Was benötige ich beim Bau bei einer Photovoltaikanlage?

Für eine einfache Photovoltaikanlage werden nur 3 bzw. 4 Komponenten benötigt.

Solarmodule

Die Solarmodule sind die eigentlichen Stromerzeuger. Es gibt unterschiedliche Modelle und Größen. Letztendlich spielt die Auswahl nicht so eine große Rolle. Sie haben zwar verschiedene Größen und Eigenschaften. Wichtig ist nur, dass sie für uns möglichst lange genügend Energie erzeugen. Über die Zeit nimmt die Leistungsfähigkeit ab. Die meisten großen Hersteller garantieren aber über 20 Jahre noch eine Leistung von mindestens 80%. Und das schöne ist die Preise der Solarmodule ist über die letzten Jahre extrem gesunken. Wenn ein Solarmodul z.B. 14V Spannung liefert, liefern 2 Solarmodule in Reihe geschaltet 28V und 3 Solarmodule 42V. Lieferen diese Module im Schnitt 8A, bleibt dies in Reihe geschaltet bei 8A. Schalte ich die Module parallel bleibt die Spannung bei 14V und die Stromstärke addiert sich auf. Wie man die Module am besten verschaltet wir weiter unten besprochen.

Beispiel: Reihenschaltung
Reihe
Beispiel: Parallelschaltung

Batterien

Irgendwo muß die Energie gespeichert werden, wenn nicht genügend Sonne zur Verfügung steht. Hierfür werden Batterien benötigt. Es gibt unterschiedliche Typen von Batterien mit unterschiedlichen Eigenschaften. Für Solaranlagen werden üblicherweise spezielle Solarbatterien eingesetzt. Im Gegensatz zu normalen Autobatterien ist die Säure hier nicht flüssig, sondern gebunden als Gel. Es wird unterschieden in Gelbatterie und AGM Batterie in der die Säure durch ein Vlies gebunden wird. Die AGM Batterien sind im Moment am besten geeignet für den Solareinsatz. Diese Batterien sind immer noch deutlich teurer als herkömmlich Autobatterien. Autobatterien funktionieren ebenfalls und sind überall zu bekommen. Sie halten in der Regel nicht so lange, insbesondere Vertragen sie Tiefenentladung nur ganz schlecht und sie sollten mit genügend Luftzufuhr gelagert werden, da sie gasen können. Üblich sind 12V Batterien, es gibt aber auch 24V Batterien. Diese sind aber nicht so verbreitet. Die Haltbarkeit von Autobatterien hängt sehr vom Nutzverhalten ab. Wird sie nur bis 80% der Kapazität entladen, kann sie bis zu 5 Jahre halten. Geht man bis zu 60% herunter, sind es nur noch 3-4 Jahre und bei 40% 2 Jahre. Eine AGM Batterie verträgt Tiefenentladung deutlich besser und hält angeblich bis zu 10 Jahre. Erfahrungswerte andere Nutzer, scheinen aber eher anzudeuten, dass auch AGM Batterie deutlich früher als nach 10 Jahre den Geist aufgeben können. Die Umgebungstemperatur spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Bei über 20° Celsius, wie es bei mir in den Tropen üblich ist, verringert sich ebenfalls die Haltbarket.

Die Kapazität einer Batterie wird in Ah angegeben. Übliche Werte sind für Solaranlagen 40-200Ah. Eine 100Ah Batterie bei 12V kann uns rechnerisch maximal 100Ah*12V=1200Watt zur Verfügung stellen. Der Preis von Batterien ist über die Jahre durch den Preisanstieg von Blei leider stets gestiegen und eine wirkliche Weiterentwicklung hat hier auch nicht stattgefunden.

Mittlerweile werden auch vermehrt LiFePO4  (Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator) eingesetzt. Sie haben den Charme, dass sie durch ihre höhere Energiedichte weniger Platz benötigen als Akkus auf Bleibasis. Leider sind sie deutlich teurer, sind anfälliger bei Überladung und benötigen einen entsprechenden Laderegler. Wer es sich leisten kann, wird durch den geringen Wartungsaufwand sicherlich seine Freude daran haben. Es sei auch anzumerken, dass LiFePO4  nicht zu verwechseln sind mit Lithium-Ionen Akkus aus den Handys oder den Lithium-NNC-Akkus die im Autobereich eingesetzt werden. Im Vergleich zu diesen sind LiFePO4 -Akkus deutlich größer, d.h. sie haben eine geringer Energiedichte. Das ist im stationären Anwendungsfeld auch nicht so relevant und hat einen entscheidenden Vorteil, denn sie sind thermisch nicht so anfällig und wir müssen keine Angst vor einer Explosion oder einem Brand haben.

Der Laderegler

Um die Batterien zu laden wird ein Laderegler benötigt. Eine 12V Autobatterie soll mit einer Spannung von maximal 14,4V und etwa mit einem Ladestrom, welcher 10% der Kapazität entspricht geladen werden. Der Laderegler transformiert die Einganspannung, welche höher liegen kann als 14,4V, auf maximal 14,4V herunter. Die normalen Laderegler schneiden alles, was über 14,4V Spannung ist, einfach ab. Der Ladestrom hat weiter dieselbe Stromstärke. Liegt eine viel höhere Spannung an geht also auch viel verloren. Die MPPT (Maximum Power Point Tracker) Laderegler transformieren die höhere Spannung so um, dass mehr Strom fliesst bei maximal 14,4V. Im allgemeinen vertragen die MPPT Laderegler bis zu einer Spannung von 75V ohne Probleme und transformieren dies auf 14,4V oder 28,8V herunter. Wer also weniger Verluste haben will und/oder flexibler beim Zusammenstellen der Anlage ist vielleicht mit einem MPPT gut beraten. Aus meinen Erfahrungen heraus bevorzuge ich aber lieber einen guten normalen Shunt Laderegler. Es gibt qualitativ hochwertige und durchaus günstige Shunt Laderegler und bei guter Zusammenstellung der Solaranlage sind die Verluste gegenüber einem MPPT verschwindend gering. Für sehr kleine Insellösungen mit vielleicht nur einem Modul, ist ein normaler Solarregler für 30-40€ vollkommen ausreichend. Häufig haben die Laderegler einen Lastausgang, der einen Tiefenentladeschutz enthält. An diesen Ausgang kann ich einen 12V oder 24V Verbraucher direkt anschliessen. Dieser Lastausgang geht aber meist nur bis 10A. Dies ist ideal, wenn ich nur kleine Verbraucher mit 12V oder eben 24V habe und auch keinen Wechselrichter benötige. Für größere Anlagen wird in der Regel ein 220V Wechselrichter benötigt, der meist einen eigenen Tiefenentladeschutz besitzen. Es ist wichtig, den passenden Laderegler für den entsprechenden eingesetzten Batterietyp zu benutzen und ihn auch richtig einzustellen. Eine AGM Batterie oder Gelbatterie hat eine andere Ladekennlinie als herkömliche flüssige Autobatterien. Gute Laderegler können alle Batterietypen laden, müssen aber auf diese eingestellt werden. Gibt es keine seperate Einstellung für AGM und Gelbatterien, kann man AGM mit der Gelbatterie Ladekennlinie laden.

Wechselrichter

Da wir im allgemeinen Verbraucher haben, welche 220V Wechslespannung benötigen und der Stromfluss bei 12V oder 24V schnell viel zu groß wird, benötigen wir einen Wechselrichter. Diese gibt es in verschiedenen Dimensionen. Wir müssen wissen, wieviel Strom wir maximal verbrauchen wollen und wie hoch unsere Eingangsspannung ist. Es gibt Wechselrichter, die lediglich eine Trapezwechselspannung erzeugen. Für Licht ist das ok, für die meisten anderen Geräte empfehle ich zumindest einen sinusähnlichen Wechselrichter. Den besten Strom und die wenigsten Problem mit den Verbrauchern bekommen wir aber mit einem richtigen Sinusspannungerzeuger. Die Preisunterschiede sind leider auch sehr groß, trotzdem würde ich hier nicht sparen. Ein Studer AJ-600, der eine Eingansspannung von 24V hat, kann 600W Leistung zur Verfügung stellen.

Blitzschutz

Zum Thema Blitzschutz habe ich die unterschiedlichsten Meinungen gehört. Der Begriff Blitzschutz ist auch eigentlich nicht gut gewählt, da wir mit einem Blitzschutz den Blitz einfangen und hoffen, dass er dann dahin läuft, wohin wir möchten und dabei möglichst wenig Schaden anrichtet. Wir wissen zwar, dass Strom, den Weg mit dem geringsten Widerstand nimmt, das Auftauchen echter Blitze ist aber nicht vorhersagbar und sie lassen sich auch nur bedingt simulieren. Für mich stellten sich hier einige Fragen, die anscheinend nicht hinreichend beantwortet werden können, da es zu wenig Erfahrungswerte gibt:

  1. Ziehen wir mit einer Einfangeinrichtung eher Blitz an als ohne?
  2. Wie gut ist so eine Einfangeinrichtung, d.h. wie nah muss der Blitz sein, damit er unsere Fangeinrichtung überhaupt benutzt?
  3. Können wir überhaupt eine sicheren Weg für einen Blitz gewährleisten oder wird er nicht auf jeden Fall Schaden anrichten?

Ich kann all diese Fragen nur bedingt beantworten. Die Spitze meines Blitzableiter ist etwa 3-5 Meter entfernt von den Solarmodulen auf dem Dach angebracht. Das Kabel geht 7 Meter tief ins Erdreich und ist etwa fingerdick. Das Kabel wurde aber in der Steinwand in einem Kabelrohr verlegt und berührt ebenfalls Holzbalken. Was ein Einschlag hier bewirkt, kann ich nicht sagen. Ich besitze Palmen die höher sind in der Nähe und hoffe, dass der Blitz eher dort einschlägt. Es wird auch gesagt, dass eine Blitzableiterspitze einen Einfangradius von vielleicht 5 Meter besitzt, so  dass es wahrscheinlich besser ist, wir verbinden die Solarpanels nicht mit dem Blitzschutz, so dass wir den Blitz gar nicht erst einladen irgendeinen Teil der Anlage als Ableitung zu benutzen.

Erdung

Ich habe nur an den 220V Wechselstromkreis eine Erdung angeschlossen (3tes Kabel grün/gelb), so dass mein FI-Schutzschalter auslöst, falls der Strom einen anderen Weg nimmt, als vorgesehen. Als Insellösung und Schutz reicht diese Lösung für mich aus. Ich hab zwar auch Schaltpläne gesehen, dass die Batterien geerdet werden, dort hab ich aber sowohl Erdungen beim Pluspol als auch beim Minuspol gesehen. Was da Sinn macht, konnte ich nicht wirklich erkennen. Letzendlich soll der Strom ja wieder in der Batterie landen und nicht geerdet werden.

12V, 24V, 48V? Was bedeutet das nun? Wie dimensoniere ich meine Anlage?

Will man eine sehr kleine Anlage bauen, kann man überlegen alles auf 12V auszulegen, aber schon ab 2 Solarpanels empfiehlt es sich bereits auf 24V zu wechseln. Niedrige Spannung bedeutet stets, dass man sehr dicke Kabel benötigt und trotzdem ist die Verlustleistung noch sehr hoch. Bei Gleichstrom hängt die Verlustleistung nur von der Stromstärke, Kabeldicke und länge des Kabels ab. Ein Beispiel: Bei 10m Kabel mit einem Querschnitt von 1,5mm² beträgt der Spannungsabfall bereits 2,4V. Bei 4mm² Querschnitt immer noch 0,9V. Einen Rechner dazu findet ihr hier: Spannungsabfallrechner bei yachtbatterie.de. Folgendes Equipment benutze ich für meine Anlage in Bali:

  1. Steca PR 3030 12V/24V 30A
  2. Studer AJ-600 24V
  3. 2x Kyocera KD135GH und 2x Sharp ND-130
  4. 4x 100 AH Blei-Säure Akku (Autobatterien)
  5. 10mm² oder 16mm² Verbindungskabel Laderegler zu den Batterien. Hier wollen wir möglichst keine Verlustspannung mehr, deshalb ebenfalls auf eine nicht zu lange Kabellänge achten.
  6. 20A und 60A Mini-ANL Sicherungen, um jeweils die Plusleitung vom Laderegler zur Batterie (20A)und von der Batterie zum Wechselrichter (60A) abzusichern.
  7. 35mm² Verbindungskabel für die Batterien.
  8. 6mm² Verbindungskabel für die Solarpanel zur Batterie. Hier macht es nicht sonderlich viel, wenn wir etwas Verlustspannung durch die Kabellänge haben, da wir einen Laderegler benutzen, der die Spannung bei 14,4V/28,8V abschneidet. Bei den benutzen Panels ergibt sich aber eine Spannung von etwa 17V/34V. 6mm² Kabel lässt sich noch ganz gut verlegen und die Verlustspannung bleibt gering genug. Selbst bei 30m Kabellänge und 30A Stromstärke wäre der Spannungsverlust mit knapp 6V noch in Ordnung.

Hinweis: Ich habe zuerst den MPPT Laderegler MPPT 7520 Soltronic benutzt. Er hat alle paar Tage plötzlich eine falsche Spannung an der Batterie angezeigt und dadurch die Battieren mit einer zu hohen Spannung geladen. Ich habe ihn dann erstmal gegen einen normalen Shunt Laderegler Phocos cx20 ausgetauscht, welchen ich doch recht teuer in Bali kaufen musste. Nach Rücktransport von Bali und Einschicken zur Reparatur funktionierte er wieder für knapp 1 Monat. Danach ist die Sicherung durchgebrannt, welche sich nur durch kompliziertes Öffnen des Gerätes und Auslöten tauschen liess. Danach funktionierte der Laderegler zwar wieder aber wieder mit zu hohem Ladestrom und das auch nur kurz, dann war er hinüber. Ein weiterer Reparaturversuch hab ich mir geschenkt, da ich das Gerät nicht immer wieder nach Deutschland schleppen wollte und ich durch Öffnen und Auslöten der Sicherung wohl keine Garantie mehr habe. Also bin ich doch wieder zur zur Devise lieber alles so einfach wie möglich halten und benutze lieber einen normalen Shunt Solarladeregler. Der Steca Laderegler arbeitet bereits fast 2 Jahre trotz hoher Luftfeuchtigkeit ohne Probleme. Zudem unterstützt der Steca PR3030 einen Ladestrom bis zu 30A. Bei 24V lassen sich auf jeden Fall 6x 130W Panels anschliessen, wahrscheinlich werden sogar 8 noch ohne Probleme funtionieren, wobei der Laderegler aber auf jeden Fall mit einer 30A Sicherung zu den Solarpanels abgesichert werden sollte.

Beispiel einer kleinen Insellösung mit einem Solarmodul und 2 Batterien parallel geschaltet (12V)

Dies ist ein Beispiel für eine kleine Insellösung. Wir kriegen bei diesem Aufbau bereits 500 Watt pro Tag bei Sonnenschein. Brauche ich weniger Strom in der Nacht kann auf die 2te Batterie verzichtet werden. Brauche ich allgemein weniger Strom, kann die Batterie durch eine kleinere ausgetauscht werden und ein kleineres Solarmodul benutzt werden. Bei einer solchen Anlage empfiehlt sich auch einen billigen kleineren Solarregler zu benutzen. Beispielkonfiguration: Solarmodul mit 10Wp, 12V Batterie mit 6 Ah und einen 12V Solarregler mit Tiefenentladeschutz und kein Wechselrichter.

Beispiel mit 3 Solarmodulen und 4 Batterien (12V) parallel geschaltet

Hier sind 3 Solarmodule und 4 Batterien parallel angeschlossen. Die Solarmodule produzieren immer noch eine Spannung von etwa 12V liefern aber eine Stromstärke von knapp 20A. D.h. die Kabel müssen nun entsprechend dick gewählt werden, da die Stromstärke schon recht hoch ist. Bei den Batterien und dem Wechselrichter sieht es dann sogar noch schlechter aus. Der Wechselrichter kann kurzzeitig bis zu 1000W Leistung liefern, d.h. eine Stromstärke von bis zu 80 A.

2 Solarmodulen und 4 Batterien (24V)

Die 2 Solarmodule sind in Reihe geschaltet, um auf etwa 24 V Eingangsspannung für den Laderegler zu kommen. Bei den Batterien sind jeweils 2 in Reihe geschaltet, um auf 24 V zu kommen und dann diese Blöcke parallel verbunden. Der Strom für den Wechselrichter wird direkt an den Batterien abgenommen. Der Wechselrichter hat eine maximale Kurzzeitbelastung von 1200 Watt, dadurch fliesst maximal 50A von den Batterien zum Wechselrichter. 25mm² Kabel von den Batterien zum Wechselrichter sind bei kurzer Leitung ausreichend. Dies Konfiguration war meine Einstiegsanlage in Bali. Diese Konfiguration lässt sich jeder Zeit durch weitere Solarmodule erweitern.

4 Solarmodulen und 4 Batterien (24V)

Jeweils 2 Solarmodule sind in Reihe geschaltet, um 24 V etwa zu bekommen und dann entsprechend parallel. Selbes mit den Batterien, jeweils zwei sind in Reihe geschaltet, dann diese Blöcke parallel. Dies ist meine aktuelle Konfiguration. Ich habe eine Tagesausbeute von etwa 2000 Watt.
Als permanente Verbraucher habe ich

  • eine Tieftauchpumpe Shurflo 9300 (Verbrauch etwa 10 Watt im Betrieb), die Wasser aus 15 Meter tiefen Brunnen in den 5 Meter hohen Wasserturm bringt.
  • eine Surgeflo FL-44 24V (Verbrauch 80 Watt), um den Garten mit Druck zu bewässern.
  • 40 LED Strahler MR16 120° Winkel je 3 Watt (zusammen angeschaltet maximal 120 Watt).
  • Energiesparender Computer mit Monitor (Verbrauch etwa 70 Watt).

Es macht aber auch überhaupt kein Problem eine Bohrmaschine oder andere elektrische Geräte für ein zwei Stunden zu benutzen, die maximal 500 Watt besitzen.

Ich habe anfangs die Shurflo TRAILKING HIGHFLO 24 V für eine Wasserdruckerhöhung benutzt. Leider ist sie am Ventildeckel nach 1-2 Jahren undicht geworden. Da hier keine Dichtung verbaut ist, sind alle Versuche das zu beheben gescheitert. Ich habe eine zweite Pumpe gekauft, die das selbe Problem verursachte. Schade bei so einer Marke wie Shurflo.

Bei Fehlern oder Verbesserungshinweisen oder Antworten auf meine Fragen bitte Email an: web@nachor.de .

Dieser Beitrag hat 4 Kommentare

  1. der erste Kommentar
    =)
    Gruß Thorben

  2. Vielen Dank für diese sehr kompetente, ausführliche + leicht verständliche Anleitung für 12V & 24V Insel PV-Anlagen Eigenbau mit simplem Batterie-Laderegler (Steca PR 3030) und dem leider durchgefallenen „Soltronic MPPT 7520“ (Tropen-Praxis-getestet in Bali)

    Zum Blitzschutz: Die Solaranlage ist definitiv NICHT mit dem Blitzableiter zu verbinden ! — Wir halten vielmehr > 1m Abstand davon und hoffen, dass Blitze den Ableiter nutzen mögen und nicht auf die Anlage überspringen…

    Da Solar-Modul den Strom zuverlässig begrenzen, benötigen ihre Zuleitungen keine Absicherung.
    Viel zu oft vergessen wird jedoch die Absicherung gegen brandgefährlich hohe Kurzschluss-Ströme aus Autobatterien !
    Dabei bestimmt der maximale Strom für den Wechselrichter die Absicherung und den Leiter-Querschnitt:
    Die Zuleitungen von der Batterie zum Laderegeler sowie zu einem Wechselrichter müssen für bis zu 1200W an 24V für 50A mit min. 16mm² Leiter-Querschnitt ausgelegt sein und direkt am (+)-Pol der Batterie mit einer 40A oder 50A Schmelz-Sicherung oder einem Leitungsschutz-Schalter („Sicherungsautomat“) abgesichert, damit sie im Falle eines Kurzschlusses keinen gefährlichen Kabel-Brand verursachen.

    Achtung: Leitungsschutz-Schalter möglichst abgeschirmt aus dem „Dunstkreis“ der Zellen-Stopfen bzw. Batterie-Entlüftung fernhalten, da dort säurehaltige Dämpfe austreten und Korrosion verursachen können!

    Als bequemen Batterie-Schalter heftet man den Sicherungsautomaten am besten mit Doppel-Klebeband direkt seitlich an die Batterie und verbindet mit kurzem Leiter direkt die positive Pol-Klemme, die mit einer Schutzkappe abgedeckt gegen Berührung & Kurzschluss zu isolieren ist. ==> Alle Leitungen gehen dann nur vom abgesicherten Pol des Schutz-Schalters ab.

    Wenn ein Leitungsschutz-Schalter für 50A schwer zu beschaffen ist, funktionieren auch die gängigeren 25A oder 32A…

    WICHTIG: Auch Anzapfungen für Messleitungen (z.B. zu einem Voltmeter) müssen entsprechend ihrem Leiter-Querschnitt abgesichert werden (Feinsicherung) oder (einfacher) mit einem Vorwiderstand gegen Überstrom geschützt !

    1. Hallo Ralf,

      vielen Dank für deinen sehr qualifizierten Beitrag. Was du über den Blitzschutz schreibst, klingt plausibel. Ich werden meine Anlage wieder separieren vom Blitzableiter. Hab den Beitrag entsprechend ein bisschen angepasst.

      Viele Grüße
      Markus

  3. Zum Blitzschutz : Die Blitzschutz (Fangstangen) bringt das Erdpotential über das zu schützende Objekt. Die Spannung die ein Blitz zur Entladung braucht ist deswegen am Objekt kleiner als in der Umgebung und der mögliche Spannungsausgleich wird eben nicht über den Blitzableiter stattfinden. Blitzableiter haben mit ableiten des Blitzes nichts gemein.

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