Erstellt von Marcus | 27.06.2019
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Eine Insel-Photovoltaikanlage ist simpel. Ein paar Fallstricke gibt es jedoch zu beachten. Viele Dinge, an die ein Anfänger oft nicht denkt, werden hier behandelt.

Inhaltsverzeichnis:Siehe dir ebenfalls diese Beiträge an:

Blitzschutz bei Photovoltaikanlagen

Größere Photovoltaikanlagen werden mit einem Rahmen aus Metall aufgestellt. Diese müssen an einen Blitzableiter angeschlossen werden. Selbst bei Gewitterluft (Ionen in der Luft), können Solarmodule und dessen Bypass Dioden auch ohne direkten Blitzeinschlag kaputt gehen. Metall und Kabel sind ein Magnet für Blitze.
Damit kein Brand entsteht und ein Defekt der Module vermieden wird, sollte ein Fachmann den Blitzschutzerdung installieren und an der Solaranlage anschließen.

Kabelquerschnitte berechnen und Längen beachten

Merke: Je länger das Kabel, desto höher können die Verluste sein. Gleiches gilt auch für dünne Kabel, nur das diese vor allem noch ein erhöhtes Sicherheitsrisiko darstellen. Dünne Kabel erwärmen sich schneller, da der Widerstand höher ist. Vergleichbares kannst du dir als Wasserleitung vorstellen. Durch ein Dickes Rohr geht viel mehr Wasser ohne viel Druck hindurch.

Im Internet gibt es verschiedene Kabelquerschnittsrechner. Manche sind davon eher kompliziert und wer kein Elektrofachmann ist, dem qualmt da schnell der Kopf.

Linktipps:Es gibt daher einige Faustformeln. Wichtig ist nicht die Spannung (in Volt), sondern die Stromstärke (in Ampere) für den Kabelquerschnitt.

Faustformel:
Ampere : 10 = Querschnitt in mm²

Beispiel:
30A : 10 = 3mm²

Der nächsthöhere Querschnitt ist zu wählen, da es 3mm² nicht gibt. D.h. mindestens 4mm².

Beachte bitte, dass eine gewisse Sicherheitsleistung mit einberechnet werden muss. Dickere Kabel sind also vorteilhafter und wenn doch etwas mehr Strom fließt, hast du gewisse Sicherheiten bereits einbedacht. Wissen solltest du auch, dass es verschiedene Materialen gibt. Nicht nur Kupfer und Aluminium, sondern auch die Isolierung ist entscheidend (Wetterschutz / UV-beständige Kabel).

Die Kabellängen sollten immer so kurz wie möglich gehalten werden. Vor allem die, wo sehr viel Strom darüber fließt. Das ist nicht nur Sicherheitsrelevant und Verlustärmer, sondern spart auch unnötige Kosten. Dicke Kabel sind teuer!

Formeln, Spannung und Stromstärke, Volt und Ampere

Begriffsdefinitionen:
  • Spannung: in Volt
  • Stromstärke: in Ampere
  • V = Volt (oft als U angegeben)
  • A = Ampere (oft als I angegeben)
  • W = Watt (oft als P angegeben)
  • Wh bzw. kWh = Wattstunden bzw. Kilowattstunden
  • kW = Kilowatt
  • kWh bzw. kW/h = Kilowattstunde bzw Kilowatt pro Stunde
  • 1 kW entsprechen 1000 W
  • 1 kWh entsprechen 1000 Wh
Formeln:
  • P = U x I
  • U = P : I
  • I = P : U
Nachfolgend ein paar Beispielrechnungen. Mit den oben genannten Formeln kannst du Leistung, Spannung und Stromstärken miteinander berechnen. Diese Formeln sind auch als Ohmsches Gesetz bekannt.

Beispielrechnungen:

Wieviel Ampere fließen über das Kabel?

Unser Wechselrichter macht 300 Watt, die Spitzenleistung liegt jedoch bei 600 Watt. Dieser entnimmt den Strom aus einem 12V Akku. Wieviel Ampere fließen über die Kabel?

Hier müssen wir die Stromstärke (Formelzeichen I) berechnen:
I = P : U
I = 600W : 12V
I = 50A

Unser Wechselrichter zieht damit 50 Ampere maximal über das Kabel aus dem Akku. Dies muss bei der Dimension des Kabels beachtet werden. Ebenfalls muss der Akku auch 50A abgeben können, andernfalls wird diese beschädigt und heiß.

Welche Leistung bringt unser Solarmodul?

Unser Solarmodul hat eine Spannung von 21 Volt und 2,4 Ampere. Welche Leistung in Watt bringt es?

Wir benötigen die elektrische Leistung in Watt, das Formelzeichen ist P.
P = U x I
P = 21V x 2,4A
P = 50,4W

Akkuspeicher, Akkupower und Spannung

Die am häufigsten gestellte Frage ist die Größe des Akkuspeichers. Manche nutzen auch garkeinen Akkuspeicher, da er teuer ist. Hierbei hat man das Problem nur Strom aus der Photovoltaikanlage entnehmen zu können, wenn die Sonne scheint. Also weder Abends, Nachts oder an dunklen Tagen. Einen Akku erachte ich in fast allen Einsatzgebieten der Solaranlage als sinnvoll.

Wie groß muss aber der Akku sein und welche Art von Akku?

Ds hängt vor allem vom Tagesbedarf ab. Zwar nutzt man bei Sonnenschein direkt den Strom von der Sonne und der Akku bleibt voll, hat aber an einem bewölkten Tag die ganzen Akkuspeicher für die Nutzung bereit.
Bei mir hat sich gezeigt, dass ein größerer Akku wirklich sinnvoll ist und wenn dieser nicht an einem Tag aufgebraucht werden kann. Da das Tal der Tränen am Jahresanfang nur sehr wenig Sonne durch die Wolken lässt und zudem der Sonnenstand sehr niedrig ist, müssen wir hier kalkulieren. Mehr Speicher, welcher teuer ist und Platz benötigt, oder keinen Strom bzw. wieder Netzstrom beziehen. Aufrüsten ist in den meisten Fällen die beste Möglichkeit, da Anfangs die Investition eh sehr hoch ist. Einkalkulieren sollte man jedoch zu Beginn den Platz für eine Erweiterung des Akkuspeichers.

Die Akkuart: Die güstigsten Akkus, die für den stationären Betrieb ideal erscheinen, sind Blei-Akkus. Hier gibt es unterschiedliche Technologien. Wichtig: Gasungsfreie Akkus! Akkus die Gasen können, müssen in einem belüfteten Raum - so oder so gilt Rauchverbot und keine offenen Flammen, da die Knallgase (Elektrolyse) verpuffen können und brennbar sind.
Für größere Hauskraftwerke eignen sich auch Li-Ionen Akkus. Diese kosten zwar mehr, sind dafür deutlich kleiner und leichter. Hier können ganz andere Dimensionen von Speichern gebaut werden. Da die Zellen in den meisten Fällen jedoch auch gefährlich sind, benötigen diese eine dauerhafte, elektronische Überwachung. Ein BMS (Batterie Management System) ist absolut erforderlich um Sicherheit und Haltbarkeit zu erhöhen. Neben der Temperaturüberwachung ist der Spannungsausgleich der Zellen wichtig.

Stromstärken beachten: Ein kleiner Akku kann dir nur eine kleine Energiemenge zur Verfügung stellen. Vor allem kann er dir die gesamte Energie nur über eine gewisse Zeit liefern.
Einen 300 Watt Wechselrichter kann nicht an einem 12V 7,2A Bleiakku angeschlossen werden. Schaue dir dazu die Berechnung der Stromstärke oben an. Es fließen über den Wechselrichter bis zu 25A Dauerstrom oder 50A Anlaufstrom. Ein kleiner Akku leistet dies nicht und kann beschädigt und heiß werden. In jedem Fall bedeutet dies Beeinträchtigung der Lebensdauer. Das gleiche gilt auch für die Ladung.
Im genannten Fall empfielt es sich, mehrere solcher Akkus parallel zu schalten, sodass die Leistung nur in Bruchteilen aus jedem Akku gezogen wird. Auch die Spannung durch Reihenschaltung erhöhen, verringert die Belastung. Beachte dazu das Datenblatt des Akkus. Anbei Fotos der Datenblätter eines 12V 7,2Ah Blei Akkus, sowie ein 6V 4Ah Blei Akkus.
Im übrigen ziehen Blei-Akkus nur den Strom, der für die eingestellte Spannung möglich ist. Der Strom nimmt ab, je voller der Akku wird.

 Datenblatt Ladung: 6V und 12V Blei-Vlies Akku  Hier zwei Fotos vom aufgedruckten Datenblatt des 6V und 12V Blei Akkus. Beides sind Vlies Akkus (Glass Mat). © Wohnen-Heimwerken.de

Datenblatt Ladung: 6V und 12V Blei-Vlies Akku
Hier zwei Fotos vom aufgedruckten Datenblatt des 6V und 12V Blei Akkus. Beides sind Vlies Akkus (Glass Mat).

Spannung beachten: Wird die Spannung verdoppelt, halbiert sich die Stromstärke. In jedem Fall bleibt die gelieferte Energie (in Watt) gleich.
Nehmen wir das Beispiel des 300W Wechselrichters (Anlaufstrom 600W möglich) und ziehen diese 600W aus einem 12V Akku. So fließen hier 50 Ampere. Mit einem 24V Wechselrichter benötigen wir zwei Akkus, die in Reihe verbunden wurden. Somit fließen hier nur noch 25 Ampere. Das verringert zudem auch den notwendigen Kabelquerschnitt.

Ausrichtung Photovoltaikmodule, Befestigung und Hinterlüftung

Zur Ausrichtung und Neigung gab es bereits mehrere Themen. Hier nocheinmal eine kurze Zusammenfassung für typische Anfängerfehler.

Die erste Frage ist, speist du Strom ein oder nicht? Wenn du ins Netz einspeist, empfielt sich die Ausrichtung nach Süden, da zu jeder Jahreszeit hier die höchste Ausbeute erreicht wird.
Speist du nicht ein und nutzt deinen erzeugten Strom, ist die Frage eher: Wann benötigst du den meisten Strom?
Die Sonne geht auf unserer Nordhalbkugel im Osten auf und im Westen unter. Im Sommer sogar im Nord-Westen.
Wenn du von Früh bis Nachmittag auf arbeit bist und erst spät Nachmittag Strom benötigst, ist die Westausrichtung wahrscheinlich idealer. Beachte hierbei jedoch auch, dass im Winter die Sonne eher unter geht und ihren höchsten Stand immer im Süden hat. Wer also seine Photovoltaikmodule nach Ost oder West ausrichtet, sollte eine hohe Neigung der Module einkalkulieren. So fällt die Sonne möglichst senkrecht auf das Modul. Beachte Verschattung im Sommer!

 Teilverschattete Solarmodule  Mein Gartenhaus mit zwei Solarmodulen. Diese sind Parallel geschaltet und exakt senkrecht angebracht. Im Sommer gibt es fast permanente Teilverschattung, im Winter, wenn die Sonne nicht im Zenit steht, dafür rund 30% mehr Strom. © Wohnen-Heimwerken.de

Teilverschattete Solarmodule
Mein Gartenhaus mit zwei Solarmodulen. Diese sind Parallel geschaltet und exakt senkrecht angebracht. Im Sommer gibt es fast permanente Teilverschattung, im Winter, wenn die Sonne nicht im Zenit steht, dafür rund 30% mehr Strom.

Beispiel von mir: Meine erste Ausrichtung war nach Westen. Hier konnte ich ohne viele Verluste den Strom Nachmittags wunderbar nutzen. Durch meine Dauernachtschicht schlafe ich eh am Vormittag. Soweit, so gut. Nun habe ich jedoch meinen Akkuspeicher erheblich aufgerüstet und nun zeigte sich im Frühjahr und dem noch recht niedrigen Sonnenstand (vor allem zeitiger Sonnenuntergang), dass die Akkus viel effektiver mit einer südlicheren Ausrichtung geladen werden können. Vor allem werden die dann wieder richtig voll! Somit nutze ich nun eine zweiseitige Ausrichtung. Süden für die Akkus und den Wintermonaten, Westen für meinen Bedarfsstrom gegen Nachmittag, ohne die Akkus aufzubrauchen. Die Akkus werden somit nur Abends genutzt.
Es ist kein Problem, mehr als eine Himmelsrichtung mit einem Laderegler und Akkubank zu nutzen. Wichtig sind Rückfluss- und Bypass Dioden. Diese verhindern, dass die Sonnenmodule nicht in die verschatteten Module speisen. Die meisten guten Module haben dies bereits integriert.

Befestigung von Photovoltaikmodulen

Im Normalfall wird ein Rahmen aus Metall fest mit dem Dach verbunden. Module werden dann nicht auf dem Rahmen verschraubt, sondern mit einer Klemmvorrichtung festgeklemmt (Klammern). Das schützt die Module bei Verspannungen und die Garantie verfällt nicht. Wer an Solarmodulen Löcher bohrt, verliert dadurch die Garantie.
Beachten musst du Sturm und Schneelasten. Für Ziegeldächer gibt es Balkenbefestigungen die unter den Dachziegeln am Dachrahmen verschraubt werden.
Es gibt noch die Indach-Montage. Hier werden Dachziegel eingespart, jedoch ist der Aufwand deutlich kostenintensiver. Sichworte: Dichtigkeit/Nässeschutz, Abmessung bzw. genaues einpassen, Hinterlüftung/Wärmestau

Noch besser eignen sich oftmals Flachdächer, da hier eine Aufständerung mit dem gewünschten (oder variablen) Winkel möglich ist. Nicht nur das die Hinterlüftung der Module besser ist, da der Winkel bei manchen Ständern angepasst werden kann, ist die Dachneigung auch nicht ganz so relevant.
Beachten sollte man hier, dass mehr Sturmlasten auftreten können und das die Höhe des Daches sich baulich ändert. Im Bauamt kannst du die maximale Höhe erfragen. Je nach Ausrichtung und drehendem Wind, kann das Solarmodul wie ein Segel wirken. Die Aufständerung und die Module müssen ordentlich befestigt werden. Vor allem wer sehr nördlich oder auf hoher Lage wohnt.

Ebenfalls gibt es die Sonnennachführung mit eigenem Befestigungssystem. Diese drehen die Module immer in die Sonnenrichtung. Neben einem geeigneten Fundament, ist bei freistehenden, oftmals sehr hoch angebrachten Modulen, stärkere Windlast.

Hinterlüftung von Photovoltaikmodulen

Leider habe ich schon öfters gesehen, dass Solarmodule direkt auf das Dach des Gartenhauses geschraubt werden. Nicht nur das es ein Sicherheitsrisiko ist, sondern diese Module bringen bei Wärme nicht mehr die Beste Leistung. Es gilt mindestens 10 cm zwischen Solarmodul und Dach zu lassen.

Ein anständiges Schienensystem zur Befestigung bietet neben diesem Abstand auch noch weitere Vorteile. Laub und anderer Schmutz verfängt sich nicht mehr so leicht hinter den Modulen.

Die punktuelle Last durch Module, gerade auf einem Flachdach, kann durch großzügig aufgeschraubte Aluminiumschinen besser verteilt werden.
Nach bestem Wissen und Gewissen.
Sonnige Grüße, dein Marcus

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