39067669 Bo Hanus Wie Nutze Ich Solarenergie in Haus Und Garten

Do it yourself

Bo Hanus

Wie nutze ich

Solarenergiein Haus und Garten?

Bauanleitungen und Anregungen zum leichten Selbstbauvon Solaranlagen wie z.B. Solar-Gartenbeleuchtung,

Solar-Springbrunnen, Solar-Akkumulatoren, Solar-Elektromotoren

Mit 73 Abbildungen4., überarbeitete Auflage

Franzis

Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme

Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist beiDer Deutschen Bibliothek erhältlich

© 2001 Franzis Verlag GmbH, 85586 Poing

Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und derSpeicherung in elektronischen Medien.Die meisten Produktbezeichnungen von Hard- und Software sowie Firmennamen undFirmenlogos, die in diesem Werk genannt werden, sind in der Regel gleichzeitig aucheingetragene Warenzeichen und sollten als solche betrachtet werden. Der Verlag folgtbei den Produktbezeichnungen im wesentlichen den Schreibweisen der Hersteller.

Satz: Fotosatz Pfeifer, 82166 GräfelfingDruck: Offsetdruck Heinzelmann, MünchenPrinted in Germany - Scan 01/2003

ISBN 3-7723-7934-6

Vorwort

Auf dem Gebiet der Solartechnik-Nutzunggibt es gegenwärtig viele Anwendungs-möglichkeiten. Die photovoltaische Um-wandlung der Sonnenenergie in elektri-schen Strom ist eine der elegantesten undsinnvollsten Nutzungsformen, die sich be-sonders gut auch in Haus und Garten ein-setzen lassen. Ihnen widmet sich diesesBuch gezielt.

Schritt für Schritt werden hier alle interes-santen Themengebiete einfach und klar er-klärt. Ohne unnötige Theorie, mit sehr vie-len praktischen Beispielen und Bauanlei-tungen, mit denen Sie ohne technische

Vorkenntnisse problemlos zurechtkom-men.

Ob Sie nun ein begeisterter Bastler odervorrangig ein wißbegieriger Leser sind,dieses Buch zeigt Ihnen praxisnah, wassich mit der Photovoltaik alles machenläßt.

An dieser Stelle möchte ich mich bei mei-ner Frau Hannelore Hanus-Walther fürihre literarische und edukative Zusammen-arbeit an diesem Buch bedanken.

Ihr Bo Hanus

Solarenergie undPhotovoltaik

Bild: 1.1. Ausführungsbeispiel eines Siemens-Solarzellenmoduls, das sowohl für netz-gekoppelte als auch für netzunabhängige Photovoltaik-Anlagen geeignet ist.

Bild: 1.2 Kleinere Solarzellenfläche auf dem Dach eines Einfamilienhauses

Wenn man über die Solartechnik spricht,meint man damit die technische Nutzungder Sonnenenergie. Diese teilt sich in zweiganz unterschiedliche Anwendungsarten: indie Photovoltaik und in die Solarthermik.

Bei der Photovoltaik wird die Sonnenener-gie oder ein anderes Licht in elektrischenStrom umgewandelt. Bei der Solarthermikwird die Sonnenwärme als solche benutzt.Jede Photovoltaik-Anlage ist eigentlich einkleines Elektrizitätswerk, das auf eine sehrumweltfreundliche Art aus Licht elektri-sche Energie macht. Es handelt sich dabeium eine Umwandlung, bei der weder

Schmutz noch Lärm, Gestank oder andereunerwünschte Nachteile in Kauf genom-men werden müssen. Sehr sympathisch istdabei die Tatsache, daß man keine zusätz-lichen Anstrengungen unternehmen muß,um eine solche Anlage in Gang zu halten.Sie benötigt keine Energiezufuhr, keineArt irgendeiner anderen Zusammenarbeit,und verhält sich nach außen hin eigentlichwie ein „Perpetuum mobile".

Als ein gutes Beispiel kann hier einSolar-Taschenrechner dienen: ihm ge-nügt eine kleine Solarzellenfläche, dienur gelegentlich vom Tages- oder Kunst-

Solarenergie und Photovoltaik

Bild: 1.3 GrößereSolarzellenfläche aufdem Dach einesEinfamilienhauses

licht beleuchtet werden muß, um die inne-re Elektronik mit ausreichend Energie ver-sorgen zu können. Es sind keine Batterienmehr nötig und der „Taschenrechner" läuftununterbrochen nur mit dem Licht, das an-sonsten absorbiert würde.

Mit einer großen Solarzellenfläche auf demHausdach ist es ähnlich: das Sonnenlicht,oder auch nur das diffuse Licht (bei leichtbewölktem Himmel), erzeugt in den Solar-zellen elektrische Energie. Die Solarzellen-fläche wird sozusagen zu einer großen Bat-terie. Sie liefert allerdings nur dann Strom,wenn sie ausreichend beleuchtet wird.

Der Energiegewinn ist dabei direkt von derBestrahlungsintensität abhängig: viel Be-strahlung ergibt viel Strom, wenig Be-strahlung wenig Strom (wobei Bestrahlungvon diffusem Licht auch zählt).

Soweit man die photovoltaische Energie inder gleichen Zeit nutzen kann, zu der sie

geliefert wird, ist die Sache einfach. Manschließt an das Solarzellenmodul beispiels-weise eine Solarpumpe an und sie kann ar-beiten. Hierbei stimmt das Sonnenangebotmit der Nachfrage ziemlich gut überein.Wenn dagegen der Solarstrom im Haushalteingesetzt werden soll, läßt sich der Ver-brauch mit dem Angebot nicht immer aus-reichend koordinieren.

Aus diesem Grund werden die hausinternenPhotovoltaik-Anlagen als sogenanntenetzgekoppelte Anlagen konzipiert:

Eine netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagebesteht im Prinzip nur aus zwei Funktions-teilen (Bild 1.4): aus den Solarmodulen amDach und aus einem Wechselrichter. Zwi-schen die Solarmodule und den Wechsel-richter wird zwar oft ein kleiner Verteiler-kasten angeschlossen, aber der gehört eherzu der Verkabelung und fungiert als Gehäu-se für Klemmen, Durchverbindungen undeinen Überspannungsschutz.


Der ebenfalls benötigte „Einspeisezähler"wird in der Regel vom Elektrizitätswerkzur Verfügung gestellt, und bildet somitkeinen Bestandteil der eigentlichen Investi-tion. Er sorgt im Gegenteil eher dafür, daßGeld gespart wird, denn der durchverkaufteSolarstrom wird üblicherweise sehr akzep-tabel honoriert.

Soviel nur als erste Vorinformation. Im Ka-pitel 6, „Netzgekoppelte Solaranlagen"folgen ausführliche Erklärungen.

anläge. Soweit es sich dabei um ein Haus,Ferienhaus, Schrebergartenhaus oder eineHütte handelt, die an das öffentliche Netznicht angeschlossen sind, wird die Solaren-ergie vor allem in den Monaten Novemberbis Januar nur sehr unzureichend den ener-getischen Bedarf decken können. Falls dasObjekt über das ganze Jahr hinweg genutztwerden soll, wird eine andere Energiequel-le - wie Windgenerator oder Ölaggregat -einspringen müssen.

Es leuchtet ein daß eszwischen einem Solar-Taschenrechner undeinem netzgekoppeltenSolarhaus eine enormeMenge an Anwendungs-möglichkeiten gibt. Siebeginnen mit verschie-densten kleineren Solar-Uhren, Radios, Lampenund Gartenfontänen undziehen sich hin überElektro-Fahrzeuge oderSolar-Ferienhäuser bis zugrößeren, gewerblich ge-nutzten Solarprojekten.

Ein Solarhaus muß nichtnetzgekoppelt sein. DerSolarstrom kann ganzunabhängig von demNetzstrom im Haus oderim Garten genutzt wer-den.

In einem solchen Fallspricht man von einernetzunabhängigen Insel-

Bild: 1.4 Netzgekoppelte Photovoltaik-Anlage eines Wohn-hauses: das Haus ist ganz normal an das öffentliche Netzangeschlossen. Die elektrischen Installationen und Elektro-geräte sind für den üblichen Wechselstrom ausgelegt, derdie „Normspannung" von 230 Volt hat. Wenn tagsüber dieSolarzellen am Dach (oder an der Hausfassade) Strom er-zeugen, wird dieser Strom (als Gleichstrom) von einem zu-sätzlichen Wechselrichter zum Wechselstrom umgewandelt,der spannungs- und phasenidentisch mit dem Netzstrom ist.Somit kann sich der Solarstrom mit dem eigentlichen Netz-strom beliebig mischen. Wenn im Hause zu einem Zeitpunktmehr Strom benötigt wird, als die Solarzellen liefern können,wird er über den normalen Stromzähler vom öffentlichenNetz „zugekauft". Wenn dagegen die Solarzellen Strom er-zeugen, der im Haus nicht benötigt wird (weil niemand zu-hause ist, oder weil weniger verbraucht als geliefert wird),fließt der überschüssige Solarstrom über einen zusätzlichen„Einspeisezähler" in das öffentliche Netz.


Bei der thermischen Nutzung der Solarener-gie wird in den meisten Fällen eine Flüssig-keit oder ein Gas in Dachkollektoren mitder Sonnenwärme aufgeheizt, und entwe-der als warmes Wasser direkt benutzt odernur als Wärmeträger zum Aufwärmen vonWasser im Warmwasserspeicher einge-setzt (Bild l .5).

Das System benötigt eine zusätzlicheHeizspirale im Warmwasserbehälter, und

ist üblicherweise vom Warmwasserkreis-lauf völlig isoliert. An sich spricht zwarnichts dagegen, daß das Brauchwasser di-rekt in den Dachkollektor hineingepumptwird, aber erfahrungsgemäß bevorzugtman zu diesem Zweck einen frostsicherenWärmeträger, der über das ganze Jahr hin-weg in der Anlage bleiben kann.

Solarthermische Systeme haben den Vor-teil, daß sie unter optimalen Bedingungen

einen viel höheren Wirkungsgrad als photovoltaische Systeme aufweisen. Dagegen haben sie den Nachteil, daß sie echte Sonnen- wärme benötigen, und daß die Installation (durch die Wasserlei- tungen) umständlicher ist, als im Falle der Photovoltaik. Beide Systeme werden oft miteinander kombi- niert (Bild 1.6). Auf dem Hausdach werden dann Solarmodule, wie

auch thermische Kol- lektoren angebracht.

Bild: 1.5 Die im Solarkollektor SK aufgewärmte Flüssigkeitwird auch hier von einer kleinen Solar-Umlaufpumpe UP derHeizspirale S2 des Warmwasserspeichers zugeführt. Es han-delt sich dabei um dieselbe Wirkungsweise wie bei der Heiz-spirale S1, durch die normalerweise das heiße Wasser des be-stehenden Öl- oder Gasheizkessels fließt (was als eine kon-ventionelle Standardlösung bei allen Zentralheizungsanlagenüblich ist). Somit muß in den bestehenden Warmwasserspei-cher nur die zusätzliche Heizspirale S2 eingebaut werden. An-sonsten bildet die solarthermische Anlage eine selbständigeEinheit, die sich automatisch abschaltet, wenn die Flüssigkeitim Dachkollektor zu kalt ist (die Umlaufpumpe wird von einemThermostaten gesteuert).

Bei der Photovoltaikwird nicht die Sonnen-wärme, sondern dasSonnenlicht (bzw.auch ein anderes Licht)photoelektrisch inelektrischen Strom um-gewandelt. Dies ge-schieht mit Hilfe derSolarzellen.


Bild: 1.6 Ein Einfamilienhaus mit Solarzellen-Modulen (unten am Dachrand) und mitthermischen Kollektoren (oben am Dach). Foto FÜW.

Das sind - wie die Abbildung 1.7 zeigt -sehr dünne kleine Siliziumscheiben, dieeine bewundernswerte Fähigkeit haben: siekönnen Licht in elektrische Energie um-wandeln. Ganz einfach nur so, ohne jegli-ches Zutun. Man muß sie dabei auf keineWeise mit zusätzlicher Energie unterstüt-zen.

Im Grunde genommen verhalten sich So-larzellen ähnlich, wie eine Batterie. Mitdem Unterschied, daß sie nicht eine festeSpannung liefern, sondern nur eine - vonder augenblicklichen Lichtintensität ab-hängige - größere oder kleinere Spannunganbieten. Ganz umsonst und über Jahr-

zehnte hinweg. Eine tolle Sache, soweitman es auf die richtige Art und Weise gutzu nützen versteht.

Bild: 1.7 Eine Solarzelle


Im Zusammenhang mit der Solartechnikwird noch viel über den Wirkungsgrad po-lemisiert. Zu oft wird dabei außer acht ge-lassen, daß auf sehr vielen Einsatzgebietender Wirkungsgrad keine so wichtige Rollespielt. Schon bei den verhältnismäßig be-kanntesten kleineren Solarprodukten - wiebei Solararmbanduhren oder Solartaschen-rechnern hat der Solarzellenwirkungsgradfür den Anwender kaum eine Bedeutung.Auch bei vielen einfachen Anlagen, beiwelchen es hauptsächlich darauf ankommt,daß überhaupt irgendeine Stromquelle zurVerfügung steht (weil es keinen Netzan-schluß in der Nähe gibt), ist der eigentlicheWirkungsgrad ziemlich sekundär.

Solarzellen erzeugen elektrischen Stromauch bei leicht bewölktem Himmel in denWintermonaten. Sie geben sich notfallsauch mit Kunstlicht zufrieden, was u.a. beiSolartaschenrechnern genutzt wird. Abge-sehen davon, lassen sich die Solarzellenbzw. die aus Solarzellen zusammengestell-ten Module in beliebiger Größe und Formfertigen und praktisch überall anbringen.In Hinsicht auf das enorm breite Anwen-dungsgebiet ist die Photovoltaik ein deutli-cher Favorit unter allen anderen Systemender Solartechnik. Der Wirkungsgrad derSolarzellen hat inzwischen ein respekta-bles Niveau erreicht, und die Preise derSolarzellen bzw. der Solarmodule spielenbei kleineren Flächen auch keine so großeRolle mehr.

Die Herstellungstechnologie der Solarzel-len ist zwar trotz vieler Rationalisierungenimmer noch etwas aufwendig und die Ko-sten sind dementsprechend hoch. Mansollte sich aber von sinkenden Herstel-

lungskosten der eigentlichen Solarzellen inder Zukunft nicht allzuviel versprechen.Die meisten der handelsüblichen Solarzel-len werden gegenwärtig ohnehin in Bil-liglohnländern gefertigt. Eine preiswertereHerstellungstechnologie muß dabei nichtunbedingt auch eine spürbare Preissen-kung zur Folge haben (steigende Löhne indiesen Ländern können den Effekt kom-pensieren). Zudem sollten die zusätzlichenInstallationskosten bedacht werden. Diebleiben von evtl. Preissenkungen der So-larzellen unberührt.

Bei größeren Solarzellenflächen fürWohnhäuser macht sich der Solarzellen-preis logischerweise ganz anders bemerk-bar, als bei einem Kleingerät, bei dem derPreis der Solarzelle kaum ins Gewichtfällt. Hier stellt bereits die Einsparung derursprünglichen Batterien ganz eindeutigeinen markanten Vorteil dar.

Aus den in unserem Inhaltsverzeichnisaufgeführten Bauanleitungen geht hervor,daß sich die Solartechnik besonders imSelbstbau sehr vielseitig und damit preis-wert anwenden läßt. Jedes Thema wirdhier gezielt mit inspirierenden Anregungendurchflochten, die auch einem technischbegabten Leser als Sprungbrett zu eigenenKreationen nützlich sein können.

1.1 Solarzellen stattBatterie ?Jede der gängigen Batterien hat zwei Pole.Einen PLUS-POL und einen MINUS-POL. Wenn man an diese zwei Pole ein

Bild: 1.8 Eine einfacheTaschenlampenbatterie kann durcheine Solarzelle ersetzt werden

passendes Glühlämpchenleuchtet es (Bild 1.8).

Ähnlich wie die Batterie, funktioniert aucheine Solarzelle. Sie hat zwar eine wesent-lich andere Form, aber ebenfalls zwei Pole- einen PLUS-POL und einen MINUS-POL. Auch hier kann man ein passendesGlühlämpchen einfach anschließen und esleuchtet. Vorausgesetzt, die Solarzelle istin dem Moment von der Sonne ausrei-chend bestrahlt, und dem Lämpchen reichtdie niedrige Solarspannung aus.Den MINUS-POL bildet hier die ganzeobere Fläche (Sonnenseite) oder genauergesagt das silbrige Metallgitter, das wieein Raster die gesamte Oberfläche be-

deckt. Der PLUS-POL wird durch einähnliches Gitter gebildet, das an derganzen Fläche der unteren Seite (Schat-tenseite) der Solarzelle angebracht ist.

Technisch gesehen, ist eine derartige So-larzelle ein aktiver Halbleiter, der - wie be-reits erwähnt - Sonnenlicht in elektrischeEnergie umwandelt.

Wenn wir nun eine solche Solarzelle imSchnitt vergrößert zeichnen (Bild 1.9),können wir sehen, daß die ohnehin schonsehr dünne Zelle aus einer Negativschichtund einer Positivschicht besteht. Ähnlichwie eine Halbleiterdiode.

Die Zelle ist nur ca. 0,4 mm dünn. Es gibtzwar auch Solarzellen, die sehr viel dünnersind, aber damit müssen wir uns an dieserStelle nicht befassen. Viel aufschlußrei-cher dürfte hier eher der Hinweis daraufsein, daß die größten kristallinen Solarzel-len momentan Maße von 150 x 150 mmhaben. Einige Markenprodukte sind sogarnur maximal 100 x 100 mm groß. Wennman also eine große Solarzellenfläche

Bild: 1.9 EineSolarzelle im Schnitt

anschließt,


benötigt, muß man sie aus diesen kleinenScheibchen zusammenlöten. Ist dagegeneine kleinere Solarfläche erwünscht, wirddie große Zelle, wie ein Kuchen, in belie-big viele kleine Stückchen zerschnitten(darauf kommen wir später noch zurück).

Nachdem die „kristallinen Solarzellen" be-reits angesprochen wurden, schließen wirgleich mit einigen einfachen Vorinforma-tionen darauf an.

Es hätte wenig Sinn, über diverse Solarzel-len zu berichten, die es nicht mehr gibt,noch nicht gibt, möglicherweise nie gebenwird, oder die einfach für unsere Anwen-dungszwecke nicht in Frage kommen.

Als erprobte und bewährte Fertigbausteinestehen uns eigentlich nur zwei Solarzellen-typen zur Verfügung: kristalline und amor-phe Siliziumzellen.

Die amorphen Zellen sind für den Selbst-bau nicht empfehlenswert. Sie haben einenviel zu kleinen Wirkungsgrad (manche nuretwa ein Drittel von dem der kristallinenSolarzellen), und gelten als relativ kurzle-big. Auch die „modernsten" amorphen(Dünnschicht-) „Markenmodule" weisenbereits nach einigen Monaten einen Leis-tungsrückgang von ca. 30% auf, der sichvon Jahr zu Jahr noch geringfügig fort-setzt. Somit kann man diese Solarzellenty-pe „abhaken" und im Grunde genommen -vorläufig - vergessen.

Kristalline Silizium-Solarzellen sind über-wiegend in zwei Ausführungen erhältlich:als monokristalline und polykristallineZellen. Monokristalline Zellen werden in

ähnlichem Verfahren hergestellt, wie Di-oden, Transistoren und integrierte Schal-tungen (Chips). Das Silizium muß hierzwar nicht die extrem hohe Reinheitsstufeerreichen, die besonders für die Funktionder integrierten Schaltungen vorausgesetztwird. Die Herstellungstechnologie ist aberdennoch ziemlich aufwendig und teuer.

Etwas preiswerter sind die polykristallinenSilizium-Solarzellen, (auch als multikri-stalline Zellen bezeichnet) bei denen dasFertigungsverfahren vereinfacht wurde.Die Wirkungsgradeinbuße ist dabei nurgeringfügig.

In letzter Zeit ging es mit dem Wirkungs-grad der Solarzellen erfreulicherweise ber-gauf, und somit sieht es heute bei gutenMarken-Solarzellen mit dem Wirkungs-grad laut Herstellerangaben folgender-maßen aus:Monokristalline Solarzellen:Wirkungsgrad 14% bis 17%Polykristalline Solarzellen:Wirkungsgrad 11% bis 15%

Was beinhalten nun diese Angaben kon-kret? Wenn auf einen m2 Solarzellenflächedie Sonne im Sommer intensiv scheint, er-hält diese Fläche eine Energie von1000 Watt. Sie liefert aber „nur" die aufge-führten 11% bis 17% dieser empfangenenLeistung als elektrische Energie ab. DieVerluste bei der Umwandlung der Lichten-ergie in elektrischen Strom sind hier alsoauf den ersten Blick ziemlich hoch.

Ein Branchenkenner darf dennoch dasWort „nur" reinen Gewissens in An-führungszeichen setzen. Ihm ist bekannt,

Wie groß muß eine Solarzelle sein?

daß man sich bei einer vergleichbaren En-ergieumwandlung in der Gegenrichtungschon mehr als ein halbes Jahrhundert langmit viel weniger zufrieden gibt: bei der„bewährten" Standard-Glühbirne, die im-mer noch gute Dienste in unseren Lampenleistet, liegt der Wirkungsgrad nur beikläglichen 3% bis 4%. Das bedeutet, daßhier bestenfalls 4% der elektrischen Ener-gie in Licht umgewandelt werden. Der Restwird als Wärme „verpulvert". Bei diesemVergleich schneiden die kristallinen Solar-zellen eigentlich ausgezeichnet ab.

Auf den ersten Blick würde man dazu nei-gen, den monokristallinen Solarzellen vorden polykristallinen Zellen den Vorrang zugeben. Der Wirkungsgrad ist hier eindrucks-voller. Leider sind auch die Preise etwashöher, und so halten sich beim Kaufent-schluß die Prioritäten ziemlich die Waage.

Momentan hat sich das Preis/Leistungs-Verhältnis etwas mehr zugunsten der poly-kristallinen Solarzellen entwickelt. Einniedrigerer Wirkungsgrad bedeutet hier janichts anderes, als daß man für dieselbeelektrische Leistung eine etwas größereFläche benötigt. Das läßt sich in den mei-sten Fällen problemlos verkraften. Ausnah-men können nur kleinere Solarprodukte bil-den, bei denen für die Solarzellen zu wenigOberfläche zur Verfügung steht. Ansonstenist der „Preis pro Watt" meist wichtiger alsder „Preis pro Quadratdezimeter". Zudemist bei Fertigmodulen - durch den Rahmenund durch die Zellenabstände - die Brutto-Fläche ohnehin viel größer, als die Netto-Zellenfläche. Einen großen Vorteil hatnatürlich derjenige, der an der Solaranlageviel selber machen kann.

Ohne diesen Vorteil wird auch in dennächsten Jahrzehnten der ganze Spaßkaum wesentlich kostengünstiger werden.Eine Ausnahme bilden dabei nur kleinereSolarprodukte, die sich in riesigen Serienund in Billiglohnländern herstellen las-sen.

1.2 Wie groß mußeine Solarzelle sein?Wir haben schon vorher die Solarzelle miteiner Batterie verglichen und dabei kannes bleiben. Ähnlich wie bei den Batterien,gibt es auch bei den Solarzellen unter-schiedliche Größen bzw. Formen. Esbleibt zwar immer bei der dünnen Silizi-umscheibe, aber diese läßt sich in beliebigkleine Stücke teilen (das kann sich abernur der Hersteller oder ein sehr geduldigerBastler erlauben, denn Silizium ist sehrhart). Wie bereits erwähnt wurde, hat fastjede gängige Solarzelle eine Maximum-größe zwischen etwa 100 x 100 mm und150 x 150 mm (herstellerabhängig).

Lieferbar sind die meisten Solarzellen ent-weder in voller Größe, oder in allen nurdenkbaren Abmessungen und Formen, indie sich die ursprüngliche große Zelle zer-schneiden läßt. Verständlicherweisebemüht man sich hier um eine möglichstvolle Materialverwertung und schneidetdie Zelle bevorzugt in Portionen, bei de-nen es keinen Abfall gibt. Am besten se-hen wir uns die folgenden Tabellen (Bild1.10 und 1.11) an, in welcher in deren er-sten Spalten die Abmessungen der liefer-baren Solarzellengrößen aufgeführt sind.


Abmes-sungenu

LeerlaufSpannung

VKurzschluß-stromA

MI.LeistungH

Spannung beiMAX. Leistung

VStrom bei

max. Leistung Wirkungs-grad

100 x 1008 0 x 1 0 0

0,5750,575

3,052,45

1 ,301 ,02

0,460,46

2,822,22

13,012,8

50 x 1003 3 , 3 x 1 0 0

0,5750,575

1,500,975

0,6160,40

0,460,46

1,340,869

12,312,0

50 x 5033,3 x 50

0,5750,575

0,7350,485

0,300,20

0,460,46

0,6520,435

12,012,0

25 x 5025 x 25

0,5700,570

0,3600,175

0,1480,072

0,450,45

0,3280,160

11,811,5

12,5 x 2510 x 20

0,5700,570

0,0840,053

0,0340,022

0,450,45

0,0780,049

11,011,0

8,8 x 9 , 66 , 5 x 9 , 6

0,5600,560

0,0210,015

0,0080,006

0,450,45

0,0190,014

10,010,0

Bild: 1.10 Technische Daten der polykristallinen Solarzellen (Kyocera)

Um-lagen11

LeerlaufSpannung

VKurzschluß-stromA

Max.Leistung

WSpannung bei

max. Leistungv

Strom beimax. LeistungA

«Wirkungs-grad

103 x 10351,5 x 103

0,5900,590

3,301,65

1,480,74

0,470,47 3,1

1,5514,714,4

51 ,5 x 51 ,525 , 7 x 5 1 ,5

0,5900,585

0,820,41

0,370,18

0,470,465

0,770,38

14,113,9

Bild: 1.11 Technische Daten der monokristallinen Solarzellen (Siemens)

Wenn man sich Solarzellenmodule selbsterstellen möchte, steht eine reiche Aus-wahl an verschiedenen Zellengrößen zurVerfügung. Die kleinen Zellen eignen sichbesonders gut für den Modellbau oder fürdie Spannungsversorgung von kleinerenelektronischen Geräten (drahtlose Türklin-gel-Elektronik am Gartentor, Einbruchs-schutz, technische Steuerungen usw.).In diesen Tabellen gibt es ziemlich vieletechnische Daten, auf die wir nach undnach eingehen werden.

Auffallend ist, daß bei den größeren Solar-zellen die Spannung (bei max. Belastung)

nur bei 0,46 Volt bzw. 0,47 Volt liegt.Mit abnehmender Zellengröße sinkt -technologisch bedingt - die Zellenspan-nung noch geringfügig (siehe die 5. Spaltein beiden Tabellen).

Diese Spannungsgrößenordnung ist füralle kristallinen Solarzellen (markenunab-hängig) charakteristisch und hängt - bisauf die Ausnahme bei den kleinsten Zellen- nicht von der Solarzellengröße (Fläche)ab.

Nur der Strom, den die Zelle bei guter Be-leuchtung maximal liefern kann, ist von

Wie groß muß eine Solarzelle sein?

der Flächengröße proportional abhängig.Somit ist die Flächengröße auch für dieLeistung bestimmend.

Die Leistung in Watt (W), die Spannung inVolt (V) und der Strom in Ampere (A)sind die drei wichtigsten Parameter einerSolarzelle bzw. eines beliebig großen So-larzellen-Moduls. Da sich die elektrischenWerte der Solarzelle mit der Beleuch-tungsintensität ändern, werden ihre techni-schen Daten nur als Maximumwerte ange-geben: als Leistung bei max. Leistung(auch Nennleistung genannt), als Span-nung bei max. Leistung (auch Nennspan-nung genannt) und als Strom bei max. Lei-stung (auch Nennstrom genannt). Dabeihandelt es sich um Werte, die bei optimalerSonneneinstrahlung von 1000 W / m2

erreichbar sind (schöner Sommertag, Mit-tagszeit).

Wenn zwei von diesen drei Parametern be-kannt sind, können wir daraus den drittennach folgenden Formeln jederzeit ausrech-nen:

Leistung (W) = Spannung (V) x Strom (A)Strom (A) = Leistung (W) : Spannung (V)Spannung (V) = Leistung (W): Strom (A)

Diese sehr wichtigen Formeln gelten nichtnur für die Solarzellen, sondern für alleBerechnungen in der Elektrotechnik. Beiden meisten Solarzellen werden in dentechnischen Daten verschiedener Katalogediese drei Parameter aufgeführt. Bei ande-rem elektrotechnischen Zubehör der Solar-technik kommen wir jedoch ohne Ge-brauch dieser Formeln nicht aus. Nunzurück zu unseren Solarzellen.

Ähnlich wie bei den Batterien, können wirbeliebig viele einzelne Solarzellen hinter-einander schalten, um eine höhere Span-nung - als die Summe aller Einzelspannun-gen - zu erhalten:

Bild: 1.12 a) Wenn mehrere Batterieglie-der in Reihe (hintereinander) geschaltetwerden, entspricht die Ausgangsspan-nung der Summe einzelner Spannungen;b) dasselbe gilt auch für Solarzellen.

In der Zeichnung sind der Einfachheit hal-ber nur drei Solarzellen in Serie geschaltet.Die so erreichte Spannung von 1,38 Voltwürde uns in der Praxis nur ausnahmswei-se genügen. Es gibt zwar einige Solar-Spielzeuge oder Spielzeug-Kleinmotoren,denen schon die Spannung einer einzigenSolarzelle von 0,46 Volt ausreicht, sowieauch einige Mini-Glühlampen, die nur einesehr niedrige Spannung benötigen. Diemeisten anderen Solarverbraucher (Lam-pen, Pumpen, Motoren usw.) erfordern et-was höhere Spannungen.

Abhängig davon, ob so eine Photovol-taik-Spannungsquelle universaler ver-wendet werden soll, oder ob sie nur eineeinzige Funktion erfüllen muß, kann manihre Spannung (und Leistung) entwederetwas großzügiger dimensionieren, oderim Gegenteil zweckgebunden sparsamdosieren. Handelt es sich z.B. um einePhotovoltaik-Anlage für ein Gartenhausauf dem Freizeitgrundstück, ist es sehr


vernünftig, wenn man hier eine 12-Volt-Spannungsversorgung plant. Die 12-Volt-Spannung wird ja bekanntlich auchin den meisten Autos eingesetzt. Es gibtdaher auf dem Markt sehr viele nützlicheund preiswerte Elektrogeräte und Leucht-körper, die für diese Spannung vorgese-hen sind.

Wenn man dagegen die Solarspannung z.B. nur für eine einzige Springbrunnenpum-pe benötigt, die 4 Volt braucht, genügt einSolarzellenmodul, das nur die 4 Volt lie-fert. Seine Ausgangsleistung muß jedochden Ansprüchen einer solchen Pumpe ge-recht werden.

1.3 Sonnenlicht-intensität undSolarleistung

Wir haben bisher die Solarzelle mit einerBatterie verglichen, und dabei kann manes noch immer belassen. Auf einen großenUnterschied muß hier allerdings hingewie-sen werden: eine Solarzelle hat im Ver-gleich zu der Batterie keine konstanteSpannung. Da sie ja nur ein Energiewand-ler ist, kann sie logischerweise nur dannwandeln, wenn es etwas zu Wandeln gibt.Sie kann keine Energie Zwischenspeichernoder keine Energievorräte anlegen. Die ge-lieferte Photovoltaikenergie ist immer nurso groß, wie die augenblickliche Sonnen-oder Lichteinstrahlung.

Solarzellen liefern auch bei bescheidenenLichtverhältnissen elektrische Energie,

aber die Spannung und die Leistung - alsoauch der Strom - sinken mit der abneh-menden Beleuchtung - bis auf Null. DieSpannung pro Solarzelle kann sich alsozwischen den 0,46 Volt und Null bewegen,und auch die Leistung pro Zelle bewegtsich zwischen dem angegebenen Maxi-mum (das von der Größe der Zelle ab-hängt) und Null.

Die wirklichen Möglichkeiten der Solar-zellen-Ausbeutung sind dennoch viel bes-ser, als man denken würde. Die Leistungeiner Solarzelle ist zwar von der Inten-sität der Sonnenstrahlen sehr abhängig,aber - was wenig bekannt ist - sie lieferttagsüber eine gewisse Leistung auch dannnoch, wenn der Himmel ziemlich bewölktist.

Die wichtigste Frage ist nun, wieviel Ener-gie pro Tag, pro Monat oder pro Jahr dasSolarmodul als Energiewandler pro Stückoder pro Quadratmeter Solarfläche bringenkann. Es wird uns kaum jemand ausrech-nen können, wieviele Sonnenstrahlen wirin diesem oder im nächsten Jahr gerade inunserer Gegend erwarten können, also gibtes nur den Ausweg in die an sich unzuver-lässige Statistik. Sie hilft uns dennoch zu-mindest informativ.

Ziemlich beruhigend ist die Tatsache, daßuns die Sonne an warmen sonnigen Tagenetwa 750 bis 1000 Watt pro Quadratmeteran Energie spendet. Davon liefern uns dieSolarzellen bis zu 17% von dieser Energiebrav ab. Der Wirkungsgrad ist dabei etwasniedriger bei sehr kleinen Zellen, und et-was höher bei größeren Solarflächen(größeren Modulen).

Sonnenlichtintensität und Solarleistung

Das gegenwärtig am meisten angewendetepolykristalline Solarzellenmodul mit einerFläche von l m2 liefert uns also bei opti-malen Bedingungen bis zu 150 W an elek-trischer Leistung. Das ist eine Energie vonbis zu 150 Wh (Wattstunden), und bei et-was Glück mehr als eine Kilowattstunde(kWh) pro Tag. Dabei wird die Tatsacheberücksichtigt, daß der Energiegewinn amfrühen Morgen und in den Abendstundenwesentlich geringer ist als während derMittagszeit, bzw. während der etwa fünfbis zehn heißesten Stunden des Tages.

Bei leicht bedecktem Himmel kann sichdie gelieferte Energie bis um die Hälfteverringern. Das Solarmodul liefert dannnur noch ca. 75 W. Wenn der Himmelstark bewölkt ist, sinkt die Energieaus-beute noch tiefer, und wir erhalten vondem Modul möglicherweise nicht einmal50 Watt. In den Wintermonaten sind alleWerte oft nur halb so hoch, als in denSommermonaten. Im Frühjahr und imHerbst liegen dann dieWerte entsprechendzwischen den beidenExtremen.

An dieser Stelle könn-te sich so mancher Le-ser mit Recht fragen,wozu denn überhauptalle diese Angabengut sein können, wennja ohnehin alles nurvon einem unbe-rechenbaren Systemvon Zufällen undLaunen der Natur ab-hängt.

Darauf kann man nur antworten: trotz al-len Schwankungen vollzieht sich jedesJahr erneut der Wandel der Jahreszeitenin einem zuverlässigen Rhythmus.Wie unberechenbar also das Systemauch ist, es funktioniert! Demzufolgewird auch unsere Solaranlage funktionie-ren!

Erfahrungen aus den vergangenen Jahrenermöglichen es uns, eine informativeÜbersicht zu erstellen, die uns zeigt, wiegroß der monatliche und der tägliche Ener-gieertrag einer Solarzellenfläche von ei-nem Quadratmeter im Durchschnitt seindürfte (Bild 1.13).

Das Verhältnis zwischen dem diffusenLicht und der direkten Sonneneinstrahlungsteht in unserem Land in etwa l: l zueinan-der. Auch bei einer direkten Sonnenein-strahlung gibt es zusätzlich immer nochdas diffuse Licht - als seitliche Reflexio-nen der direkten Strahlung.

Bild: 1.13 So viele Kilowattstunden täglich und monatlich kannein Quadratmeter Solarzellenfläche ungefähr durchschnittlichliefern.


Nun sehen wir uns noch im Bild 1.14 in-formativ an, wie groß der Unterschied inder Energieausbeute zwischen sonnigenund trüben Tagen sein kann.

Alle Angaben beziehen sich zeitlich auf diegeografische Mitte Deutschlands. Die ange-gebenen Werte der Sonnenintensität unter-liegen normalerweise von Jahr zu Jahrgrößeren Schwankungen und demzufolgehat auch die Ausgangsleistung der Solarzel-len nur einen sehr informativen Charakter.

Dennoch gehen aus den vorhergehendenBalkendiagrammen einige Eigenarten derPhotovoltaik hervor. Man kann sich ein in-formatives Bild darüber machen, wievielEnergie die Solarzellen während der Win-termonate und bei bewölktem Himmelnoch ungefähr liefern können. Allerdingsist es eine reine Glückssache, ob man inden nächsten Jahren Mitte Januar einen soschönen Sonnentag erlebt, wie es in unse-rem Beispiel vorgekommen ist.

Eines ist sicher: die Energiegewinnung inden Wintermonaten ist wesentlich niedri-ger als in den Sommermonaten. Aus Er-fahrung wissen wir, daß auch die durch-schnittliche Anzahl der Sonnentage imWinter viel geringer ist, als im Sommer.So werden in den Wintermonaten dieAusgangsleistungen der Solarzellen etwasnäher an den Minimumwerten (bewölkt)des Balkendiagrammes liegen. In denSommermonaten darf man wiederum da-mit rechnen, daß bei etwas Glück eher diehöheren Leistungswerte erreicht werden.

In Hinsicht darauf, daß bei den meistenSolarzellen eine Ausgangsleistung von110 oder sogar 150 Watt pro Quadratmeternur als Spitzenleistung betrachtet werdensollte (strahlende Sonne, Sommer-Mittags-zeit), wird die Energiegewinnung an son-nigen Tagen unter diesen Spitzenwertenliegen.

Andererseits geht die im Balkendiagrammangegebene untere Lei-stungsgrenze („trübes

Wetter") von einer ziemlich starken Be- wölkung aus, die wiederum seltener vorkommt. Damit bewegt sich auch bei trübem Himmel die Kurve der Ausgangsleistung meistens oberhalb der Minimumwerte. Durch die kurzen Win- tertage schrumpft die

Sonnenscheindauer sichtbar zu einer sehrBild: 1.14 Gegenüberstellung des täglichen Energieertrags an

sonnigen und an trüben Tagen in der Mitte einzelner Monate(pro m2 Solarfläche).

Einfache Experimente mit Solarzellen

bescheidenen Energiespende, die zudemnoch ziemlich variieren kann (siehe auchAbb. 11.7 auf S. 85). Es gibt manchmal sehrtrübe Wintertage, an denen die Sonne garnicht zum Vorschein kommt, aber es gibtauch Wintertage mit strahlendem Sonnen-schein. Dazu kommen die geografischenUnterschiede zwischen dem Wetter im Nor-den und im Süden der Bundesrepublik.

So beträgt laut Statistik die jährliche Son-nenscheindauer in Norddeutschland 1450Stunden und in Süddeutschland 1950Stunden. Demzufolge dürften die Werteaus den Diagrammen für den SüdenDeutschlands um einige Prozente günstigerund für den Norden wiederum etwasungünstiger ausfallen (wobei diffuses Son-nenlicht und einige weitere Faktoren ein-kalkuliert sind).In den letzten Jahren gab es allerdingsenorme Schwankungen in der Sonnen-scheindauer und in der Sonnenintensität(Ozonloch), wodurch eine genauere Aus-arbeitung von zuverlässigen Werten eheretwas für einen Wahrsager, als für einenMeteorologen wäre. Belassen wir es alsodabei, daß es sich hier nur um Angabenhandelt, die in Hinsicht auf alle unbere-chenbaren Faktoren dennoch als Wegwei-ser relativ brauchbar sind.

1.4 EinfacheExperimente mitSolarzellen

Wer die Photovoltaik vorerst nur ein we-nig kennenlernen möchte, der kann entwe-

der mit einem bescheidenen und preiswer-ten Fertigbausatz beginnen, oder gleicheine bzw. einige Solarzellen kaufen undmit diesen etwas herumexperimentieren.Man kann sich dabei eine konkretere Vor-stellung darüber machen, wie die Solar-zelle auf intensiven Sonnenschein oderauf einen bewölkten Himmel reagiert, wiespät am Morgen die Solarzelle das zurVerfügung stehende Licht wahrnimmtusw.

Soweit hier allerdings nur mit einemSpielzeug-Set experimentiert wird, sindauch die Ergebnisse nur informativ. Den-noch ist ein derartiger erster Kontakt mitder Materie schon deshalb nützlich, weildas Ganze dadurch etwas greifbarer wird.

Messen oder nicht messen ...

Wer sich vorerst nur einen kleinen Solar-Springbrunnen oder eine andere einfacheSolaranlage zulegen möchte, der muß sichmit den Details theoretisch nicht so sehrbefassen. Hier reicht oft ein kompakterFertigbausatz aus, und man kann auf jegli-che Messungen verzichten.

Anderseits kann bereits ein kleiner preis-werter Multimeter die ersten Experimentesehr vereinfachen, und zudem interessan-ter gestalten.

Wer sich dafür begeistert, aber bisher überkeine Erfahrung verfügt, dem könnten ei-nige nähere Auskünfte willkommen sein.Fangen wir erst einmal mit dem Multime-ter an. Ähnlich wie bei einer Armbanduhrkann bei diesen Meßgeräten der Meßwertentweder mit Hilfe von einem Zeiger (ana-


log) oder von einem LCD-Display mit Zif-fern (digital) angezeigt werden. Analog-Meßgeräte zeigen die Meßwerte etwasschneller an als die digitalen. Das Ablesender Werte ist bei den analogen Meßgerätenfür einen Einsteiger zwar etwas gewöh-nungsbedürftig, aber weiterhin gibt es beidiesem Verwendungszweck keinen techni-schen Grund, das eine Gerät dem anderenvorzuziehen.

Ein Multimeter hat verschiedene Meßberei-che, worunter auch mehrere Meßberei-

Bild: 1.15 der Anschluß eines Multimetersan die Solarzelle. Um das Meßgerät an-schließen zu können, müssen Sie erst aufdie silbernen Leiterbahnen der Zelle je-weils oben und unten ein dünnes Dräht-chen anlöten. Es ist egal, wo die Lötstellenangebracht werden, aber eine breitereLeiterbahn verdient aus mechanischenGründen Vorrang. Beim Löten sollte dar-auf geachtet werden, daß die Lötstellenicht unnötig stark erhitzt wird (die kupfer-ne Leiterbahn könnte sich ansonsten vondem Silizium lösen). Der Widerstand er-setzt an der Solarzelle den Verbraucher.Bei Solarzellen, die größer als ca. 50x100mm sind, darf der Widerstandswert beietwa 2,2 bis 5,6 Ohm/0,25 Watt liegen. Beikleineren Zellen sind entsprechend größe-re Widerstandswerte - z. B. 4,7 bis 12Ohm empfehlenswert (andernfalls könntendie Zellen beim Messen zu heiß werden,da sie ja nicht wärmeleitend eingebettetsind).

che für die Gleichspannung. Er hat auchMeßbereiche für die Wechselspannung, fürden Gleich- und Wechselstrom, für Wider-stände usw., aber die interessieren uns mo-mentan noch nicht. Wir wollen ja erst dieSpannung an einer einzigen Zelle messen.Die Solarzelle erzeugt eine Gleichspan-nung, die als sogenannte Leerlaufspan-nung bei ca. 0,58 Volt liegt. Das ist nunwieder etwas Neues, aber nichts Kompli-ziertes. Eine Leerlaufspannung bedeuteteine Spannung an unbelasteter (leerlaufen-der) Zelle und hat vom technischen Stand-punkt her für uns keine zu große Bedeu-tung. Sobald wir die Zelle mit einem Ver-braucher (Widerstand) belasten, sinkt dieLeerlaufspannung in die Nähe der „Span-nung bei max. Belastung", die auch als„Nennspannung" bezeichnet wird (Bild1.15).

Mit anderen Worten: nur eine unbelasteteZelle weist die Leerlaufspannung auf.Wenn diese Zelle voll belastet wird, sinktihre Spannung auf die Nennspannung vonca. 0,46 Volt. Die Spannung einer nur„halb belasteten Zelle" liegt zwar bei etwa0,5 Volt, aber bei der Planung einer Photo-voltaikanlage rechnen wir normalerweisenur mit den 0,46 Volt. Es ist ja nicht er-strebenswert, daß wir nur mit halber Bela-stung der Solarmodule rechnen.

Soweit man nur experimentell ausprobierenwill, inwieweit sich die Spannung ei-ner Solarzelle ändert, wenn man sie vonder Sonne wegdreht, können wir an die un-belastete Solarzelle einfach den Multime-ter anschließen und mit diesen zwei Ge-genständen unter freiem Himmel etwas ex-perimentieren.

Was ist ein Solarzellenmodul?

Bevor man mit einem Multimeter zu mes-sen anfängt, sollte man den richtigen Meß-bereich auswählen (einschalten). Der Meß-bereich soll logischerweise immer etwashöher sein, als die höchsten gemessenenWerte. Das wäre bei der Solarzelle dieLeerspannung von 0,58 Volt. Theoretischwürde hier also ein Meßbereich von l Voltausreichen. Wenn es ihn auf dem Multi-meter nicht gibt, genügt auch ein etwashöherer Meßbereich von z. B. 1,5 V odersogar 2,5 V.

Falls wir bevorzugt nur die echte Nenn-spannung an der Solarzelle messen möchten(wofür dann ein Meßbereich von 0,5 V amMultimeter ausreichen würde), muß parallelan die Zelle ein Widerstand als Verbraucherangeschlossen werden. So können wir prak-tisch austesten, welche Spannung eine bela-stete Solarzelle unter verschiedenen Um-ständen liefert: auf dem Balkon, vor demHauseingang, in der hinteren Garteneckeusw, auch in Hinsicht auf die Sonneninten-sität und auf den Neigungswinkel. DieSpannung der Solarzelle hängt ja auch da-von ab, unter welchem Neigungswinkel sievon der Sonne bestrahlt wird. Je genauer siegegen die Sonne gerichtet ist, desto höherist ihre photovoltaische Leistung.

1.5 Was ist einSolarzellenmodul?Ein Solarzellenmodul, oft nur als „Solar-modul" bezeichnet, ist nichts anderes, alsmehrere aneinander angeschlossene Solar-zellen, die man zwischen zwei Glasschei-ben, Plexiglasscheiben oder zwei Kunst-stoffolien eingießt oder auf eine andere

Weise einbettet. So entstehen feste oderauch „flexible" Solarmodule, die beliebigeAbmessungen, Leistungen, Spannungenoder andere Eigenschaften (Meerwasser-Resistenz) aufweisen. Einige Ausführungs-beispiele handelsüblicher Solarmodule ge-hen aus den Abbildungen 1.16 bis 1.18 her-vor.

Die kleinsten Solarmodule können kleinerals eine Briefmarke sein, die größten Mo-

Bild: 1.16 Monokristallines SolarmodulM55 (Siemens): Nennleistung 53 W /Nennspannung 17,5 V / Nennstrom 3,1 A /Maße 1293 x 285 x 36 mm.


len Moduls (oder einer Kombination vonoptimalen Modulen) bei der Anschaffungbestimmend. Handelsübliche Solarmodulefangen gegenwärtig bei Zündholzschach-telgröße an. Somit gibt es auch im Lei-stungsbereich von nur einigen Watt einegroße Auswahl - was für experimentelleZwecke oder für die Spannungsversorgungvon kleineren elektronischen Geräten vonVorteil ist.

1.6 WelchesSolarzellenmodul istdas richtige?Alle handelsüblichen Solarzellenmodulesind normalerweise strapazierfähig, wetter-

Bild: 1.17 Polykristallines So-larmodul PWX 500 (Kyocera):Nennleistung 50 W / Nenn-spannung 17 V / Nennstrom2,94 A / Maße 1042 x 462 x 39mm (Wirkungsgrad über 14%).

dule haben eine Fläche von ca. l m2.Benötigt man größere Solarflächen - wasbei photovoltaischen Dachanlagen oderFassadenanlagen üblich ist - werden sieaus großen Einzelmodulen zusammenge-stellt.

Die technischen Parameter der Solarmodu-le unterliegen keiner Norm oder vorgege-bener Abstufung. Daher ist nur der An-wendungszweck für die Wahl des optima-

Bild: 1.18 Flexible Solarmodule könnenauf leicht gewölbte Flächen angeleimtwerden (AEG).

Welches Solarzellenmodul ist das richtige?

unempfindlich und relativ hagelfest. Mo-dule, bei denen die „Sonnenseite" der So-larzellen mit thermisch gehärtetem Glasgeschützt ist, weisen jedoch in der Regeleine etwa doppelt so lange Lebensdauerauf, als Module mit einer Kunststoffschei-be bzw. als Folienmodule (besonders inHinsicht auf Bekratzen und Ermatten). Ei-nige Hersteller, die beide Modulenartenfertigen, geben bei verglasten Moduleneine Lebensdauer von 20 Jahren, beiKunststoffmodulen von nur 10 Jahren an.

Verglaste Module sind allerdings schwererals Kunststoffmodule und eignen sich da-her nicht unbedingt für portable Anwen-dungen. Ansonsten dürften bei der Wahleines Moduls vor allem die elektrischenParameter eine wichtige Rolle spielen.

An erster Stelle steht die Frage der optima-len Solarspannung. In manchen Fällenkann man sich dabei einfach nach dem ei-gentlichen Spannungsbedarf des vorgese-henen Verbrauchers richten. Das kann z.B. der Wechselrichter einer netzgekoppel-ten Anlage, oder auch nur ein kleiner Pum-penmotor sein. Soweit es sich um einenetzunabhängige Solarstrom-Versorgungfür universale Zwecke handeln sollte - wiez. B. für ein Schrebergarten-Häuschen,Sommerhaus, Caravan usw. - ist eine So-lar-Arbeitsspannung von 12 Volt vorläufigam günstigsten.

Als Alternative kommen noch 24 Volt inFrage. Diese Empfehlung hat einen reinpraktischen Grund: für die 12 V-Spannunggibt es - wie bereits erwähnt wurde - sehrviele preiswerte Verbraucher, weil dieseSpannung ebenfalls im Auto verwendet

wird. Das bezieht sich teilweise auch nochauf die 24 V-Spannung, obwohl hier dieAuswahl von Gleichspannungsgeräten et-was bescheidener ausfällt.

Wer zudem unbedingt an der Solaranlageauch noch einige normale Wechselspan-nungs-Netzgeräte betreiben möchte, derkann sich einen kleineren Wechselrichterzulegen. Ein solches Gerät wandelt die 12V-Gleichspannung in eine 230 V-Wech-selspannung um (oder in eine andere ge-wünschte Wechselspannung, wie z. B. 48V oder 110 V). Die folgende Abbildung1.19 zeigt eine informative Schaltung einereinfachen, selbständig arbeitenden Solar-

Bild: 1.19 Das Solarmodul arbeitet hierei-gentlich nur als Ladegerät für die Batterie,an der alle Verbraucher in Wirklichkeit an-geschlossen sind - allerdings über Siche-rungen, die zum Beispiel als Untermieterim Gehäuse des Ladereglers unterge-bracht sind.


Bild: 1.20 Solarmodule in Reihe (Serie) ge-schaltet: a) Module mit identischen Para-metern in Reihe geschaltet; b) Module mitunterschiedlicher Nennspannung, aber mitgleichem Nennstrom in Reihe geschaltet;c) Module mit unterschiedlichem Nenn-strom dürfen zwar ohne weiteres in Reihegeschaltet werden, aber der Ausgangs-Nennstrom richtet sich nach dem schwäch-sten Modul (nur für experimentelleZwecke geeignet, denn sonst wird Solar-zellenfläche verschenkt).

anläge, an der auch ein Wechselrichter an-geschlossen ist.

Die Nennleistung des Solarmoduls istnatürlich ein ebenfalls wichtiger Parame-ter. Von ihr hängt ja ab, ob das Modulauch die vorgesehene Aufgabe erfüllenkann. Soweit nicht ein einziges Modulüber die benötigte Spannung oder Leistungverfügt, können beliebig viele Module zu-sammengeschlossen werden. Ähnlich wiebeim Aneinanderreihen von Batterien,muß auch hier auf die Polarität geachtetwerden. Bei einer Reihenschaltung (Bildl .20) schließt jeweils der Pluspol des vor-hergehenden Moduls auf den Minuspoldes folgenden Moduls an. Bei einer Paral-lelschaltung (Bild 1.21) sind jeweils alle

Pluspole und alle Minuspole miteinanderverbunden. Genauso wie sich die Span-nungen von Solarzellen addieren, die inReihe (in Serie) zu einer Kette zusammen-geschlossen werden, addieren sich logi-scherweise auch die Spannungen ganzerModule. Dabei gilt auch hier, daß derNennstrom einer solchen Kette nur so großsein kann, wie das schwächste Modul (=das Modul mit dem niedrigsten Nenn-strom). Aus dem Grund sollten nur Modu-le mit gleichen Stromwerten in Reihe ge-schaltet werden. Die einzelnen Modul-Nennspannungen haben dabei keinen Ein-fluß auf den Nennstrom.Durch paralleles Verschalten mehrererModule addieren sich ihre Nennströme -und damit ihre Nennleistungen. Hier istsehr wichtig, daß die Spannungen allerModule oder Ketten identisch sind. DieNennströme einzelner Module (oder Mo-dulketten) dürfen dabei unterschiedlichsein.

Bild: 1.21 Solarmodule parallel geschaltet:a) Module mit identischen Parametern;b) Module mit unterschiedlichen Nenn-strömen (Nennleistungen) und gleichenSpannungen.

Welche Akkumulatoreneignen sich für dieSolartechnik?

Bei Solaranlagen, die nicht netzgekoppeltsind, hat der Akkumulator eine ähnlicheFunktion, wie im Auto. Er speichert dieEnergie, sozusagen unter dem Motto:„spare in der Zeit, so hast du in der Not".Verbraucher, bei denen es ausreicht, wennsie nur bei sonnigem Wetter funktionieren- wie Fontainenpumpen, Kühlanlagen u. ä.- benötigen keinen Zwischenspeicher. Füralle andere Verbraucher ist ein Zwi-schenspeicher unentbehrlich.

Als Zwischenspeicher eignen sich für dieSolartechnik alle nur denkbaren Akkumu-latoren (kurz Akkus genannt) und wieder-aufladbaren Batterien. In der Fachtermino-logie wird für dieselben Produkte sowohldie Bezeichnung „Batterie", wie auch„Akkumulator" oder „Akku" verwendet.

Es gibt eine enorme Menge von Akkumu-latoren, die nach allen nur denkbarenMerkmalen katalogisiert werden könnten.Der normale Anwender ist jedoch nur dar-an interessiert, was für ihn konkret in Fra-ge kommt, bzw. was gängig ist:

- für kleinere Leistungen sind die altbe-währten NiCd-Akkus geeignet, die z. B.

auch in Akku-Werkzeugen eingesetztwerden, oder die neuen umweltfreundli-cheren NiMH- (Nickel-Metallhydrid)und NiH- (Nickel-Hydrid) Akkus, diefrei von Giftstoffen sind und einigeweitere Vorteile haben, auf die wir nochzurückkommen. Die meisten dieser Ak-kus haben eine Spannung von 1,2 Voltpro Glied und eine Kapazität von max.4,5 Ah.

Bild: 2.1 Eine Solarbatterie unterscheidetsich äußerlich nicht von einer gängigenAutobatterie.

Welche Akkumulatoren eignen sich für die Solartechnik?

- Für größere Leistungen eignen sich be-vorzugt echte Solar-Akkus, oder auchganz normale Autobatterien, Rollstuhl-batterien und andere ähnliche Energie-speicher, die überwiegend als Bleiakku-mulatoren konzipiert sind.

Diese Akkus haben in der Regel eineSpannung von 2 Volt pro Glied und sindals kompakte 6 Volt- oder 12-Volt-Einhei-ten bis zu einer Kapazität von einigen hun-dert Ah erhältlich.

2.1 Wie rechnetman die benötigteAkkuKapazität aus?Die Sache mit der Kapazität in Ah (Ampe-restunden) ist erklärungsbedürftig, aberleicht zu begreifen. Es handelt sich hier nurum den energetischen Inhalt eines Behäl-ters, in dem der Vorrat - im Gegensatz zueinem Bierfaß - nicht in Litern, sondern inAmperestunden angegeben ist.Nehmen wir als Beispiel den Akku eineskleinen Akkuschraubers, der eine Kapazitätvon 1,2 Ah hat. Er kann einen Motor, dereinen Stromverbrauch von l A hat, theore-tisch 1,2 Stunden lang mit Energie versor-gen. Danach ist er leer. Falls der Motor ei-nen doppelt so hohen Stromverbrauch (von2 A) hat, reicht die Akku-Kapazität nur für0,6 Stunden aus. Wie schon die eigentlicheBezeichnung „Ah" andeutet, handelt es sichhier immer um „Ampere mal Stunden".

Ein anderes Beispiel: die Autobatterie hateine Kapazität von 60 Ah. Sie kann uns

demnach entwederca. 60 Stunden lang einen Strom von

1 A liefernoder ca. 30 Stunden lang einen Strom von2 A liefernoder ca. 20 Stunden lang einen Strom von3 A liefern usw.Das „ca." bezieht sich darauf, daß in Wirk-lichkeit die Kapazität eines Akkus bei einerhöheren Stromabnahme etwas schneller er-schöpft ist, als bei einer niedrigeren. Auch diejeweilige Betriebstemperatur, die Abschalt-schwelle eines Tiefentladeschutzes sowie diePerfektion des Nachladens wirken sich auf dieEnergiemenge aus, die von einem Akku bezo-gen werden kann. Das alles darf jedoch füreine praktische Berechnung außer Acht gelas-sen werden, die ja ohnehin auf Schätzungenbasiert.

2.2 Solar-Akkumulatorenrichtig ladenDie Lebensdauer eines Akkus hängt u.a.vom richtigen Laden ab. Beim Laden derAkkus von Solarzellen liegt das Hauptpro-blem darin, daß die Solarzellen weder einekonstante Spannung, noch einen konstan-ten Strom liefern.

Aus diesem Grund wird zwischen das So-larmodul und den Akku ein Laderegler(Bild 2.2) geschaltet, der dafür sorgt, daßder Akku möglichst optimal geladen wird.

Im Handel gibt es eine enorme Auswahlan Ladereglern in Preisklassen von ca.20 DM bis zu einigen hundert DM.

Solar-Akkumulotoren richtig laden

Mit Hilfe des modernen Laderegler ICs PB137 kann schnell und preiswert ein Eigen-bau-Laderegler nach Bild 2.3 erstellt wer-den. Dieser Laderegler benötigt nur nochzwei zusätzliche kleine Elkos, um seineAufgabe perfekt zu meistern. Die Schal-tung nach Bild 2.3 setzt voraus, daß eineSchottky-Diode bereits ausgangsseits imSolarmodul angebracht ist. Falls nicht, mußdiese zusätzlich zwischen das Modul unddem Laderegler-Eingang (wie im Bild 2.2)eingelötet werden.

Das Laderegler IC PB 137 verfügt übereine interne Strombegrenzung, einen Über-lastschutz, eine Sicherheitsabschaltung beiÜberhitzung und ist nahezu unzerstörbar.Wenn das angewendete Solarmodul füreinen Nennstrom von mehr als ca. 0,4 Akonzipiert ist, benötigt das IC einen Kühl-

körper. Bei Vollast von 1,5 A sollte dieses für RTH 53°C/W ausgelegt sein.

Die Ausgangsspannung des PB 137 beträgt 13,7 Volt (vorausgesetzt die Solar-Eingangsspan- nung liegt zwischen ca. 16 und 40 Volt). In der Praxis wird natürlich die Solarspannung für das Nachladen eines 12 Volt- Bleiakkus sowieso nur zwischen 17 Volt (Som- merzeit-Betrieb) und max. 22 V (Winterzeit- oder Ganzjahresbetrieb) liegen. Dieses Ladereg- ler IC verfügt über kei-

nen Tiefentladeschutz (der muß bei Bedarfals separates Gerät zugekauft werden).

Bild: 2.3 Der integrierte Bleiakku-Lade-regler PB 137 von Conrad Electronic (Be-stell.-Nr. 17 94 18) ist für eine Solar-Ein-gangsspannung von max. 40 V und füreinen Ladestrom, von max. 1,5 A konzi-piert; * dieses Elko muß für eine Betriebs-spannung ausgelegt sein, die mindestensmit der Leerlaufspannung des angewen-deten Solarmoduls übereinstimmt.

Bild: 2.2 Laderegler zwischen Solarmodul und Akku: eine so-genannte Schottky-Diode darf zwischen dem Solarzellen-modul und dem Akku niemals fehlen. Sie ist jedoch in denmeisten handelsüblichen Solarmodulen bereits innen einge-gossen und schützt den Akku davor, daß er sich über die So-larzellen entlädt, wenn deren Spannung niedriger ist, als dieseine.


2.3 Kleine NiCd-,NiMH und NiH-Akkusals EnergiespeicherDie meisten herkömmlichen Ladegerätevon Gebrauchsgütern, wie Akkuwerkzeu-ge, Unterhaltungselektronik, Notebooksmit Randapparatur machen sich das Lebenin Hinsicht auf eine ausgetüftelte Ladee-lektronik nicht unnötig schwer. Sie laden

Bild: 2.4 Das automatische Absinken desLadestromes während des Aufladenseines Akkus

ganz einfach ihre Akkus mit einer Span-nung nach, die etwa 22% höher ist, als diejeweilige Akku-Nennspannung und mit ei-nem Strom, der bei NiCd-Akkus 10% undbei NiMH (NiH)-Akkus bei 20% von derAkku-Kapazität in Ah liegt.

Ein Beispiel: der NiCd-Akku eines Akku-schraubers hat eine Spannung von 4,8 Vund eine Kapazität von 1,2 Ah. Der Netz-Ladeadapter liefert ihm beim Laden eineSpannung von 5,8 V und einen Maximum-strom von 0,12 A. Das sind fest vorgege-bene Werte, die dem Akku zwar sozusagenzur Verfügung stehen, aber die er beimAufladen nur am Anfang nutzt. Sehen wir

uns nun in Bild 2.4 an, wie sich diese Wer-te beim Laden verändern, denn das hilftuns bei der richtigen Dimensionierung ei-ner Solaranlage viel mehr, als kompliziertetheoretische Aufklärungen.

Zwischendurch ist noch eine wichtige Er-klärung fällig: Der Einfachheit halber gehtman immer davon aus, daß so ein wieder-aufladbarer Akku eine konstante Spannunghat. Das stimmt eigentlich gar nicht. Wenner voll aufgeladen ist, hat er eine um ca.22% höhere Spannung, als seine „Arbeits-spannung" ist (typen- und altersabhängig).In unserem Beispiel ist es eine Spannungvon ca. 5,8 V. Der Akkuschraubermotorkommt mit der höheren Spannung pro-blemlos zurecht. Er dreht jedoch ander-seits auch noch bei ca. 3 V. Somit hat die-ser Akku zwar eine theoretische Nenn-spannung von 4,8 V, aber in Wirklichkeitbewegt sich seine Nutzspannung zwischenetwa 3 V und 5,8 V.

In der Solartechnik gibt es bei diesen klei-neren Akkus zwei empfehlenswerte Mög-lichkeiten, wie sich das Laden bewältigenläßt:

Kleine NiCd-, NiMH und NiH-Akkus als Energiespeicher

- mit Hilfe eines kleinen elektronischenLadereglers;

- durch eine Kombination von angepaß-ten Maximum-Stromwerten des Solar-moduls und von einer zusätzlichenSpannungsregelung mit einer Zenerdi-ode.

Die erste Lösung ist die bequemste. Mankauft sich einfach einen kleinen Ladereg-ler, setzt ihn zwischen das Solarzellenmo-dul und den Akku und damit hat es sich er-ledigt. Ein Elektroniker kann sich einenkleinen Laderegler auch im Selbstbau er-stellen. Es gibt im Handel viele spezielleLaderegler-ICs, die nur wenige zusätzlicheBauteile benötigen.

Die zweite Möglichkeit setzt voraus, daßder maximale Strom (Nennstrom) des So-larmoduls nicht höher ist, als der max. La-destrom des Akkus (10 % der Akkukapa-zität). Diese Bedingung läßt sich am ein-fachsten auf die Weise erfüllen, daß zu ei-nem ausgewählten Solarmodul ein über-

einstimmender Akku genommen wird (diezur Verfügung stehende Auswahl ist jasehr groß).

Es macht dabei nichts aus, wenn die Kapa-zität des Akkus etwas mehr als das Zehn-fache des Solar-Nennstromes beträgt. Be-sonders dann nicht, wenn der Akku deut-lich überdimensioniert ist. Der Ladestrommuß ja nur die Stromabnahme decken. Dieist jedoch in einem solchen Fall von derAkkugröße unabhängig. Somit hat auchder Bedarf an Ladestrom mit der eigentli-chen Größe des Akkus nichts zu tun.

Mit anderen Worten: wenn man rechnerischermittelt, daß eine Akku-Kapazität von 2Ah (und damit ein Ladestrom von max. 0,2A) für den vorgesehenen Zweck ausreicht,kann man dennoch einen 4 Ah Akku einset-zen. Soweit man sich bei der Planung nichtverrechnet hat, wird ja dieser Akku auchnicht mehr als ein 2 Ah-Akku belastet, undmuß demzufolge auch nicht mehr als der 2Ah-Akku nachgeladen werden. Der 4 Ah-

Bild: 2.5 Die Solarspannung ist als Lade-spannung eines Akkus nur dann brauch-bar, wenn sie höher ist, als die momenta-ne Akkuspannung. In diesem hypotheti-schen Fall wird ein 6 V-NiCd-Akku gela-den, dessen Spannung momentan nur 3V beträgt. Das Laden fängt erst dann an,wenn die Solarspannung zumindest einklein wenig höher ist, als die vorgegebe-nen 3 V. Da ein solcher 6 V-Akku mit einerLadespannung von maximal 7,2 V gela-den werden soll, läßt der Laderegler auchnur diese Spannung durch. Das Laden hört ganz automatisch in dem Augenblick auf,wenn die Solarspannung auf das Niveau sinkt, das der Akku inzwischen während desLadens erreicht hat (das sind in diesem Beispiel 5 V). Das Laden setzt sich auf eine ähn-liche Weise am nächsten Tag fort. Allerdings mit dem Unterschied, daß diesmal das La-den erst dann beginnt, nachdem die Solarspannung über die Schwelle von 5 V gestie-gen ist - vorausgesetzt, daß der Akku in der Zwischenzeit nicht benutzt wurde.


Akku benötigt somit keinen Ladestrom von0,4 A, sondern nur von 0,2 A. Man muß janur das nachfüllen, was entnommen wird(oder durch Selbstentladung verloren geht).

Mit der Ladespannung ist es etwas kom-plizierter. Der elektrische Strom verhältsich bekanntlich ähnlich wie das Wasser.Wenn man ein Gefäß mit Wasser nachfül-len will, muß das Wasser von oben nachunten fließen können. Will man einen Akkumit Strom nachfüllen (nachladen), muß so-zusagen die Spannung ebenfalls „von obennach unten" fließen. Soll der Strom aus ei-ner beliebigen Quelle (Solarmodul oder La-degerät) in den Akku fließen, muß dieseQuelle eine höhere Spannung haben als derAkku. Ansonsten läuft nichts.

Bild: 2.6 Ein einfacher Ladespannungs-Regler für kleinere Akkus: die ZenerdiodeZPY läßt zum Akku nur eine typenbezoge-ne Zenerspannung (nach Angaben in derfolgenden Tabelle) durch. Wenn dasModulzu einem Zeitpunkt diese Spannung nichtliefern kann, wird eine niedrige Spannungebenfalls durchgelassen - vorausgesetzt,sie ist höher, als die momentane Ak-kuspannung. Eine Schottky-Diode (SD) istauch hier unentbehrlich, soweit sie nichtbereits im Solarmodul eingegossen wurde.Diode 1 N 4001 ist nur dann notwendig,wenn sich keine Zenerdiode findet, diedenerwünschten Spannungswert hat. Diode 1N 4001 erhöht die geregelte Spannung umca. 0,6 V (siehe nächste Tabelle)

Beim Laden des Akkus von einem Solar-modul liegt das Problem darin, daß die So-larspannung zwischen Sonnenaufgang undSonnenuntergang (zudem auch von Tag zuTag) sehr variiert - was ja verständlich undnaturbedingt ist (Bild 2.5).

Eines geht hier deutlich hervor: je höherdie Nennspannung des Solarmoduls ist,desto mehr Stunden pro Tag kann es denAkku nachladen. Die Solarspannungbleibt dadurch länger höher, als die desAkkus. Die Frage nach einer optimalenModulspannung kann eigentlich nur situa-tionsbezogen gut geklärt werden. Mitbe-stimmend ist dabei die Jahreszeitspanne,während der die Anlage betrieben werdensoll. Es wird immer ein Kompromiß zwi-schen dem Kostenfaktor und den Grenzender idealen Spannungsreserven bleiben.

Soweit als Energiespeicher nur kleinereAkkus (bis ca. 4 Ah) verwendet werden,bildet der eigentliche Kostenfaktor für zu-sätzliche Solarzellenfläche keine zuschwerwiegende Investition. Nur in Hin-sicht auf eine einfachere Spannungsrege-lung dürfte unter Umständen mit der So-larspannung etwas vorsichtiger umgegan-gen werden. Eine zu hohe Solarspannungheizt einen einfachen Laderegler (Bild 2.6)während der Sommermonate zu sehr auf.

Nun zum nächsten Schritt: wir möchtenfür diese kleinen Akkus eine einfache La-deregelung erstellen, die in etwa ähnlicharbeitet, wie die Laderegelungen bei denbereits erwähnten Gebrauchsgütern.

Wenn wir von den gängigen Akkuspan-nungen ausgehen und Standard-Zenerdi-

Kleine NiCd-, NiMH und NiH-Akkus als Energiespeicher

oden für eine Ladespannung aussuchenwollen, welche ca. 22% höher ist als dieNennspannung des Akkus, kommen wirnicht überall optimal zurecht. Die Werteder Zenerdioden haben für unsere Zweckeeine zu grobe Spannungsabstufung. Des-halb behelfen wir uns in solchem Fall miteiner zusätzlichen Gleichrichterdiode, diein Reihe mit der Zenerdiode geschaltetwird, und ihre Regelspannung um ca. 0,6Volt zusätzlich erhöht.

In Bild 2.7 sind Zenerdioden-Typen aufge-führt, die zu den gängigen Akkuspannun-gen passen.

Beispiel: ein 3,6 V /2 AH-Akku im Mo-dell sollte einen Ladestrom von maximal

0,2 A von den Solarzellen beziehen. AmModell war nur Platz für ein Minimodulmit einem Nennstrom von 0,18 A. Wennnun das Modul so dimensioniert ist, daßes bei vollem Sonnenschein eine max.Ladespannung von 4,6 Volt (aus einerKette von zehn Solarzellen) an den Akkuliefern kann, wird von der Zenerdiodediese Spannung auf nur 4,3 Volt begrenzt.Der Spannungsunterschied von 0,3 Volt,multipliziert mit dem Strom von 0,18 A er-gibt eine Leistung von nur 0,054 Watt.Diese Leistung muß die Zenerdiode alsWärme abgeben - was ja in dem Fall pro-blemlos geht.

Ein anderes Beispiel: ein 9 V/ 2,2 Ah-Akku soll von einem 13 V/ 0,2 A Solar-zellenmodul geladen werden. Hier kämedie Zenerdiode ZPY 11 V als Spannungs-regler zum Einsatz und sie müßte beivollem Sonnenschein den Spannungsun-terschied von 2 Volt in Wärme umwan-deln (13 V - 11 V = 2 V). Daraus ergibtsich eine Leistung von 2 V x 0,2 A = 0,4Watt.

Diese zwei Beispiele zeigen, wie einfachman alles ausrechnen kann. Das Ganze

Akkuspannung: Zenerdiode-Type + evtl. Zusatzdiode:

1,2 V — ZPY 1 V + 1 N 4001 Bitte zu beachten: die Zenerdioden2,4 V — ZPY 2,7 V + 1 N 4001 sind austauschbar mit den Typen „ZD",3,6 V — ZPY 4,3 V oder anderen 1 -Watt-Zenerdioden.4,8 V — ZPY 5,6 V Anstatt der Diode 1 N 1001 kann die6 v — ZPY 6,8 V + 1 N 4001 Type 1 N 1002 bis 1004 verwendet7,2 v — ZPY 8,2 V + 1 N 4001 werden.8,4 v — ZPY 10 V9 v — ZPY 11 V9,6 v — ZPY 11 V + 1 N 4001

Bild: 2.7 Tabelle mit Zenerdioden


ließe sich viel komplizierter und exaktermachen, aber das wäre völlig überflüssig.Die Sonnenintensität ist ohnehin nicht er-rechenbar, und es muß demzufolgeimmeretwas Reserve einkalkuliert werden, dienicht auf Formeln, sondern auf dem Ge-fühl für die Sache basiert.

Es dürfte noch darauf hingewiesenwerden,daß viele der NiCd- und NiMH-Akkus eineSelbstentladung von 15 bis 30% proMonathaben (typen- und preisabhängig). Selbst-entladung sollte hauptsächlich bei der Di-mensionierung von Anlagen berücksichtigtwerden, die auch im Dezember undJanuarintakt bleiben müssen. Hier kann es inmanchen Jahren vorkommen, daß zweioder drei Wochen lang die Sonne kaumwahrnehmbar ist, und der Akku muß - ähn-lich wie ein Igel - rechtzeitig genügendEnergievorrat anlegen können.

Bisher haben wir den kleinen Akkus vielAufmerksamkeit gewidmet, die bei einfa-chen Anwendungen der Solartechnik inHaus und Garten sehr oft eingesetzt wer-den. Das meiste von dem, was bisher er-klärt wurde, trifft jedoch ebenfalls auf diegroßen Akkumulatoren zu.

2.4 Solar-Akkumulatoren oderAutobatterien?

Bei größeren handelsüblichen Akkumula-toren handelt es sich überwiegend um so-genannte Bleiakkumulatoren, die uns be-sonders in der Form vonAutobatterien

ziemlich geläufig sind. Es gibt Bleiakku-mulatoren in sehr verschiedenen Bau-weisen, mit unterschiedlichen Eigenschaf-

ten und in unterschiedlichen Preisklassen.Den normalen Anwender verunsichern inder Regel die vielen Hinweise darauf, daßsich für die Solartechnik „selbstverständ-lich" nur echte Solarakkumulatoren eignen.

Stimmt es ? Überhaupt nicht!

Wo liegt nun der wirkliche Unterschiedzwischen einer „echten" Solarbatterie undeiner einfachen Autobatterie?

Eine Autobatterie muß u. a. problemlos denschweren Stromstoß verkraften können, dersich beim Motorstart jedesmal wiederholt.So wird bei der Entwicklung (und Weiter-entwicklung) der Autobatterien auf diese Ei-genschaft besonders großer Wert gelegt.Andere technische Parameter müssen sichdieser Anforderung evtl. etwas unterordnen.Bei einer Batterie für den Modellbau oderfür kleinere Elektrofahrzeuge ist wiederum

Solar-Akkumulatoren oder Autobatterien?

wichtig, daß man bei möglichst kleinem Ge-wicht eine möglichst große Leistung erhältusw. So wird jede Akku-Type gezielt etwaszweckorientiert entwickelt und konstruiert.

Bei Solarakkumulatoren handelt es sichum Speicher für eine relativ teuer gewon-nene Energie, und man konzentriert sichdeshalb bei der Entwicklung darauf, daßdie Energieverluste beim Laden, Speichernund durch Selbstentladung sehr gering ge-halten werden, und daß dabei die Lebens-dauer des Akkus möglichst hoch wird.

Was die Lebensdauer betrifft, ist ein Solar-akku der normalen Autobatterie überlegen.Der Preis, den man dafür vorläufig zahlenmuß, ist jedoch viel mehr als doppelt sohoch, und damit verliert die Sache etwasan Charme. In dem Aufpreis sind aller-dings noch einige weitere technisch be-rechtigte Vorteile inbegriffen.

Solar-Akkus sind etwas strapazierfähigerin bezug auf die ständigen Ladungen und

Entladungen, wurden auch hinsichtlich dessogenannten Tiefentlade-Verhaltens opti-miert, sind wartungsfrei, oft frostsichererals normale Bleiakkus und haben eine ge-ringere Selbstentladung. Der Energiever-lust durch „Selbstentladung" beträgt beieiner normalen Autobatterie ca. 4,8% bis8%, bei einem Solarakku nur 2,5% bis4% pro Monat.

Wenn man nun bedenkt, wie viele andereFaktoren bei der ganzen Anlage eine we-sentlich größere Rolle spielen, verdientdieser Aspekt bei kleineren Solaranlagennicht übertrieben viel Aufmerksamkeit.Schon durch eine leichte Vergrößerung derSolarfläche läßt sich der Qualitätsunter-schied zwischen den beiden Batterietypenin dieser Hinsicht ausgleichen.

Etwas kritischer ist es mit dem Lebens-dauerunterschied. Maßgeblich für dieLebensdauer eines jeden Akkus ist - beiguter Pflege - die Anzahl der Ladungen.Gute Solar-Akkus (und auch durch-schnittliche NiCd-Akkus) verkraften etwa1000 „größere" Ladungen. Autobatteriengeben es nach etwa 500 „größeren"Ladungen auf. Was man nun unter demBegriff „größere Ladungen" verstehenmag, variiert von Hersteller zu Herstellerund hängt in der Praxis erstens von derLademethode (von dem Ladegerätoder Laderegler) und zweitens vondem Umfang des täglichen Nachladens ab.

Aus Erfahrung wissen wir, daß eine mo-derne Autobatterie im Auto normalerwei-se mindestens fünf Jahre, auch danndurchhält, wenn das Fahrzeug zwei- bisfünfmal pro Tag gestartet und entspre-

Welche Akkumulatoren eigenen sich für die Solartechnik?

chend oft pro Tag nachgeladen wird.Dieses Nachladen kann in manchen Fäl-len als „größeres" Laden, in anderen Fäl-len als „kleineres" Laden bezeichnet wer-den. Es kann viel Ähnlichkeit mit denLadevorgängen in einer Solaranlage ha-ben, und besteht sehr oft aus mehr als1000 Ladevorgängen.

Diese Überlegung soll nur dazu dienen,daß man nicht unbedingt eine Autobatterieals Solarspeicher nur deshalb disqualifizie-ren sollte, weil sie im Vergleich mit dentechnischen Daten eines echten Solarakkusetwas bescheidener abschneidet. Viele derStrapazen, denen die Batterien ausgesetztwerden, können sehr unterschiedlicher Artsein, und lassen sich nicht immer in diesterilen technischen Daten einbeziehen.Dazu kommt, daß eine große Anzahl dereigenhändig erstellten Solaranlagen einenexperimentellen Charakter hat, wobei einekürzere Lebensdauer des Akkus unter Um-ständen annehmbar ist.

Rein theoretisch betrachtet, ist es wirklichempfehlenswert, daß man sich für einestationäre Solaranlage auch echte Solarak-kus eines namhaften Herstellers zulegt.Schon deshalb, weil ein guter Solarakkuauch einen um bis ca. 9% höheren Wir-kungsgrad als eine normale Autobatteriehaben kann. Das dürfte sich besonders beigrößeren Solaranlagen als sehr nützlicherweisen.

Andererseits kommen für bescheidenereSolaranlagen ohnehin nur kleinere Stan-dard-Bleiakkumulatoren in Frage, die inMotorrädern, Rollstühlen oder im Modell-bau verwendet werden. Nicht nur der

Preis, sondern auch die Abmessungen be-stimmen hier oft den Kaufentschluß.

2.5 Tiefentladeschutz

Den meisten Autofahrern ist es bekannt:wenn ein Bleiakkumulator ein einzigesMal zu tief entladen wird, ist er unbrauch-bar. Er läßt sich zwar meistens wieder auf-laden, aber leidet anschließend unter einersehr großen Selbstentladung.

Etwas irritierend ist, daß wiederum für dieLebensdauer eines NiCd-Akkus als einewichtige Bedingung gestellt wird, daß ermöglichst gleich am Anfang seines Einsat-zes und danach etwa alle 90 Tage immer re-

Bild: 2.8 AEG-Laderegler mitTiefentladeschutz.

Tiefentladeschutz

lativ vollständig entladen wird, bevor manmit neuem Aufladen beginnt. Wenn die er-wünschten Entladungen nicht periodischvorgenommen werden, verliert der Akkudurch sein mysteriöses Gedächtnis (densog. Memory-Effekt) langsam aber sicherseine Kapazität. Er wird nach jedem fol-genden Aufladen immer schneller leer, undist letztendlich nicht mehr zu gebrauchen.

Wenn solche Akkus als kleine Energie-speicher in der Solaranlage eingesetzt wer-den, sollte man darauf achten, daß sie vier-mal im Jahr vorschriftsgemäß tief entladenwerden. Soweit jemand diese Hersteller-empfehlung für unzumutbar hält, sollte ersich lieber gleich die moderneren NiH-öder NiMh-Akkus zulegen. Sie stellen der-artige Ansprüche auf regelmäßige Tiefent-ladung nicht mehr, aber es macht ihnennichts aus, wenn es passiert. Somit eignensie sich als kleinere Energiespeicher für So-laranlagen hervorragend, auch wenn sieetwas teurer, als die altbekannten NiCd-Ak-kus sind, und teilweise noch eine zu hoheSelbstentladung aufweisen. Sie kommen je-doch, ähnlich wie die NiCd-Akkus, nur fürkleinere Kapazitäten (etwa bis zu 4 Ah) inFrage.

Bei etwas größeren Solaranlagen werden inder Regel Bleiakkumulatoren als Energie-speicher eingesetzt. Hier muß dann unbe-dingt darauf geachtet werden, daß bei feh-lendem Nachschub der Solarenergie dieAkkumulatoren unter keinen Umständen zutief unter die zugelassene Schwelle entla-den werden. Zu diesem Zweck wird einelektronischer Tiefentladeschutz verwen-det. Er sorgt dafür, daß alle Verbrauchervom Akku einfach abgeschaltet werden, so-

bald seine Spannung unter die Tiefentlade-schwelle sinkt. Sie werden automatisch erstdann wieder eingeschaltet, wenn die Ak-kuspannung etwas gestiegen ist.

Dieser Tiefentladeschutz ist normalerweisein den meisten Ladereglern bereits inte-griert und die Abschalt-/Einschaltschwelleist werkseitig eingestellt (achten Sie den-noch beim Kauf darauf, ob es bei dem vor-gesehenen Laderegler auch wirklich derFall ist - es steht in den Unterlagen). Einpraktisches Ausführungsbeispiel eines La-dereglers zeigt Bild 2.8.

Die Abschaltgrenze bei Tiefentladeschutzwird für 12-V-Akkus beispielsweise auf11,1 V, für 24-V-Akkus auf 22,2 V einge-stellt. Falls die Akkuspannung auf diesesNiveau sinkt, werden alle Verbraucher au-tomatisch abgeschaltet. Sie werden wiedererst dann zugeschaltet, wenn der Akku aufetwa 12,4 V bzw. 24,8 V nachgeladen ist.

Der relativ große Spannungs-Zwischen-raum ist deshalb notwendig, weil sich dieAkkuspannung nach dem Abschalten derVerbraucher - auch ohne Nachladen -schnell wieder erholt. Bei einem zu kleinenSpannungsabstand würde der Tiefentlade-schutz ständig hin und her schalten.

Besonders kritisch ist die Frage der Tiefent-ladeschwelle bei Akkumulatoren, die auchwährend der Frostperiode arbeiten müssen.Je niedriger die Temperatur ist, umso höhermuß der Akku (ständig) aufgeladen blei-ben. Andernfalls friert sein Elektrolyt einund der Akku reißt entzwei. Ein warmerAufstellplatz ist im Winter für einen Blei-akkumulator deshalb sehr wichtig.

Solarzellenmodule imSelbstbau

Solarzellenmodule im Selbstbau zu erstel-len, ist eigentlich eine ganz einfache Sa-che. Man muß nur wissen, worauf es an-kommt.Begonnen wird mit der Überlegung, wel-che Nennspannung und welchen Nenn-strom das Modul haben soll. Die er-

wünschte Nennspannung wird durch Zu-sammenstellen einer entsprechenden An-zahl von Solarzellen erreicht. Wir rechnendabei normalerweise mit 0,46 V pro Zelle,und runden die Zahl der benötigten Solar-zellen nach oben auf. Im Zusammenhangmit dem Strom bei max. Belastung können

Bild: 3.1 Ein einfa-ches, selbstgemach-tes Solarzellenmodul:a) erst werden die mit-einander verlötetenZellen in eine frischaufgetragene (kleben-de) Silikonschicht ein-gebettet (eingedrückt);b) eine maßgerecht er-höhte Silikonumran-dung aus der Tubewird angebracht; c)auf die Umrandungwird eine Plexiglas-oder Glasabdeckplat-te angedrückt und be-schwert. Die heraus-gequollenen Silikonre-ste werden noch vordem Eintrocknen ge-glättet.

Solarzellenmodule im Selbstbau

Bild: 3.2 Soweit die Solarzellen bereits vom Hersteller mit Lötfahnen an der Oberseiteversehen sind, braucht man diese jeweils nur mit dem silbrigen Gitter der Unterseite derfolgenden Zelle zu verlöten. Bei Zellen, die nicht mit Lötfahnen versehen sind, müsseneine oder zwei zusätzliche Durchverbindungslitzen angelötet werden. Diese Verbindun-gen sollen auch nach dem Einbetten der Zellen etwas „federnd" bleiben.

wir uns an einer der Tabellen auf Seite 18orientieren.

Der maximale Strom des Moduls ent-spricht immer dem maximalen Strom derschwächsten Zelle in der ganzen Reihe -ohne Rücksicht auf die Anzahl der Zellenpro Modul. In der Praxis kommt auch beiguten Solarzellen vor, daß einige von ih-nen, in Hinsicht auf den Nennstrom, Ab-weichungen bis zu 10% auf weisen. Eingroßzügigeres Dimensionieren kann alsonicht schaden.

Das Aufbauprinzip eines Solarmoduls isteinfach: auf einen festen Untergrund wirdeine klebende flexible Silikonmasse wieButter auf ein Brot aufgestrichen. In dieseMasse werden die miteinander verbunde-nen Solarzellen leicht eingedrückt. Da-nach kommt eine durchsichtige Glas- oderPlexiglasscheibe als Abdeckung oben dar-auf:

Als schützende Umrandung kann seitlichebenfalls Silikonmasse benutzt werden(Fugensilikon aus dem Baumarkt). Vordem Einbetten müssen die Solarzellen mit-einander in Reihe (in Serie), nach Bild 3.2,verschaltet werden.

Die Kupferbahnen der Solarzellen reagie-ren auf Überhitzung ähnlich empfindlichwie die feinen Kupferbahnen einer Platine,und können sich bei Überhitzen lösen. DieLötzeit sollte auf etwa ein bis zwei Sekun-den pro Lötstelle beschränkt werden (beimLöten nicht gegen die Zelle andrücken,sonst bricht sie auseinander wie dünnesEis auf einer Wasserpfütze).

Bei Modulen für Modellbau, Solar-Spiel-zeuge oder Anwendungen im Hausinnerenkönnen die Solarzellen eine etwas einfa-chere Schutzabdeckung bekommen, dienicht unbedingt kratzfest sein muß. Kunst-stoffolien, Plexiglas, dünnes Normalglas

usw. reichen hier aus. Für strapazierfähi-gere Außenanwendungen ist ein thermischgehärtetes, 4 mm dickes Spezialglas nötig.

Soweit es sich nur um kleinere Solarmodu-le handelt, die z. B. auf ein Schiffsmodellangebracht werden sollen, reicht als Ab-deckung ein l mm dünnes Plexiglas aus.Als Untergrund kann direkt die vorgesehe-ne Fläche des Modells benutzt werden.Darauf wird ca. 2 mm dick die Silikon-Fu-genmasse aufgetragen, die Zellen werdenauf das Silikon aufgelegt und vorsichtigeingedrückt.

Gleich anschließend (bevor das Silikoneintrocknet) wird um die Zellenfläche eineSilikonumrandung aufgetragen, auf dieeine Plexiglas-Abdeckung angedrücktwird oder auch angeschraubt werden kann.Bei der Erstellung eines Solarzellenmoduls

sollten zwei wichtige Bedingungen beachtet werden: die Solarzel- len müssen wärmelei- tend eingebettet werden und die „Sonnen- seite" des Moduls muß gegen Schmutz, me- chanische Beschädi- gung und gegen Re- genwasser (bzw. Kon- denswasser) mit einem lichtdurchlässigen Ma-

terial geschützt wer-den.

Als Masse für das ei-gentliche Einbetteneignet sich eigentlich

jedes Material, das gutwärmeleitend ist und einigermaßen flexi-bel bleibt, um die Dehnung, die durch in-nere oder äußere Wärme entsteht, auffan-gen zu können. Es darf ja bei der Erwär-mung der Solarzellen nicht zu mechani-schen Spannungen im Modul kommen, beidenen die Zellen reißen oder platzen.Wenn die Solarzellen in eine Masse nureingebettet, aber nicht vergossen werden,besteht bei Anwendungen im Außenbe-reich die Gefahr von Kondenswasserbil-dung zwischen den Solarzellen und demAbdeckglas. Kondenswasser verhinderteine gute Bestrahlung der Zellenfläche.Aus diesem Grund ist es besser, wenn mandie Solarzellen mit einer optisch reinenEVA-Vergußmasse zwischen zwei Schei-ben kompakt eingießt.

Als Unterseite des Moduls eignen sich alleMaterialien, die mechanisch fest genug

Bild: 3.3 Solarzellen-Modul Marke Eigenbau: die Solarzellenwerden mit einigen Silikontupfen auf der Glasplatte so fixiert,daß zwischen der Glasplatte und der Zelle noch ein Zwi-schenraum für die Gußmasse bleibt. Abhängig von der Guß-massenkonsistenz muß dieser Zwischenraum etwa 1,5 bis 3mm betragen (ausprobieren).

sind: Glas, Plexiglas, Kunststoffe, usw.Für Module, die nicht wasserfest sein müs-sen, kommen auch Pertinax, MDF, Natur-stein usw. in Frage. Ein wärmeleitendesMaterial verdient hier Vorrang. Als Ab-deckmaterial eignet sich am besten ther-misch gehärtetes Glas. Falls ein Modulrah-men erwünscht ist, können vorgefertigteU-Profile aus Aluminium, Messing oderKunststoff, entsprechend zugeschnittenund aufgeleimt werden.

Wenn an das Solarmodul ein Akku ange-schlossen werden soll, muß - wie bereitsangesprochen wurde - zwischen das Mo-dul und den Akku unbedingt eine Schutz-diode (Schottkydiode) geschaltet werden.Sie verhindert, daß sich der Akku überdie Solarzellen entlädt, wenn diese (z.B.nachts) keine Energie liefern. Die Schott-kydiode ist eine Spezialdiode, die anstattdes üblichen PN-Übergangs einen Metall-Halbleiterübergang mit einer Schottky-Sperrschicht dazwischen hat. Einer ihrerVorteile ist, daß sie im Vergleich zu dennormalen Siliziumdioden einen viel nied-rigeren Spannungsverlust aufweist.

Schottky-Dioden sind für unterschiedlicheStrombelastungen dimensioniert. In unse-rem Fall muß diese Diode mindestens mitdem Kurzschlußstrom der Solarzellen be-lastbar sein. Für größere Zellen eignet sichz. B. eine Schottky-Diode 5 A/30 V. FürZellen mit einer kleineren Fläche als

33,3 x 100 mm, genügen kleinere Schott-ky-Dioden (l A/30 V oder ähnlich).

Bei selbstgebauten Solarmodulen kann dieSchottky-Diode im Modul gleich eingegos-sen werden. In diversen handelsüblichenLadereglern sind jedoch diese Dioden be-reits integriert und „doppelt gemoppelt" be-deutet hier keinen Vorteil, sondern nur ei-nen unnötigen zusätzlichen Spannungsver-lust (an der Diode). Ferner hat eine solcheSchutzdiode beim Direktantrieb von Moto-ren keinen Sinn, und verursacht nur einenunerwünschten Spannungsverlust.

Somit bleibt es jedem selbst überlassen, ober in das erstellte Solarmodul gleich eineDiode integrieren möchte oder nicht. Eshat jedenfalls keine Nachteile, wenn mandiese Diode erst außen an das Modulanschließt.

Wir wissen inzwischen, daß der maximaleStrom, den solche Module bieten können,nur dem max. Strom der verwendeten Ein-zelzellen entspricht. Da auch die größtenZellen momentan nur einen Strom vonmax. 2,8 bis ca. 5 A liefern können (her-stellerabhängig), müssen im Falle vonhöherem Strombedarf entweder mehrereseparate Module, oder mehrere Solarzel-lenketten im Modul, miteinander parallelverbunden werden. Technisch sind beideLösungen gleichwertig.

Bypassdioden inSolarmodulen

Wenn eine Solarzellenfläche unterschied-lich bestrahlt wird, wirken die weniger be-leuchteten Zellen stromdrosselnd für denRest der Solarzellenkette, und könnendurch sogenannte „Hot-Spot-Effekte" so-gar zerstört werden. Eine einzige stark be-schattete Solarzelle im Modul kann zu ei-ner Kochplatte werden, und bringt dieVergußmasse zum Schmelzen. Dadurchkann sich die Vergußmasse verfärben unddas Modul wird unbrauchbar.

Die Abhilfe ist einfach: man lötet parallelzu jeder Solarzelle eine normale Gleich-

richterdiode, die eine Umleitung für denStrom aller restlichen Zellen bildet (Bild4.1). Somit verursacht die beschattete Zel-le zwar ein geringfügiges Absinken derNennspannung, aber sie beeinflußt kaumden Nennstrom des Moduls.

Bei manchen handelsüblichen Solarmodu-len überbrückt jeweils eine Bypassdiodeacht oder noch mehr Zellen, bei anderenModulen sind unter Umständen gar keineBypassdioden vorhanden. Soweit die So-larmodule auf dem Hausdach montiertwerden, ist die Gefahr von Beschattung

Bild: 4.1 Bypassdioden an Solarzellen: a) jede Zelle erhält eine eigene Bypassdiode; b)mehrere Zelten haben jeweils eine gemeinsame Bypassdiode.

Bypassdioden in Solarmodulen

(durch Laub) nicht so groß, wie bei einerAufstellung der Module unten im Garten.Handelt es sich um selbstgebaute Modulemit einem Nennstrom tief unterhalb von lA, reichen als Bypassdioden beliebigepreiswerte l A-Silizium-Gleichrichterdi-oden (Typ l N 4001) aus. Ansonsten müs-sen Silizium-Leistungsdioden für Strom-belastungen von 3 A (l N 5400),

5 A (BY 550-50) oder6 A (PB 600 A) verwendet werden.

Bei Solarzellenketten, die für höhere Span-nungen ausgelegt sind, kann eine Bypass-diode auch mehr als 20 oder 30 Solarzel-len überbrücken, wenn dafür spezielleGründe sprechen (z. B. auch als zusätzli-che Überbrückung von einzelnen selbstän-digen Solarzellenmodulen, die in Serie ge-schaltet werden, und in denen keine By-passdioden eingebaut sind).

Wenn dagegen bei einem Garten- oder Ca-ravan-Solarzellenmodul nicht auszusch-ließen ist, daß einige seiner Zellen gele-gentlich von einem Zweig, von Laub usw.beschattet werden können, sollte entwederjede der Zellen (nach Bild 4. l a) oder zu-mindest jeweils zwei bis drei Glieder derzellenkette (nach Bild 4.1b) eine Bypass-diode erhalten.

Genau genommen hängt von der Modul-Nennspannung ab, wieviele Einzelzellenjeweils in der beschatteten Sektion seindürften. Wenn es sich z. B. um ein etwasgroßzügiger dimensioniertes Modul mit ei-ner Nennspannung von 18V handelt, undwir benötigen zum Laden nur eine Span-nung von 14 V, können wir bei sonnigemSommerwetter sogar auf ganze 4 V ver-

zichten. Das sind abgerundet 8 Einzelzel-len (8 x 0,46 V = 3,68 V). Bei einem Mo-dul, das an einem Gartenhaus-Dachschlimmstenfalls dem Schatten eines ange-wehten Blattes ausgesetzt ist, dürfte eineBypassdiode für jeweils 4 bis 8 Zellen ansich genügen.

Wenn nun dieses Modul dagegen z. B. obenauf einem Rosenbogen angebracht werdensoll, wo heranwachsende Rosenblätter gele-gentlich die Zellen beschatten könnten, istes günstiger, wenn hier jede Zelle oder zu-mindest zwei Zellen eine eigene Bypassdi-ode bekommen. Man muß dann nicht zu oftdie Leiter besteigen, um die unerwünschten„Schattenspender" abzuschneiden (das wäreerst nötig, wenn gleichzeitig mehr als 8 Zel-len beschattet sind).

Vollständigkeitshalber sollte an dieserStelle erwähnt werden, daß in letzter ZeitSolarzellen hergestellt werden, in deren Si-liziumfläche Bypassdioden direkt inte-griert sind. Diese Zellen lassen sich leidernicht teilen (schneiden). Sie eignen sichdaher nur für große Module, in denenganze Zellen angewendet werden.

Dies ist ein großes Handicap, denn By-passdioden sind gerade bei kleineren So-larzellenmodulen wichtig, die als Garten-,Garagen- oder Campingmodule überwie-gend nur mit kleineren (z.B. achtel- bishalben) Zellen bestückt sind. Gerade dieseModule können des öfteren durch einenBaumzweig oder durch angewehtes Laub(nach Bild 4. l a) beschattet werden. Hierbleibt immer noch nur die herkömmlicheLösung mit zusätzlich angebrachten By-passdioden übrig.

Wohin mit denSolarzellenmodulen ?

Beim Planen des Aufstellplatzes der Solar-module muß an erster Stelle die Frage eineroptimalen Ausrichtung der Solarzellen-fläche zur Bahn der Sonne geklärt werden.

Im Vergleich zu einem Fernsehsatellitenverändert die Sonne laufend ihre Position,

und man müßte im Idealfall eigentlich dieSolarmodule der Sonne automatisch nach-führen. Das wird an einigen speziellenVersuchsanlagen sogar gemacht, aber fürprivate Anwendungszwecke ist es zu kom-pliziert. Normalerweise genügt es, wenndie Solarfläche möglichst genau zum Sü-

Bild: 5.1 Optimale Neigungswinkel der Solarzellenflächen

Bild: 5.2 Gröbere Neigungswinkel-Einstellung bei nicht-netzgekoppelten Anlagen.

den ausgerichtet ist, und wenn der Nei-gungswinkel jahreszeitbezogen die Bahnder Sonne berücksichtigt.

Da im Winter die Sonne ziemlich tiefsteht, würde die Solarfläche einen vielgrößeren Neigungswinkel benötigen als imSommer, wenn die Sonne fast senkrechtsteht. Dementsprechend müßte sich derSolarflächenneigungswinkel jahreszeitbe-zogen jeweils etwa der Sonnenbahn anpas-sen (Bild 5.1).

Es leuchtet ein, daß eine verstellbareSolarflächenkonstruktion gar nicht so übelwäre. Notfalls genügt auch nur eine Nei-gungswinkelverstellung in zwei Stufen:eine Stufe für die Periode von Frühjahr bisHerbst und eine für die kalte Jahreshälfte.In der Praxis jedoch ist es viel einfacher,und zudem oft preiswerter, wenn mangleich eine etwas größere Solarzellen-flache einplant, und für den Ganzjahresbe-trieb aufstellt.

Der angegebene Neigungswinkel von 42°dürfte dabei nur als Faustregel gelten. Pri-oritäten in Hinsicht auf die jahreszeitbezo-

Bild: 5.3 Wenn ein Wochenend-Häuschenvon März bis November möglichst zuver-lässig mit Solarstrom versorgt werdensoll, liegen die vorprogrammierten„Durststrecken" der Anlage deutlich inden ersten Märzwochen und in den letz-ten Novemberwochen. Hier wäre ein Nei-gungswinkel des Solarmoduls, von 50°optimal, aber die bestehende Dachnei-gung von 45° bedeutet nur einen kaumermittelbaren Nachteil. Bei einer Anlage,die dagegen z.B. nur von Juni bis AugustSolarenergie liefern soll, wäre ein Nei-gungswinkel günstig, der zwischen 25und 30° liegt.

Wohin mit den Solarzellenmodulen ?

Bild: 5.4 Photovoltaik am Bauernhof. gene Aufgabenbewältigung sind hier maß-geblicher. In der Praxis verdient aus ästhe-tischen Gründen die bereits bestehendeDachneigung Vorrang.

Netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagen, beidenen es nur auf eine möglichst hohe En-ergieausbeute pro Jahr ankommt, sollteneinen Neigungswinkel haben, der sichüberwiegend an der Jahreshälfte vonAnfang April bis Ende September orien-tiert. Ein Neigungswinkel um die 35°bis 40° ist hier demnach günstiger, als dieoft empfohlenen 45°. Dieser Neigungswin-kel hat auch bautechnische Vorteile: einDach mit einem Neigungswinkel unterhalbvon 40° läßt sich preiswerter erstellen, undaußerdem gut warten (man rutscht auf denDachziegeln nicht so leicht ab).

Bild: 5.5 a) im Dach voll integriert; b) direkt am Dach montiert; c) auf einen Rahmen oderauf Stützen erhöht montiert; d) mit mechanisch oder elektrisch verstellbaremNeigungswinkel.

Bild: 5.6 Montagerahmen für größere Solarzellenflächen.

Bild: 5.7 Durch die Antennendurchgangs-Dachziegel werden runde Stahlstäbe geführt,die sozusagen wie Tischbeine das Modul halten. Unten können diese Stahlstäbe an diebestehende Dachkonstruktion bzw. an zusätzlich angebrachte Balken - nach Bild: b) -angeschraubt werden.

Oft ist jedoch das Dach bereits vorhandenund man bringt dann einfach die Solarzel-len-Module so an, daß es sich optisch unddamit gleichzeitig sturmfest mit dem Dachzu einer kompakteren Einheit verbindet.

Das Anbringen der Solarmodule am Dachkann vom Prinzip her auf vier verschiede-ne Arten gelöst werden (Bild 5.5).

Die Lösung nach dem ersten Beispiel ver-dient architektonisch Vorrang. Es können da-bei Solarmodule verwendet werden, die sichwasserfest aneinander montieren lassen undals „Solar Dachziegel" bezeichnet werden.Auch normale Solarmodule kann man aufdiese Weise im Dach integrieren, aber sie be-nötigen unter ihrer ganzen Fläche eine was-serdichte Kupfer- oder Kunststoffwanne.

Die zweite Lösung eignet sich nur fürDächer, deren unebene Oberfläche (Dach-ziegel, Wellblech) eine Lüftung der Solar-module von unten ermöglicht. Ansonstenist die Lösung nach c) günstiger, denn hier

kann der Zwischenraum (von mindestens 5cm) ein gutes Kühlen der Module ermögli-chen. Eine Konstruktion mit verstellbaremNeigungswinkel stellt höhere Ansprüchean das handwerkliche Können, und mußauch Stürmen widerstehen - es sei denn,sie wird ab einer vorgegebenen Windstär-ke automatisch eingefahren.

Wenn mehrere Module nebeneinandermontiert werden sollen, genügt für kleine-re Solarflächen eine Montage auf zwei Al-uminium U-Profilen. Für größere Solarzel-lenflächen eignet sich besser ein Montage-rahmen, den man leicht selber erstellenkann (Bild 5.6).

Das Anbringen der Solarmodule auf einemZiegeldach ist oft viel schwieriger, als esin verschiedenen technischen Unterlagengezeichnet wird. Der Durchgang durch dieDachziegel ist deshalb kompliziert, weildiese ja sehr passend ineinander sitzen,und keine Schlitze für eine zusätzlicheStahlkonstruktion haben. Hier eignen sich

Wohin mit den Solarzellenmodulen?

Bild: 5.8 1 Bekiesung, 2 Dachpappen, 3 Dachhaut-Träger-schicht, 4 Wärmedämmung, 5 Dampfsperre, 6 Beton oder an-dere Unterkonstruktion

für Montagezwecke sehr gut die sogenann-ten „Antennendurchgangs-Dachziegel". Esgibt sie in fast allen Dachziegelausführun-gen, und somit lassen sich leicht die beste-henden Dachziegel durch diese Spezialzie-gel nach Bild 5 auswechseln.

Falls die Solarmodule auf ein Flachdachangebracht werden sollen, ist es wichtig,vorher in Erfahrung zu bringen, ob es sichnur um ein Betondach oder um ein Warm-dach handelt. Warmdächer haben eineweiche Dachhaut, in die sich nicht bohrenläßt, und auf die sich auf keinen Fall eineschwere Konstruktion so leicht aufstellenläßt, wie es lakonisch in manchen Pro-spekten vorgeschlagen wird. Konkret siehtein modernes Warmdach im Schnitt mei-stens wie in Bild 5.8 aus.

Bei derartigen Flachdächern muß die Tra-gekonstruktion der Solarmodule durch dieweiche Dachhaut bis an die feste Unter-konstruktion wasserdicht befestigt werden.Wenn man dieser Aufgabe aus dem Wegegehen will, bleibt noch die Möglichkeitübrig, die ganze Modulenkonstruktion nur

auf die Mauerumran-dungen zu montieren.Die Metallkonstruktionhat einen anderenDehnkoeffizienten alsdas Mauerwerk, unddeshalb muß sie etwasfedernd oder gleitendangebracht werden -ansonsten reißt dieMauer.

Soweit es sich um dasFlachdach einer Be-tongarage handelt, kann das Solarmodulauch nur frei aufgestellt, und mit Beton-steinen beschwert werden. Zu derartigenZwecken gibt es im Handel diverse Fertig-gestelle (Bild 5.9).

Bild: 5.9 Solarzellen-Tragegestell alsFertigprodukt

Wohin mit den Solarzellenmodulen?

In letzter Zeit werden oft auch Hausfassa-den zu Solarflächen umgestaltet. Damit er-hält allerdings die Solarfläche gezwunge-nermaßen einen Neigungswinkel von 90°.Im Hinblick auf die jährliche Solarenergie-Ausbeute ist dieser Neigungswinkelungünstig. Er bringt dagegen einen opti-malen Energiegewinn in den Monaten De-zember und Januar.

Kleinere Solarzellenmodule, die im Gar-ten oder am Hauseingang gebraucht wer-den, lassen sich in den meisten Fällenunauffallend unterbringen. Zu diesemZweck kann auch eine zusätzliche „Unter-kunft" künstlich erstellt werden. Nähereswird später bauanleitungsbezogen erläu-tert. In Zusammenhang mit dem Stellen-wert eines optimalen Neigungswinkelsbzw. einer optimalen Ausrichtung derSolarzellenmodule zum Süden sollte auffolgendes hingewiesen werden: das Ver-hältnis der direkten Sonnenstrahlen und

des diffusen Sonnenlichts hängt davon ab,wieviele sonnige Tage das Jahr geradehat. Bei bewölktem Himmel bekommendie Solarzellen fast ausschließlich diffu-ses Sonnenlicht. Unter solchen Bedingun-gen würde sich die Anforderung an einezu exakte Einstellung der Solarfläche er-übrigen.

Auch bei sehr grellem Sonnenschein trägtdas diffuse Licht (neben der direkten Be-strahlung) seinen Beitrag zur globalen Be-leuchtung der Solarzellen bei. Die direktenSonnenstrahlen sind in unserem Breiten-grad demzufolge nicht derartig leistungs-bestimmend, daß sich die Solarzellen un-bedingt immer nur nach der Sonne drehenmüßten. Abgesehen davon liegen dieDurststrecken der meisten Solaranlagengerade in den düsteren Wintermonaten.Hier geht es oft nur um die Frage, wievieleder Tage zumindest ein gutes diffusesLicht bringen werden.

Bild: 5.10 Dieses 30 W-Solaris-Modul ist bruch/tritt-fest, ultraleicht und läßt sichaufs Autodach, Caravan-dach oder auf z.B. eineKunststoffplatte aufkleben.Abmessungen 620 x 500 x4 mm, Gewicht 1,8 kg.Conrad Electronic bietet esals einen Bausatz mit Lade-regler (+Entladeschutz),Kabel, Silikonleim und einerausführlichen Bauanleitung(für DM 699,-) an.

NetzgekoppelteSolaranlagen

Bei der Planung einer netzgekoppelten So-laranlage geht es vor allem um die Frageder optimalen Leistung und deroptimalenSpannung der Solarzellen-Module.Soweitsich die Leistung der zur Verfügung ste-henden Dach- oder Fassadenfläche unter-ordnen muß, ist es mit der Planung ganzeinfach.

Pro Quadratmeter Solarzellenflächedürfteman nach Einbeziehung aller VerlusteundSpannungsreserven mit etwa 100 bis130 Watt Leistung bei optimalen Bedin-gungen rechnen. Wenn die Rahmen derSolarmodule einbezogen werden,kommenwir in etwa auf 98 bis 125 Watt pro Qua-dratmeter Dachfläche.

Die Nutzung der Dachfläche sollte nachMöglichkeit im Einklang mit der Lei-stungsgrenze des optimalen Wechselrich-ters sein. Wechselrichter gibt es zwar inverschiedenen Größen, aber die Leistun-gen sind grob abgestuft. Es ist bei derPla-nung in erster Linie darauf zu achten, daßman wegen eines einzigen weiteren Solar-moduls, nicht gleich einen doppelt so teu-ren Wechselrichter anschaffen muß. Er-kundigen Sie sich deshalb erst beidem

Stromlieferanten, welche Wechselrichterer empfiehlt, und in welchen Leistungen(und Preisklassen) diese auch genau er-hältlich sind.

Manche der handelsüblichen Wechsel-richter weisen Nachteile auf, die derStromlieferant nicht unbedingt in Kaufnehmen muß. Der Wechselrichter be-stimmt ja die Qualität des erzeugtenWechselstromes, den Ihr Stromlieferantvon Ihnen als „Ware" abnehmen wird.Zudem gibt es auch schlechte Erfahrun-gen mit einigen Wechselrichtern, die der-art unzuverlässig funktionieren, daß esauch für den „Solarstrom-Erzeuger"nachteilig ist. Sie schalten sich beispiels-weise bei etwas niedrigerer Solarspan-nung viel zu eifrig ab, und verschenkendamit Solarenergie.

In die ganzen Planungsarbeiten sollten Siein jedem Fall rechtzeitig den Stromliefe-ranten (das örtliche bzw. zuständige Ener-gieversorgungsunternehmen) einbeziehen.Sie können normalerweise mit einer sehrkompetenten, kulanten und zudem kosten-losen Beratung rechnen, die Ihnen vieleunnötige Überlegungen erspart. Je besser

Netzgekoppelte Solaranlagen

Sie dabei vorher selbst mit der Problema-tik vertraut gemacht werden - wozu ja die-ses Buch dienen soll - desto mehr Nutzenkönnen Sie aus einer solchen zusätzlichenFachberatung ziehen.

Im Gegensatz zu den netzunabhängigenPhotovoltaik-Anlagen beinhalten hier dieRichtlinien der Stromlieferanten (Vereini-gung Deutscher Elektrizitätswerke -VDEW) die Bedingung, daß der „elektro-technische Teil" nur durch eine elektro-technische Fachkraft errichtet werden darf.Ein handwerklich begabter Selbstbauerkann dennoch an einer derartigen Anlagesehr viel eigenhändig machen. Unter Um-ständen sogar alles, wenn ihm eine Fach-kraft (ein Elektromeister) zur Seite stehtoder die Arbeiten kontrolliert.

Nachdem Sie sich ausgerechnet haben,wieviel Dachfläche für die Photovoltaikgenutzt werden soll, folgt die Frage nachden Solarzellen-Modulen:

Marke, Leistung, Format und Type. Ach-ten Sie bitte darauf, daß die Module Ihrer

Wahl keine alten Ladenhüter mit einem zugeringen Wirkungsgrad sind. Einen Wir-kungsgrad unter 14% sollte man heute füreine derartig aufwendige Anlage nicht ak-zeptieren.

Als nächstes kommt nun die Wahl der op-timalen Modulenspannung an die Reihe.Hier dürften Sie sich an die Empfehlungdes Stromlieferanten halten, denn die Be-triebsspannung Ihrer Solaranlage solltemöglichst exakt an die Spannungsan-sprüche des Wechselrichters angepaßtwerden.

Bei kleineren, netzunabhängigen Solaran-lagen wird - wie wir bereits wissen - einerBetriebsspannung von 12 V oder 24 Vder Vorzug gegeben. Bei größeren, netz-gekoppelten Anlagen sind dagegen höhe-re Spannungen sinnvoller, weil dadurchdie Leistungsverluste kleiner sind. Den-noch wird die Gleichspannung einer Pho-tovoltaikanlage aus Gründen des zulässi-gen Berührungsschutzes unterhalb von120 Volt gehalten (mit einer Ausnahme,auf die wir noch zurückkommen).

Bild: 6.1 Fünf Module SP 50/12 ergeben in Reihe eine Nennspannung von 82,5 V. DieLeistungen der fünf Module addieren sich zu 250 W. Zu beachten: wenn es sich um So-larmodule handelt, in denen keine Bypassdioden vom Hersteller integriert sind, müssendiese - als Dioden D1 bis D5 - zusätzlich parallel an die einzelnen Anschlüsse der Moduleangebracht werden (wie gestrichelt eingezeichnet).

Wir zeigen nun an zwei Beispielen, wie eskonkret mit der Planung und Gestaltungder netzgekoppelten Photovoltaik-Anlagenaussieht.

BEISPIEL A: wir haben eine Dachflächevon ca. 35 m2. Die Solarzellenfläche könn-te somit bei 100 Watt pro m2 (abgerundet)eine max. Leistung von annähernd bis zu3500 W (3,5 kW) liefern. Laut unseren Er-kundigungen kommt als Wechselrichterbevorzugt ein Gerät in Frage, welches eineLeistung von 2 kW (max. 2,2 kW) und eineNennspannung von 65 V DC (bei minimal55 V und max. 83 V DC) benötigt (das„DC" ist die internationale Bezeichnungfür Gleichspannnung). Wenn die Solarzel-lenfläche etwas großzügiger dimensioniertwird, ergibt sich daraus ein Dachflächenbe-darf von ca. 20 m2 (das genügt uns).

Jetzt sehen wir uns erst an, wie wir über-haupt mit der Spannung zurecht kommen.Wir wissen bereits, daß eine möglichsthohe Spannung erwünscht ist, um auch bei

trübem Wetter genügend Strom zu erhal-ten. Die Obergrenze wird hier durch die„max. 83 V" bestimmt, die der Wechsel-richter noch verkraften kann. Es wäre alsoideal, wenn wir unter den Angeboten So-larmodule finden, die in einer Reihen-schaltung eine Nennspannung vonannähernd 83 V ergeben könnten. Wirwollen ja keine Energie verschenken. Un-ter den Angeboten fand sich das folgendegünstige Solarmodul: Leistung 50 W,Nennspannung 16,5 V, Nennstrom 3 A,Wirkungsgrad 14,3 %, Abmessungen965 x 430 x 50 mm.

Fünf Module in Reihe ergeben hier eineNennspannung von 82,5 Volt. Damitkommen wir sehr nahe an die obere Span-nungsgrenze des Wechselrichters. DieseSpannungsreserve macht es möglich, daßdie Solarzellen auch bei etwas trübemWetter noch genügend Spannung für denWechselrichter liefern. Es handelt sich al-lerdings um eine Spannungsreserve, diebei schönem Sommerwetter verschenkteSolarzellenfläche be-deutet. Anderseitswürde ohne diese Re-

serve bei trüberem Wetter der Spannungs- wechsler gar nicht arbeiten, weil er aus den Zellen zu wenig Span- nung geliefert bekommt.

Nun erstellen wir für weitere Überlegungen erst eine Skizze nach Bild 6. 1:

Bei dieser Modulenlei-Bild: 6.2 Eine komplette seriell/parallele Schaltung derSolar-Dachmodule mit einer Nennleistung von 2 kW (nachBEISPIEL A).

Bild: 6.3 Die Mitte derSolarmodulenkette,deren beide Zweigejeweils eine Spannungvon 87,5 V haben (5 x17,5 V) ist geerdet.Obwohl die Anlageeine Nennspanungvon 175 V bzw. eineLeerlaufspannung von217 V hat, beträgt beider Berührung einesder Pole die „Berüh-rungsspannung" (ge-gen die Erde) höch-stens 108,5 V (217 V :2 = 108,5). DieSchwachstelle derSchaltung liegt jedoch darin, daß bei versehentlich gleichzeitiger Berührung des negati-ven Pols mit einer Hand und des positiven Pols mit der anderen Hand der Körper mit dervollen Spannung von bis zu 217 V (Leerlaufspannung) in Kontakt kommt. Das so etwasnicht auf dem Dach selbst passieren kann, muß gezielt von vornherein dadurch verhin-dert werden, daß die Anschlußpunkte beider Pole genügend weit auseinander liegen.

stung sieht man auf den ersten Blick, daßvier solche „Ketten" eine Leistung von lkW ergeben. Wir benötigen 2 kW, alsowerden es gleich acht solcher Ketten sein,die miteinander nach Bild 6.2 durchverbun-den sind.

BEISPIEL B: hier kommen wir zurückauf die bereits erwähnte Ausnahme, beider eine netzgekoppelte Photovoltaik-Anlage eine höhere Spannung habenkann, als die Berührungsschutzspan-nungsgrenze von 120 V DC. Wir setzenhier Solarmodule von Siemens ein, dieeine Nennspannung von 17,5 V und eineLeerlaufspannung von 21,7 V haben.Diese, des öfteren angewendete (und auchvon Siemens empfohlene) Schaltung,basiert auf einem Trick, der sich mit Hilfeeiner vereinfachten Zeichnung nach Bild6.3 leicht erklären läßt.

Dieses Schaltungsprinzip wird bei kleine-ren oder mittelgroßen Photovoltaik-Haus-anlagen besonders dann angewendet, wenndie Verkabelung etwas länger sein sollte,wodurch es bei zu niedrigen Spannungeneinzelner Modulketten zu größeren Span-nungsverlusten käme. Manchmal hat manauch keine andere Wahl, wenn der anson-sten günstige Spannungswechsler derartigeAnforderungen an die Solarspannungstellt, oder wenn es das Energieversor-gungs-Unternehmen mit Nachdruck emp-fiehlt. Der Grund dazu kann eine gute Er-fahrung mit einer zuverlässigen Span-nungswechsler-Type sein, die auch für denAnwender von Vorteil ist.

In Zusammenhang mit den netzgekoppel-ten Anlagen haben wir bisher der Einfach-heit halber einen kleinen (und preiswerten)Funktionsteil übergangen, der unter Um-

Netzgekoppelte Solaranlagen

Bild: 6.4 Zubehör ei-ner netzgekoppeltenSolaranlage: links derMontageschrank(auch PV-Abzweig ge-nannt), rechts derWechselrichter (FotoSiemens).

Bild: 6.5 Ausführungsbeispiel einer netz-gekoppelten Solaranlage an einem Einfa-milienhaus (Foto IBC).

nicht im Wechselrichter integriert ist. Eshandelt sich dabei um einen Überspan-nungschutz (Blitzeinschlagschutz), der inReihe zwischen die Solarmodule und denWechselrichter - wie im Bild 6.3 einge-zeichnet - angeschlossen wird. DieserÜberspannungsschutz ist normalerweise ineinem kleinen selbständigen Monta-geschrank untergebracht, in dem sich auchMontageklemmen für die Anschlüsse ein-zelner Solarmodulen-Ketten befinden.

ständen zwischen die Solarzellenmoduleund den Wechselrichter kommt - soweit er

Selbstversorgungmit Solarstrom

Im vorhergehenden Kapitel konnten wirganz außer acht lassen, welche Geräte,Lampen oder andere Verbraucher an dasHausnetz angeschlossen werden. Wenn dadie Solarenergie nicht ausreicht, springtder Wechselstrom aus dem öffentlichenNetz automatisch ein.

Bei netzunabhängigen Anlagen gibt es inden meisten Fällen keine derartige Alter-native. Hat man aber Bedenken, daß es mit

Bild: 7.1 Ein Gleichstrom-Windgeneratorals alternative Energiequelle zu den Solar-modulen: er lädt über eine Schottky-Diodeund über den gemeinsamen Solarladereg-ler den Akku auf dieselbe Weise nach, wiedas Solarmodul.

der Solarenergie während einiger Winter-wochen zu kritisch wird, kann parallel mitden Solarmodulen noch ein ca. 17 Volt-Gleichstrom-Windgenerator (Bild 7.1) ein-gesetzt werden.

Wenn es bei einem Ferienhaus oder bei ei-ner Berghütte erwünscht ist, daß auch in derletzten Dezemberwoche und in der erstenJanuarwoche unbedingt genügend Stromvorhanden ist, dürfte als dritte Energiequel-le noch ein kleines Diesel- oder Benzinag-gregat als Notreserve für alle Fälle zu emp-fehlen sein. Das hat jedoch nur dann eineBerechtigung, wenn es zu kompliziert wäre,in der nahen Umgebung den Solarakku not-falls vom Netz nachladen zu können.

Bei den meisten kleineren Solaranlagensind üblicherweise die wenigen sonnenar-men Winterwochen nicht zu schwerwie-gend. Wir werden uns bei den noch fol-genden Bauanleitungen auch mit diesemAspekt auseinandersetzen.

Soweit für eine selbständig arbeitende „In-selanlage" ein Akku als Zwischenspeicherbenötigt wird, müssen am Anfang der Pla-nung zwei Fragen geklärt werden:

Selbstversorgung mit Solarstrom

- welche Akku-Kapazität ist für das Vor-haben notwendig?

- Wie groß muß das Solarmodul sein, umden Akku nachladen zu können?

Um die Akku-Kapazität feststellen zu kön-nen, müssen wir Antworten auf folgendeFragen ermitteln:- welchen Strombedarf haben die ange-schlossenen Verbraucher pro Tag?- Werden die Verbraucher regelmäßig, d.h. täglich bzw. wöchentlich betrieben,oder handelt es sich nur um gelegentli-che Nutzung?- Ist ein ununterbrochener Ganzjahresbe-

trieb vorgesehen, oder wird die Anlagewährend der Wintermonate außer Be-trieb gesetzt?

- Wenn Winterbetrieb erwünscht ist,kann der Akku notfalls problemlos wo-anders nachgeladen bzw. ausgewechseltwerden?

Zur Gedächtnisauffrischung: die Kapazitäteines Akkus wird in Ah (Amperestunden)angegeben und sagt uns, wieviele Amperemal Stunden der Akku liefern kann. Wei-teres zeigen wir hier an einem praktischenBeispiel:Im Wochenendhaus haben wir eine 12V/l A-Solarlampe und einen 12 Volt/ 30Watt-Fernseher (30 W : 12 V = 2,5 A).Vom Frühjahr bis zum Herbst verbringenwir dort oft mehrere Wochenenden hinter-einander. Bei regnerischem Wetter kann esvorkommen, daß wir bis zu 6 Stunden proWoche am Fernseher sitzen, und zudemetwa 4 Stunden pro Woche Licht benöti-gen (insbesondere im Spätherbst). DerFernseher verbraucht demnach sechs Stun-den x 2,5 A = 15 Ah, die Solarlampe vier

Stunden x l A = 4 Ah. Der Gesamtver-brauch liegt bei 15 Ah + 4 Ah = 19 Ah proWoche.

Wir benötigen einen Akku, der eine Kapa-zität von mindestens 19 Ah hat. Etwa 10bis 15% rechnet man immer für die Reser-ven auf. Damit kämen wir auf 22 Ah. Esgibt jedoch sehr preiswerte 12 V-Autobat-terien mit Kapazitäten ab 36 Ah. Das wärehier günstig. Wenn es im Spätherbst sehrtrübes Wetter gibt, und der Akku wirdvom Solarmodul nicht während einer Wo-che perfekt aufgeladen, haben wir einegute Energiereserve für fast noch eine wei-tere Woche. Nun müssen wir dafür sorgen,

Bild: 7.2 Ein Wochenendhäuschen mitSolarstromversorgung

daß so eine 12 V/36 Ah Autobatterie vomSolarmodul ordentlich nachgeladen wird.Im 2. Kapitel haben wir erfahren, daß dieAutobatterie einen kleinen Ladereglerbraucht, und daß die Ladespannung bei ca.

16,5 V liegen dürfte. Der Spätherbst ist inmanchen Jahren sonnig, in anderen Jahrenetwas trüb. Wenn es unbedingt erwünschtist, daß auch während der trüben Herbstta-ge der Akku vom Solarmodul einiger-maßen gut nachgeladen werden kann, wärehier eine Nennspannung des Solarmodulsvon 20 bis 22 V keinesfalls übertrieben.Jetzt befinden wir uns auf einem Pla-nungsterrain, auf welchem uns nicht mehrdie Mathematik, sondern nur das persönli-che Ermessen helfen kann. Dazu gehört er-stens die Frage, inwieweit es sinnvoll ist,daß die ganze Anlage z. B. nur wegen derzwei letzten Novemberwochen stärker di-mensioniert werden soll. Zweitens stelltsich die Frage, ob nicht ein Zweitakku fürdie Anlage oder nur für den Fernseher wo-anders aufgeladen werden kann. Hier gehtes natürlich nicht um die Frage des eigent-lichen Nachladens, sondern um den Trans-port. Wenn man am Wochenendhaus mitdem Auto bis vor die Tür vorfahren kann,ist es einfacher, als im Falle einer Berghüt-te ohne Zufahrt.

Fazit: wenn notfalls ein gelegentlichesNachladen des Anlagen-Akkus möglichist, dürfte eine Solarmodul-Nennspannungum die 20 V ausreichen. Andererseits mußdas Dilemma zwischen einer höherenNennspannung (um die 22 V) und einemVerzicht auf den Solarstrom während einerWoche im Jahr überlegt werden.

Jetzt kommt noch die Frage des optimalenNennstromes. Da wir ohnehin einen Lade-regler anschließen werden, der den Akkuvor einem zu hohen Ladestrom schützt,sind hier die Grenzen nicht technischerArt, sondern nur eine Kostenfrage. Wir

wissen, daß der Akku höchstens einen La-destrom benötigt, der maximal bei 10%seiner Kapazität liegt. Das wären hier 10%von den 36 Ah, also 3,6 A. Wenn das So-larmodul diesen Strom etwa 12 Stundenlang liefern könnte, wäre ein leerer Akkuvoll nachgeladen (zwei von den 12 Lade-stunden rechnen wir auf Ladeverluste). Einso flottes Laden brauchen wir aber garnicht. Unser Solarmodul hat in diesem Falljeweils sieben Tage Zeit, um die ver-brauchte Energie nachzufüllen. Zudem ha-ben wir vorhin ausgerechnet, daß an einemWochenende nur ca. 20 Ah verbrauchtwerden. Von dem Standpunkt aus gesehen,dürfte also ein Ladestrom von max. 2 Agenügen.

Bei diesem „Strom bei max. Leistung"wäre im Sommer der Akku innerhalb vonca. elf Stunden wieder voll aufgeladen.Die Herbsttage sind kürzer und trüber,aber das Solarmodul hat immer eine ganzeWoche Zeit, um mit einem schwächerenStrom und niedrigerer Spannung den Akkunachladen zu können.

Alle die aufgeführten Überlegungen sollennun nicht den Leser verunsichern, sondernihm im Gegenteil zeigen, daß Gefühl beider Planung dazu gehört. Es bleibt auchimmer ein Stück Risiko dabei, daß dasWetter nicht gerade so mitspielt, wie wires eingeschätzt haben.

Wir werden also für diesen Zweck nach ei-nem Solarmodul suchen, das eine Nenn-spannung von ca. 20 V, einen Nennstromvon ca. 2 A und demzufolge eine Nennlei-stung von ca. 40 W hat (denn 20 V x 2 A =40 W).

Pumpen und Motorensolarbetrieben

Für die Solartechnik eignen sich zwar ambesten spezielle energiesparende Solarmo-toren, aber verwenden lassen sich alleGleichstrommotoren. Diese werden entwe-der als selbständige Motoren oder als Be-standteil eines bestehenden Gebrauchs-gutes - wie z. B. einer Pumpe, eines Venti-lators usw. eingesetzt. Betreiben kann mandiese Motoren entweder direkt vom Solar-zellenmodul oder über einen Akku alsZwischenspeicher. Verständlicherweiseeignet sich der direkte Betrieb nur für denFall, daß die erbrachte Leistung auch direktbenutzt werden kann: bei einem Kinder-fahrzeug, einer Weiherfontäne, Bewässe-rungspumpe, Umlaufpumpe einer solar-thermischen Anlage usw.

Auch Einphasen-Wechselstrommotorenlassen sich mit Solarstrom betreiben, al-lerdings nur über einen zusätzlichenWechselrichter, der eine 12 V- oder 24 V-Solarspannung (Autoakku-Spannung) ineine 230 V-Wechselspannung umwandelt.Solche Wechselrichter sind viel einfacherund preiswerter als die Wechselrichter fürnetzgekoppelte Anlagen, weil hier keinebesonderen Ansprüche an die Qualität derWechselspannung gestellt werden. Gleich-strommotoren gibt es standardmäßig fürSpannungen von etwa 0,3 Volt bis 80 Voltund für Leistungen von einigen Milliwattbis zu etwa 8 kW. Die meisten Gleich-strommotoren arbeiten in einem breitenSpannungsbereich, wie auch aus derrechts oben stehenden Tabelle (2. Spalte)hervorgeht.

Bild: 8.1 Springbrunnenpumpe von Con-rad Electronic: Sie arbeitet in einem Be-triebsspannungs-Bereich von 2,1 bis 17V,ihre Stromaufnahme bei 12 V beträgt 0,5 Aund ihre Förderleistung liegt bei 500 l/h.

Aus der Gewichtsangabe in der Tabellegeht hervor, daß es sich um Motoren fürkleinere Leistungen handelt. Damit Siesich eine konkrete Vorstellung über dieLeistung machen können: die Typen RS540 (wovon es mehrere Varianten gibt)werden u. a. in sehr vielen Akku-Schrau-bern eingesetzt. Hier kann man sich die

Pumpen und Motoren solarbetrieben

Technische Daten einiger Gleichstrommotoren Marke Mabuchi.Daten für den maximalen Wirkungsgrad:

Type:

Arbeits-spannung

in VoltDrehzahl

UpmStrom

A

Dreh-mom.Ncm

Abgabe-leist.

W

Wirkungs-grad

%ewichtg

RE280 1,5-4,5 5500 0,36 0,17 0,56 51 28RS380 3-9 14150 3,34 1,17 17,3 72 75RS540 3-10 10400 7,19 2,71 29,5 68 158RS775 4,5-15 16160 12,3 6,61 111,7 76 321

Tabelle mit Gleichstrommotoren für kleinere Solarantriebe (Conrad Electronic).

Leistung eines solchen Motors etwas ge-nauer vorstellen oder am Akku-Schrauberausprobieren, was so ein Motor bewältigenkann, bzw. wie lange er unter Belastungdreht, bevor sein kleiner Akku leer ist.Wer einen derartigen Motor in eine eigeneKonstruktion einsetzen möchte, kann aucheinen kompakten Akkuschrauber als Solar-motor „mit Getriebe" benutzen. DieserMotor kann ein Kinderfahrzeug fortbewe-gen, eine Markise ausfahren, eine Pumpeantreiben usw. Möchte man die Betriebs-dauer verlängern, kann der ursprünglichekleine Akku (der oft nur für einen Betriebvon ca. 12 Minuten ausreicht) durch einengrößeren Akku ersetzt werden.

Auch Gleichstrommotoren aus dem Kfz-Zubehör (Antriebe von Scheibenwischern,Fenstern, Stühlen und Dächern) könnenähnlich verwendet werden. Bei allen die-sen Motoren, die nicht ausgesprochen alsSolarmotoren für den direkten Antriebdurch Solarzellen konzipiert wurden, gibtes ein Problem: sie können bei Dauerbe-trieb zerstört werden. Sobald die Span-nung (durch zu wenig Sonne) derartigsinkt, daß der Motor zu drehen aufhört,wird er von der Solarspannung weiter nurnoch aufgeheizt. Der eine Motor mehr,

der andere weniger. Das hängt besondersvon seiner Belastung ab.

Ein Ventilatormotor ist beispielsweise we-nig belastet, und wenn die Spannung soweit gesunken ist, daß er nicht mehr dre-hen kann, heizt er sich mit dem Reststrommeistens nicht mehr gefährlich auf. EinMotor, der über ein Getriebe eine größereBelastung bewältigen muß, hört dagegenmit dem Drehen viel eher auf. Zu diesemZeitpunkt kann der Solarstrom noch ziem-lich hoch sein und den Motor beschädigenbzw. zerstören.Abhilfe: nur echte Solarmotoren nehmenoder einen Zwischenspeicher benutzen - essei denn, man setzt zwischen das Solarmo-dul und den Motor eine kleine Abschalt-elektronik (Tiefentladeschutz) ein, die beieiner zu niedrigen Spannung den Motorvom Solarmodul einfach abschaltet.

Alle in dieser Hinsicht angesprochenenMaßnahmen können entfallen, wenn derGleichstrommotor - ähnlich wie bei einemAkkuschrauber - nur unter Aufsicht ein-und ausgeschaltet werden kann. Ansonstenkommen für den direkten Betrieb (ohneZwischenspeicher) ohnehin nur echte „So-larpumpen" in Frage, von denen es bereits


eine genügende Auswahl gibt. Sie habenüblicherweise einen ausgezeichneten Wir-kungsgrad, eine hohe Lebensdauer undsind bzgl. der Versorgungsspannung sehrstrapazierfähig.

8.1 Solar-Springbrunnen undWasserfälleim Garten

Solar-Springbrunnen verdienen schon des-halb Aufmerksamkeit, weil es bereits sehrviele Solar-Tauchpumpen gibt, die vor al-lem als Springbrunnenpumpen oder alskomplette Bausätze erhältlich sind. Solchein Springbrunnen läßt sich im Handumdre-hen installieren. Man nimmt die Spring-brunnenpumpe, stellt sie auf den Boden desWeihers (unterhalb des Wasserspiegels),und es bleibt nur noch die Frage, wohin mitdem Solarmodul. In einem romantischenGarten sollte es ja unauffällig untergebrachtwerden. Falls in der direkten Nähe keinDach oder Dächlein ist, auf dem sich dasSolarmodul anbringen ließe, kann evtl. ne-ben dem Weiher ein dekorativer Rosenbo-gen aufgestellt werden, auf dem man dasSolarmodul unauffällig unterbringen kann.Zuerst einmal müssen wir ermitteln, wiegroß das benötigte Solarmodul überhauptsein muß - soweit es nicht mit einem Fer-tigbausatz gekauft wird. Wir wissen inzwi-schen, daß wir hier von den technischenDaten der Solarpumpe ausgehen müssen.Wenn eine Solarpumpe - wie z. B. die ab-gebildete Conrad-Springbrunnenpumpe -

Bild: 8.2 Springbrunnenpumpe für höhereLeistung (Foto B. Kin GmbH und INTERESB. V.).

eine Spannung von 2,1 bis 17 V benötigt(und verträgt), darf das Solarmodul eineNennspannung von 16,5 bis 17 Volt haben.Die Leistung (17 V x 0,5 A) beträgt 8,5Watt. Diese Leistung erhalten wir vom So-larmodul nur während einer sonnigen Mit-tagszeit im Sommer. Das wäre etwas zukritisch. Ein Modul mit 12 bis 15 WattNennleistung wäre hier besser.

Ausgehend davon, daß gute Solarzelleneine Leistung von 1,3 bis 1,4 W/dm2 brin-gen, handelt es sich hier theoretisch umeine Solarzellenfläche von ca. 10 bis 12dm2, die wir irgendwo ästhetisch vertretbarunterbringen sollten. Bei einem gekauftenSolarmodul werden wir kaum haargenaumit den theoretischen Berechnungen zu-rechtkommen. Beim Selbstbau des Solar-moduls wäre es etwas einfacher. Laut derTabellen mit technischen Daten aus dem

Weiherbelüftung mit Solarstrom

ersten Kapitel (Seite 18) könnten wir dieKyocera-Solarzellen mit Abmessungen von33,3 x 100 mm nehmen. Sie haben einenStrom bei max. Leistung (Nennstrom) von0,869 A, und eine Reihe von 36 Zellen er-gibt eine Spannung bei max. Leistung(Nennspannung) von 36 x 0,46 = 16,56Volt. Die Nennleistung (16,56 V x 0,869A) von 14,4 Watt wäre auch optimal.

Dieselbe Solarpumpe - allerdings ohneSprinkleraufsatz - eignet sich auch als Um-laufpumpe für einen kleinen Weiherwas-serfall.

8.2 Weiherbelüftungmit SolarstromSolange der Weiher von einem Spring-

brunnen oder einem kleinen Wasserfallbelüftet wird, benötigt er keine zusätzlicheBelüftung. Ansonsten ist sie für das biolo-gische Weihergleichgewicht sehr wichtig.Zu diesem Zweck gibt es Luftpumpen inverschiedenen Größen. Üblicherweise han-delt es sich hier um relativ einfache (undpreiswerte) Luftmembranpumpen. DieMembranen dieser Pumpen weisen zwarerfahrungsgemäß keine überwältigendeLebensdauer auf, aber lassen sich leicht ei-genhändig ersetzen (eine oder zwei Ersatz-membranen sollten mit einer neuen Mem-branpumpe gleich mitgekauft werden).

Membranpumpen haben einen niedrigenEnergieverbrauch und lassen sich deshalbauch während sonnenarmer Jahreszeitenmit dem Solarmodul betreiben, welches imSommer für die Springbrunnenpumpe zu-ständig ist. Falls hier an einigen Tagen die

Bild: 8.3 Ein romantischer Solar-Gartenwasserfall. Als Verbindungswasserleitungzwischen der Pumpe und dem Wasserfall genügt hier ein dünner Gartenschlauch. Jedünner der Schlauch, desto leichter tut sich die Pumpe.(Foto Gartenbau + Gartenteichzentrum Leichauer, Nürnberg).


Leistung des Solarmoduls zum Belüftennicht mehr ausreicht, ist das für den Wei-her nicht so schlimm.

Wenn am Weiher nur eine selbständigeSolarbelüftung erwünscht ist, wird in vie-len Fällen eine kleine Pumpe genügen, de-ren Leistung zwischen l und 5 Watt liegt.Hier reicht dann ein kleineres Solarmodulaus, daß sich evtl. auf dem Dach eines Vo-gel-Futterhauses anbringen läßt. Wenn Sieein derartiges Bauwerk eigenhändig erstel-len, sollten Sie bevorzugt eine Aluminium-oder Kupferstange als Stativ verwenden.Erstens kann dann kein Katze mehr hin-aufklettern, zweitens wird das Solarstrom-kabel im Rohr heruntergeführt.

8.3 SolarbetriebenePumpenFür die Bewässerung kleinerer Gärten oderfür die Wasserförderung zu beliebigen ande-ren Zwecken lassen sich verschiedene klei-ne Solarpumpen einsetzen, die im Zusam-menhang mit Springbrunnenpumpen be-

schrieben wurden. Von dem Aufgabenge-biet der Pumpe hängt ab, ob sie direkt vomSolarmodul angetrieben werden kann, oderob ein Zwischenspeicher unumgänglich ist.Über Zwischenspeicher konnten wir schongenug in Erfahrung bringen, und es dürfteuns auch nicht schwerfallen, für einePumpe die optimale Größe des Akkus, wieauch des Solarmoduls auszurechnen.

Wenn wir nun beispielsweise für die Con-rad-Pumpe aus dem Kapitel über Spring-brunnen, einen passenden Akku einplanenmöchten, gehen wir von den technischenDaten aus. Darin steht, daß die Pumpe bei12 V Spannung eine Stromabnahme von0,5 A hat. An einen 12 V-Akku ange-schlossen, verbraucht die Pumpe pro Be-triebsstunde demnach eine Kapazität von0,5 Ah.

Jetzt müssen wir nur noch feststellen, wie-viele Stunden pro Tag, und während wel-cher Jahreszeit die Pumpe arbeiten soll.Nehmen wir nun als Beipiel eine Pumpe,die für eine bescheidene Bewässerung desGemüsegartens zuständig ist. Sie soll vonFrühjahr bis Herbst an

sonnigen Tagen etwa 30 Minuten täglich pumpen. Sie verbraucht somit etwa l Ah Akku-Kapazität in vier Tagen. Hier könnte man sich zutrauen, einen

kleinen 1,1 Ah-Akku ein-zusetzen (z. B. eineNiMH-Type). Seine Ka-pazität würde normaler-weise auch bei sehrschlechtem Wetter immer-hin noch für vier Tage

Bild: 8.4 Eine kleine Solar-Bewässerungspumpe mit einfa-cher Spannungsregelung. Die Zenerdiode ZY 13 V und diezwei Gleichrichterdioden 1 N 4001 bilden hier einen Span-nungsregler für den 12 V-Akku, der aus 10 kleinen wieder-aufladbaren NiMH- oder NiCd-Akkus mit einer Kapazitätvon 1,1 bis 1,2 Ah zusammengestellt ist. Das Solarmodulsollte hier einen Nennstrom von max. 0,11 A und eineNennspannung von 17 bis 20 V haben.

Gartenbrunnen mit Solarpumpe

reichen (wenn es regnet muß ja nicht ge-pumpt werden). Alternativ können z.B.auch zwei 6-V-Motorrad-Batterien in Se-rie verschaltet werden. Ein 18 V/ 0,11 AhSolarzellenmodul würde hier in beidenFällen zum Nachladen genügen. SeineLeistung dürfte bei 2 Watt liegen (18 V x0,11 A = 1,98 W). Dieser kleine Akkuwürde nicht einmal einen aufwendigenLaderegler benötigen. Eine einfache Span-nungsregelung nach Bild 8.4 genügt völ-lig.

8.4 Gartenbrunnenmit SolarpumpeKleinere Brunnen können ein zusätzlichesWasserreservoir haben, in das an sonni-gen Tagen ein kleine So-larpumpe das Wasser ausdem Brunnen hin-einpumpt. Es sollte bevor-zugt so aufgestellt sein,daß man das Brauchwas-ser ohne zusätzliche Pum-pe nur mit Hilfe derSchwerkraft an die ge-wünschten Stellen (z. B.an die Gemüsebeete)transportieren kann. DerWasserbehälter läßt sichoft in einer Garagenecke,in einem Geräteschuppenoder unter dem Fußbodeneines zu diesem Zweckerstellten Gartenpavillonsunterbringen. Im Pavillon-dach kann dann auch dasSolarmodul für die Brun-

nenpumpe integriert werden (Bild 8.5).Wenn ein direktes und abrufbares Pum-pen des Wassers aus dem Brunnen bevor-zugt wird, ist kein zusätzlicher Wasser-behälter notwendig. Die Pumpe benötigt- ähnlich, wie die Bewässerungspumpeim vorhergehenden Kapitel - ein eigenesSolarmodul. Bei einem tiefen Brunnenmuß allerdings die Förderleistung - unddamit auch die Leistung des Pumpenmo-tors - ziemlich hoch sein. Dadurch wirdauch ein etwas größerer Akku und mögli-cherweise auch ein größeres Solarmodulbenötigt. Maßgeblich wird hier nur dertägliche Brunnenwasserbedarf sein, mitdem die Förderleistung des eingeplantenPumpenmotors übereinstimmen muß (dieFörderleistung wird unter den technischenDaten der Brunnenpumpen immer ange-geben).

Bild: 8.5 Solar-Brunnenpumpe mit einem Wasserbehälterunter dem Gartenpavillon. Hier reicht eine kleine, vom So-larmodul direkt betriebene Pumpe aus.


8.5 Markisen undJalousien mitSolarantriebFür den Solarantrieb von Markisen undJalousien eignen sich sehr gut die kleine-ren Gleichspannungsmotoren, die inAkku-Handwerkzeugen eingesetzt werden(wie z. B. die Type RS 540 aus der Tabel-le am Anfang dieses Kapitels. Für denAntrieb kann evtl. gleich ein kleiner rohr-förmiger Akkuschrauber verwendet wer-den. Er kann in die Mauer eingebaut wer-den - evtl. direkt unter eine abnehmbareSolarzellenfläche, die sich als ein dekora-tiver „Fenstersturz" an die Mauer anbrin-gen läßt (Bild 8.6)

Die Solarzellenfläche wird entweder auskleinen Fertigmodulen zusammengestelltoder als Selbstbaumodul aus kleinen So-larzellen erstellt. Hinter den Solarzellensollte auch ein kleiner NiMH-Akku unter-gebracht werden. Seine Spannung dürfte

Bild: 8.6 Das Solarzellenmodulfür eine Markise oder Jalousiekann als ein länglicher Streifenoberhalb des Fensters ange-bracht werden.

zwischen 3,6 und 4,8 Volt und seine Ka-pazität bei etwa 1,1 bis 2,2 Ah liegen - so-weit es sich nicht um einen besonderskräftigen Antrieb für eine große Markisehandelt.

Das sind allerdings nur Richtwerte, die sichden Betriebsanforderungen anpassen müs-sen. Erstens stellt sich die Frage, wie oft z.B. so eine Markise pro Woche aus- undeingefahren wird - bzw. ob sie nur in densonnigen Sommermonaten oder auchwährend der kälteren Jahreszeiten benutztwird.

Erfahrungsgemäß wird bei einer mittel-großen Markise eine l Ah-Akkukapazitätfür eine „Fahrzeit" von ca. 8 Minutenbenötigt. Davon läßt sich ungefähr derBedarf an Akkukapazität situationsbezo-gen ableiten. Das Aus- oder Einfahren derMarkise dürfte jeweils maximal eine Mi-nute dauern. Weiterhin ist uns bereits fol-gendes bekannt: je kleiner die Kapazitätdes Akkus, desto besser muß das Nachla-den auch bei ungünstigerem Wetter funk-tionieren - die Solarzellenfläche mußdementsprechend dimensioniert sein.

Hier käme ein Solarzellenmodul in Frage,dessen Nennspannung etwa 60% bis 75%höher als die Akkuspannung ist - die sichwiederum der Motorspannung anpassenmuß. Der Ladestrom sollte auch hier dieca. 10% von der Kapazität des Akkus nichtüberschreiten (besonders dann nicht, wennwir einen Eigenbau-Spannungsregler mitZener-Diode einsetzen).

Hier ist in jedem Fall der Bedarf an Solar-zellenfläche sehr bescheiden. Auch bei ei-

Elektrisches Gartentor mit Solarantrieb

Bild: 8.7 Ein elektrisches Schiebetor läßt sich leicht im Eigenbau aus Aluminium erstellen:a) die ganze bewegliche Konstruktion besteht aus dem eigentlichen Tor, das um einenFührungsrahmen F verlängert ist. Drei kugelgelagerte Laufrollen L und ein mit Solarmotorangetriebenes Lauf- Zahnrad LZ (Stirnzahnrad mit zwei Führungsscheiben) sind für dieFührung des Schiebetores zuständig. Eine Zahnstange Z an der Unterseite desFührungsrahmens sitzt an dem Laufzahnrad LZ und wird von ihm linear bewegt. Nachdem Ausfahren rastet das Tor in Halter H ein, die am linken Torpfosten P angebrachtsind.

nem 4,8 V/ 4 Ah-Akku würde es sich im-mer noch um eine relativ kleine Solarzel-lenfläche handeln: etwa 17 kleine Solar-zellen (Maße ca. 25 x 50 mm) würden ei-nen Nennstrom von etwa 0,3 A liefernkönnen. Das Solarmodul hätte somit Maßevon etwa 500 x 70 mm oder etwa 1000 x45 mm (abhängig davon, ob die Zellen mitden längeren oder kürzeren Seiten anein-andergereiht werden).

8.6 ElektrischesGartentor mitSolarantrieb

Zu einem fernbedienten Garagentorantriebgehört ein ebenfalls fernbedientes elektri-sches Gartentor, daß sich vergleichbar be-quem öffnen läßt. Im Gegensatz zu elek-trischen Garagentoren sind derartige Toreselten erhältlich, und noch seltener be-

zahlbar. Dabei läßt sich so ein elektrischesGartentor sehr leicht im Selbstbau erstel-len. Wenn zudem als Solar-Antriebsmotorder beschriebene Akkuschrauber einge-setzt wird, erübrigt sich dabei nicht nurdie Frage der Stromzuleitung, sondernauch die Frage der Stromverletzungsge-fahr.

Für den Selbstbau eignet sich am bestenein Schiebetor. Die meisten der herkömm-lichen elektrischen Schiebetore benutzenals Führung eine Bodenschiene. Das Pro-blem des Sauberhaltens - besonders imHerbst und während der Frostperioden(Laubfall und Eis) - ist jedoch unange-nehm. Eine einfache Lösung mit seitlichangebrachter Führung und einer etwas län-geren Hilfsrahmenkonstruktion behebt die-sen Nachteil: die unterhaltsintensive Bo-denschiene entfällt (Bild 8.7)

Die Zahnstange, wie auch das Stirnzahn-rad sollten bevorzugt aus rostfreiem Ma-


terial sein: Messing (Modul 1) oderKunststoff (Delrin bzw. Azetalharz, Mo-dul 2 bis 2,5) eignen sich am besten, undsind als Fertigteile erhältlich. Ein End-schalter (Mikroschalter) muß in den End-

positionen zuverlässig den Getriebemotorabschalten. Das Tor muß sich notfallsauch rein mechanisch (von innen) öffnenlassen, wenn ein Stromausfall oder De-fekt vorkommt.

Bild: 8.8 Motorpumpe Uni-Mot 12/2200 ist für den Gleichstrombetrieb von 6-V- bis 17-V-Spannung ausgelegt und für Dauerlauf geeignet (als solarbetriebene Springbrunnen-Wasserfall- oder Bewässerungspumpe). Fördermenge max. 2200 l/h, Förderhöhe max.3 m; mit Düse bis zu 3 Meter Wasserfontaine möglich. Stromaufnahme 0,6 bis 2,5 A. An-lauf bei 3 V/0,3 A; als Miniwasserfall-Pumpe benötigt sie etwa 6 V-Solarspannung und0,8 A-Solarstrom. Das Gehäuse besteht aus robusten Alugußteilen. Abm.: 170 x 85 x85 mm. Abgebildet mit Strahldüse und Filter (Conrad Electronic).

Heizen mit Solarstrom

trag der Sommermitte wie Kohle im Kelleraufbewahren könnten, um ihn erst im Win-ter einzusetzen, kämen wir mit einem Ver-hältnis der Wohnfläche und der Solar-fläche von annähernd l: l aus. Diese Infor-mation soll nur dazu beitragen, daß mansich von den Propor-

tionen eine konkrete Vorstellung machen kann.

Die Umwandlung des elektrischen Stromes in Wärme hat den Vorteil, daß dabei praktisch keine Verlu- ste entstehen, wenn es mit Hilfe eines Heiz- körpers geschieht, dessen Wärme voll über- tragen werden kann. Beispiel: Ein Wasser- kocher, bei dem die elektrische Heizspirale direkt vom Wasser umgeben ist.

Gleich am Anfang dieses Buches wurde je-

Um im Winter ein gut wärmeisoliertesWohnhaus nur mit Solarstrom beheizen zukönnen, müßte man eine Solarzellenflächezur Verfügung haben, die ungefähr fünf-mal größer ist, als die vorgesehene Wohn-fläche. Nur wenn wir den Solarenergie-Er-

Bild: 9.1 „Solar-Therm"-Kompaktanlage von AEG: bietet einehohe Energieausbeute auf kleiner Fläche. Die Wärmeträger-flüssigkeit wird von einer Umlaufpumpe in Vakuum-Röhrenkol-lektoren auf das Dach gepumpt. Die in einer wärmegedämm-ten Anschlußbox drehbar gelagerten Röhren lassen sich opti-mal zur Sonne ausrichten. Schrägdach-, Flachdach-, Fassa-den oder Balkonmontage ist dadurch möglich.

doch darauf hingewiesen, daß zum direk-ten Aufwärmen die Solarthermik einenviel höheren Wirkungsgrad hat als diePhotovoltaik. Die Schwachstelle des Hei-zens mit Solarstrom liegt nun 'mal bei denrelativ großen energetischen Verlusten, diebereits bei der Umwandlung der Sonnen-energie in elektrischen Strom (in den So-larzellen) entstehen. Der relativ niedrigeWirkungsgrad macht trotzdem nicht sovielaus, wenn man den Solarstrom zum Hei-zen oder Wärmen in Situationen anwendet,bei denen es keine bessere Alternativengibt oder wo es einfach Spaß macht.

Wenn es sich dagegen um gezieltes Auf-wärmen von Brauchwasser im Haus han-delt, ist eine rein thermische Solaranlageviel effizienter. Das eigentliche Funktions-prinzip wurde bereits im 1. Kapitel be-schrieben. Ein gutes praktisches Beispielzeigt die „Solar-Therm-Kompaktanlage"von AEG (siehe Bild 9.1).

9.1 SolarbeheizteGartenliegen,Gartenbänke,Terrassen- undBalkonstühleOft scheint während der kühleren Jahres-zeit zwar verlockend die Sonne, aber den-noch spendet sie nicht genügend Wärme.Wir kennen ja das Gefühl; man würde sichgerne in die Sonne hinsetzen oder hinle-gen, aber es wird oft auch unter der Deckeschnell zu kalt. Erfahrungsgemäß fehlt da

manchmal nur eine ganz kleine Portionvon zusätzlicher Wärme, um das Wohlbe-finden aufrecht zu erhalten. Als eines dereinfachsten Mittel eignet sich hier daselektrische Heizkissen. Wir nehmen unsjetzt einige einfache Beispiele vor, um dieProblematik in den Griff zu bekommen.Wenn z. B. ein Heizkissen 12 V/ 20 Wverwendet wird, können wir uns inzwi-schen ausrechnen, daß der Strom 1,66 Abeträgt (20 W : 12 V = 1,666 A). Bei ei-nem 30 W-Heizkissen wäre ein Strom von30 : 12 = 2,5 A nötig.

Alle elektrischen Heizelemente haben denVorteil, daß sie auch dann funktionsfähigsind, wenn man ihnen eine viel niedrigereSpannung zuteilt, als vom Hersteller vor-gesehen ist. Je niedriger die zugeführteSpannung unterhalb der angegebenenNennspannung liegt, desto niedriger ist indemselben Verhältnis allerdings auch derStrom und damit sinkt (laut der FormelSpannung x Strom = Leistung) sprunghaftdie Wärmeleistung.

Wenn demnach ein Heizkissen laut Herstel-ler 12 V/ 30 W hat, und wir schließen es an-statt an 12 V nur an 8 V an, wird es nur eineAusgangsleistung von 13,3 W haben, undein Drittel weniger Strom verbrauchen, alsbei der vorgesehenen 12-Volt-Spannung.Ansonsten hat eine schwächere Spannungkeine Nachteile auf den eigentlichen Wir-kungsgrad, denn die ganze elektrische Ener-gie wird hier in allen Fällen (bei beliebigerUnterspannung) in Wärme umgewandelt. Eswird in diesem Fall dieselbe Wärme abge-ben, wie bei einem Heizkissen, das direktals „12 V/ 13,3 W" hergestellt ist, und auchdie volle Spannung von 12 V bekommt.

Solarheizung als Frühbeet-Frostschutz

Fazit: soweit uns die erzeugte Wärmeausreicht, können alle Heizkörper ohneweiteres mit viel niedrigerer Spannungbetrieben werden, als vom Hersteller an-gegeben wurde (umgekehrt darf man esnicht machen, die Heizkörper würdenverbrennen).

Somit kann z. B. an ein 17 V-Solarmodulein Heizkissen angeschlossen werden,das für 24 V/ 30 W ausgelegt ist. DasKissen wird in diesem Fall anstatt 30 Wnur 15 W benötigen (und als Wärme ab-geben).

Ein Solarzellenmodul um die 25 Watt, miteiner Nennspannung von etwa 17V würdesich zu diesem Zweck ausgezeichnet eig-nen, und könnte außerdem noch viele an-dere Aufgaben übernehmen: die Beleuch-tung des Gartenhauses, Energieversorgungfür die Brunnenpumpe, Gartenbewässe-rung usw.

Soweit ein Heizkissen an einem kühlen,aber sonnigen Tag betrieben werden soll,kann es direkt an das Solarmodul an-geschlossen werden. Sonst ist ein Akku,der für die vorgesehene Zeitspanne aus-reicht, vorteilhafter: zum Nachladen wirdeine viel kleinere Solarzellenflächebenötigt, als für den Direktbetrieb unddas Kissen heizt unabhängig von derSonne.

Alles, was über das Heizkissen gesagtwurde, gilt auch für alle anderen Heiz-körper: Heizdecken, elektrisch beheizteKleidung und Schuhe (die es u. a. für denAutofahrer im Handel gibt), Heizfolien,Infrarot-Strahler usw.

9.2 Solarheizung alsFrühbeet-FrostschutzFrühbeete brauchen eine Solarheizung inder Hauptsache als Frostschutz. Es gibtJahreszeiten, in denen der Frost nur sehrsporadisch als unangemeldeter Besucheran einem oder zwei Tagen kommt, einengroßen Schaden anrichtet, und danach wie-der für längere Zeit verschwindet.

Eine bescheidene Solar-Notheizung kannin solchen Situationen ein wahrer Segensein. Wie „bescheiden" eine derartige Hei-zung konzipiert wird, hängt von der Größedes Frühbeetes ab.

Herkömmliche Gewächshaus-Heizanlagenbestehen überwiegend aus Heizkörpern,die z. B. als Heizleitungen in der Erde in-stalliert sind, und die bei Bedarf ziemlichkontinuierlich heizen. In unserem Fallbenötigen wir nicht unbedingt eine lang-sam wirkende kontinuierliche Heizung,sondern im Gegenteil eine „Wärmewelle",die im Stande ist, die Innenluft im Früh-beet bei plötzlich aufkommenden Frostschnell aufzuwärmen, sodaß die Lufttem-peratur oberhalb des Gefrierpunktesbleibt.

Optimal eignet sich für solche Zwecke einNiedervolt-Heizkörper mit Ventilator, derfür einen schnellen Warmlufttransportsorgt. Im Handel gibt es verschiedene Fer-tigprodukte (Kfz-Heizlüfter), die für 12Volt ausgelegt sind, und die sich problem-los einfach aufstellen lassen. Man kannsich aber auch verschiedenste Heizgeräteziemlich preiswert selber bauen.

Heizen mit Solarstrom

So kann beispielsweise eine Spirale ausWiderstanddraht oder eine Kette aus Rest-posten-Widerständen als preiswerter Heiz-körper dienen.

Bei der Berechnung können wir z.B. vonkleinen 2-Watt-Widerständen ausgehen.Als Energiespeicher eignet sich eine 12-V-Autobatterie. Die 12-Volt sind dann einrechnerischer Ausgangspunkt.

Angenommen, wir streben eine Heizungs-leistung von ca. 50 Watt an. Durchden Heizkörper müßte demzufolge einStrom von 4,16 A fließen (50 W : 12 V =4,16 A).

Laut Ohmschen Gesetz soll der Heizkör-per einen Widerstand von 2,88 Ohm haben(12 V: 4,16 A = 2,88 Ohm).

Wenn die Heizung nur mit einem Wider-standdraht gemacht wird, muß nun nichtweiter gerechnet werden. Bei Verwen-dung von Einzelwiderständen wäre eineKette von 25 Stück mit jeweiligem Ohm-schen Wert von 0,115 Ohm erwünscht(50 W : 2 W = 25 und 2,88 Ohm : 25 =0,115 Ohm).

Hier kann beispielsweise jedes Kettengliedauch aus vier parallel verbundenen 0,47Ohm/0,5 W-Widerständen erstellt werden(0,47 Ohm : 4 = 0,117 Ohm). Das ergibtzwar 100 Widerstände, aber sie kosten nurPfennige.

Daß ein zusätzlicher Thermostat unent-behrlich ist, versteht sich von selbst. DerThermostat kann sowohl als Bimetallther-mostat, wie auch als ein elektronischer

Präzisionsthermostat ausgeführt sein. EinBimetallthermostat ist preiswert, hat kei-nen Stromverbrauch, läßt sich evtl. aus de-fekten Heizgeräten ausbauen, hat aber denNachteil, daß er etwas ungenau arbeitet.Ein elektronischer Thermostat - evtl. auchim Selbstbau erstellt - bietet dagegen eineviel höhere Präzision. Er hat allerdingswieder den Nachteil, daß er Energie ver-braucht. Unter Umständen zwar sehr we-nig, aber wiederum durchlaufend.

9.3 Solarheizungim Gartenhausund in einemKinder-Spielhaus

Manchmal wäre es sehr willkommen,wenn im Gartenhaus, Schrebergartenhausoder Kinder-Spielhaus eine kleinere Elek-troheizung ein oder zwei Stunden langWärme spendet. Soweit es sich hier nurum ein gelegentliches Heizen handelt, läßtes sich mit Solarstrom gut bewältigen. Einkleiner 12 V-Elektro-Ofen (oder Infrarot-strahler) wird von einem Akku versorgt,für dessen Aufladen sich die Solarzellenoft einige Tage oder eine ganze WocheZeit nehmen können.

Als eine brauchbare Miniheizung könnenbereits zwei kleine 150 Watt-Infrarotstrah-ler dienen. Bei einer 12 V-Ausführung hät-ten sie einen Stromverbrauch von 25 A(300 W : 12 V = 25 A). An einer 100 Ah-Autobatterie angeschlossen, könnten sietheoretisch maximal 4 Stunden lang

Solarheizung im Gartenhaus und in einem Kinder-Spielhaus

heizen - vorausgesetzt, der Tiefentlade-schutz schaltet nicht vorzeitig ab (was erwiederum in der Praxis oft bereits nach ca.3 Stunden machen wird). Ein preiswerterLaderegler wird hier genügen, aber einTiefentladeschutz darf nicht fehlen, um dieAutobatterie vor zu tiefem Entladen zuschützen.

Was die technischen Parameter desbenötigten Solarmoduls anbelangt, wirdauch hier erst einmal die Frage nach derJahreszeit-Spanne überlegt werden müs-sen. Die Nennspannung des Solarmodulssoll ja derartig hoch sein, daß auch noch inder kritischen Jahreszeit geladen wird.Falls hier die „Heizperiode" nur von Aprilbis September laufen soll wird eine Mo-dul-Nennspannung von 18 bis 20 Voltgenügen. Die Ladespannung sollte im Op-timalfall bei einem 12 V-Bleiakku etwa biszu 16,5 V betragen.

Der Ladestrom-Bedarf ist eine Frage desNachlade-Bedarfs. Soweit davon ausgegan-gen werden kann, daß beispielsweise höch-stens zwei Stunden pro Woche geheiztwird, müßte das Solarmodul nur dem Akkudie abgezapften 50 Ah (2 Stunden mal 25A) nachliefern können. Der 100 Ah-Akkudürfte in diesem Fall einfachheitshalber wieein 50 Ah-Akku betrachtet werden, dem so-mit ein Ladestrom von 5 A (10% seiner Ka-pazität) genügen dürfte. Das benötigte So-

larmodul sollte also eine Nennspannungvon ca. 20 V und einen Nennstrom von 5 Ahaben. Es können natürlich auch mehrereSolarmodule derartig miteinander kombi-niert werden, daß man dieselben Werte er-hält. Ein 100 W-Solarmodul mit einerFläche von ca. l m2 ist hier allerdings un-umgänglich. Daraus ist ersichtlich, daß Hei-zen mit Solarstrorn ziemliche Ansprücheauf Energienachschub, und somit auch aufeinen hohen Kostenaufwand der Anlagestellt.

Lüften und Kühlen mitSolarstrom

Soweit es sich nur um einfaches Lüftenhandelt, gibt es auf dem Markt eine großeAuswahl an Solarventilatoren, wie auch annormalen Gleichstromventilatoren fürSpannungen ab etwa 0,4 Volt. Für dasKühlen mit Solarstrom sind als Standard-produkte diverse kleinere Solar-Kühl-schränke im Handel, die für Gleichspan-nungen von 12 oder 24 Volt erhältlichsind. Außerdem gibt es kleine tragbareGleichspannungs-Kühlboxen (Auto-Kühl-boxen), die sich auch als Solarverbrauchernutzen lassen.

10.1 Solar-VentilatorenDie kleinsten Solar-Ventilatoren sind oftnur als Spielzeug gedacht, und ihre Lei-stung ist sehr gering. Größere Solarventila-toren sind in unserem Breitengrad nochwenig im Einsatz, aber die zunehmendheißen Sommermonate dürften hier (durchdas Ozonloch) eine Wende zur Folge ha-ben. Wechselstrom-Ventilatoren verzeich-nen in letzter Zeit einen zunehmenden Ab-satz, und einige unserer Haushalte werden

möglicherweise während der heißen Som-mermonate von einem großen Ventilatoran der Decke träumen, den man bisher nurin den Tropen benutzte.

Somit dürften größere Solar-Ventilatorenauch bei uns eine vielversprechende Zu-kunft haben. Besonders deshalb, weil es inunserem Land während der heißen Monateoft noch eine absolute Windstille gibt.Eine künstlich erzeugte Briese kann dasWohlbefinden enorm steigern.

Vom Anwendungszweck hängt dabei ab,wann und wo der Solarventilator mit oderohne Zwischenspeicher eingesetzt wird.Da bei uns in den warmen Sommermona-ten die Luft außen oft fast bis Mitternachtunerträglich heiß bleibt, ist auch noch nachSonnenuntergang das Kühlen erwünscht.Aus diesem Grund ist ein Zwischenspei-cher unumgänglich - soweit man nicht aufden Netzstrom umschaltet, und einenGleichrichter benutzt. Außerdem ist einZwischenspeicher auch dann sehr vonVorteil, wenn der Ventilator täglich nichtgerade von morgens bis abends laufenmuß, sondern z. B. in einer Gartenlaubenur einige gemütliche Stunden am Tag die

Solar-Kühlschränke

Luft etwas in Bewe-gung setzt. Das Solar-modul, wie auch derAkku können dannsehr klein sein.

Bei der Planung eineroptimal dimensionier-ten Solarlüftung gehtman von dem Strom-verbrauch des Ventila-tors und von den tägli-chen Betriebsstundenaus. Konkrete Beispie-le der Berechnungwurden bereits im Zu-sammenhang mit ande-ren Anleitungen durch-gespielt. Wenn derVentilator fast den ganzen Tag lüften soll,ist es sinnvoll, wenn er größtenteilsim Direktbetrieb vom Solarmodul denStrom bezieht. Nur abends kann er dannnach Bild 10.1 auf den Akku umgeschaltetwerden.

10.2 Solar-KühlschränkeKühlschränke gibt es normalerweise alsAbsorptionskühlschränke und Kompres-sorkühlschränke. Absorptionskühlschränkearbeiten ohne Motor, sind dadurch sympa-thisch geräuschlos, aber haben einen we-sentlich größeren Energieverbrauch alsKompressorkühlschränke. Deshalb sind„echte" Solarkühlschränke als Kompres-sorkühlschränke ausgeführt. Sie sind mei-stens für eine 12-Volt- oder 24-Volt-Gleichspannung konzipiert und manchmal

auch noch mit einer speziellen Steuerelek-tronik und einem Tiefentladeschutz ausge-stattet. Die meisten Solarkühlschränkesind entweder als kleine Einbau- oder alsTisch-Kühlschränke in verschiedenstenAusführungen erhältlich.

Bei der Wahl eines Solarkühlschrankesmuß selbstverständlich auf den Energie-verbrauch geachtet werden, denn auch derkleinste „energiesparende" Kühlschrankverbraucht sehr viel von der Solarenergie,die in den meisten Fällen auch noch fürandere Zwecke benötigt wird. Anderseitssteigt der Energieverbrauch mit der Größeeines Kühlschrankes oft nur geringfügigan.

So hat z. B. ein AEG-Solar-Kühlschrankmit einem 75 Liter Inhalt laut Herstelleran-gaben einen Energieverbrauch von ca.300 Wh in 24 Stunden und ein Kühl-

Bild: 10.1 Eine Kombination von direktem und indirektem An-trieb eines Ventilators: wenn Schalter S1 in eingezeichneter Po-sition steht, lädt das Solarmodul über den Laderegler LR denAkku. Wenn S1 umgeschaltet wird, verbindet er das Solarmo-dul direkt mit dem Ventilator. S2 ist der eigentliche Ventilator-schalter. Bei dieser Schaltung wird vorausgesetzt, daß es z. B.früh am Morgen oder auch gelegentlich tagsüber Zwischenzei-ten gibt, an denen der Ventilator außer Betrieb ist, und das So-larmodul Gelegenheit zum Nachladen des Akkus hat.

Lüften und Kühlen mit Solarstrom

Kühlschrank mit seinem Verbrauch vonetwa 300 Wh beansprucht täglich eineAkku Kapazität von 25 Ah (300 Wh : 12V =25 Ah).

Wenn so ein Kühlschrank beispielsweisein einem Wochenendhaus steht, das nurwährend der wärmeren Jahreszeit benutztwird, wäre die Größe des Akkus davon ab-hängig, wie zuverlässig und ununterbro-chen der Kühlschrank kühlen muß. EineAkku-Kapazität (Kapazitäts-Anteil) vonca. 75 Ah dürfte als eine angemessene Si-cherheit (für drei solarstromlose Tage)ausreichen. Normalerweise würden wir jaohnehin Solarstrom auch noch für andereZwecke - wie Beleuchtung oder Fernseher- benötigen, und aus dem Grund eine we-sentlich größere Akku-Kapazität (von ca.150 Ah) einplanen.

Bild: 10.2 Solar-Flex-Modul von AEG: istleicht, dünn, biegsam, teils durchsichtig,und läßt sich auf beliebigen Oberflächenanbringen. Es kann einfach mit Klebebandauch auf der Glasfläche eines Wintergar-tens befestigt werden. Ideal als Stromver-sorgung für die Belüftung, wie auch fürElektroantriebe von Beschattungsvorrich-tungen, Bewässerungspumpen u. a.

schrank derselben Marke mit ganzen 162Litern Inhalt dagegen nur einen Energie-verbrauch von 360 Wh pro 24 Stunden.Ein doppelt so großer Inhalt kostet hieralso nur 20% an Energieverbrauch mehr.

Den vom Hersteller angegebenen täglichenEnergieverbrauch des Kühlschrankes mußdas Solarzellenmodul bzw. der Akku auchtäglich liefern können. Bereits der kleinere

10.3 ElektrischeKühlboxensolarbetriebenElektrische Kühlboxen - von denen es ge-genwärtig auf dem Markt eine sehr großeAuswahl gibt - arbeiten alle mit dem Prin-zip eines Peltier-Elementes, und sind füreine Gleichspannung von 12 Volt (alsAuto- und Campingkühlboxen) erhältlich.

Bei diesen Kühlboxen handelt es sich umkeine ausgesprochenen „Solargeräte" undder Energieverbrauch ist hier größer, alsman einer so kleinen Box zutrauen würde.Er fängt bei kleinen Kühlboxen mit etwa35 W an und steigt mit wachsendem Liter-

inhalt der Box bis auf ca. 65 Watt an. Dengrößten Teil des Energieverbrauchs nimmtdas eigentliche Peltier-Kühlelement in An-spruch. Ein kleinerer Teil entfällt auf denVentilator, der das heiß werdende Peltier-Element kühlen muß.

Die Kühlbox arbeitet ansonsten in ähnli-chen Zyklen, wie ein Kühlschrank: sobalddie innere Kühltemperatur die eingestellteSchwelle erreicht, schaltet sich die Ener-giezufuhr automatisch ab usw. Dadurchhängt - ähnlich, wie bei jedem Kühl-schrank - der Energieverbrauch der Kühl-box von der Umgebungstemperatur, wieauch davon ab, wie oft ihr Inhalt durchÖffnen der „Tür" aufgewärmt wird.

Auf dem Freizeitgrundstück oder amStrand kann so eine Kühlbox auch direktvom Solarzellenmodul (ohne Akku) betrie-ben werden. Die Solarzellenfläche solltedann in etwa genausoviel dm2 haben, wie-viel Watt an Stromverbrauch die Kühlboxbenötigt. Bei einer 35 W-Kühlbox müßtedas Solarzellenmodul ja auch die 35 W lie-fern können, und seine Fläche wäre etwa30 dm2 (0,3 m2) groß.Auf dem Autodach läßt sich ein solchesSolarmodul leicht unterbringen. Im Freienkönnen zwei oder drei Solarmodulflächenoben am Sonnenschirm aufgelegt und an

die Schirmspitze aufgehängt werden, umdie untenstehende Kühlbox laufend mitEnergie zu versorgen.

Zu diesem Zweck müssen kleinere Fertig-module zu zwei oder drei dreieckigen Kon-figurationen zusammengesetzt werden,bzw. kann man genausogut maßgeschnitte-ne Module im Selbstbau erstellen. Die So-larzellen können zwischen zwei dünnerePlexiglasplatten eingegossen werden.

Wenn man hier ganze Solarzellen verwen-det, die einen Nennstrom um die 3,1 A lie-fern, kann eine Solarzellenfläche (Kette)von 26 Einzelzellen eine Maximumlei-stung von ca. 37 W liefern (3,1 A x 26Zellen x 0,46 V pro Zelle = 37 W). Daspaßt ideal für eine kleinere 35 W-Peltier-Kühlbox! Das Solarmodul wäre hier theo-retisch etwas zu knapp dimensioniert, aberes reicht in der Praxis aus. Wenn wenigerSonne da ist, ist es auch entsprechendkühler, und die Kühlbox benötigt nicht soviel Strom, wie während einer größerenHitze, bei der wiederum das Solarzellen-modul seine volle Leistung bringt.

Soweit es die Bedingungen erlauben, kannein portables Solarzellenmodul, daß sichauch anderweitig nutzen läßt, einfach imFreien aufgestellt werden.

Haus- und Gartenbeleuchtungmit Solarstrom

Wer alle vorhergehenden Kapitel durch-gelesen hat, der weiß inzwischen, daß esbei einer guten Planung in der Hauptsa-che darauf ankommt, daß die Beleuch-tung möglichst sparsam arbeitet, bzw. daßsie zumindest während der sonnenarmenMonate nicht unnötig viel Energie ver-braucht. Dazu gehört eine gezielte Aus-wahl energiesparender Leuchtkörper undeine evtl. vollautomatisch zeitbeschränkteDosierung der Beleuchtung. Vor allemda, wo überflüssige Leuchtdauer dem Be-nutzer nichts bringt, weil er bereits wegist.

1 1 . 1 Solar-Lichtquellen

Als Lichtquellen für die Solartechnik eig-nen sich in erster Linie verschiedene ener-giesparende Leuchtstofflampen. Herkömm-liche Glühbirnen haben einen viel zu nied-rigen Wirkungsgrad. Konkret beinhaltet

das folgendes: eine 15 Watt-Standard-Glüh-birne bringt einen Lichtstrom von 90 Lu-men. Eine 15 Watt-Leuchtstofflampe schafftbis zu 900 Lumen - also das Zehnfache.

Im Handel gibt es verschiedene Arten vonEnergie-Sparleuchten, die auch als „Öko-licht-Lampen" für die Solartechnik ange-boten werden. Einige dieser Lampen wiez. B. die „Ökolight-Lampe" - geben einenbis zu zehnfach höheren Lichtstrom, alseine normale Glühlampe hat. Andere„Solarlampen" bringen nur etwa dasSechsfache auf die Waage. Achten Siebeim Kauf also nicht darauf, ob auf derLampenverpackung ein grüner Punkt oderein grünes Bäumchen aufgedruckt ist, son-dern darauf, ob es mit dem Lichtstrom inLumen auch seine Richtigkeit hat.

Als weitere Alternative eignen sich für dieSolarbeleuchtung die sogenannten „Neon-leuchten" (Bild 1.11). Sie haben einenetwas niedrigeren Wirkungsgrad, als dieLeuchtstofflampen, und beinhalten eben-falls eine Art Vorschaltgerät (einen winzi-gen Wechselrichter).

Beide energiesparenden Leuchtkörper ha-ben zwei charakteristische Merkmale: derWirkungsgrad steigt wesentlich mit derLeistung, und die Lebensdauer ist ziemlichhoch.

Etwas problematisch ist es mit dem Wir-kungsgrad der Halogenlampen. Es gibt daverschiedenste Typen, die bezüglich desWirkungsgrades recht unterschiedlichsind. Die meisten der gängigen Halogen-lampen erreichen - trotz ihres guten Rufes- nicht einmal einen doppelt so hohenLichtstrom, wie ihn die traditionellen Stan-dard-Glühbirnen aufweisen.

In Hinsicht auf die Nutzungsart dürfte manfolgendes empfehlen:- Leuchtstofflampen verdienen Vorrang

vor allen anderen Leuchtkörpern, wenndie Beleuchtung für eine jeweils längereZeitdauer benötigt wird. Für kurzfristi-ge Beleuchtung sind sie oft noch zu teu-er (was sich voraussichtlich bald änderndürfte, denn die Weltpreise liegen be-reits relativ niedrig).

- Für kurzfristige Beleuchtung (Garagen-zufahrt, Gartentürlampe) sind kleinereHalogenlampen praktisch. Auch des-halb, weil es sie standardmäßig bereitsfür niedrige Spannungen gibt (2,8 V / 4V / 5,2 V / 6 V / 6,5 V).

- Für rein dekorative Beleuchtung eignensich am besten „superhelle" LEDs.

- Für Hintergrundbeleuchtung gibt esspezielle LEDs, oder Photonik-Leucht-folien. Die speziellen Hintergrundbe-leuchtungs-LEDs haben eine Art Re-flektor, der das Licht auf einer diffusenFrontscheibe breitflächig verteilt. Beiden Photonik-Leuchtfolien handelt es

sich um ein Material, bei dem die Ato-marstrukturen - ähnlich, wie bei einemLaser - angeregt werden, und dadurchLicht in Form von Lichtquanten (Photo-nen) abgeben. Diese Folien sind nur ca.0,6 mm dünn und in verschiedenen Far-ben (weiß, türkis, gelb, blau und grün)erhältlich. Sie haben einen Stromver-brauch von nur 10 mA/dm2, produzierenkeine Wärme und eignen sich hervorra-gend als Hintergrundbeleuchtung fürSchilder und Tafeln.

Alle bisherigen Angaben haben nur einensehr informativen Charakter und könnenherstellerabhängig oder typenabhängig va-riieren. In Hinsicht auf die leistungsabhän-gige Lichtausbeute sollte bei der Planungeiner Raumbeleuchtung beachtet werden,daß typenabhängig z.B. eine einzige 14-Watt-Leuchtstofflampe dasselbe Licht ge-ben kann, wie neun kleine 4-Watt-Leucht-stofflampen zusammen (die eine stolzeGesamtleistung von 36 Watt benötigen).

Gewisse Aufmerksamkeit verdienen hierdie LEDs. Jeder kennt sie, nur wenige wis-sen, worum es geht. LEDs sind leuchtendeHalbleiter (Leuchtdioden), die fast ewigmithalten, sehr wenig Strom verbrauchen,eine sehr niedrige Spannung benötigen,und unter Umständen sogar relativ vielLicht geben. Das sind äußerst willkomme-ne Eigenschaften für die Solartechnik.

Es gibt runde, viereckige und dreieckigeLEDs in den Farben rot, gelb, grün, orangeund blau (die blauen sind noch ziemlichteuer). Fast alle LEDs sind zudem wahl-weise im klaren oder im diffusen Kunst-stoffgehäuse erhältlich. Standardmäßig

Haus- und Gartenbeleuchtung mit Solarstrom

werden auch zweifarbige DUO-LEDs her-gestellt. Hier handelt es sich im Grunde ge-nommen um zwei LEDs in einem Gehäuse.Einige der LEDs sind auch als blinkendeLEDs erhältlich. Diverse DUO-LEDs wer-den als teilweise blinkend angeboten (dierote blinkt, die grüne leuchtet dauernd).

Die meisten LEDs benötigen eine Be-triebsspannung von etwa l ,6 bis 2,7 V undeinen Strom von nur 0,02 A (= 20 Mil-

liampere). Einige Mini-LEDs brauchennur einen Strom von 0,015 A. Es gibt je-doch auch sogenannte „Low-Current-LEDs", für die ein Strom von 0,002 Agenügt. Dabei bringen einige der besserenTypen dieselbe Lichtstärke zustande, wieihre energiefressenden Brüderchen, die ei-nen zehnfach höheren Stromverbrauchaufweisen.

Für die Solartechnik sind besonders die so-genannten „superhellen LEDs" interessant.Um in die Vielfalt an technischen Informa-tionen eine Übersicht zu bringen, setzenwir der Einfachheit halber eine kleine Ta-belle zusammen (Bild 11.2)

Die Menschen machen sich das Leben mitden unterschiedlichsten technischen Datenschon ziemlich schwer. Es gibt jedoch un-ter den technischen Daten auch solche, die

Bild 11.1 Die folgende Tabelle zeigt informativ, wie es typen- und leistungsbezogen mitden Unterschieden des Lichtertrages einiger Lampen aussieht.

LampentypeLeistungs-aufnahme

Lichtstrom/Lumen/

Standard-GlühlampeStandard-GlühlampeStandard-GlühlampeStandard-GlühlampeStandard-GlühlampeStandard-Glühlampe

10 W15 W25 W40 W60 W75 W

48 lm90 Im230 Im430 Im730 Im960 Im

HalogenlampeHalogenlampe

15 W20 W

155 Im350 Im

NeonleuchteNeonleuchteNeonleuchte

8 W10 W15 W

375 Im485 Im780 Im

Ökolight-LampeÖkolight-Lampe

11 W14 W

600 im900 Im

Solar-Lichtquellen

LED TypeArbeits-spannung

Strom-aufnahme

Ausstrahl.Winkel

Lichtstärke/Candel/

Normal diffus rotNormal diffus gelbNormal diffus grün

ca. 1,6 Vca. 2,1 Vca. 3,0 V

0,02 A0,02 A0,02 A

ca. 25°ca. 25'ca. 25°

1,6 mcd2,0 mcd3,0 mcd

Normal klar rotNormal klar gelbNormal klar grün

ca. 1,6 Vca. 2,1 Vca. 3,0 V

0,02 A0,02 A0,02 A

ca. 25°ca. 25°ca. 25°


Low-Current rotLow-Current gelbLow-Current grün

ca. 1 , 6 Vca. 1,7 Vca. 2,0 V

0,002 A0,002 A0,004 A

ca. 25°ca. 25°ca. 25°


Superhelle rotSuperhelle rotSuperhelle rot/E

ca. 2,2 Vca. 2,2 Vca. 2,2 V

0,02 A0,02 A0,02 A

ca. 120°ca. 35°ca. 35°

60 mcd500 mcd3000 mcd

Bild 11.2 Vergleich der Lichtausbeute einiger LEDs

Lichtstärke bei Ausstrahlungswinkel

Lampentype

Leistungs-

aufnahme von 10° von 15° von 35°Halogen-Glühlampe 10 W 1500 cd 400 cd 88 cd

Bild 11.3 Vergleich der Lichtströme in Abhängigkeit vom Ausstrahlungswinkel

uns wiederum die richtige Wahl sehr er-leichtern. Dazu gehören auch die Informa-tionen darüber, wie groß der Lichtstrom inLumen, (Abkürzung „Im") einer Lampeist. Diese „Lumen" geben die gesamteLichtsumme an, die aus der Lampe heraus-kommt. Es wird dabei außer acht gelassen,wie breit der Ausstrahlungswinkel desLichtkegels ist.

die es geht. Man kann sich hier gut vor-stellen, daß zu Signalzwecken ein kleine-rer Ausstrahlungswinkel genügt, als fürdie Hintergrundbeleuchtung eines Solar-schildes.

So wird bei einigen Lampen und bei allenLEDs nicht der Lichtstrom (in Lumen),

Bei manchen Lampen,zu denen auch einigespezielle Halogen-Glühlampen gehören,ist es jedoch für denAnwender wichtig zuwissen, wie breit derAusstrahlungswinkel(Lichtkegel) ist, undwie stark die Flächebeleuchtet wird, um Bild: 11.4 LEDs als dekorative Mini-Leuchtkörper in der

Solartechnik.


sondern die Lichtintensität. (Lichtstärke)pro Rächenteil in „cd" oder „mcd" (Can-del oder Millicandel) angegeben. Es ver-steht sich von selbst, daß Lampen oderLEDs mit einem kleinen Ausstrahlungs-winkel (schmalen Lichtkegel) eine Flächeintensiver pro cm2 ausleuchten, als Lam-pen mit einem breiteren Ausstrahlungs-winkel. Als Beispiel vergleichen wir inter-essehalber drei 10 W-Halogenglühlampenmit unterschiedlichen Ausstrahlungswin-keln.

So produzieren z.B. alle drei Lampen nachBild 11.3 zwar dieselbe Menge an Licht,aber die Belichtung pro cm2 Fläche sinktlogischerweise mit der Vergrößerung desAusstrahlungswinkels. Dasselbe gilt für

die LEDs. Es istz. B. darauf zu

achten,daß es auch beiden superhellenLEDs ty-penbezogen sehr

unterschiedlicheLicht-

stärken gibt, diezwischen 60 und

3000mcd (bei gleichem Strombedarf) liegen.Hier sollte darauf hingewiesen werden,daß so eine superhelle 3000-mcd-LED ei-nen Verbrauch von nur 0,05 W hat, wasumgerechnet eine Lichtstärke von 550 cd

pro 10 Watt bei einem Ausstrahlungswin-kel von 35° ergibt. Im Vergleich mit derim Bild 11.3 aufgeführten 35°-Halo-genglühlampe schneidet diese LED bzgl.des Wirkungsgrades hervorragend ab.

Vom Lichtspektrum her eignen sich diemeisten LEDs jedoch eher für eine Be-leuchtung dekorativer Art - obwohl es in-zwischen auch schon LEDs mit einemziemlich natürlichen „Tageslicht" gibt.

11.2 Solarleuchtenals FertigprodukteSolarleuchten gibt es in zwei Grundaus-führungen: mit oder ohne ein am Leucht-körper integriertem Solarzellenmodul. ImInneren der kompakten Solarleuchten mitsichtbar angebrachtem Solarzellenmodulist normalerweise auch ein Akku als Zwi-schenspeicher untergebracht. Kompakt-leuchten mit einem Solarzellenmodul sindverständlicherweise nur als Außenleuchtenkonzipiert, und sollten so aufgestellt wer-den, daß die Solarfläche gegen Süden ge-richtet ist, und möglichst viel Sonne auf-fangen kann.

Solarleuchten sind entweder als freistehen-de Gartenlampen oder als Wandleuchtenausgeführt. Die meisten der handelsübli-chen kleineren Solaraußenlampen (Garten-lampen) haben nur eine kleinere Solarzel-lenfläche und einen kleineren Akku, wo-durch man von ihnen nicht einmal imSommer unbedingt erwarten kann, daß siedie ganze Nacht lang leuchten. Viele die-ser Lampen sind nur mit einem Dämme-

Solarleuchten im Selbstbau

rungsschalter ausgestattet, schalten beiDämmerung ein, und leuchten dann ein-fach solange, bis der Akku leer ist. Dietägliche Leuchtdauer hängt natürlich da-von ab, wie gut sich der Akku tagsüberwetterbedingt aufladen konnte. Somit sindderartige Lampen als kontinuierlicheAußenbeleuchtung nur situationsbezogenbrauchbar.

Einige Solaraußenleuchten haben nebendem Dämmerungschalter noch einen Be-wegungssensor (Bewegungsmelder) undleuchten nur dann auf, wenn ein Mensch,ein Tier oder ein Auto in die Nähe kommt,bzw. wenn der Wind die Zweige des nahe-stehenden Baumes zu sehr bewegt. Daman einer derartig konzipierten Kompakt-leuchte kaum beibringen kann, daß sie aufeine vorbeifliegende Fledermaus oder vor-beilaufende Katze nicht reagieren darf,sollte sie lieber nicht im Sichtwinkel desSchlafzimmerfensters aufgestellt werden.Es sei denn, man stattet sie noch mit zu-sätzlichen Schaltern oder Sensoren aus, diedas Einschalten etwas zweckorientiertereinschränken.

Solarleuchten ohne Solarzellenmodul - diewir an beliebige Solaranlagen Marke Ei-genbau anschließen können - gibt es inverschiedensten Ausführungen als Außen-leuchten, Feuchtraumleuchten und Innen-leuchten. Sie sehen den anderen Netzspan-nungsleuchten ähnlich, sind jedoch über-wiegend für eine Gleichspannung von 12Volt entwickelt. Es besteht auch ein größe-res Angebot an Solarleuchten für 24 Voltund ein etwas kleineres Angebot an Solar-leuchten für Spannungen unterhalb von 12Volt.

11.3 Solarleuchten imSelbstbauDer Anlaß zum Selbstbau kann meistensdarin bestehen, daß man bei der Lampespezielle Eigenschaften benötigt, die beiden Standardprodukten nicht zu findensind. Als eine empfehlenswerte Lösungbietet sich hier die Anpassung oder Umge-staltung einer bestehenden Solarlampe an.Ein Fertigprodukt ist meistens preiswerterals einzeln zusammengekaufte Bauteile.Soweit nur die üblichen Solar-Niederspan-nungen von maximal 24 Volt verwendet


werden, gibt es keine Stromverletzungsge-fahr, und darum kann die Kreativität vielmehr Spielfläche erhalten. Auch deshalb,weil hier jegliche VDE-Vorschriften igno-riert werden dürfen (so etwas tut einemrichtig wohl). Achten Sie aber dennochdarauf, daß ein Kurzschluß oder eine fun-kende Verbindung nicht feuerstiftend wir-ken kann. In dieser Hinsicht ist Gleich-strom gefährlicher als Wechselstrom

11.4 Solar-beleuchtung richtigdimensionieren

Bei dem Begriff richtiger Dimensionie-rung wird es sich bei der Solarbeleuchtungin der Regel um einen gewissen Kompro-miß zwischen dem Wunschwert und derAkzeptanzgrenze handeln. Als Leitfadenkönnen dabei die Angaben über dieLichtintensität von normalen Glühbirnendienen.

Wenn beispielsweise eine 14 W-Ökolight-Sparlampe einen Lichtstrom von 900 Imund eine gewöhnliche 75 W-Glühbirne 960Im hat, werden diese beiden Lampen unge-fähr dasselbe Licht geben. Der Lichtstromeiner 11 W-Ökolight-Lampe liegt mit sei-nen 600 Im ziemlich in der Mitte zwischeneiner 40 W- und einer 60 W-Glühbirne.Somit läßt sich auch hier einschätzen, obdiese Lichtintensität für den einen oder an-deren Zweck ausreichend sein dürfte.

Falls wir uns für eine dieser Ökolight-Lampen entschließen, müssen wir nur

noch überlegen, wieviele Stunden dieLampe pro Tag oder pro Woche leuchtensoll, und daraus ergibt sich ihr Energiebe-darf. Wenn beispielsweise die 11 W-Spar-lampe einen Stromverbrauch von 0,9 Ahat, und maximal zehn Stunden pro Wo-che leuchten soll, beansprucht sie eine Ak-kukapazität von 9 Ah. Wenn die Beleuch-tung nur während der lichtreichen Jahres-hälfte - z. B. nur vom April bis September- benötigt wird, kann der 12 V-Akku mehroder weniger laufend nachgeladen werden.Ein Solarmodul mit einer Nennspannungvon ca. 18 V und einem Nennstrom vonca. 0,7 bis 0,9 A dürfte hier völlig ausrei-chen.

In der Praxis wird so ein Akku möglicher-weise auch noch andere Verbraucher mitStrom versorgen müssen (weitere Garten-lampen, Gartenpumpe, Fernseher, Heizkis-sen), und seine Kapazität ergibt sich dem-zufolge aus der Summe einzelner Energie-Anteile. Dennoch wird in sehr vielen Fäl-len eine der kleinsten Autobatterien (z. B.12 V/36 Ah) genügen. Diese Batterie darfhöchstens einen Ladestrom von 3,6 A ha-ben.

In Hinsicht auf die Nennströme der mei-sten Solarzellen - die zwischen ca. 2,8 und3,1 A liegen - geben wir uns mit diesemLadestrom zufrieden, und wählen liebereine etwas höhere Nennspannung des So-larmoduls (20 bis 22 V). Dann liefert dasModul auch bei düsterem Wetter rund umdie Mittagszeit immer noch eine Spannungvon ca. 13 bis 14 V und einen Ladestromvon über l A. Zum Nachladen des Akkuswerden dann während der ersten Aprilhälf-te und der letzten Septemberhälfte zwar

Solarbeleuchtung richtig dimensionieren

manchmal bis zu sieben Tage notwendig,aber das genügt völlig.

Auch in diesem Beispiel werden wir mitähnlichen Überlegungen konfrontiert, wiesie bereits in vorhergehenden Kapiteln an-gesprochen wurden. Aus dem Ganzen gehthervor, daß es sich bei der Dimensionie-rung der Solaranlage eigentlich immer umdieselben Vorgänge handelt, und daß dabeidie Einschätzung der Wetterbedingungeneinen sehr wichtigen Stellenwert hat. Lei-der gibt es keine Tabellen, aus denen her-vorgehen könnte, wie das Wetter im näch-sten September oder übernächsten Märzsein wird.

Das einzige, was zuverlässig stimmt, sinddie Angaben über den Sonnenaufgang undSonnenuntergang. Zu Ihrer Informationzeigen wir im Bild 11.7 wie es damit je-weils in der Mitte einzelner Monate (Lan-des-Mitte) aussieht, denn das kann uns beidiversen Planungen nützlich sein.

Der Unterschied zwischen der Tageslängeam 15. Juni und am 15. Dezember ist jagrößer, als die meisten von uns schätzenwürden. Dazu kommt noch die bedauerns-werte Tatsache, daß sich die Sonne zwar andie Angaben in der Tabelle hält, aber den-noch im Winter manchmal unsichtbarbleibt. Das alles sollten wir bei der Dirnen-

Tag:Sonnenaufgang -Sonnenuntergang: Sonnenlichtdauer:

15. Januar 8,20 - 16,43 8 Std. 23 Min.

14. Februar 7,37 - 17,30 9 Std. 53 Min.15. März 6,36 - 18,27 11 Std. 51 Min.

15. April 6,27 - 20,18 13 Std. 51 Min.

15. Mai 5,31 - 21,06 15 Std. 35 Min.15. Juni 5,05 - 21,40 16 Std. 35 Min.

15. Juli 5,23 - 21,32 16 Std. 09 Min.

15. August 6,08 - 20,44 14 Std. 36 Min.15. September 6,57 - 19,37 13 Std. 40 Min.

15. Oktober 6,46 - 17,29 10 Std. 43 Min.

15. November 7,39 - 16,33 8 Std. 54 Min.15. Dezember 8,20 - 16,14 7 Std. 54 Min.

Bild: 11.7 Tabelle Sonnenaufgang/Sonnenuntergang


sionierung einer Solaranlage berücksichti-gen, die auch während der Wintermonatefunktionsfähig bleiben soll. In den letztenJahren gab es allerdings während der Mo-nate Dezember und Januar oft ein sehr son-niges, frühlingshaftes Wetter.

So wurden beispielsweise von den Verfas-sern dieses Büchleins speziell für diesesThema u.a. folgende Meßergebnisse fest-gestellt: am 15. Dezember 1994 um 15:25Uhr wurden bei wunderschönem sonnigenWetter (Temperatur 0°C) diverse Solarzel-lenmodule gegen die Sonne gerichtet. Die

ermittelten Werte waren überraschend gut.Unter Belastung von Ladereglern undhalbleeren Akkus wurden pro SolarzelleNennspannungen um die 0,44 V ermittelt.Der Ladestrom lag hier bei l A pro Zelle(mehr hatten die Akkus bei einfachen La-dereglern nicht nötig, da sie ja halb vollwaren).

Es handelte sich hier um eine echte Be-triebssituation beim praktischen Nachladender Akkus. Die Spannung pro Solarzellewar hier also noch 44 Minuten vor demSonnenuntergang wirklich hervorragend.

Bild: 11.8 Solarertragserhöhung während der Wintermonate mit Hilfe von zusätzlichenSolarmodulen: a) während des Sommerbetriebes werden Solarmodule S2 und S3 ander-weitig genutzt; b) im Winter werden diese zwei Module noch an das Modul S1 ange-schlossen, wodurch sich die theoretische Nennspannung auf 22,5 V erhöht. Damit steigtauch die Chance, daß selbst bei trüberem Winterwetter die Solarspannung hoch genugsein wird, um den Akku (über Laderegler LR) nachladen zu können. Wenn die Solarmodu-le keine integrierten Bypass-Dioden haben, müssen diese unbedingt zusätzlich ange-bracht werden (eine für das untere Modul und eine für das obere Modulen-Duo). Es isttechnisch nicht unbedingt notwendig, daß die zusätzlichen Module S2 und S3 genau die-selbe Leistung aufweisen, wie das untere Modul S1. Auch hier ist jedoch die Leistung desschwächsten Kettengliedes für die Gesamtleistung (und des Stromes in A) der ganzenKette bestimmend. Wenn beispielsweise die Module S2 und S3 jeweils eine Nennleistungvon 20 W - und damit zusammen 40 W - hätten, bleibt die max. Gesamtleistung bei den30 W des Moduls S1. Wenn dagegen die Module S2 und S3 jeweils nur eine Leistung von12 W - und damit zusammen 24 W - hätten, würde auch die max. erreichbare Nennlei-stung der ganzen Kette bei 24 W liegen. Da jedoch im Winter die Frage der Spannung vielwichtiger ist als die Frage der Leistung, könnte auch dieser Nachteil in Kauf genommenwerden.

Dieses Beispiel will nur zeigen, daß diePhotovoltaik auch im Dezember noch aus-gezeichnet funktioniert. Wenn jedoch dasDezemberwetter zu trübe ist, sinkt dieSpannung des Solarmoduls unter die Span-nung des Akkus, und damit kann kein La-destrom mehr fließen. Darüber konntenwir bereits im 2. Kapitel alles in Erfahrungbringen.

Während eines sonnigen und freundlichenDezembers kann z. B. eine 12 V/50 Ah-Autobatterie (bzw. ein Solarakku) ziem-lich kontinuierlich nachgeladen werden,wenn das Solarmodul eine Nennspannungvon mindestens 17,5 V und einen Nenn-strom von 5 A hat. Während etwas trübe-rem Dezemberwetters kann die Solarspan-nung um 33% bis 50 % sinken.

Angenommen, es sollte ein Akku nachge-laden werden, der momentan eine Span-nung von 11,5 V hat, dann müßte das So-larmodul mindestens eine Spannung von14 V liefern können (andernfalls wäre derLadestrom zu niedrig, und das Aufladenkönnte wochenlang dauern). Wenn wirnun auf die 14 V die erwähnte Spannungs-einbuße aufrechnen, ergibt sich darauseine Solarmodul-Nennspannung von 21bis 28 V. Eine unsympathisch breite Span-nungsgrenze. Wenn wir jetzt weiterma-chen, kommen wir in eine Schleife, diesich bis zum Anfang dieses Buches zieht.In der Praxis werden wir uns mit einer et-was niedrigeren Solarmodul-Nennspan-nung zufrieden geben und hoffen, daß al-les gut geht. Wenn nicht, kann ja immernoch ein zweites Solarmodul angeschlos-sen werden. Hierzu ein Tip: da hier Man-gel an Spannung viel kritischer ist, als

Mangel an Strom, kann ein kleineresZweitmodul für die Übergangszeit (Win-terperiode) in Reihe mit dem Hauptmodulangeschlossen werden (Bild 11.8).

Ein derartiger Aufwand lohnt sich nurdann, wenn es sich um ein Schrebergarten-häuschen, Ferienhaus oder eine Berghüttehandelt, die auch während der Wintermo-nate benutzt werden, und bei denen einegelegentliche Notlösung - wie z. B. ein zuHause aufgeladener Akku - zu umständ-lich wäre. Das Zweitmodul kann dannwährend der Winterperiode an ganz ande-rer Stelle installiert werden als das Haupt-modul. In Hinsicht auf den günstigen Nei-gungswinkel bietet sich ein provisorischesvertikales Aufhängen an der Außenmaueroder ein Aufstellen an einem drehbarenStativ an.

11.5 Solar-beleuchtung ander GartentürEs gibt nur wenige Gartentüren, an deneneine gute Beleuchtung einem willkomme-nen Besucher, wie auch dem Hausbewoh-ner das Leben erleichtert. Das Anlegenvon einem Wechselstrom-Netzanschlußkann oft eine ziemlich komplizierte undteure Angelegenheit werden. Die Photo-voltaik kann hier derartige Projekte sehrvereinfachen. Wir haben bereits im 8. Ka-pitel ein elektrisches Solartor vorgestellt,wobei die Solarzellen direkt an den Tür-pfosten angebracht werden können. Daswäre ein Lösungsbeispiel der eigentlichen


Bild 11.9 Solar-Außenlampe amHauseingang (AEG)

Energiequelle, die natürlich gleichzeitigauch für eine drahtlose Türsprechanlagebzw. einen drahtlosen Türgong und für dieBeleuchtung zur Verfügung steht.Eine Gartentürbeleuchtung dürfte sich infolgende Funktionskomponente aufteilen:

- Lampe (Lampen) an der GartentürLampe (Lampen) am Weg zum Haus-eingang bzw. an der Haustür

- Leuchtende Hausnummer (durchlau-fend oder mit einer Unterbrechungwährend der Nachtruhe, aus LEDs zu-sammengestellt)

- Leuchtendes Namensschild (mit einemDämmerungsschalter und infraroten Be-wegungsmelder gesteuert)

- Leuchtendes Firmenschild - falls zutref-fend.

Die Lampen an der Gartentür und die Haus-nummer können besonders im Winter, z. B.bis in die späteren Abendstunden leuchten,aber der Rest der Elektronik und derBeleuchtung kann sich nur durch Betätigender Türklingel einschalten (Bild 11.10).Das Namensschild dürfte evtl. mit einemsehr selektiven Annäherungsschalter verse-hen werden, um nur dann zu schalten,wenn jemand direkt vor der Tür steht. Zudiesem Zweck kann auch ein normaler IR-Bewegungsmelder benutzt werden, dessenSensorfenster durch Überkleben derartigverkleinert wird, daß er nicht auf jeden vor-beilaufenden Hund reagiert.

11.6 Solarlicht imGartenLicht im Garten hat verschiedene Aufgaben:eine rein funktionelle Beleuchtung von We-gen oder Flächen, eine dekorative Beleuch-tung, Einbruchsschutz usw. Beim Solarlichtist die Lichtintensität und die Leuchtdauervon größter Wichtigkeit. Am leichtestenhat man es mit Lampen, die nur einige Se-kunden oder Minuten lang leuchten bzw.als Einbruchsschutz nur blitzartig aufleuch-ten, und somit fast keine Energie verbrau-chen. Eine Garagenzufahrtsbeleuchtungoder eine Einbruchsschutzlampe in der hin-tersten Gartenecke dürften mit kleinen So-larzellenflächen und mit ebenfalls kleinenAkkus zurechtkommen. Eine Hausein-gangsbeleuchtung, die aus ästhetischenGründen während des ganzen Abends bzw.sogar die ganze Nacht leuchten soll, wirdsich dagegen nicht so einfach mit einerkleinen Solarfläche zufrieden geben.

Solarlicht im Garten

Aus allen bereits aufgeführten Beispielenhaben wir inzwischen gelernt, wie man mitder Berechnung der Solarzellenfläche undder Akkukapazität zurecht kommt. Wirwissen auch, daß wir den Lichtbedarf nachLumen und nicht nach Werbesprüchen be-urteilen und vergleichen müssen. Mancheder angebotenen Solargartenlampen bietennur eine Lichtintensität, die bestenfalls alsGrabbeleuchtung akzeptabel ist.

Soweit man mit mehreren solchen Lampenromantische Lichtinseln im Garten kreie-ren will, ist dagegen nichts einzuwenden,aber für eine ordentliche Beleuchtungbraucht man auch ein ordentliches Licht.Dazu wird oft ein separates größeres So-larmodul notwendig bzw. auch ein größe-rer Akku. Die handgroßen Solarzellen-flächen auf den kompakten Gartenlampenreichen für die geographische Lage unse-rer Länder nicht aus, wenn von der Lampeeine kontinuierliche Beleuchtung erwartetwird. Etwas anderes ist es, wenn eine sol-che Lampe nur am Gartenweg oder im Hofjeweils nur kurz eingeschaltet wird.

Im Vergleich zu einer Weiherfontäne gehtes bei der Gartenbeleuchtung darum, daßsie gerade während der Wintermonate vollfunktionsfähig sein muß. Bei der Planungsollte man damit rechnen, daß erstens derAkku mindestens zwei Wochen lang ohneEnergienachschub durchhält, und daßzweitens das Solarmodul auch währendtrüber Wintertage eine genügend hoheNennspannung und einen einigermaßenausreichenden Ladestrom liefern kann.

Beispiel: zwei 12 V/1,1 A-Leuchtstofflam-pen sollen im Winter täglich max. 6 Stun-

den leuchten. Das setzt eine Akku-Kapa-zität von 13,2 Ah pro Tag voraus (1,1 A x2 Lampen x 6 Stunden). Wenn man nundie 13,2 Ah mit 14 Tagen multipliziert, er-gibt sich daraus eine Akku-Kapazität von184,8 Ah. Eigentlich müßten wir nochetwa 15 bis 24 % auf die Lade- und Selbst-entladeverluste dazurechnen, aber wir beg-nügen uns damit, daß wir es auf 200 Ah

Bild: 11.10 Beispiel einer modernenSolar-Gartentür.

abrunden. Das ist eine Kapazität von zweibis drei größeren Autobatterien.

Dabei gibt es während des ganzen Jahresschlimmstenfalls nur zwei oder drei Wo-chen (im Dezember und Januar), in denenes vorkommen kann, daß sich 10 bis 14Tage nacheinander die Sonne nicht zeigt.Ansonsten würde ein Fünftel der Akku-Ka-


pazität völlig ausreichen. Wenn es nun dieMöglichkeit gibt, daß der Akku notfallsproblemlos vom öffentlichen elektrischenNetz nachgeladen werden kann - was ja imGarten des Wohnhauses leicht machbar ist -dürfte ein kleiner 40 Ah-Akku genügen.Bei etwas Glück wird man ihn höchstenseinmal im Jahr vom Netz nachladen müs-sen. Ansonsten könnte er von einem 24V/3 A-Solarmodul nachgeladen werden.Das ist immerhin noch ein 72 W-Modul,dessen Fläche fast 3/4 m2 groß ist.

Wir haben hier mit Absicht ein etwas auf-wendigeres Beispiel gewählt, um zu zei-gen, wie kompliziert es wird, wenn manvon der Solarbeleuchtung eine kontinuier-lichere Leistung verlangt. Viel einfacherist es dagegen, wenn es sich nur um einegelegentliche Weiher- oder Gartenbankbe-leuchtung handelt, die erstens kaum imWinter gebraucht wird, und zweitens nureine kürzere Zeit im Einsatz ist.

Beispiel: dieselben zwei 12V/1,1 A-Leucht-stofflampen sollen als Beleuchtung einerGartenlaube eingeplant werden. Es wirdvorausgesetzt, daß höchstens drei StundenLicht pro Tag benötigt wird. Das wäre eineAkkukapazität von 6,6 Ah (1,1 A x 2 Lam-pen x 3 Stunden). Ein 8 Ah-Akku dürftehier völlig ausreichen, denn während derwarmen Sommermonate ist ein täglichesNachladen unproblematisch. Ein 18,5 V/0,8A Solarmodul wäre hier optimal. Das istdann ein 15 W-Modul mit einer Fläche von

ca. 15 dm2. Das sieht schon viel besser aus,als im vorhergehenden Beispiel. Zudemwerden normalerweise die meisten Garten-lampen, von der Leistung oder von derLeuchtdauer her, viel bescheidenere An-sprüche auf die Akku-Kapazität stellen. Woes sich nur um eine dekorative Beleuchtunghandelt - wie z. B. bei einem beleuchtetenRosenbogen oder Christbaum - könnenauch farbige superhelle LEDs sehr energie-sparend eingesetzt werden.

Solaranlagen für Garagenund Garagenzufahrten

Viele Garagen stehen abseits des Hausesund verfügen über keinen Stromanschluß.Hier bietet Solarstrom eine direkt idealeLösung, um den Elektroantrieb, die Be-leuchtung bzw. eine Alarmanlage zu ver-sorgen. Da alle diese Verbraucher nur sehrkurzfristig eingeschaltet werden, bleibt un-ter Umständen noch genügend Solarener-gie übrig, um im Winter einen oder zweiAutositze solar aufzuheizen (wofür esgenügend 12 V-Heizbezüge oder Heizkis-sen gibt).

Die ganze Anlage besteht aus den bekann-ten Bausteinen: Solarzellenmodul, Lade-regler, Akku und die Verbraucher. DasModul wird bevorzugt auf das Garagen-dach unter einem Neigungswinkel von ca.70 bis 75° aufgestellt oder an die Garagen-Südwand montiert.

12.1 FernbedienbareSolar-GaragentüreEs gibt inzwischen standardmäßig auch 12V-Garagentürantriebe, die sich mit Solar-strom versorgen lassen. Soweit kein zu ho-

her Bedarf an Licht oder Zusatzwärme (so-larbeheizte Sitzbezüge) besteht, kann mandas Solarmodul, wie auch den Akku sehrklein halten. Ein Niedervolt-Elektroantriebder Garagentür benötigt etwa 0,2 Ah proTag, eine Garagenlampe kaum mehr, als0,1 Ah, wenn das Licht täglich nur ca. 5bis 7 Minuten eingeschaltet wird. Das sind0,3 Ah pro Tag. Im einfachsten Fall dürf-ten ein 12 V/4 Ah-Akku und ein 22 bis24V/ 0,4 A Solarmodul ausreichen.

Praktischer wäre hier eine kleine 36 Ah-Autobatterie, die im Winter auch den Au-tositz etwas aufzuwärmen hilft. In demFall dürfte das Solarmodul einen Nenn-strom von bis zu 3 A haben (bei derselbenNennspannung von 22 bis 24 V). Dieswäre jedoch nur dann angebracht, wenntäglich zwei - über eine Schaltuhr gesteu-erte - Heizkissen von je 30 W die Autosit-ze ca. 25 Minuten lang vorwärmen wür-den. Abgesehen davon, daß sich dieseVorwärmzeit etwas kürzen läßt, schrumpftder Energiebedarf, wenn nur ein Autositzvorgewärmt wird. Es bleibt dann eine rei-ne Ermessensfrage, wie klein das Solarmo-dul bzw. auch der Akku als Zwischenspei-cher sein dürften.

Bild: 12.1 Wenndie Garagenein-fahrt zum Südengerichtet ist, kanndas Solarzellen-modul direkt aufdie Mauer ober-halb des Toresmontiert werden.

Vor der Anschaffung des Türantriebs-Sy-stems sollten Sie bei den Angeboten nichtnur den Stromverbrauch der eigentlichenElektromotoren, sondern (hauptsächlich)den „Stand-By-Stromverbrauch" der zu-sätzlichen Elektronik vergleichen. Die zu-sätzliche Elektronik bleibt ja meistensdurchlaufend eingeschaltet, und kann proWoche mehr Strom verbrauchen, als derMotor selbst.

Hier wäre auch ein zusätzlicher Umschal-ter denkbar, mit dem man die Elektronikder Fernbedienung abschaltet, und gleich-zeitig die Alarmanlage einschaltet, wenndas Auto in der Garage abgestellt wird. Ei-nem Elektroniker dürfte dabei nichtschwerfallen, das Ganze vollautomatischzu machen.

12.2 Solarlampen ander GaragenzufahrtSoweit die Solarlampen eine Garagenzu-fahrt nur für das Auto beleuchten sollen,geht es um die Frage mit welchem „Be-fehl" sie eingeschaltet, und auf welche Artsie wieder ausgeschaltet werden können.Situationsbezogen können dabei sehr vielezusätzliche Bedingungen eine Rolle spie-len. Wird die Garage durch die Einfahrts-tür verlassen? Hat die Garage eine Hinter-oder Seitentür, die ebenfalls beleuchtetwerden sollte usw.?

Wie es auch mit der Wunschliste aus-sieht, irgendein Hauptimpuls muß die Be-leuchtung einschalten, wenn sie benötigt

Solarlampen an der Garagenzufahrt

wird. Soweit an beiden Enden der Zufahrtelektrische Türen vorhanden sind, könnendie Befehle für die Lichtschalter gleichvon hier aus abgeleitet werden (über ei-nen Mikroschalter mit Stromstoßrelaisoder auch nur rein elektronisch). EinDämmerungsschalter ist dabei unentbehr-lich. Wer Lampen ohne Dämmerungs-schalter verwendet, sollte einen solchenzusätzlich irgendwo an die Stromzufuhranbringen.

Manche Solaraußenlampen verfügen - ne-ben einem Dämmerungsschalter - auchnoch über eine einstellbare Leuchtdauer.Diese Lösung dürfte in den meisten Situa-tionen ausreichen. Zur Not ist ja an derLampe noch ein Schalter, mit dem man sienochmals einschaltet. Wer sich diesen Teilder Elektronik selbst macht, dem wird esauch nicht schwerfallen, einige weitere Ta-ster an der Garage oder am Zufahrtsweganzubringen, wodurch sich die Leucht-dauer dieser Lampen durch Neueinschal-ten verlängern läßt. Es kann vorkommen,daß es gelegentlich Schnee gibt, den manvon der Garagenzufahrt früh am Morgenoder spät am Abend räumen muß, um hin-ein oder herauszukommen.

Wer sich die Sache mit derartiger Beleuch-tung einfach gestalten möchte, der solltesich gute Solarlampen mit integrierten So-larzellen, Akku, Dämmerungsschalter undBewegungsmelder zulegen, bei denen sichdie Leuchtdauer gleitend einstellen läßt.Der normale infrarote Bewegungsmelderist für unseren Zweck meistens zu emp-findlich. Wenn wir verhindern möchten,daß er nicht auf jede vorbeistreunendeKatze oder auf jede vorbeifliegende Fle-

dermaus reagiert, müssen wir sein Sen-sorfenster durch Abkleben etwas verklei-nern, und nur einen schmalen horizonta-len Schlitz offen lassen, der auf die Wär-me des Automotors reagiert. Anstatt einesAbklebens ist eine zusätzliche Blende alsaufsetzbare Kappe aus dünnem Konser-venblech, Kupferblech oder dunklemKunststoff günstiger. So kann eine Blen-de mit kleinerer Öffnung für den Som-mer- und eine mit größerer Öffnung fürden Winterbetrieb auf den Lampensensoraufgesetzt werden. Wenn nämlich imWinter der Automotor am Morgen eiskaltist, wird er sich nur geringfügig aufwär-men, und der infrarote Sensor der Lampehat es dann mit der Wahrnehmungschwerer, als während der warmen Jah-reszeit.

Kommunikationstechnik

Was uns noch amHerzen liegt:

Wenn Sie bereits beim ersten Durchlesendieses Büchleins wenigstens die Hälftevon dem, was hier beschrieben wurde, be-greifen konnten, sind Sie reif dafür, ummit der Solartechnik praktisch etwas an-fangen zu können. Dabei wird Ihnen einzweiter Blick in die entsprechenden Kapi-tel immer schnell weiterhelfen.

Sollten Sie sich mit der gesamten Proble-matik etwas detaillierter befassen wollen,empfehlen wir Ihnen außerdem unsere um-fangreichen Werke desselben Autors:

»Solaranlagen richtig planen, installierenund nutzen«, »Wie Sie Solarstrom fürCamping, Caravan und Boot nutzen«, »Wienutze ich Windenergie in Haus undGarten?«, »Das große Anwenderbuch derWindgeneratoren-Technik« und »Der leich-te Einstieg in die Elektronik«.

Alle diese Werke sind in demselben leichtverständlichen Stil geschrieben, und bein-halten vieles, was sich in einem kleinenBuch, wie dieses, nicht unterbringen läßt:

- sie geben ausführliche Antworten aufviele Fragen, über die Sie sich mögli-cherweise noch den Kopf zerbrechen

sie beinhalten viele Hinweise zu den In-stallationsmaterialien (Berechnung derLeitungsdurchmesser, Funktionsweiseund Anwendung der solartauglichenRelais, Schaltungen und Steuerungen,Blitzschutz-Zubehör als Fertigbaustei-ne) und erleichtern Ihnen die praktischeAusführung Ihres Vorhabens ohnefremde Hilfe

- ein wirklich einmalig breites Themen-gebiet mit Bauanleitungen, Schaltbei-spielen und Anregungen klärt Sie kon-struktiv über die ganze Spielfläche derAnwendungsmöglichkeiten auf: Solar-strom im Auto, Caravan, Reisemobil,Boot und Yacht; Solaranlagen für öf-fentlich genutzte Objekte, Solar-Kinder-fahrzeuge, Photovoltaik im Modell-bau, in der Landwirtschaft, Versorgungelektronischer Geräte mit Solarstrom,Windenergie und vieles andere mehr.

- Die Werke über Windenergie beinhal-ten u. a. auch viele Bauanleitungen fürkombinierte Anlagen, bei denen sowohldie Sonnen-, wie auch die Windenergieangewendet werden.

Ihr Autorenteam

Lieferantennachweis:

Conrad ElectronicKlaus-Conrad-Straße92240 HirschauTel.: 01 80/531 21 11Fax: 01 80/53121 10T-Online *20744#http://www.conrad.de

VölknerMarienberger Str. 1038095 BraunschweigTel.: 01 80/55551Fax: 01 80 / 5 55 52sowie Fachhandel, Baumärkte, Hobby-märkte, Gartenzentren

39067669 Bo Hanus Wie Nutze Ich Solarenergie in Haus Und Garten

Documents

Transcript of 39067669 Bo Hanus Wie Nutze Ich Solarenergie in Haus Und Garten