Der Aufbau von Solarsystemen


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. zum Anfang


Auswahl der Modulgröße
Bei vielen Solar-Installationen 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, desshalb 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. zum Anfang


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. zum Anfang


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 sind, aber nicht begehbar. Leicht flexible Module wie die meisten SunWare Module (S-Serie, K-Serie, R-Serie) 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 werden, 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 Elementen befestigt werden.

Die leicht flexiblen Module (S-Serie, K-Serie, R-Serie) dürfen keinerfalls ohne Aussteifung auf textilen Untergründen wie Persenning montiert werden, da auf Dauer die Zellen durch die Bewegungen und Schwingungen Schaden nehmen können. zum Anfang


Wärmedehnung
Bei der Installation von Solarmodulen sind die unterschiedliche Wärmedehnungen der verschiedene 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 zu folgenden Längenänderungen bei einem Temperaturunterschied von 80°C und 1,0m Modullänge:

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

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. zum Anfang


Solarzellen
Derzeit, Stand 2013, existieren vier verschiedene Solarzellentypen am Markt. Sicherlich finden Sie weitere Typen in der Literatur und Presse, diese haben jedoch keinen relevanten Marktanteil oder besitzen derzeit Laborcharakter.

Typen der Solarzellen:
  • amorph
  • multikristallin
  • monokristallin
  • Rückseitenkontaktzelle

Amorphe Solarmodule haben derzeit einen Wirkungsgrad von 10% bis 12% und wurden in den letzten 2 Jahren immer als die Lösung für das Kostenproblem der Solarzellen beschrieben. Tatsache ist jedoch, daß in dieser langen Periode keine einzige Fa. 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 15% und 18% 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. 1% auf. Die minimale Differenz von 1% kann leicht durch eine geschicktere Montage, z.B. Verringerung der Abschattung, ausgeglichen werden.

Bei Rückseitenkontaktzellen hat seit vielen Jahren nur Sunpower eine dauerhafte Existenz gezeigt. Diese Sunpower Zellen haben einen sehr hohen Wirkungsgrad, bis hin zu 22% (im Idealfall!). Allerdings tritt bei Rückseitenkontaktzellen häufig der PID Effekt auf, der zu starken Leistungseinbußen führt (teilweise bis 60% bei 24V Anlagen).
Rückseitenkontaktzellen sind zudem wesentlich teurer als normale Solarzellen (Preis/Leistung) und erfordern in der Produktion einen komplett anderen Herstellungsprozess. Mit Rückseitenkontaktzellen lassen sich auch nur wenige Modulformate realisieren, da die Zellen sich nur in wenige Formate schneiden lassen.
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 Solarzellen einen, aufgrund der unterschiedlichen Einstrahlungswinkel auf der Zelle, wesentlich geringen Wirkungsgrad haben. zum Anfang


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 ohnen Schaden zu nehmen, ganz im Gegensatz zu einem Windgenerator.

Bei den derzeit 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 kurzgeschlossen wird, somit die Spannung abfällt und keine Ladung mehr möglich ist. Dieses Kurzschließen erfolgt 50 bis 200 mal je Sekunde je nach Hersteller. 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 hat 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. zum Anfang







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