Inselanlagen

Auslegung für Inselsysteme
Systemspannung
Die in Stromleitungen mit einem bestimmten
Querschnitt auftretenden Energieverluste sind der
Länge der Leitung und der Stärke des Stroms direkt
proportional. Je besser die Leitfähigkeit des Metalls
und je größer der Querschnitt des Leiters, desto
geringer sind die Verluste. Man wird deshalb
Leitungen aus Kupfer auf möglichst kurzem Wege mit
ausreichendem Querschnitt (siehe hierzu Bild 3.11)
zwischen den einzelnen Komponenten der Anlage
verlegen. Die Leistung, die es zu übertragen gilt, ist
das Produkt aus Strom und Spannung. Ein Strom von
5A überträgt bei 24V die gleiche Leistung (120W) wie
ein Strom von 10A bei 12V. Um die Verluste durch den
Stromfluss möglichst klein zu halten, wählt man eine
höhere Spannung. Das ist der Grund, weshalb
Hochspannungsleitungen (bis zu 520.000V) für den
Energietransport über weite Strecken eingesetzt werden. Hohe Spannungen sind jedoch gefährlich und
erfordern aufwendige Isolationsmaßnahmen. Mit
Transformatoren wird die Spannung deshalb für den
Hausgebrauch in mehreren Schritten bis auf 230V
reduziert. Während Wechselstrom vergleichsweise
leicht auf eine andere Spannung transformiert werden
kann, rnuss Gleichstrom in Wechselstrom gewandelt,
transformiert und wieder gleichgerichtet werden.
Solch ein Gleichspannungswandler ist komplex und
arbeitet natürlich nicht ohne interne Verluste. Es ist
günstig, von vornherein die Systemspannung so zu
wählen, dass eine Spannungswandlung nicht
erforderlich, oder zumindest verlustarm und
kostengünstig ist Zur Ermittlung der Leitungsverluste
wird von folgender Überlegung ausgegangen:
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Bild 3.10
Der Spannungsverlust Uvmax auf einer Leitung soll
kleiner 1 % sein (damit ist auch der Leistungsverlust
Pv = Uv x l kleiner 1 %). Dieser Spannungsverlust ist
proportional zum Strom und dem Widerstand der
Leitung Uv = l x R. Der Widerstand wiederum hängt
von der Länge der Leitung L, der Querschnittsfläche
A und dem spezifischen Leitwert des verwendeten
Leitermaterials ab.
Uv = I R = l 2L / (K A) <=> A = l 2L / (K Uv)
Beispiel: Arbeitsspannung 100V, Uv = 1V
max. Strom 10A, Leitungslänge 30m Leitwert für
Kupfer 56 (m/mm2 A/V) Daraus ergibt sich eine
Querschnittsfläche für den Leiter von: A= 10 -2
30/(56 1) mm2 = 10,7mm2
Bild 3.11
Für 12 bzw. 24 Volt Anlagen können Sie aus dieser Grafik den Leitungsquerschnitt ermitteln, der zur Übertragung
einer bestimmten Leistung über eine vorgegebene Länge benötigt wird (Verlust < 3 %).
02
Als Faustregel gilt: je ausgedehnter das Stromnetz
und je höher die zu übertragende Leistung, desto
höher sollte die Systemspannung gewählt werden.
Man richtet sich am besten nach der
Betriebsspannung der Geräte, die man mit Strom
versorgen will.
Gängige Gleichstrombetriebsspannungen sind:
1.2-1.5V Uhren, Kleinelektronik
3V kleine Radios und Kassetten recorder,
Taschenlampen
4.5V mobile Unterhaltungselektronik, Spielzeug
6V Radiorecorder,
7.5V Radio, Handy
9V mobile Unterhaltungselelctronik
12V Auto, Campingfahrzeuge und Boote
24V LKW und Reisebus, kleine Binnenschiffe
48V Schutzkleinspannung
60V, 120V, 180V, 240V, 360V Notstromversorgungen
Erkennbar sind die Vielfachen der Zellenspannung
von Primärbatterien bzw. NiCd-Akkus 1.5V / 1.2V und
des Bleiakkus 2V. Sehr weit verbreitet für mobile und
stationäre Inselnetze sind 12V, 24V und 48V.
Gleichspannungen bis 48V sind bei Berührung nicht
lebensgefährlich. Bei dieser Schutzkleinspannung
sind deshalb an die Isolierung nicht so hohe
Anforderungen gestellt.
Eine kleine Inselstromversorgung für ein
Campingfahrzeug, eine Gartenhütte oder ein
Segelboot wird meist mit einer Systemspannung von
12V ausgeführt. Für ein größeres Wohnmobil oder ein
Ferienhaus wird je nach Größe und Ausstattung ein
24V-System bevorzugt. Ein Gehöft mit
Nebengebäuden oder die Notstromversorgung eines
Krankenhauses werden mit 48V oder einer noch
höheren Spannung ausgelegt. Während
Gleichstromgeräte für 12V oder 24V im Kfz- und
Campingzubehörhandel gängig sind, werden 48V
Geräte ausgesprochen selten hergestellt. Hier wird
man einen Wechselrichter zur Versorgung herkömmlicher 230V Wechselstromgeräte einsetzen müssen.
03
Die gewünschte Versorgungsspannung erhält man
durch Reihenschaltung der Module. Bei 24V wird z.B.
der Pluspol des Ersten mit dem Minuspol des Zweiten
verbunden (Bild 3.12). Zwischen dem freien Minuspol
des Ersten und dem Pluspol des zweiten Moduls
erhält man dann die erforderliche Spannung. Durch
Parallelschaltung mehrerer solcher Paare kann die
Anlage auch nachträglich auf die gewünschte Größe
ausgebaut werden. Klar ist, dass bei 24V immer eine
gerade Zahl von Modulen, bei 48V eine durch 4
teilbare, erforderlich ist. Hierdurch ist die
Feinabstufung der Leistung der Anlage entsprechend
Warum ist Strom gefährlich?
Unser Nervensystem, vom Gedanken bis zur
Erregung der Muskeln, funktioniert durch
lonenströme. Wechselstrom überlagert diese und
führt zu Muskelzuckungen und Herzstillstand.
Entscheidend ist, wieviel Strom durch den Körper
fließt. Steht man bei der Montage der
Deckenlampe relativ gut isoliert auf einem
Holzstuhl und bekommt einen gewischt, so
durchfährt den Körper ein heftiges, sehr unangenehmes Zucken. Barfuß auf feuchtem Boden sind
wir besser geerdet und es fließt mehr Strom
durch den Körper, die Muskeln kontrahieren und
man kann nicht loslassen. Die Person zappelt
skurril mit einem Gerät herum und muß sofort
vom Stromnetz getrennt werden. Vorsicht, nicht
mit blanken Händen, sonst hängt man selbst am
Strom. Ein längerer Schlag bei 230V
Wechselstrom verursacht einen Schock und
möglicherweise innere Verletzungen sowie
mitunter starke, scharf abgegrenzte äußere
Verbrennungen. Gleichstrom wirkt anders im
Körper. Die elektrolytischen Flüssigkeiten im
Körper leiten den Strom durch lonentransport. So
werden z.B. die Lymph- und Blutbahnen durch
starken Stromfluß erwärmt bzw. zerstört. Auch
hier ist natürlich entscheidend, wie hoch die
Spannung ist und ob wir zwischen zwei Polen
hängen oder relativ gut isoliert stehen.
Gerät
Energiesparlampe
Halogenlampe
Glühlampen
Kompressor-Kühlschrank 1501
(Tagesverbrauch ca. 350Wh)
Computer
Fernseher/Bildschirm
Radio/Cassette
Kleines Hauswasserwerk
Bild 3.12
Die meisten Solarmodule sind für eine
Systemspannung von 12 Volt konzipiert. Durch
Reihenschaltung werden höhere Spannungen
erreicht.
Bei der Reihenschaltung von 4 Modulen treten
Leerlaufspannungen von über 80V auf. Beim
Verschalten sollte man die Module deshalb z.B. mit
den Verpackungskartons abdek-ken, um elektrische
Schläge oder Lichtbögen zu vermeiden.
Energiebedarf
Die Größe und damit auch der Preis einer solaren
Stromversorgung werden ganz wesentlich vom
Energiebedarf bestimmt, den es zu decken gilt. Dieser
lässt sich aus der Summe der Energieverbräuche der
einzelnen Geräte ermitteln, die man entweder direkt
misst oder aus der Leistungsaufnahme und der
jeweiligen Laufzeit des Gerätes durch Multiplikation
errechnet.
Folgende Tabelle dient als Orientierung für typische in
Solarstromanlagen eingesetzte Verbraucher. Es spielt
dabei zunächst eine untergeordnete Rolle, ob die
Geräte mit Wechsel- oder Gleichstrom betrieben
werden.
Leistungsaufnahme
10-20 W
5-20 W
40-100 W
50-80 W
30-80 W
50-80 W
20 W
100 W
Es ist klar, dass die Leistungsaufnahme und die
Betriebszeit gleichermaßen für den Energieverbrauch
verantwortlich sind. Ein Kühlschrank mit halber
Leistungsaufnahme ist nur dann sparsamer, wenn er
nicht eine doppelt so lange Laufzeit benötigt, um z.B.
eine bestimmte Menge Getränke zu kühlen. Wichtig ist
deshalb der Wirkungsgrad des Gerätes, die optimale
Anpassung an den Bedarf und der effektive Einsatz.
Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der
eingesetzten Energie für den eigentlichen Zweck
genutzt werden können. Er ist eine Geräteeigenschaft,
die jedoch oft auch von den Umgebungsbedingungen
abhängig ist. Bei einem Kühlschrank oder einer Lampe
lässt sich der Wirkungsgrad recht gut bestimmen. Bei
Geräten, wo es uns im Wesentlichen um Information
und Qualität geht, wie z.B. bei Radio, W, Computer und
Handy, würde eine Betrachtung des Wirkungsgrades
allein zu kurz greifen. Hier kommt es auch auf
Wiedergabequalität, vielfältige Nutzungsmöglichkeiten,
Handlichkeit und Bedienungsfreundlichkeit an. Durch
die Auswahl eines optimal für den jeweiligen Zweck
geeigneten Gerätes kann der Stromverbrauch weiter gesenkt werden. Es ist wichtig, zuvor genau zu prüfen,
welche Anforderung man an das jeweilige Gerät stellt.
Bei der Beleuchtung eines Arbeitsplatzes kommt es z.B.
darauf an, die Arbeitsfläche blendfrei und gleichmäßig
auszuleuchten. Ein Halogenstrahler mit der doppelten
Leistung kann durch Schattenwurf mit starkem HellDunkel-Kontrast deutlich schlechtere Sehbedingungen
schaffen als eine gut positionierte Leuchtstoff röhre. Bei
der effektvollen Beleuchtung eines Bildes kann es
genau umgekehrt sein.
04
Hier soll eine scharf begrenzte Fläche mit guter
Farbwie-dergabe ausgeleuchtet werden.
Oft wird es billiger sein, ein genau für den jeweiligen
Zweck optimal geeignetes Gerät neu zu kaufen, als
ein altes mit geringerer Effektivität oder geringerer
Eignung einzusetzen, denn die Geräte müssen ja mit
Strom versorgt werden. Besonders bei Geräten mit
höherer Leistung und/oder langen Laufzeiten wirkt
sich ein unerheblich erscheinender geringerer
Verbrauch oder ein besserer Wirkungsgrad doch
wesentlich auf die Anschaffungs- und Betriebskosten
der Solarstromversorgung aus. Genauso
entscheidend können wir den Energiebedarf durch
überlegten Umgang reduzieren. So muss nicht alles in
den Kühlschrank gelegt werden, wenn die Temperatur
in der Speisekammer z.B. für Getränke eigentlich tief
genug ist. Wenn Tiefkühlkost am Vorabend aus der
Truhe in den Kühlschrank gelegt wird, entzieht sie
beim Auftauen dem Kühlschrank Wärme und reduziert
dessen Stromverbrauch. Auch pfiffige Elektronik wie
Dämmerungsschalter, Bewegungsmelder,
Netzfreischalter und Zeitschaltuhren sind preiswerte
Helfer beim Stromsparen, wenn sie richtig eingesetzt
werden.
Viele Geräte, besonders Unterhaltungselektronik,
verfügen über eine Standby-Schaltung, die den
Einsatz der Fernbedienung ermöglicht. Es ist bekannt,
dass die Geräte im Standby-Modus ständig Strom
verbrauchen. Weniger bekannt ist, dass solche und
andere Geräte auch Strom verbrauchen, wenn sie
über den Hauptschalter ausgeschaltet werden. So
bleibt meist der Transformator am Netz und schluckt
rund um die Uhr einige Watt. Ein Verteilerstecker mit
Schalter (mit Glimmlämpchen) für alle Komponenten
der Stereo- oder EDV-Anlage schaltet alle daran
angeschlossenen Geräte zuverlässig ab. Leider
vergessen manche Geräte über kurz oder lang die
einprogrammierten Sender, Datum und Urzeit, wenn
sie nicht am Netz sind. Achten Sie beim Kauf darauf,
dass die Geräte über eine Back-Up Stromversorgung
des Programmspeichers verfügen (Gold-Cap, LithiumBatterie oder NiCd-Akku), die alle einprogrammierten
Werte über mehrere Tage Netztrennung erhält.
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Wenn einzelne Gerätegruppen oder ganze Räume
zeitweilig vom Netz getrennt werden, müssen die dort
eingesetzten Zeitschaltuhren über eine Gangreserve
verfügen. Der Energiebedarf eines Gebäudes und
seiner Bewohner ist einem Tages-, Wochen- und
Jahresrhythmus unterworfen. Hinzu kommt ein stetiger
Wandel im Verhalten der Bewohner und bei der
technischen Ausstattung des Haushaltes. Kinder
werden geboren, lasten die Waschmaschine aus,
machen, sobald sie die Schalter erreichen können,
abends jede Lampe an, wollen ein Aquarium, lassen
ständig die Musikanlage laufen und verlassen
schließlich das Haus. Alles beeinflusst den
Energiebedarf. Bei der Dimensionierung einer
Solarstromanlage ist es deshalb nicht sinnvoll, nur den
momentan ermittelten Wert zu Grunde zu legen,
sondern auch künftige Entwicklungen in die Überlegungen mit einzubeziehen.
Wenn man nun die beiden wichtigsten Faktoren, den
eigenen Energiebedarf und das am Standort der
Anlage im Mittel zur Verfügung stehende
Energieangebot der Sonne ermittelt hat, wird im
nächsten Schritt errechnet, wie viel Modulfläche
montiert werden muss, um den ermittelten Strombedarf
zu decken.
Modulleistung
Die Modulleistung wird immer für die entsprechende
Nutzungsperiode einer Solarstromanlage und den
Bedarf der eingesetzten Verbraucher ermittelt. Ein
Gartenhaus, das nur im Sommer an den
Wochenenden genutzt wird, hat demnach eine
andere Bedarfsgrundlage als ein solar versorgter
Parkscheinautomat, der ganzjährig benötigt wird.
Für viele Anwendungen reicht es aus, eine
überschlägige Dimensionierung der Modulleistung
durchzuführen. Dem Bild 3.3 entnehmen Sie dazu die
eingestrahlte Energiemenge (Ort: Deutschland) für
einen bestimmten Zeitraum. Für die Monate Mai bis
August ergibt sich z.B. eine mittlere Einstrahlung von
ca. 4,5l<Wh täglich.
Diese 4,5kWh ergeben sich aus dem Produkt von
Strahlungsleistung und Einstrahlungsdauer. Dabei ist
es unerheblich, ob 10 Stunden lang 450W oder 4,5
Stunden lang l OOOW eingestrahlt werden. Rechnet
man mit den 4,5 Stunden, so nutzt man allerdings die
Tatsache, dass die Leistungsangabe eines
Solarmoduls in der Regel auf 10OOW Einstrahlung
bezogen ist. Die angegebene Modulleistung
multipliziert mit den 4,5 Stunden ergeben dann den
durchschnittlichen täglichen Energieertrag (südliche
Ausrichtung vorausgesetzt). Ein 75W Modul würde für
diesen Zeitraum täglich 4,5h x 75 W = 337,5Wh
erzeugen (dieser Weit kann übrigens auch über die
Fläche und den Wirkungsgrad des Moduls ermittelt
werden).
Vorgehensweise zur Ermittlung des
Energieertrags eines Solarmoduls für
Inselanlagen:
1) Nutzungszeitraum festlegen
2) Aus Bild 3.3 mittlere Einstrahlung für diesen
Zeitraum
entnehmen
3) Die kWh durch l OOOW teilen
4) Diesen Wert mit Modulleistung multiplizieren
5) 25 % für Verluste in den restlichen
Anlagenkomponen
ten abziehen.
Beispiel Gartenhaus, Modul 75W
1) Mai -August
2) ca. 4,5kWh
3) 4,5kWh /1 OOOW = 4,5 Stunden
4) 4,5h 75W = 337,5Wh
5) 337,5Wh 0,75 = 253Wh
Der pro Tag ermittelte Energieertrag steht nun zur
Verfügung, um Verbraucher zu versorgen. Wird ein
Verbraucher nur einmal pro Woche genutzt, ist der
Akku so groß zu wählen, dass er den Wochenertrag
der Module fassen kann, um ihn dann komplett
abgeben zu können. Natürlich ist dies nur eine grobe
Vorgehensweise, da viele weitere Faktoren den Ertrag
beeinflussen. Wer es genauer wissen will, entnimmt
exaktere Einstrahlungsdaten dem
„Atlas über die Sonnenstrahlung Europas" (Verlag
TÜV Rheinland). Außerdem müssen folgende Fakten
in die Überlegungen mit einfließen:
Die Leistung der Module wird von den moduleigenen
Qualitäten (siehe Kapitel 2.1) und den äußeren
Gegebenheiten beeinflusst. Zu den äußeren
Bedingungen zählen neben der Solarstrahlung die
Windgeschwindigkeit und die Lufttemperatur. Diese
beiden Faktoren sind mit für die Temperatur der
Solarzellen- verantwortlich. Eine Erwärmung der
Solarzellen führt aber zu Leistungsminderungen,
weshalb es ratsam ist, für eine gute Hinterlüftung der
Module zu sorgen.
Ein Modul wandelt auch indirektes, also von Wolken,
Häusern oder anderen Gegenständen reflektiertes
Licht in Strom um. Je heller das
Lichtreflexionsvermögen der fürdas Modul sichtbaren
Umgebung (Albedo genannt) ist, desto höher wird die
Jahresernte des Moduls ausfallen. Zudem beträgt der
indirekte Strahlungsanteil in Mitteleuropa mehr als die
Hälfte der Gesamtstrahlung. Die Module sollten also
so montiert werden, dass sie Möglichkeiten, die
diesen Anteil noch vergrößern, nutzen ( Schnee,
Wasser, helle Dachflächen aus Aluminium oder Zink,
Glasfassaden). Anlagenplaner greifen inzwischen
auch auf Dimensionie-rungsprogramme zurück, die
über Wetterdatensätze verfügen und die Möglichkeit
besitzen, viele Parameter vorzugeben. Der Einfluss
einer anderen Modulorientierung (Bild 3.15), eines
größeren Akkus oder verschiedener Maßnahmen zur
Reduzierung des Energiebedarfs kann schnell am
Rechner simuliert werden.
Abschließend sei noch der Ertrag netzgekoppelter
Anlagen hinzugefügt. In Deutschland sind sehr
genaue Daten zu diesem Anlagentyp verfügbar, da
eine Reihe von Messprogrammen durchgeführt
worden sind. Die Ergebnisse bewegen sich in einer
Bandbreite von 600 bis 950kWh Ertrag pro Jahr und
installiertem kW Modulleistung.
06
Speicherkapazität
Der Akku speichert den Solarstrom und ermöglicht so
den Betrieb von Geräten, unabhängig von der
gegenwärtigen Stromerzeugung der Module. Im Mittel
muss natürlich die Stromerzeugung den
Stromverbrauch übertreffen, um die Verluste beim
Laden und durch die Selbstentladung auszugleichen.
Der Akku sollte so groß sein, dass er den Bedarf von
3-4 Tagen speichern kann. Hierbei muss
berücksichtigt werden, dass dem Akku je nach Güte
und Betriebsbedingungen lediglich ca. 90% der
eingeladenen Energie wieder entnommen werden
kann. Bei dauernder Nutzung wird der Akku dann
täglich mit einer Zyklentiefe von im Mittel 20-30%
belastet. Ein OPzS-Akku erreicht bei dieser Betriebsweise etwa 12 Jahre Lebensdauer. Folgen mehr
als drei Schlechtwettertage aufeinander, muss am
dritten oder vierten Tag auf ein Notstromaggregat zurückgegriffen werden, das dann den laufenden Bedarf
sowie eine Grundladung des Akkus übernimmt.
Wochenendhäuser werden in der Regel nur an zwei
Tagen in der Woche und lediglich in den
Sommerferien auch mal 2-3 Wochen durchgehend
genutzt. In Schlechtwetterperioden oder im Winter
wird man nur selten im Wochenendhaus sein. Der
Akku soll hier so groß gewählt werden, dass er die
Solarstromernte einer Woche speichern und am
Wochenende zur Verfügung stellen kann. Eine
Speicherkapazität von 5-6 Tagen reicht aus.
Typischerweise wird man auf ca. 50 Zyklen pro Jahr
kommen, die im Mittel jeweils 30% der Kapazität
ausschöpfen. Die deutlich bessere Zyklenfestigkeit
von OPzS-Akkus käme in einem Wochenendhaus
kaum zum Tragen, weil die Lebensdauer des Akkus
allein durch die Eigenkorrosion auf 15-20 Jahre
beschränkt wird. Im Wochenend- und Ferienhaus
werden deshalb meist Solarakkus eingesetzt, die bei
diesem Belastungsprofil etwa 5-6 Jahre lang halten.
Die Entladungstiefe sollte bei diesen Akkus 50% nur
ausnahmsweise überschreiten.
Es ist nicht sinnvoll, den Akku wesentlich größer zu
dimensionieren, denn eine Halbierung der Zyklentiefe
führt auf Grund der Eigenkorrosion nicht zu einer
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Verdopplung der Lebensdauer. Die Investitionskosten des Akkus betragen etwa 25-30% der
Kosten der Gesamtanlage. Ein Monatsspeicher
oder gar ein Saisonspeicher, der einen im
Sommer auftretenden Stromüberschuss in den
Winter rettet, wäre viel zu teuer.
Reglergröße
Die Auswahl des richtigen Reglers erfolgt nach
fünf Kriterien.
1. Überladeschutz
Bei selbstregelnden Modulen und einer Akkukapazität
von mindestens 1Ah pro Watt Nennleistung des
Moduls kann * auf Überladeschutz verzichtet werden,
wenn ein herkömmlicher verschlossener Akku (also
kein wartungsfreier wie z.B. Blei-Gel-Akku) eingesetzt
wird. Die Verwendung einer Schottkydiode zwischen
Akku und Modul zur Verhinderung des Dunkelstroms
ist dann ausreichend. In allen anderen Fällen sollte
ein Laderegler eingesetzt werden, der die Spannung
begrenzt. Klar ist, dass der Laderegler für die
Nennspannung und den maximalen Ladestrom der
Module ausgelegt sein muss. Eine spätere
Erweiterung der Modulfläche kann jedoch erfolgen,
denn es können mehrere Laderegler parallel an einen
Akku angeschlossen werden. Dabei sollten jedoch an
einen Laderegler nur Module des selben Typs unter
gleichen Einstrahlungsbedingungen angeschlossen
werden. Wenn ein Standardakku (kein wartungsfreier)
verwendet wird, kann ein Teil der Module über eine
Schottkydiode direkt an den Akku angeschlossen
werden. Dies ist besonders bei Serienreglern von
Vorteil, die zu häufigem Zu- und Abschalten neigen,
wenn jeweils alle Module angeschlossen sind. Die
gelegentliche leichte Überladung ist erwünscht, weil
sie zu einer besseren Durchmischung der Säure führt.
Der etwas höhere Wasserverbrauch erfordert jedoch
häufigeres Nachfüllen von Aquadest und
gelegentliches Säubern des Akkus und der
Anschlüsse.
Bei Reglern mit Ausgleichsladungsfunktion wird
dieses leichte Überladen regelmäßig und automatisch
nach Entladezyklen bestimmter Tiefe aktiviert. Diese
Funktion führt bei wartungfreien Blei-Gel-Akkus zu
schädlicher Überladung. Bei einigen Ladereglern
kann sie deshalb deaktiviert werden.
2. Temperaturkompensation
Die Ladeschlussspannung sollte bei wartungsfreien
Akkus generell durch einen Temperaturfühler
nachgeführt werden, weil diese empfindlicher auf
Überladung reagieren. Bei deutlichen
Temperaturschwankungen am Aufstellungsort des
Akkus (Wohnmobil, Boot, Ferienhaus) sollte man auf
die Temperaturkompensation generell nicht
verzichten. Der Temperaturfühler (ein
temperaturabhängiger Widerstand) wird außen am
Akku angeklebt oder an einem Akkupol angeklemmt.
3. Tiefentladeschutz
Der Tiefentladeschutz muss in der Lage sein, alle
angeschlossenen Geräte sicher vom Akku zu trennen.
Es muss ermittelt werden, wie viel Strom maximal
über den Laderegler der Batterie entnommen wird.
Hier muss berücksichtigt werden, dass im
ungünstigsten Fall alle Geräte gleichzeitig betrieben
werden. Die Stromentnahme beim Einschalten ist z.B.
bei Pumpen und Kompressorkühlschränken kurzzeitig
ein Vielfaches des Nennstroms. Der Regler muss
diese Ströme verkraften und bei Unterspannung sicher abschalten. Man kann die Maximalbelastung
reduzieren, indem man das gleichzeitige Einschalten
und Betreiben mehrerer großer Stromverbraucher
etwa durch eine Relaiswechselschaltung oder die
Montage lediglich einer Steckdose für zwei Geräte
verhindert. Man spricht dann von einer gegenseitigen
Verriegelung. Ein stromabhängiger Tiefentladeschutz
bewirkt, dass Stromspitzen nicht zu verfrühter
Abschaltung der Verbraucher führen. Ein
Wechselrichter verfügt meist über einen eigenen Tiefentladeschutz, so dass er direkt an den Akku
angeschlossen werden kann. Bei anderen großen
Stromverbrauchern, wie z.B. einem elektrischen
Boots- oder Autoantrieb wird eine
akustische Tiefentladewarnung oder die Anzeige der
Akkuspannung bevorzugt, weil ein plötzliches
Abschalten des Antriebs unerwünscht ist.
4. Ausgleichsladung
Unter bestimmten Bedingungen ist es sinnvoll, die
Ladeschlussspannung über den gewöhnlichen Wert
anzuheben. Für die Dauer von etwa einer Stunde wird
der Akku dann eine gewollte Ausgleichsladung
(Gasungsladung) erhalten. Dies ist z.B. angebracht,
wenn der Ladezustand von 40% unterschritten wird,
der Akku also stark entladen wurde. Es können sich
Sulfatablagerungen an den Bleiplatten festsetzten, die
durch die Gasung gelöst werden, wodurch die volle
Kapazität wieder ereicht wird. Dies verlängert auch
die Lebensdauer des Akkus, weshalb insbesondere in
größeren Anlagen die Option immer vorgesehen sein
sollte.
5. Funktionskontrolle
Alle Funktionen des Ladereglers sollten über
Leuchtdioden oder LCD-Anzeige kontrolliert werden
können. Je komplexer der Regler, desto
aufschlussreicher muss die Information über den
jeweiligen Betriebszustand der Anlage sein. Ein paar
bunte LEDs sind nur in kleinen Inselstromanlagen
ausreichend. Eine digitale Strom/Spannungsanzeige
ist heute Standard. Bei größeren Anlagen wird man
vom Laderegler unabhängige Messgeräte einsetzen,
die nicht nur die Akkuspannung, den Ladestrom
und/oder den Ver-braucherstrorn, sondern auch die
Amperestunden-Bilanz anzeigen.
Auswahl des Hilfsaggregats
Bei einer Inselstromversorgung wird es in unseren
Breiten im Winter immer wieder zu
Versorgungsengpässen kommen, die am einfachsten
mit einem Notstromaggregat überbrückt werden
können. Das Aggregat besteht aus einem Motor,
einem angeflanschten Generator und einer Regelung,
die die Leistung und Drehzahl des Motors so
reguliert,
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dass Wechselstrom mit 230V bzw. 3-PhasenDrehstrom mit 400V bei etwa 50Hz erzeugt wird.
Gleichstromgeneratoren, die sich unmittelbar zum
Akkuladen eignen würden, sind nicht gängig. Viele
Generatoren verfügen zwar über einen
Gleichstromausgang, der zum Laden einer Starterbatterie geeignet ist, mit wenigen Ampere Ladestrom
für einen großen Akku jedoch gänzlich
unterdimensioniert ist. Die Leistung des Generators
orientiert sich, wie die des Wechselrichters, an der
maximal auftretenden Belastung. Man addiert die
Leistung der größten Verbraucher, die gleichzeitig
betrieben werden, wobei die Leistungsaufnahme beim
Start z.B. eines Kühlschranks oder einer Waschmaschine berücksichtigt werden muss. Den
Sicherheitszuschlag sollte man aber gering halten,
weil ein zu großer Generator nicht nur teuer, sondern
im Normalbetrieb mit schlechtem Wirkungsgrad
arbeitet. Günstig ist es, die größten Stromverbraucher
gegenseitig zu verriegeln, also den gleichzeitigen
Betrieb zu verhindern (einfach aber unkomfortabel
durch Stecker ziehen oder über eine Relaisschaltung,
diedem Kühlschrank erst wieder Strom zuführt, wenn
die Waschmaschine abgelaufen ist). Der Generator
sollte möglichst nur einmal am Tag, dann aber gut
ausgelastet für einige Stunden laufen. In dieser Zeit
wird über das im Wechselrichter integrierte Ladeteil
oder ein hochwertiges externes Netzladegerät der
Akku mit hohen Strömen geladen. Parallel sollte dann
Wäsche gewaschen und gebügelt werden und die
Tiefkühltruhe ihre tägliche Stromration bekommen.
Das Ladegerät wirkt hierbei ausgleichend auf die
Generatorauslastung, da es auf eine
Spannungsreduzierung mit Reduzierung der Leistungsaufnahme reagiert.
Bleiakkus können bis zu einer Kapazität von etwa
90% hohe Ströme aufnehmen. Dann muss der Strom
reduziert werden, damit die Zellentemperatur und die
Spannung nicht über die Grenzwerte ansteigen. Die
vollständige Ladung eines Akkus dauert dann, bei
ständig zurückgehender Stromaufnahme, noch
mehrere Stunden. Den Generator hierfür weiterlaufen
zu lassen wäre wegen der geringen Auslastung sehr
unwirtschaftlich, denn im Schwach-
09
Bild 3.13 Wechselstromgenerator mit einer Leistung
von 2,5 KW. Bei diesem Typ der Firma Geko besteht
die Möglichkeit, einen Anschlußkit für den Gasbetrieb
zu installieren und den Generator elektrisch zu
starten. (Foto: Geko)
lastbetrieb ist die Verbrennung unsauber und der Verschleiß sowie der Brennstoffverbrauch relativ hoch.
Günstig ist es, wenn man die Generatorlaufzeit in die
Morgenstunden eines sonnigen Wintertages legen
kann. Der vom Generator zu ca. 90 % geladene Akku
wird dann anschließend von den Solarmodulen über
mehrere Stunden geladen. Durch die am Nachmittag
abnehmende Einstrahlung wird eine Reduzierung des
Ladestroms durch den Laderegler kaum auftreten, der
Solarstrom kann also optimal genutzt werden. Mit
Glück und Geschick kann so auch im Winter der Akku
eine vollständige Ladung bis in den Gasungsbereich
erhalten, die ja bei herkömmlichen Blei-Säure-Akkus
als Ausgleichsladung zur Durchmischung der Säure
nötig ist.
In dieser Kombination ergänzen sich
Solarstromanlage und Generator ideal. Nur wie findet
man den für den jeweiligen Zweck geeignetsten
Generator? Benzingeneratoren werden vorwiegend
als mobile Stromaggregate für Baustellen eingesetzt.
Sie sind laut und spritdurstig, einfach konstruiert, aber
vergleichsweise leicht zu transportieren und billig.
Einige dieser Generatoren können auf Gasbetrieb
umgerüstet werden. Die Hersteller bieten passende
Umrüstsätze an oder können solche empfehlen, wenn
das jeweilige Gerät dafür geeignet ist. Die
Verbrennung wird im Gasbetrieb sauberer und etwas
leiser. Für den gelegentlichen Betrieb in einem
Wochenend- oder Ferienhaus sind beide Varianten
geeignet. In einem ständig bewohnten Haus wird man
im Winter häufig auf einen Generator angewiesen
sein. Auf Grund des wesentlich geringeren
Brennstoffverbrauchs und der längeren Haltbarkeit
wird man einem Dieselgenerator den Vorzug geben.
Verschleiß, und damit Reparatur- und Wartungsaufwand, wie auch die Lebensdauer hängen im
Wesentlichen von der Drehzahl des Aggregats, der
Betriebszeit und der Häufigkeit von Kaltstarts ab.
3000 Umdrehungen pro Minute ist Standard. Geräte
für den Dauereinsatz laufen mit nur 1500
Umdrehungen. Bei gleicher Leistung sind sie
wesentlich schwerer, größer und teurer. Kleine
Blockheizkraftwerke (BHKW) sind ideal für etwas
größere autark versorgte Gebäude. BHKWs erzeugen
Strom, nutzen aber gleichzeitig die im Motor, den
Abgasen und im Generator anfallende Abwärme zur
Heizung und Warmwasserbereitung. Hierbei wird die
im Brennstoff stekkende Energie zu etwa 1/3 in Strom
und 2/3 in Wärme gewandelt. Gerade im Winter
besteht ja gleichzeitig Strom-und Wärmebedarf, der
im Sommer von einer solaren Stromversorgung und
einer solaren Brauchwassererwärmung gedeckt
werden kann. Die gute Wärme- und Schallisolierung
moderner Aggregate erlaubt die Aufstellung im Keller
(bei älteren Aggregaten würde ich davon absehen),
was die Anbindung an das Warmwasser- und
Heizsystem erleichtert. Das Aggregat wird nicht so
stark auskühlen und bei gleich bleibend guten
Betriebsbedingungen laufen, was die Lebensdauer
erhöht.
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