Filderstädter Mitteilungen aus Umwelt- und Naturschutz 1999/2000

Photovoltaik "im Kleinen"

Seit über 10 Jahren betreibe ich in meinem, im Außenbereich des Stadtgebietes liegenden Garten eine Photovoltaikanlage zur Stromversorgung einiger, sonst batteriebedürftiger Geräte. Als Motto dieses Berichtes möchte ich meine Erfahrung auf den kurzen Nenner bringen:

Trotz der Ausstellung im Plattenhardter Rathaus (Oktober 1999) über dieses Thema hier noch einige theoretische Vorbemerkungen, die u.a. auch als Einkaufshilfe dienen können:

• Photovoltaik:

  Mit Photovoltaik wird die Umwandlung von Licht (photo, griechisch) in elektrische Energie (Volt, Einheit der Spannung) bezeichnet. Die Anfänge der Photovoltaik gehen zurück ins vorige Jahrhundert. Der Naturforscher Becquerel entdeckte 1839, dass bei Einstrahlung von Licht auf bestimmte Strukturen eine elektrische Spannung erzeugt werden kann. Die photovoltaische Energiewandlung hat den Vorzug der unmittelbaren Stromerzeugung ohne rotierende Teile und ist am Standort emissions- und geräuschfrei. Sie kann an Orten ohne Stromversorgungsanschluss problemlos installiert werden.

• Solarzellen / Solargenerator

  In den Solarzellen wird eingestrahltes Licht in elektrische Energie verwandelt. Es gibt verschiedene Solarzellen, die sich in Zellmaterial und Herstellungstechnologie unterscheiden: Bei den Siliziumzellen werden aufgrund der Fabrikationsart 3 Zelltypen unterschieden:

  • Monokristalline Solarzellen: Diese weisen den höchsten Wirkungsgrad auf, sind aber teuer in der Anschaffung.
  • Polykristalline Solarzellen: Liegen etwa in der Mitte bei allen Werten
  • Amorphe Solarzellen: Diese haben momentan noch den schlechtesten Wirkungsgrad, aber sie weisen für die Herstellung den günstigsten Energiebedarf auf und sind relativ preiswert im Kauf.

  Ein Solargenerator ist die Zusammenschaltung mehrerer Solarzellen zu einer Baugruppe bzw. Einheit mit definierten Leistungsmerkmalen wie Spannung und Strom.

• Solar-Akkumulator

  Meistens besteht auch ein elektrischer Energiebedarf, wenn die Sonne nicht scheint. Um die Energie in diesen Momenten zur Verfügung zu haben, werden Akkumulatoren eingesetzt. Wenn die Sonne scheint, wird ein solcher mit dem Strom, der in den Solarzellen erzeugt wird, aufgeladen. An bewölkten Tagen oder in der Nacht steht dann die gespeicherte Energie zur Verfügung. Die speziellen Solar-Akkumulatoren haben im Vergleich zu den bekannten Autobatterien ( = Starterbatterie ) dickere Bleiplatten. Dadurch werden Solar-Akkumulatoren auch bei kleinen Stromstärken des Solargenerators (z.B. bei diffusem Licht) aufgeladen und können über einen längeren Zeitraum (mehrere Stunden) Strom abgeben.

• (Solar-) Laderegler

  Damit die Solar-Akkumulatoren eine hohe Lebensdauer erreichen, müssen sie vor Überladung und Tiefentladung geschützt werden. Dazu dienen Laderegler, die zwischen Solarzellen und Stromspeicher geschaltet werden und obige Funktionen steuern:

  • Ladeabschaltung bei 14,4 Volt (Vollladung)
  • Einschaltung der Ladung bei 12,8 Volt (Mindestspannung)
  • Abschaltung der Verbraucher bei 11,2 Volt (Tiefentladung)

• (Solar-) Verbraucher

  Die verschiedenen anschließbaren Verbraucher müssen auf die Gleichspannung der Solarbatterie abgestimmt sein, meist 12 Volt (bei größeren Anlagen auch 24 Volt):

  • Lampen von verschiedener Helligkeit, DULUX und Leuchtstofflampen
  • Transistorradio, Kassettenrecorder, CD-Spieler, Fernseher
  • Kühlschrank, 12 Volt Kühlbox (mit thermoelektrischem Peltier-Element)
  • Ventilatoren, Lüftermotoren (Heizungsgebläse)
  • Wasserpumpen (Gartenteich)
  • Handy, Alarmgeräte (Überwachung / Melder)
  • Spannungswandler (12 Volt in 3V, 4,5V, 6V, 7,5V 9V, 10,5V)
  • Wechselrichter (12 Volt Umwandlung in 220 Volt Rechteck-Wechselstrom)
  • Spannungswandler (12 Volt Umwandlung in 220 Volt Sinus-Wechselstrom)

In der Praxis werden Solaranlagen auch auf Booten, im Wohnwagen oder -mobil und in sog. Insellagen, wo fernab vom elektrischen Netz Strom für den Eigenverbrauch hergestellt wird, eingesetzt, denn die Sonne scheint überall. Dabei variiert die Größenordnung je nach Anforderung sehr stark. Die Feststellung der eigenen Anforderungen ist bei der Planung überhaupt der wichtigste Punkt neben der richtigen Zusammenstellung der einzelnen Komponenten einer Solaranlage.

Mittels der nachstehenden, beispielhaften Zusammenstellung von Verbrauchern -möglichst in stromsparender Ausführung- ist es möglich, den persönlichen Energiebedarf und damit die Größe der Photovoltaikanlage zu ermitteln:

Bei einem angenommenen Stromertrag eines Solargenerators von 20 Watt kann obiger Bedarf mit einem Generator und einer Akku-Kapazität von 80 Ah (inkl. Reserve) abgedeckt werden. Während meine gesamte Anlage (33 Watt 12 Volt monokristalliner Solargenerator, 105 Ah Solar-Akkumulator incl. Zubehör) im Jahre 1988 noch über DM 2.400 gekostet hat, sind ähnliche Anlagen (50 Watt, 12 Volt Solargenerator, 100 Ah Solar-Akkumulator und Laderegler) als Komplettangebot heute bereits um DM 899,-- bzw. DM 1049,-- (mit wartungsfreiem Akku) erhältlich. Das rechnet sich im Sinne einer Amortisation natürlich bei weitem immer noch nicht, jedoch ist es der Preis für "Luxus", Bequemlichkeit und Umweltbewußtsein durch Vermeidung von Batterien. Für meinen Teil kam da noch mein Basteltrieb mit Neuartigem hinzu.

Welche Verbraucher sind nun bei mir meist aktiv?

Im Sommer (fast täglich): Radio, Wasserpumpe für Teichspringbrunnen, Kühlbox und ggf. Innenbeleuchtung, Spannungswandler, Stromversorgung für Handy.

Im Winter (wöchentlich): Radio, Warmluftgebläse, Innenbeleuchtung, Spannungswandler, Stromversorgung für Handy.

Nicht verschweigen möchte ich jedoch den Aufwand einer Installation. Hier fallen erstens noch weitere Kosten z.B. für die Verkabelung (möglichst mit 4 qmm Querschnitt), Verlegung in Rohren u.ä. an und zweitens ist der Zeitaufwand einer sauberen und elektrisch sicheren Installation (Kurzschluß-Vermeidung!) nicht unerheblich.

Die Ausrichtung des/der Solargenerators/en ist logischerweise die Südrichtung, der für unsere Breitengrade empfohlene Aufstellungswinkel liegt um 40 Grad.

Da in unserer Gegend im Frühsommer mit teils heftigem Hagelschlag gerechnet werden muß, ist auf die Hagelfestigkeit zu achten. Meine Anlage hat den "Jahrhunderthagel" vom 24. Juli 1989 mit taubeneigroßen Hagelkörnern schadlos überstanden. Lt. technischer Unterlagen ist für meinen Solargenerator ein Hagelbeschuß mit bis zu 25 mm Durchmesser zulässig.

Auch sollte beim Aufstellungsstandort sehr darauf geachtet werden, dass der Solargenerator keinesfalls zu irgendeiner Zeit auch nur teilweise beschattet wird, denn bereits bei geringer Verschattung wird ein Solargenerator (abhängig von der Anzahl der internen Schutzdioden und elektrisch bedingt) total abgeschaltet und bringt dann folglich keinerlei Leistung mehr.

Wenn alle Komponenten (Solar-Akkumulator, Solargenerator, Regelung, Kabelquerschnitt usw.) aufeinander abgestimmt sind, ist ein einwandfreies Funktionieren des Systems gewährleistet.

Ist die Solaranlage dann fertig aufgebaut und betriebsbereit, braucht bei mir lediglich der konventionelle Solar-Akkumulator (mit Säure) einmal jährlich ein wenig destilliertes Wasser. Ein solcher Akku dient mir jetzt bereits im 11. Jahr ohne feststellbaren Kapazitäts- bzw. Leistungsverlust, allerdings ist er auch hitzegeschützt und frostsicher eingebaut.

So läuft jetzt meine Anlage Jahr um Jahr, und läuft und läuft und läuft ......