorgang wird bei diesem Reglertyp das Modul kurzzeitig von der Batterie getrennt (50 bis 250 mal je Sekunde). Über die Dauer der Abschaltung kann der Ladestrom verändert werden. Beim Serien-Regler kann auf die Schottky-Diode verzichtet werden. Aktive Bauelemente übernehmen hier den Rückstromschutz. Bei diesem Regler sind die Spannungsverluste wesentlich geringer (0,0V - 0,3V).

Der MPPT-Regler ist eine relative neue und komplizierte Technik, die faszinierende Möglichkeiten eröffnet. Der Grundgedanke besteht darin, aus einer beliebigen Eingangsspannung eine definierte Ausgangsspannung mit Hilfe des DC-DC-Wandlers zu erzeugen. Wird eine kleine Spannung zu höheren Spannungen transformiert, spricht man vom Aufwärtswandler. Im Gegensatz dazu gibt es auch Abwärtswandler. I.d.R. können MPPT Regler nur in eine Richtung wandeln, um noch einen akzeptablen Wirkungsgrad zu erreichen. Grundsätzlich weisen Abwärtswandler einen höheren Wirkungsgrad auf als Aufwärtswandler. DC-DC-Wandler sind Hochfrequenz-Wandler, die entsprechend starke EMV Störstrahlung aussenden und sollten nicht in der Nähe von Funkgeräten betrieben werden.

Wo liegt nun der Vorteil solcher MPPT Regler gegenüber einem "normalen" Regler?

12V Solarmodule sind von der Zellenzahl so ausgelegt, dass sich bei üblichen Betriebstemperaturen (25°C Luft, 50°C Zelle) ideale Ladespannungen für 12V Systeme ergeben. Hier kann der MPPT Regler keinen Leistungsvorteil generieren. Werden jedoch die Module im Winter bei niedrigen Temperaturen betrieben (-10°C Luft, 20°C Zelle) erzeugt das Solarmodul eine wesentlich höhere Spannung als im Sommer. Aus dieser höheren Spannung kann dann mit dem DC-DC-Wandler ein etwas höherer Ladestrom generiert werden.

MPPT-Regler können Ihr Potential ausspielen, wenn Module eingesetzt werden, die nicht für 12V Systeme ausgelegt sind (Hausdachmodule mit 56 Zellen). Diese Module haben für ein 12V System eine immer viel zu hohe Spannung, so dass der MPPT-Regler diesen Spannungsüberschuß in zusätzlichen Ladestrom umformen kann.

Sollten Sie einen MPPT-Regler in die engere Wahl ziehen, ist auf einen hohen Wirkungsgrad über dem gesamten Strombereich zu achten. Beispiel: Ist der MPPT-Regler für 10A ausgelegt und ein 5A Modul angeschlossen, betreiben Sie den Regler immer nun in einem Strombereich von 0 bis 50%. Bei bedecktem Himmel liefert Ihr Modul 0,5A bis 1,0A. D.h. hier muß der MPPT-Regler noch bei 5% bis 10% des Nennstroms einen ordentlichen Wirkungsgrad von mehr as 90% erzielen. Lassen Sie sich in jedem Fall eine präzise Wirkungsgrad-Kennline von dem Regler geben. Hat der MPPT-Regler einen Wirkungsgrad von 90%, bedeutet das gleichzeitig, dass permanent 10% der Modulleistung als Verlust verloren gehen. Diesen permanenten Verlust muß der Wandler erst einmal durch Spannungstransformation erwirtschaften, bevor sich überhaupt ein Gewinn einstellt.

Oft werden in den Verkaufsunterlagen von MPPT-Reglern fantastische Leistungsgewinne angegeben +30% oder sogar +40%. Bei 12V Modulen ist ein solcher Leistungsgewinn nur am Nordpol möglich.

Bleibt also die Frage, warum nicht direkt ein für die Anwendung passendes Modul verwenden und auf aufwendige und teure Technik zu verzichten, schließlich soll Ihre Anlage viele Jahre störungsfrei arbeiten.