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Direkte Sonnenenergie: Netzunabhängig ohne Batterie

Fri, 11 Apr 2025 00:00:00 +0000

Bild: ein Laptop der mit direkter Sonnenenergie betrieben wird. Foto: Marie Verdeil.

Herkömmliche Solaranlagen stellen unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und den daraus resultierenden energiefressenden Lebensstil nicht in Frage. Sowohl Solarzellen auf Dächern als auch große Solarparks versorgen uns mit dem Strom, den wir brauchen, auch wenn die Sonne nicht scheint. Das liegt daran, dass diese Systeme das zentrale Stromnetz, das größtenteils mit fossilen Brennstoffen betrieben wird, als eine Art Batterie zur Überbrückung von Stromengpässen nutzen.

Obwohl netzgekoppelte Solarpaneele den Verbrauch fossiler Brennstoffe in Wärmekraftwerken verringern können, werden diese Einsparungen zumindest teilweise durch die zusätzlichen fossilen Brennstoffe untergraben, die für den Bau und die Instandhaltung einer dualen Energieinfrastruktur erforderlich sind. Die Kombination von Solar- und Windenergie kann den Anteil der erneuerbaren Energien im Stromnetz weiter erhöhen, doch erfordert dies einen weiteren Ausbau der Infrastruktur. Dies erfordert nicht nur Energie, sondern auch eine Menge Geld und Zeit.

Das gleiche Problem stellt sich, wenn fossil befeuerte Kraftwerke durch Energiespeicher ersetzt werden sollen, um an sonnigen Tagen erzeugten Überschussstrom für Zeiten ohne oder mit unzureichender Sonneneinstrahlung zu speichern. Energiespeicher, ob sie nun in ein Stromnetz integriert sind oder sich in einzelnen Haushalten befinden (netzunabhängige Systeme), sind sehr teuer und kohlenstoffintensiv in Bau und Wartung.

Autonome Solaranlage

Die Herstellung von Solarmodulen kostet natürlich Geld und Energie. Die finanziellen und energetischen Kosten für die zugehörige Back-up-Infrastruktur sind jedoch um ein Vielfaches höher. Bei netzgekoppelten Solaranlagen sind diese Kosten sehr schwer genau zu berechnen, aber bei autonomen Solaranlagen (ohne Netzanschluss und mit eigener Energiespeicherung) ist es viel einfacher. Als Beispiel nehme ich daher die kleine autonome Solaranlage, die mein Wohnzimmer in Barcelona mit Strom versorgt.

Dieses System besteht aus zwei 50-W-Solarmodulen auf dem Balkon, einer 100-Ah-Blei-Säure-Batterie und einem 10-A-Laderegler. Die erzeugte Energie wird u. a. für die Beleuchtung, die Musikanlage und das Aufladen von Laptops und anderen elektronischen Geräten verwendet. Die anfängliche finanzielle Investition betrug 340 Euro: 120 Euro für die Solarmodule, 170 Euro für die Batterie und 50 Euro für den Laderegler.

Aber während die Solarmodule 30 Jahre und der Laderegler etwa 10 Jahre halten dürften, muss ich die Bleibatterie im Durchschnitt alle drei bis fünf Jahre ersetzen. ¹ Bei einer Lebensdauer von 30 Jahren belaufen sich die Kosten auf 120 Euro für die Solarmodule, 150 Euro für die Laderegler und - im günstigsten Fall - 1020 Euro für die Batterien. Auf die Batterien (und die zugehörigen Laderegler) entfallen also etwa 90 % der gesamten Lebenszykluskosten.

Die Energiespeicherung dominiert auch die graue Energie der Anlage (und die daraus resultierenden Kohlenstoffemissionen). Für die Herstellung meiner Blei-Säure-Batterie wurden 1200 Megajoule (MJ) an Energie benötigt. ² Bei einer Lebensdauer von 30 Jahren (bestenfalls sechs Batterien) entspricht das 7200 MJ. Die drei Laderegler fügen über eine Lebensdauer von 30 Jahren weitere 360 MJ hinzu, so dass sich der Gesamtenergieverbrauch für das Batteriesystem auf 7560 MJ beläuft. ³ Im Gegensatz dazu kostet die Herstellung der Solarmodule nur 2275 MJ von insgesamt 9835 MJ. ⁴ Fazit: Mehr als 75 % des gesamten fossilen Energieverbrauchs entfallen auf die Energiespeicherung.

Bild: Auf der rechten Seite des Balkons sind die zwei 50W-Solarpaneele angebracht, die mein Wohnzimmer mit Energie versorgen. Daneben ist das 30W-Solarpaneel, mit dem diese Webseite betrieben wird. Foto: Marie Verdeil.

Bild: Der Unterbau für die Solarpaneele, gebaut aus Holzabfällen. Foto: Kris De Decker.

Bild: Die 100 Ah-Blei-Säure-Batterie, die nach Sonnenuntergang das Wohnzimmer versorgt. Foto: Kris De Decker.

Andere Batterietypen würden an diesem Fazit nichts Wesentliches ändern. Bei einem vergleichbaren netzunabhängigen System mit Lithium-Ionen-Batterien würde die Energiespeicherung etwa 95 % der gesamten Lebenszykluskosten ausmachen (das ist fast doppelt so viel wie bei einem System mit Bleibatterien). Wenn man von einer optimistischen Lebensdauer (10 Jahre) ausgeht und die Laderegler einbezieht, macht die Lithium-Energiespeicherung etwa 70 % der in ein Solarnetzsystem investierten Energie aus. ⁵ ⁶ Bei Nickel-Eisen-Batterien würde die Energiespeicherung 85 % der gesamten Lebenszykluskosten ausmachen (es gibt keine Daten zu den Energiekosten). ⁷

Auch die Größe und der Standort der Solaranlage machen keinen Unterschied. Eine größere Anlage benötigt mehr Solarmodule, aber auch größere Batterien und teurere und leistungsfähigere Laderegler. Die Verhältnisse bleiben die gleichen. ⁸ Der einzige Faktor, der den Anteil der Solarmodule an den Gesamtkosten etwas erhöhen kann, sind die Strukturen, auf denen sie montiert sind. Ich berücksichtige das nicht, weil ich sie aus Holzabfällen selbst gebaut habe. Wenn die Solarmodule jedoch auf einem Dach montiert werden, ist eine Selbstbaulösung weniger naheliegend. Aber auch in diesem Fall sind die Kosten für die Energiespeicherung bei weitem der wichtigste Faktor.

Direkte Sonnenenergie: viel billiger und nachhaltiger

Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen sind Sonne und Wind nicht auf Abruf verfügbar. Das Problem mit unserem Ansatz für erneuerbare Energien ist, dass wir darauf bestehen, dass Energie immer unbegrenzt verfügbar sein sollte, unabhängig von Wetter, Jahres- oder Tageszeit. Eine Anpassung der Energienachfrage an das Angebot - wie in der Vergangenheit - würde zu einer dramatischen Senkung der Kosten und des Verbrauchs fossiler Brennstoffe führen.

Wenn ich zum Beispiel den Batteriespeicher meiner Solaranlage weglassen würde, wäre mein System etwa zehnmal billiger: 120 Euro statt 1.290 Euro über eine Lebensdauer von 30 Jahren. Alternativ könnte ich 1.290 Euro allein für Solarmodule ausgeben, was mir eine Solaranlage mit 1075 Watt bescheren würde. Das ist das Zehnfache der Kapazität der Anlage mit Batterien, mehr als auf den Balkon passt.

Ohne Batterie und Laderegler sinken auch die Energiekosten der Anlage von 9835 MJ auf 2275 MJ. Mit anderen Worten: ich könnte mit der gleichen Investition in fossile Brennstoffe mindestens viermal so viel Sonnenenergie erzeugen.

Wie lässt sich direkte Sonnenenergie in die Praxis umsetzen?

Schön und gut, aber die Sonne scheint nicht nach Sonnenuntergang und die Menge der Sonnenenergie schwankt im Laufe des Tages und des Jahres. Wie also kann der Einsatz von Solarmodulen ohne Batterien (oder andere Back-up-Infrastrukturen im Falle von netzgekoppelten Anlagen) praktikabel sein?

Um diese Frage zu beantworten, werfen wir einen Blick auf einen Pionier der „direkten Sonnenenergie“: die Living Energy Farm. Dieses Wohnprojekt im US-Bundesstaat Virginia ist dank der Sonnenenergie völlig „netzunabhängig“, aber nur 10 % des erzeugten Solarstroms fließen durch eine (Nickel-Eisen-)Batterie. Die Sonnenkollektoren versorgen jedoch mehrere Häuser, eine Gemeinschaftsküche, eine Metallwerkstatt und eine Farm mit Strom. ⁹ ¹⁰

Bild: Direkte Sonnenenergie im Einsatz bei der Living Energy Farm.

Die Solaranlage ist seit 2011 in Betrieb und besteht aus einzelnen Systemen mit einer Gesamtspitzenleistung von 1400 Watt. ¹¹ Zum Vergleich: Die durchschnittliche Spitzenleistung einer privaten Solaranlage in Großbritannien und den USA - für einen Haushalt - beträgt 4000 Watt bzw. 6500 Watt. Wie in meiner Wohnung wird auch in der Living Energy Farm sparsam mit Energie umgegangen, aber die Tatsache, dass kaum Batterien verwendet werden, hat andere Gründe.

Einige Geräte werden nur tagsüber benutzt

Ein erster Grund liegt auf der Hand: Einige elektrische Geräte und Maschinen werden nur tagsüber benutzt. Das gilt zum Beispiel für alle Maschinen in der Metallwerkstatt, wie Bandsäge, Kompressor, Schleifmaschine, Kreissäge, Drehbank, Fräse und Bohrmaschine. Das gilt auch für landwirtschaftliche Maschinen wie eine Getreidemühle und eine Tiefbrunnenpumpe. Diese Maschinen sind direkt an Sonnenkollektoren angeschlossen und bieten alle Möglichkeiten moderner netzbetriebener Technik, mit der Ausnahme, dass sie nur tagsüber genutzt werden können. ¹⁰

In viel kleinerem Maßstab habe ich zu Hause direkten Solarstrom für einen Lötkolben, eine Klebepistole und eine Bewässerungspumpe (für den Balkon) verwendet. Weitere Beispiele für Geräte und Maschinen, die nur tagsüber genutzt werden könnten, sind Staubsauger, Nähmaschinen, Waschmaschinen, Spielkonsolen, Laserschneider und 3D-Drucker. Es ist gar nicht so schwer, sich eine moderne Gesellschaft vorzustellen, in der Tätigkeiten wie Staubsaugen und Heimwerkerarbeiten nur noch tagsüber stattfinden. Eine Rückkehr ins Mittelalter ist das sicher nicht.

Bild: Verschiedene Werkstattwerkzeuge auf der Living Energy Farm, von denen die meisten mit direktem Solarstrom betrieben werden. Aufnahme: Alexis Zeigler.

Bild: Mit direkter Sonnenenergie betriebene Metalldrehbank, Living Energy Farm. Aufnahme: Alexis Zeigler.

Bild: Löten mit direkter Sonnenenergie. Aufnahme: Marie Verdeil. [Video](https://www.youtube.com/watch?v=qozZCJU4IOc).

Außerdem müssen nicht alle elektrischen Geräte ständig überwacht werden. Waschmaschinen oder Geschirrspüler, die sich automatisch einschalten, wenn die Sonne scheint, werden oft als Beispiele für ein „intelligentes“ Stromnetz angeführt. Dieser Ansatz setzt jedoch eine umfangreiche Infrastruktur aus Stromübertragungs- und Kommunikationsnetzen sowie elektronisch gesteuerten Geräten voraus.

Im Gegensatz dazu wird bei einem dezentralen, direkten Solaransatz die Intelligenz von der Sonne und der Drehung unseres Planeten bereitgestellt. Eine direkt solarbetriebene Wasch- oder Geschirrspülmaschine kann am Abend vollständig geladen und eingeschaltet werden. Die Maschine springt dann morgens „automatisch“ an. Sie können sogar Zeitschaltuhren (elektronisch oder mechanisch) verwenden, um verschiedene Geräte nacheinander zu betreiben.

Ob und inwieweit Wolken eine zusätzliche Einschränkung für eine direkte Solaranlage darstellen, hängt von der Größe der Solarmodule ab. Eine Verdopplung der Fläche der Solarmodule garantiert bei mäßiger Bewölkung eine ausreichende Sonnenenergie, während die Anlage viel billiger und nachhaltiger bleibt als ein System mit Batterien oder einer anderen Backup-Infrastruktur.

Eine noch größere Fläche mit Sonnenkollektoren könnte selbst bei starker Bewölkung ausreichend Energie liefern, aber eine Verzehnfachung der Größe des Systems bringt die Kosten wieder auf das Niveau eines autonomen Systems mit Batterien. Eine Vervierfachung der Fläche macht das System wieder gleichermaßen abhängig von fossilen Brennstoffen.

Viele Geräte haben bereits Batterien

Bei direkter Sonnenenergie lassen sich elektrische Geräte auch nach Sonnenuntergang nutzen. Wie bereits erwähnt, verfügt die Living Energy Farm über ein bescheidenes Batteriesystem, das nach Sonnenuntergang u. a. Strom für Beleuchtung, Ventilatoren und elektronische Geräte liefert. ¹⁰ Darüber hinaus verfügen viele moderne Geräte bereits über eingebaute Energiespeicher. Dies gilt für alle Arten von Elektrofahrzeugen, für die meisten elektronischen Geräte und für ältere Elektrogeräte mit AA-Batterien.

So können diese Geräte tagsüber mit direkter Sonnenenergie aufgeladen und nach Sonnenuntergang dank des eingebauten Akkus noch mehrere Stunden lang genutzt werden. In Kombination mit einer Lithium-Ionen-Powerbank kann ein direktes Solarpaneel USB-Geräte auch nach Sonnenuntergang laden. Das kann sogar für die Beleuchtung funktionieren, denn es gibt viele batteriebetriebene Lampen, die man als moderne Taschenlampen verwenden kann, aufgehängt an verschiedenen Stellen in Räumen und Gebäuden.

Bild: Ein mobiles Telefon, mit direkter Sonneneergie betrieben. Foto: Marie Verdeil.

Natürlich ist die Auslagerung der chemischen Energiespeicherung in das Gerät nicht die nachhaltigste Option. Für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien werden fossile Brennstoffe benötigt, und sie werden (im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterien) nicht recycelt. Die beste Lösung ist natürlich, den Gebrauch von Elektrogeräten zu reduzieren. Aber sie mit direkter Sonnenenergie aufzuladen ist viel nachhaltiger und effizienter als über zusätzliche Batterien oder ein mit fossilen Brennstoffen betriebenes Stromnetz. Wenn wir schon High-Tech-Geräte verwenden, dann möglichst auf die intelligenteste Art und Weise.

Nicht-elektrische Energiespeicherung

Ein dritter Grund, warum direkte Sonnenenergie praktischer ist, als es auf den ersten Blick scheint, ist die Tatsache, dass einige elektrische Geräte dank thermischer Energiespeicherung auch nach Sonnenuntergang genutzt werden können. Dies ist viel billiger und nachhaltiger als die Speicherung elektrischer Energie. Die thermische Energiespeicherung ist für Raum- und Warmwasserheizungssysteme bereits recht gut etabliert, bei denen das solar erwärmte Wasser in einem isolierten Heizkessel oder (nur für die Raumheizung) in der Gebäudehülle gespeichert wird. Es ist keine Überraschung, dass die Living Energy Farm über solche Systeme verfügt, und die Solarthermie sorgt auch in meiner Wohnung für Warmwasser.

Der gleiche Ansatz funktioniert aber auch für zwei wichtige Haushaltsgeräte, die nach Sonnenuntergang funktionieren müssen und ebenfalls viel Strom verbrauchen: den Kühlschrank und den Herd. Anstatt den Strom aus einem Solarmodul in einer Batterie zu speichern, um dann nach Sonnenuntergang einen Kühlschrank oder einen Herd zu betreiben, verwenden diese Geräte auf der Living Energy Farm eine Wärmedämmung. Dadurch wird die Wärme im Inneren (im Falle des Herdes) oder außerhalb (im Falle des Kühlschranks) gehalten, wenn kein Strom vorhanden ist. Die Wärmedämmung sorgt auch für eine sehr hohe Energieeffizienz, so dass jedes dieser Geräte bereits mit einem Solarpaneel von nur 100-200 Watt betrieben werden kann.

Ein Kühlschrank, mit direkter Sonnenenergie betrieben

Es ist durchaus möglich, einen herkömmlichen Kühl- oder Gefrierschrank direkt an ein Solarmodul anzuschließen, aber ein solches Gerät würde sich in der Nacht sehr schnell aufheizen. Selbst Kühlschränke der energieeffizientesten Kategorie haben eine relativ geringe Isolierstärke (normalerweise 2,5 cm). Wird diese Dämmstärke jedoch auf etwa 12,5 cm erhöht, sinkt der Energieverbrauch eines Kühlschranks um das Vierfache. ¹² ¹³ Die passive Kühlleistung eines Kühlschranks kann durch Hinzufügen einer thermischen Masse in Form eines Wassertanks im Inneren des Geräts weiter erhöht werden. Tagsüber kühlt das Solarmodul das Wasser oder wandelt es in Eis um. In der Nacht verlangsamt dieses kalte Wasser oder Eis die Erwärmung des Kühlschranks. ¹⁴

Ein Kühlschrank, der mit direkter Sonnenenergie betrieben wird, lässt sich auch oben und nicht nur vorne öffnen. Kalte Luft ist schwer, und so geht auf diese Weise viel weniger Energie verloren, wenn jemand die Tür öffnet. All diese Design-Entscheidungen führen zu einer spektakulären Energieeffizienz. Eine Studie über Kühlschränke mit direkter Sonneneinstrahlung in sehr sonnigen Regionen (Texas und New Mexico, USA) zeigte, dass sie ihre Kühlleistung 6 oder 7 Tage lang ohne Stromzufuhr aufrechterhalten konnten. Die Geräte wurden das ganze Jahr über mit Sonnenkollektoren von nur 80 bis 120 Watt betrieben. ¹⁵ Die Living Energy Farm betreibt ihren Solarkühlschrank mit einem 200-W-Panel. ¹⁰

Bild: Der Sundanzer DDR165. Ein Kühlschrank, der eigens für direkte Sonnenenergie entwickelt wurde. Foto: Sundanzer.

Im Gegensatz zur solaren Heizung ist die solare Kühlung optimal auf die jahreszeitlichen Schwankungen der Sonneneinstrahlung abgestimmt. Im Sommer, wenn mehr Sonnenenergie vorhanden ist, wird mehr Energie für die Kühlung benötigt. Der oben erwähnte Kühlschrank in New Mexico verzeichnete einen Energieverbrauch von 406 Wattstunden pro Tag im Sommer und nur 230 Wattstunden im Winter. ¹⁶ Außerdem kann die Technologie in der gesamten Kühlkette eingesetzt werden, von der der Haushaltskühlschrank nur ein kleiner (aber wesentlicher) Teil ist. Eine weitere Anwendung ist die Luftkühlung, die allerdings weniger gut erforscht und schwieriger zu realisieren ist. ¹⁷

Ein Elektroherd, mit direkter Sonnenenergie betrieben

Im Prinzip kann auch ein herkömmlicher Herd direkt an ein Solarmodul angeschlossen werden, aber wie bei einem herkömmlichen Kühlschrank ist das nicht sehr praktisch. Man kann nur tagsüber kochen, und man muss viele Solarpanels installieren. Eine einzige Kochplatte benötigt 1000 Watt elektrische Leistung. Ein elektrischer Solarkocher löst diese Probleme, indem er das Kochfeld mit einer Wärmedämmung ausstattet. Die Technologie ist im Grunde eine Kombination aus einem Elektrokochfeld und einer Kochkiste.

Bild: Test eines elektrischen Solarkochers. Foto: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Dank der Wärmedämmung speichert ein elektrischer Solarkocher tagsüber langsam Wärme, die dann nach Sonnenuntergang zum Kochen genutzt werden kann. Auf diese Weise kann eine viel geringere Stromzufuhr ausreichen, um hohe Temperaturen zu erreichen. Stellen Sie sich vor, Sie „laden“ Ihren Herd nicht mit Strom, sondern mit Wärme auf.

Forscher der US-amerikanischen California Polytechnic State University (Cal Poly) haben 2015 den ersten elektrischen Solarkocher gebaut. Ihr 12-Volt-Gerät, das inzwischen weiterentwickelt wurde, benötigt nur ein 100-W-Solarpanel, um zu funktionieren. Es kocht einen Liter Wasser in einer Stunde. Bei einem ganzen Tag Sonnenlicht können damit fast 5 kg Bohnen, Reis, Eintopf oder Kartoffeln gekocht werden. ¹⁸

Das Kochen nach Sonnenuntergang ist möglich, wenn ein Kochtopf mit einem viel dickeren Boden (5-10 kg) verwendet wird. Dem Forschungsteam des Cal Poly gelang es, die Temperatur dieses festen Wärmespeichers mit einem 100-W-Sonnenkollektor in fünf Stunden auf 250 °C zu bringen. Anschließend konnten sie einen Liter Wasser nach Sonnenuntergang in drei Sekunden zum Kochen bringen. In einem anderen Test haben sie 1 kg Gemüse in zwei Minuten angebraten. Die ideale Konfiguration besteht aus zwei Kochtöpfen: einem mit und einem ohne Wärmespeicher. So kann ein elektrischer Solarkocher sowohl langsam als auch schnell kochen, je nach Tageszeit und Gericht. ¹⁹

Bild: Das Prinzip eines elektrischen Solarkochers mit festem Wärmespeicher. Zeichnung: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Thermisch oder elektrisch?

Wie die solare Warmwasserbereitung und Raumheizung können auch Kochen und Kühlen sowohl mit als auch ohne Strom funktionieren - mit PV-Paneelen einerseits und solarthermischen Kollektoren andererseits. Doch während die solare Raumheizung und Warmwasserbereitung ohne Strom kosten- und energieeffizienter sind, ist es bei der solaren Kühlung und dem solaren Kochen genau umgekehrt.

Für die Raumheizung und die Warmwasserbereitung sind relativ geringe Temperaturunterschiede erforderlich, die durch kostengünstige thermische Solarkollektoren aus Glasplatten und Wasserrohren erzeugt werden können. Zum Kühlen und Kochen hingegen sind größere Temperaturunterschiede erforderlich, für die anspruchsvollere (Vakuumröhren- oder Parabolrinnen-) Sonnenkollektoren benötigt werden - und diese sind teurer als PV-Module. ²⁰ ²¹

Die einzige Ausnahme ist ein einfacher Solarkocher - ein isolierter Kasten mit einer Glasplatte. Allerdings kann er keine so hohen Temperaturen erreichen. Außerdem hat ein elektrischer Solarkocher einige zusätzliche Vorteile. Mit einem nicht-elektrischen Gerät muss man draußen kochen, was weniger praktisch, aber auch weniger effizient ist, vor allem im Winter: Ein thermischer Solarkocher verliert mehr Wärme an die Umgebung. Ein elektrischer Solarkocher ist außerdem energieeffizienter, da er von allen Seiten isoliert ist. Er funktioniert auch besser bei bewölktem Wetter und kann nach Sonnenuntergang verwendet werden. Auf der Living Energy Farm wird der Parabolspiegel-Solarkocher nur unter optimalen Bedingungen eingesetzt - bei voller Sonne und hohen Außentemperaturen.

Worin besteht die technische Herausforderung?

Obwohl die Living Energy Farm all diese Anwendungen der direkten Sonnenenergie in die Praxis umsetzt, gibt es einige technische Herausforderungen für diejenigen, die diesem Beispiel folgen wollen. Fast alle unsere modernen Technologien sind darauf ausgelegt, mit einer stabilen und nicht unterbrochenen Stromversorgung zu arbeiten. Das muss nicht so sein, aber im Moment erfordert die direkte Sonnenenergie in der Regel etwas Bastelei. Ein direktes Solarsystem ist viel einfacher zu bauen als ein autonomes System mit Batterien, aber es erfordert oft Modifikationen auf der Geräteseite.

Einige Geräte können direkt an ein Solarmodul angeschlossen werden: Es genügt, die positiven und negativen Kontakte des Solarmoduls und des Geräts zu verbinden. Maschinen mit Gleichstrommotor zum Beispiel vertragen große Schwankungen in der Stromversorgung. Die Metallwerkstatt und die landwirtschaftlichen Maschinen auf der Living Energy Farm funktionieren auf diese Weise. Wenn die Sonne durch Wolken verdeckt wird, kann die kombinierte elektrische Last größer werden als die von den Solarmodulen gelieferte Energie, aber das stoppt die Maschinen nicht. Alle Motoren werden langsamer, weil sie sich die verfügbare Energie teilen, aber sie verrichten alle weiterhin nützliche Arbeit. ¹⁰ ²²

Das Gleiche gilt für alle Geräte, die auf der Basis von Widerstandsheizelementen arbeiten, wie Wasserkocher, Kochplatten oder elektrische Heizsysteme. Sie arbeiten unabhängig von Leistung und Spannung, nur eben langsamer oder schneller. Ein direkt solarbetriebener Kühlschrank arbeitet vorzugsweise mit einem variablen Gleichstromkompressor, der seine Geschwindigkeit an die schwankende Solarstromproduktion anpassen kann. ¹⁰ ²³

Viele andere Geräte benötigen eine bestimmte und stabile Eingangsspannung, die in der Regel nicht mit der vom Solarmodul erzeugten Spannung übereinstimmt. Dieses Problem lässt sich lösen, indem man einen DC-DC-Wandler (einen „Buck“- oder „Boost“-Wandler) zwischen das Solarpanel und das Gerät schaltet. Dabei handelt es sich um ein kleines elektronisches Modul, das die schwankende Gleichspannung eines Solarmoduls in eine konstante Ausgangsspannung für ein Gerät mit niedriger Spannung umwandelt (5 V, 12 V oder höher). ²⁴

Bild: Experimente mit direkter Sonnenenergie. Foto: Marie Verdeil.

Wenn sie zusätzlich einen Wechselrichter verwenden, können sogar Wechselstrom-Geräte direkt an einem Solarpanel betrieben werden. ²⁵ DC-DC-Wandler sind für alle Geräte, die elektronische Komponenten enthalten, unerlässlich. Das ist heute bei vielen Geräten der Fall, auch bei solchen, die bis vor kurzem noch ohne Elektronik auskamen, wie z. B. Waschmaschinen oder Kaffeemaschinen. Daher gibt es oft zwei Möglichkeiten, solche Geräte mit direktem Solarstrom zu betreiben. Entweder man baut einen Gleichspannungswandler ein oder man modifiziert das Gerät, indem man die Elektronik umgeht.

Selbstbauanleitungen und kommerzielle Geräte

Die meisten Anwendungen der direkten Solarenergie arbeiten mit Kleinspannung, so dass man in den Selbstbau einsteigen kann. Das Low-tech Magazine wird demnächst eine Anleitung dazu veröffentlichen. Die Living Energy Farm verwendet jedoch für eine Reihe von Anwendungen Gleichstrom mit höheren Spannungen. Beispiele dafür sind die Werkzeugmaschinen in der Metallwerkstatt (90V) und eine Reihe von leistungsstarken elektrischen Solarkochern (48V, 180V). Es ist keine gute Idee, diese Systeme selbst zu bauen, wenn Sie nicht die Hilfe eines qualifizierten Elektrikers haben, da diese Spannungen zu tödlichen Unfällen führen können.

Wer seinen eigenen elektrischen Solarkocher (mit niedriger Spannung) bauen möchte, findet sowohl bei Living Energy Farm als auch bei Cal Poly umfassende Anleitungen. ²⁶ Die Geräte können mit einfachen Materialien hergestellt werden. Das Isoliermaterial sollte feuerfest sein. Beispiele sind Steinwolle, Glasfaser, Naturwolle oder Ton.

Für Heizelemente können verschiedene Technologien verwendet werden, aber das Einbetten von Nickelchromdrähten in Zement ist die einfachste Möglichkeit. Diese Drähte können von einer Vielzahl von Geräten wie Toastern, Öfen und Kochplatten übernommen werden. Im Prinzip können die Heizdrähte direkt am Kochtopf angebracht werden, aber es ist praktischer, ein beheiztes „Nest“ zu bauen, in das ein Topf gestellt werden kann.

Bild: Von der Arbeit von Cal Poly inspiriert entwickelte Living Energy Farm auch eine gewisse Zahl von elektrischen Solarkochern. Einer wird [auf ihrer Website zum Verkauf angeboten](https://livingenergylights.com/product/roxy-solar-electric-oven/). Der "Roxy Oven" kann als Kochplatte oder als Ofen verwendet werden, zum Beispiel, um Brot zu backen. Die Tür bleibt auch dann geschlossen wenn das Gerät als Kochplatte genutzt wird. Dieser Solarkocher speichert keine Energie.

Bild: Der "Roxy Oven" ohne Tür und mit Sicht auf die Isolierung mit Glaswolle. Das Gerät - das in der Metallwerkstätte mit direkter Sonnenenergie hergestellt wurde - benötigt 48V und ein Solarpanel mit 200 bis 500 Watt. Living Energy Farm bietet außerdem den Solarkühlschrank von Sunstar [im online-Verkauf an](https://livingenergylights.com/product/sunstar-direct-drive-8-cuft-chest-style-refrigerator-freezer/).

Wird Energie verschwendet bei direkter Sonnenenergie?

Die Nachhaltigkeit einer Solaranlage hängt nicht nur von der Energie ab, die für die Herstellung und Wartung der Infrastruktur benötigt wird, sondern auch von der Energie, die von den Solarmodulen während ihrer Lebensdauer erzeugt wird. Einige mögen argumentieren, dass die direkte Nutzung von Solarenergie in dieser Hinsicht herkömmlichen netzgekoppelten oder batteriebetriebenen Solaranlagen unterlegen ist.

Schließlich werden Staubsauger, Waschmaschine und Bohrmaschine nicht jeden Tag benutzt, und wenn kein elektrisches Gerät angeschlossen ist, wird auch ein Solarmodul keinen Strom erzeugen. Folglich nimmt die vom Modul erzeugte Strommenge im Laufe seiner Lebensdauer ab, während der Energiebedarf für die Herstellung des Moduls gleich bleibt. Dies macht den Strom aus einem direkten Solarmodul kohlenstoffintensiver.

Da jedoch die Energiespeicherung in Batterien (oder die netzgekoppelte Alternative) einen so großen Anteil an der investierten Gesamtenergie ausmacht, kann ein eigenständiges Solarmodul ziemlich viel Energie verschwenden, bevor es weniger nachhaltig ist als sein Gegenstück mit Batteriespeicher oder Netzanschluss.

Außerdem entfallen bei der direkten Nutzung von Solarstrom die durch Batterien verursachten Lade- und Entladeverluste oder die Energieverluste in der Übertragungsinfrastruktur bei netzgekoppelten Systemen. Beides muss durch zusätzliche Solarmodule ausgeglichen werden. Außerdem vergeuden an Batterien oder das Netz angeschlossene Solarmodule auch Energie - eine Folge des großen Unterschieds in der Energieerzeugung zwischen Sommer und Winter.

Maximierung der direkten Sonnenenergie mit kollektiven Dienstleistungen

Dennoch ist es wichtig, die Energieproduktion eines direkten Solarmoduls zu maximieren. In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, kurz auf das ursprüngliche Beispielsystem auf meinem Balkon zurückzukommen. Direkte Sonnenenergie könnte eine schöne Ergänzung zu diesem System sein, insbesondere für den Kühlschrank und den Herd. Wegen dieser Geräte bin ich 2016 zu dem Schluss gekommen, dass es unmöglich ist, meine Wohnung vollständig vom Stromnetz zu trennen.

Die Living Energy Farm zeigt jedoch, dass das möglich ist: Auf dem Balkon ist Platz für weitere 200 Watt Solarmodule (4 x 50 W), genug, um sowohl einen wärmeisolierten Kühlschrank als auch ein Kochfeld zu betreiben. Eine zusätzliche Batteriekapazität wäre nicht erforderlich.

Für andere Geräte ist direkter Solarstrom in meinem Fall jedoch kaum von Nutzen. Es wäre nicht sehr effizient, ein zusätzliches Solarpanel für die Waschmaschine oder die Bohrmaschine zu installieren, da sie nur gelegentlich benutzt werden. Das scheint einem „intelligenten“ Stromnetz in die Hände zu spielen, denn auf diese Weise können viele Haushalte denselben Solarstrom nutzen - es gibt immer jemanden, der Wäsche waschen oder ein Loch bohren muss.

Ein solches intelligentes Netz erfordert jedoch eine umfangreiche Infrastruktur, selbst wenn direkte Sonnenenergie in dieser Größenordnung genutzt werden würde. Es braucht vielleicht keine Batterien oder fossile Brennstoffe als Backup, aber es braucht eine Übertragungs- und Kommunikationsinfrastruktur.

Bild: Ein Schallplattenspieler, mit direkter Sonnenenergie betrieben. Foto: Marie Verdeil. [Video](https://www.youtube.com/watch?v=_LjSigJv0-0).

Die Living Energy Farm zeigt eine alternative Lösung: die gemeinschaftliche Organisation von Haushaltsaufgaben und Arbeit. Anstelle eines kommunalen Stromnetzes, das Energie an viele einzelne Haushalte verteilt, können wir kollektive Dienste mit dezentraler Energieerzeugung einrichten.

In der Gemeinschaftswerkstatt der Living Energy Farm kann direkter Solarstrom viel effizienter genutzt werden als in einer einzelnen Werkstatt, die nur gelegentlich genutzt wird. Eine kollektive Wäscherei in jeder Straße würde ebenfalls die direkte Sonnenenergie viel effizienter nutzen. Außerdem sparen wir auf diese Weise eine Menge Energie bei der Herstellung von Geräten und gewinnen eine Menge Platz.

Direkte Windenergie?

Diese Strategie wird noch wichtiger, wenn wir uns nicht für direkte Sonnenenergie, sondern für direkte Windenergie entscheiden - oder für eine Kombination aus beidem. Die Living Energy Farm befindet sich in einer sonnigen Region, aber der gleiche Ansatz könnte auch an windigen Orten funktionieren.

Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied zwischen Solarenergie und Windenergie. Der Wirkungsgrad eines Solarmoduls hängt nicht von seiner Größe ab, was die Solarenergie ideal für die dezentrale Energieerzeugung macht. Im Gegensatz dazu steigt der Wirkungsgrad einer Windturbine mit zunehmendem Rotordurchmesser überproportional. Viel besser als eine Windturbine pro Haushalt ist daher eine etwas größere Windturbine für eine Gemeinschaft von Haushalten, z. B. für den Betrieb einer gemeinsamen Wäscherei oder Werkstatt.

Die Lebensdauer von Blei-Säure-Batterien hängt von vielen Faktoren ab. Wenn sie zu tief entladen oder nicht regelmäßig vollständig aufgeladen werden, kann die Lebensdauer kürzer als drei Jahre sein. Andererseits kann eine Blei-Säure-Batterie, die kaum oder gar nicht entladen wird, viel länger als fünf Jahre halten. In der Fachliteratur wird jedoch eine Lebenserwartung von drei bis fünf Jahren angegeben, und dies ist auch meine Erfahrung mit den Batterien, die ich seit 2016 verwende. Siehe, zum Beispiel “Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy Systems With Battery Storage”, A. Celik, in “Progress in Photovoltaics: Research and Applications”, 2008. und “Energy pay-back time of photovoltaic energy systems: present status and prospects”, E.A. Alsema, in “Proceedings of the 2nd World Conference and Exhibition on photovoltaics solar energy conversion”, July 1998. ↩︎
Um eine Blei-Säure-Batterie herzustellen (in weiten Teilen aus wiederverwendetem Material) braucht es etwa 1 MJ Energie je Wattstunde Speicherkapazität. Meine Batterie mit 100 Ampèrestunden entspricht einer Speicherkapazität von 1200 Wattstunden, und demnach beträgt die graue Energie 1200 MJ. In 30 Jahren brauche ich im besten Fall sechs dieser Batterien, das ergibt also 7200 MJ insgesamt. Quelle: “Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements)” and “Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies)” (PDF). Energy Conversion and Management 46, 2005. ↩︎
Über die graue Energie von Ladereglern gibt es nicht viel Forschung. Die klarste Aussage, die ich gefunden habe, geht von einem Wert von 1 MJ pro Watt Spitzenleistung aus: Kim, Bunthern, et al. “Life cycle assessment for a solar energy system based on reuse components for developing countries.” Journal of cleaner production 208 (2019): 1459-1468. Bei einer Leistung von 120W (mein Laderegler hat eine Maximalleistung von 10A x 12V = 120W), entspricht dies 120 MJ. Die geschätzte Lebensdauer wird mit Werten zwischen 7 und 12.5 Jahren angegeben: gleiche Literatur wie oben und außerdem: Kim, Bunthern, et al. “Second life of power supply unit as charge controller in PV system and environmental benefit assessment.” IECON 2016-42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016. Deshalb habe ich eine geschätzte Lebensdauer von 10 Jahren berechnet. ↩︎
Nawaz, I., and G. N. Tiwari. “Embodied energy analysis of photovoltaic (PV) system based on macro-and micro-level.” Energy Policy 34.17 (2006): 3144-3152. Folgt man dieser häufig zitierten Quelle braucht man 3500 MJ, um 1 qm Solarpanelfläche herzustellen. Meine zwei Solarpaneele haben zusammen eine Fläche von 0,65 qm, was Gesamtenergiekosten von 2275 MJ entspräche. Eine neuere Literaturübersicht schätzt die Energiekosten für die Herstellung verschiedenartiger Solarpaneele auf den Bereich zwischen 1034 and 5150 MJ/qm. Die dort enthaltenen jüngsten Untersuchungen zu Solarmodulen aus Silizium schätzen die Energiekosten auf etwa 1000 MJ/qm, viel geringer als die Zahl, die ich verwende. Siehe: Ludin, Norasikin Ahmad, et al. “Prospects of life cycle assessment of renewable energy from solar photovoltaic technologies: A review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 96 (2018): 11-28. ↩︎
Lithium-Ionen-Batterien sind wesentlich teurer als Blei-Säure-Batterien, aber im Gegensatz zu Blei-Säure-Batterien können sie tiefer entladen werden (bis zu 15 % ihrer Gesamtkapazität) und haben eine längere Lebensdauer (7 bis 10 Jahre). Folglich werden weniger und kleinere Batterien benötigt. Unter Berücksichtigung dieser Faktoren belaufen sich die Kosten für die Lebensdauer der Batterie auf 750 Euro im Vergleich zu 1020 Euro für Bleibatterien. Andererseits erfordern Lithium-Ionen-Batterien einen anspruchsvolleren und teureren Laderegler: Ein 10-A-Laderegler kostet je nach Qualität zwischen 200 und 600 Euro. Geht man von einem Preis von 400 Euro für den Laderegler und einer Lebensdauer von 10 Jahren sowohl für die Batterie als auch für den Laderegler aus, so macht die Batteriespeicherung 95 % der Gesamtkosten über die gesamte Lebensdauer aus (insgesamt 2070 Euro, viel mehr als die Gesamtkosten für das System mit Blei-Säure-Batterien). Quellen: https://www.lithiumion-batteries.com/products/product/12v-50ah-lithium-ion-battery & https://www.lithiumion-batteries.com/products/12v-lithium-ion-battery-chargers/ ↩︎
Die Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie kostet zwar mehr Energie als die einer Blei-Säure-Batterie (1,4-1,9 MJ/Wh gegenüber 1 MJ/Wh), doch wird dies durch eine längere Lebensdauer und eine höhere Entladekapazität ausgeglichen. Die Energiekosten von Lithium-Ionen-Batterien über eine Lebensdauer von 30 Jahren liegen dann bei etwa 3000 MJ und damit deutlich unter denen eines vergleichbaren Blei-Säure-Batteriesystems. Im Gegensatz dazu enthält der Laderegler eine komplexere Elektronik. Leider gibt es keine Angaben zu den Energiekosten eines solchen Ladereglers. Es bleibt also nichts anderes übrig, als die Energiekosten auf der Grundlage der finanziellen Kosten zu schätzen, die vier- bis zwölfmal so hoch sind wie die eines Ladereglers für eine Blei-Säure-Batterie. Geht man von viermal höheren Kosten aus, steigt die eingebettete Energie des Ladereglers auf 480 MJ bzw. 1440 MJ über einen Zeitraum von 30 Jahren. Die Gesamtenergiekosten für das System betragen dann 6685 MJ, weniger als bei einem vergleichbaren System mit Blei-Säure-Batterien. Davon entfallen fast 70 % auf den Batteriespeicher. ↩︎
Nickel-Eisen-Batterien sind noch größer und schwerer als Blei-Säure-Batterien und müssen regelmäßig gewartet werden. Aber sie können vollständig entladen werden und haben eine sehr lange Lebensdauer (20 Jahre). Außerdem können sie mit denselben Ladereglern wie Blei-Säure-Batterien verwendet werden. Die Lebensdauerkosten über 30 Jahre für die Batterie betragen 750 € und sind damit günstiger als die sechs Bleibatterien mit ähnlicher Kapazität. Die Gesamtkosten für die Lebensdauer eines Nickel-Eisen-Batteriesystems mit 100-W-Solarmodulen belaufen sich auf 1.020 €, wovon 85 % auf die Energiespeicherung entfallen. Leider sind Nickeleisenbatterien schwer zu finden, vor allem die kleineren Modelle. Quellen: https://beyondoilsolar.com/product/nickel-iron-battery-industrial-series/ und https://beyondoilsolar.com/product-category/batteries/nickel-iron/ ↩︎
Bei einer etwas größeren Solaranlage wäre der Preis der Solarmodule proportional sogar noch geringer. Das liegt daran, dass Solarmodule mit kleinen Abmessungen (z. B. 50 W) pro Watt Spitzenleistung proportional teurer sind als Solarmodule mit herkömmlichen Abmessungen (ab 250 W). Mehr oder weniger dasselbe gilt für die Energiekosten. ↩︎
https://livingenergyfarm.org ↩︎
Alexis Zeigler, der Gründer der Living Energy Farm, hat ein Buch über das Projekt geschrieben, das online erhältlich ist: Empowering Communities. A Practical Guide to Energy Self Sufficiency and Stopping Climate Change. Es kann auch als gedrucktes Buch bestellt werden. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Da bei direkter Sonnenenergie kein Laderegler für jedes einzelne System erforderlich ist, verursacht die Aufteilung einer Solaranlage keine zusätzlichen Kosten und keinen zusätzlichen Energieverbrauch. ↩︎
Untersuchungen zeigen, dass eine Verdoppelung der Isolierstärke von 2,5 cm (Standardisolierung) auf 5 cm den jährlichen Stromverbrauch eines Kühlschranks (50 Liter Fassungsvermögen) von 250 auf 125 Kilowattstunden reduziert. ¹³ Bei einer Dämmdicke von 10 bis 12,5 cm halbiert sich der Stromverbrauch nochmals auf etwa 60 Kilowattstunden pro Jahr. Eine noch dickere Isolierung führt zu einer geringeren Verringerung des Stromverbrauchs und ist nicht mehr attraktiv, da eine dickere Isolierung auch die Kosten und die Größe des Kühlschranks erhöht. Die Studie bezieht sich auf einen solarbetriebenen Wechselstrom-Kühlschrank, der mit einem Wechselrichter und einer Batterie betrieben wird, was weniger energieeffizient ist als ein direkt solarbetriebener Kühlschrank. ↩︎
Gupta, B. L., Mayank Bhatnagar, and Jyotirmay Mathur. “Optimum sizing of PV panel, battery capacity and insulation thickness for a photovoltaic operated domestic refrigerator.” Sustainable Energy Technologies and Assessments 7 (2014): 55-67. ↩︎ ↩︎
Diese thermische Masse kann im wahrsten Sinne des Wortes ein Behälter mit Wasser sein, der im Inneren des Kühlschranks platziert wird, oder einige Wasserflaschen zum Trinken. Das Wasser kann aber auch in Behältern an der Seite des Geräts aufbewahrt werden, hinter einer Innenverkleidung, die sie an Ort und Stelle hält und vor Blicken verbirgt. Wasser hat eine höhere Wärmespeicherdichte als Luft und hält die Temperatur länger stabil. ↩︎
Ewert, M., et al. “Photovoltaic direct drive, battery-free solar refrigerator field test results.” Proceedings of the solar conference. American solar energy society; American institute of architects, 2002. ↩︎ ↩︎
Dieser Vorteil gilt nur, wenn der Kühlschrank in einem unbeheizten Raum aufgestellt wird. Die moderne Gewohnheit, einen Kühlschrank in einer beheizten Küche aufzustellen, wenn die Außentemperatur im Winter gleich oder niedriger ist als die Temperatur im Kühlschrank, ist natürlich eine absurde Verschwendung. Aber auch in tropischen Ländern, in denen das ganze Jahr über hohe Temperaturen herrschen, gilt dieser Vorteil nicht. ↩︎
Die Nutzung direkter Sonnenenergie zur Raumkühlung wurde nicht so gründlich untersucht wie die Nutzung von Haushaltskühlschränken. Siehe: Luerssen, Christoph, et al. „Life cycle cost analysis (LCCA) of PV-powered cooling systems with thermal energy and battery storage for off-grid applications.“ Applied Energy 273 (2020): 115145. Darüber hinaus ist es unwahrscheinlich, dass damit gleichgroße Energieeinsparungen erzielt werden. Ein Kühlschrank ist immer isoliert, aber im Falle eines luftgekühlten Raums oder Gebäudes ist dies nicht unbedingt der Fall. Außerdem wird ein Kühlschrank in einem Raum aufgestellt, in dem eine stabile Temperatur herrscht. Ein Gebäude ist größeren Temperaturschwankungen unterworfen und kann auch durch direkte Sonneneinstrahlung aufgeheizt werden. Die direkte solare Luftkühlung ist also viel komplizierter. Siehe: Qi, Ronghui, Lin Lu, and Yu Huang. “Parameter analysis and optimisation of the energy and economic performance of solar-assisted liquid desiccant cooling system under different climate conditions.” Energy conversion and management 106 (2015): 1387-1395. ↩︎
Solarelektrisches Kochen, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Siehe auch diese Präsentation vom gleichen Autor. ↩︎
Isolierter Solarelektrischer Kocher mit Wärmespeicherung, Andrew McCombs et al., 2022. Siehe auch dieses Video. ↩︎
Siehe: Ferreira, Carlos Infante, and Dong-Seon Kim. “Techno-economic review of solar cooling technologies based on location-specific data.” International Journal of Refrigeration 39 (2014): 23-37. ///// Riffat, James, et al. “Development and testing of a PCM enhanced domestic refrigerator with use of miniature DC compressor for weak/off grid locations.” International Journal of Green Energy 19.10 (2022): 1118-1131. ///// Du, Wenping, et al. “Dynamic energy efficiency characteristics analysis of a distributed solar photovoltaic direct-drive solar cold storage.” Building and Environment 206 (2021): 108324. ///// Alsagri, Ali Sulaiman. “Photovoltaic and photovoltaic thermal technologies for refrigeration purposes: an overview.” Arabian journal for science and engineering 47.7 (2022): 7911-7944. ↩︎
Mangels Forschungsergebnissen ist nicht klar, ob dies auch für die graue Energie gilt. ↩︎
In beiden Fällen ist es jedoch notwendig, den Schalter des Geräts zu umgehen, da Gleichstrom mehr Wärme erzeugt als Wechselstrom. Stattdessen kann ein geeigneter externer Schalter helfen, aber damit umgeht man den Sicherheitsmechanismus des Geräts, was natürlich ein Risiko darstellt. ¹⁰ Auch dies muss nicht der Fall sein: Es ist technisch möglich, Geräte zu bauen, die für direkten Solarstrom geeignet sind. ↩︎
Ein Kompressor mit fester Drehzahl kann nur 50 % des erzeugten Solarstroms sinnvoll nutzen, während ein Kompressor mit variabler Drehzahl etwa 75 % sinnvoll nutzt. ¹⁵ Ein Kondensator wird benötigt, um dem Kompressor in der Startphase einen Energieschub zu geben. ↩︎
Anstelle eines DC-DC-Wandlers können Sie auch eine kleine „Pufferbatterie“ und einen Laderegler einbauen. Wie ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler sorgt der Laderegler für eine stabile Ausgangsspannung. Darüber hinaus kann die kleine Batterie einen begrenzten Energiespeicher bereitstellen, der nützlich sein kann, um kurze Stromspitzen zu verarbeiten. Einige Geräte weisen beispielsweise beim Aufladen eine Stromspitze auf. Der Nachteil einer Pufferbatterie ist, dass die Kosten und die eingebaute Energie steigen und zusätzliche Komponenten ausfallen können. Ein Kondensator wäre eine andere Technologie zum Abfangen von Stromspitzen. ↩︎
Die Verwendung von Niederspannungs-Gleichstromgeräten ist jedoch wesentlich energieeffizienter, da Solarmodule ebenfalls Niederspannungs-Gleichstrom erzeugen: https://qelnixcor.cloud/2016/04/slow-electricity-the-return-of-dc-power/ ↩︎
Bauanleitung für isolierten Solarkocher, Living Energy Farm. Bedienungsanleitung für isolierten Solarkocher, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Bedienungsanleitung Roxy Oven, Living Energy Farm. Videopräsentation solarelektrische Kocher, Alexis Zeigler, Living Energy Farm. Video-Handbuch für die Herstellung von Heizdrähten. Thermische Wärmespeicherung: Isolierter solarelektrischer Kocher mit Wärmespeicher, Andrew McCombs et al., 2022. Siehe auch dieses Video. ↩︎

Wie man eine kleine Solarstromanlage baut

Wed, 27 Dec 2023 00:00:00 +0000

Bild: Solarmodul mit Laderegler und Bleiakkumulator. Foto von Marie Verdeil.

Leserinnen und Leser haben mir erzählt, dass sie gerne kleine Solarstromsanlagen bauen würden, wie jene, die die Website und das Büro des Low-tech Magazine mit Strom versorgt.

Allerdings wissen sie nicht, wo sie anfangen und welche Bauteile sie kaufen sollen. Dieser Leitfaden fasst die notwendigen Informationen zusammen: Was man braucht, wie man alles verkabelt, welche Gestaltungsmöglichkeiten man hat, wo man Solarzellen anbringt, wie man sie befestigt (oder auch nicht), wie man den Strom aufteilt und Messgeräte installiert. Er befasst sich mit Solarstromanlagen, die Batteriespeicher aufladen, und einfacheren Anlagen, die direkten Sonnenstrom liefern.

Konventionelle Solarstromanlagen werden auf Dächern oder auf Feldern installiert. Sie wandeln den von Solarmodulen erzeugten Niederspannungsgleichstrom (DC, englisch „direct current“) für die Hauptverbraucher in Hochspannungswechselstrom (AC, englisch „alternating current“) um und sind nachts und bei schlechtem Wetter auf das Stromnetz angewiesen. Nichts davon gilt für die Kleinanlagen, die wir in diesem Leitfaden bauen. Sie sind völlig unabhängig vom Stromnetz, laufen vollständig mit Niederspannungsstrom und versorgen nicht einen ganzen Haushalt oder eine ganze Stadt mit Strom, sondern einen Raum, eine Reihe von Geräten oder ein bestimmtes Gerät. Solarstromanlagen in kleinem Maßstab, das ist dezentrale Stromerzeugung in Reinkultur.

Der größte Teil der Arbeit beim Bau einer kleinen Solarstromanlage besteht darin, die Größe der Bauteile zu bestimmen und die Trägerkonstruktion für das Solarmodul zu bauen. Die Verkabelung ist ziemlich einfach, es sei denn, man möchte ein ausgeklügeltes Bedienfeld. Man benötigt nur eine begrenzte Anzahl von Werkzeugen: Eine Abisolierzange, einige Schraubendreher (auch kleine) und eine Holzsäge sind das einzig Notwendige. Ein Lötkolben, eine Zange und ein Multimeter sind praktisch, aber man kann auch ohne auskommen.

Bevor Sie beginnen: Sicherheit

Bei Niederspannungsgleichstrom besteht kein Risiko eines Stromschlags (oder gar Tod durch Stromschlag). Das gilt insbesondere für 12-Volt-Systeme. Je nach der elektrischen Leitfähigkeit Ihres Körpers (und anderen Faktoren) können Sie 20 bis 50 Volt aushalten, bevor ein Stromschlag Sie töten kann. ¹

Dennoch bergen Solarstromanlagen ihre Risiken. Die Hauptgefahren sind Stromschlag (zwar nicht tödlich, aber schmerzhaft), Feuer, Batterieexplosion und Bauteilbeschädigung. Wenn Sie sich jedoch an einige einfache Regeln halten, dann wird alles gut. In den sieben Jahren, in denen ich mit Solarstrom experimentiere, habe ich nie einen Brand verursacht oder einen Stromschlag erlitten, obschon ich einige Bauteile beschädigt habe.

Berühren Sie elektrische Bauteile niemals mit feuchten oder nassen Händen.
Berühren Sie niemals den freiliegenden Teil eines Plus- und Minuskabels gleichzeitig. Dadurch würden Sie zum Teil des Stromkreises und erhielten einen Stromschlag. Es ist völlig in Ordnung, nur ein Kabel zu berühren. Dasselbe gilt für die Batteriepole: Es ist in Ordnung, einen zu berühren, aber nicht beide gleichzeitig.
Lassen Sie niemals zu, dass ein Pluspol ein Minuspol berührt. Dies führt zu einem Kurzschluss, der wiederum zu körperlichen Verletzungen, Bauteilbeschädigung, Feuer oder einer Batterieexplosion führen kann. Verwenden Sie für Plus- und Minuskabel unterschiedliche Farben und halten Sie sie bei.
Verwenden Sie immer Sicherungen in Ihren Solarstromanlagen.
Stellen Sie sicher, dass Ihre Kabel dick genug ist.
Schließen Sie niemals ein Solarmodul direkt an den Batteriespeicher an. Verwenden Sie dazwischen einen Laderegler.
Stellen Sie einen Bleiakkumulator niemals in einen geschlossenen Behälter.

Bevor Sie beginnen: Niederspannung oder Hochspannung?

Die elektrische Leistung (ausgedrückt in Watt, W) ist gleich dem Strom (in Ampere, A) multipliziert mit der Spannung (ausgedrückt in Volt, V). Folglich kann sich die elektrische Leistung (W) auf eine niedrige Spannung (V) mit einem hohen Strom (A) oder auf eine hohe Spannung mit einem niedrigen Strom beziehen. Herkömmliche Solarstromanlagen verwenden immer einen Wechselrichter, der den Niederspannungsgleichstrom aus einem Solarmodul in den Hochspannungswechselstrom umwandelt, der von den Hauptgeräten in Haushalten verwendet wird. Bei einer kleinen Solarstromanlage können Sie das ebenso tun, aber es ist besser, stattdessen den Wechselrichter wegzulassen und eine Niederspannungsgleichstrom-Solarstromanlage zu bauen. ²³ Diese Art von Elektroinstallation gibt es bereits in Autos, Lastwagen, Segelbooten, Wohnwagen und Wohnmobilen.

Power (Watt) = V (Volt) x A (Ampere)

Der Verzicht auf den Wechselrichter hat viele Vorteile. Erstens wird die Solarstromanlage dadurch billiger, denn Wechselrichter sind teuer. Zweitens wird das Solarstromsystem dadurch energieeffizienter. Bei der Umwandlung von Niederspannungsgleichstrom in Hochspannungswechselstrom treten bei kleinen Solarstromanlagen Energieverluste von bis zu 50 % auf. Hochwertige Wechselrichter haben einen Wirkungsgrad von mehr als 90 %, wenn sie mit hoher Leistung betrieben werden. Wenn die elektrische Last jedoch weit unter der maximalen Kapazität eines Wechselrichters liegt, was bei vielen kleinen Solarstromanlagen der Fall ist, sinkt der Wirkungsgrad schnell. Bei der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom kommt es häufig zu zusätzlichen Energieverlusten (mindestens 5-15 %), da viele moderne Geräte intern mit niedriger Spannung arbeiten. Dieser Energieverlust entsteht im AC/DC-Adapter des Geräts, der sich entweder innerhalb oder außerhalb des Gerätes befinden kann.

Hochspannungswechselstrom (220 - 240 V in Europa, 110 V in den USA) ist das Ergebnis von mehr als einem Jahrhundert zentralisierter Stromerzeugung. ² Kraftwerke für fossile Brennstoffe werden mit zunehmender Größe immer energieeffizienter. Daher ist es sinnvoll, einige große Kraftwerke zu installieren und den Strom dann über weite Strecken im Umland zu verteilen. Da der Leistungsverlust aufgrund des Widerstands proportional zum Quadrat des Stroms ist, sind hohe Spannungen der Schlüssel zu einer energieeffizienten Stromübertragung über größere Entfernungen. Solarstrom durch Photovoltaik hat diesen Ansatz obsolet gemacht. Im Gegensatz zu einem Kraftwerk für fossile Brennstoffe oder einer Windturbine hängt der Wirkungsgrad eines Solarmoduls nicht von seiner Größe ab. Da die Solarmodule direkt am Ort des Energieverbrauchs aufgestellt werden können, muss der Solarstrom nicht in Hochspannung umgewandelt und über große Entfernungen transportiert werden.

Die direkte Kopplung eines Niederspannungsgleichstromgeräts mit dem von einem Solarmodul erzeugten Niederspannungsgleichstrom vermeidet diese Energieverluste und führt zu einem energieeffizienteren System. Sie können also das gleiche Gerät dann mit einem kleineren Solarpanel betreiben. Dies setzt jedoch voraus, dass Sie Niederspannungsgeräte verwenden. Natürlich können Sie gelegentlich einen Wechselrichter anschließen, um ein Netzgerät zu betreiben, wenn es keine Alternative gibt. Achten Sie darauf, einen nicht zu starken Wechselrichter zu kaufen, da er mit hoher Leistung betrieben werden muss, um effizient zu sein. Ich habe keinen Wechselrichter mit weniger als 150 W Leistung gefunden.

Bevor Sie beginnen: Brauchen Sie wirklich einen Batteriespeicher?

Die Sonne scheint nicht immer. Das gilt besonders nachts. Sie können Ihre Solarstromanlage mit einem Batteriespeicher und einem Laderegler ausstatten und so den Solarstrom auch dann nutzen, wenn die Sonne nicht scheint. Batteriespeicher sind jedoch teuer, energieintensiv und haben eine kurze Lebensdauer. ⁴ Über die gesamte Lebensdauer hinweg machen Batterien 80 - 90 % der Gesamtkosten und der in ein netzunabhängiges Solarsystem investierten Energie aus. ⁵ Außerdem verursachen sie Lade- und Entladeverluste, die durch größere Solarmodule ausgeglichen werden müssen. Bei Bleiakkumulator, der kosteneffizientesten Option, können diese Verluste bis zu 20-30 % betragen.

80–90 % der Gesamtkosten und des Energieaufwands in einem netzunabhängigen Solarsystem entfallen auf Batteriespeicher.

Dieser Leitfaden spricht sich nicht gegen Batteriespeicher aus, die für einige Anwendungen praktisch sind. Allerdings können Sie eine Photovoltaik-Solarstromanlage oft auch ohne Batteriespeicher bauen. Solche „direkten“ oder „direkt antreibenden“ Solarstromsysteme sind billiger, schneller und einfacher zu bauen. Mit einer direkten Solarstromanlage können Sie tagsüber eine Vielzahl von Geräten nutzen, auch solche mit hoher Leistung. Beispiele dafür sind Elektro- und Werkzeuge einer Werkstatt, Soundsysteme und Ventilatoren. Andere Geräte wie Kühlschränke, Kochherde und Heizungen können die direkte Sonnenenergie in Kombination mit Wärme- oder Kältespeichern als preiswerte und nachhaltige Alternative zu Batteriespeicher nutzen. ⁶

Ein Teil des für den Batteriespeicher eingesparten Geldes kann in größere Solarmodule investiert werden, die die Stromversorgung bei weniger optimalem Wetter erhöhen. Eine direkte Solarstromanlage kann also auch bei bewölktem Wetter perfekt funktionieren, selbst wenn es zwischen Sonnenuntergang und Sonnenaufgang nicht funktioniert. Sie eignet sich auch besonders gut für die Stromversorgung von Geräten mit Batterien, wie Smartphones, Tablets, Laptops, Fahrradlampen, tragbaren Elektrowerkzeugen und Powerbanks. Sie können diese Geräte zwar nur tagsüber aufladen. Jedoch können Sie sie nach Sonnenuntergang verwenden.

Die Unterscheidung zwischen Solarmodulen mit oder ohne Batteriespeicher ist nicht immer offensichtlich. Sie können zum Beispiel ein Solarmodul an eine USB-Powerbank anschließen, die einen Gleichspannungswandler hat. Dieses System wird zu einem Batteriespeichersystem auf Lithium-Ionen-Basis, das die Vorteile des bereits in der Powerbank vorhandenen Energieverwaltung nutzt. Wenn Sie tragbare LED-Leuchten mit Batterien aufladen, kann ein Solarmodul die Lampen sogar nachts in Betrieb halten - ein moderner Ansatz für eine Taschenlampe.

Was Sie brauchen: Die Bauteile einer kleinen Solarstromanlage

Bild: Eine Sammlung selbstgebauter Trägerkonstruktionen für Solarmodule. Foto von Marie Verdeil.

Solarmodule sind die Hauptbauteile aller Systeme, die wir hier bauen. Solarmodule gibt es in verschiedenen Spannungen, in der Regel 12 oder 24, manchmal auch 36, 48 V oder höher für netzgekoppelte Systeme. Für kleine Systeme sind 12 oder 24 V das Richtige, vor allem für den Anfang. Sie können auch kleine Solarmodule mit Spannungen unter 12 V finden.

Oft wird die Frage gestellt, welche Solarmodule man kaufen soll, dazu gibt es nur wenig zu sagen. Sie haben die Wahl zwischen mono- und polykristallinen Solarmodulen. Erstere sind leistungsstärker und teurer, aber es gibt kaum einen Unterschied. Fast alle Solarmodule werden in China hergestellt, ganz gleich, wo Sie sie kaufen. ⁷ Ein guter Rat ist, die Preise zu vergleichen und ein Modul zu kaufen, das nicht ungewöhnlich billig, aber auch nicht ungewöhnlich teuer ist.

Die weiteren Bauteile hängen von der Art der Anlage ab, die Sie bauen möchten. Eine Solarstromanlage mit Batteriespeicher benötigt zusätzlich einen Laderegler und eine Batterie. Ein batterieloses, direkte Solarstromanlage benötigt lediglich einen Gleichspannungswandler. Beide Anlagen benötigen außerdem Stromkabel, Sicherungen und Stecker. Optionale Bauteile sind Ein-/Aus-Tasten und Messgeräte.

Bild: Ein Laptop, der von einem Solarmodul über einen Laderegler, einen Batteriespeicher und einen Wechselrichter mit Strom versorgt wird. 1. Sicherung. 2. Wechselrichter. Abbildung von Marie Verdeil.

Bild: Ein Laptop, der von einem Solarmodul über einen Laderegler und einen Batteriespeicher betrieben wird. Kein Wechselrichter. 1. Sicherung. 2. Netzadapter (12 V). Abbildung von Marie Verdeil.

Bild: Ein Laptop, der von einem Solarmodul und über einen Gleichspannungswandler mit Strom versorgt wird. Kein Laderegler, kein Batteriespeicher, kein Wechselrichter. 1. Sicherung. 2. Gleichspannungswandler (variable Eingangsspannung, 12 V Ausgang). 3. Netzteil (12 V).

Bild: Ein Ventilator, der von einem Solarmodul angetrieben wird. Kein Gleichspannungswandler, kein Laderegler, keinen Batteriespeicher, kein Wechselrichter. 1. Schmelzsicherung. 2. Schottky-Diode. 3. Lüfter. Abbildung von Marie Verdeil.

Wie man Solarmodule in Reihe und parallel schaltet

Solarmodule können einzeln, parallel oder in Reihe geschaltet werden. Wenn Sie Solarmodule parallel schalten, bleibt die Ausgangsspannung gleich, aber die Ausgangsstromstärke verdoppelt sich. Das ist die häufigste Anordnung. Wenn Sie (zum Beispiel) 50 Watt 12-Volt-Solarstrom benötigen, können Sie ein 50-W-Solarmodul oder mehrere kleinere Module (2 x 25 W oder 5 x 10 W) kaufen und diese parallel schalten.

Die Verwendung mehrerer kleinerer Module anstelle eines großen Moduls ist nicht die billigste Option, da kleinere Solarmodule pro Watt Spitzenleistung mehr kosten. Es kann jedoch die einzige Möglichkeit sein, die Module dort anzubringen, wo Sie sie haben wollen. Zum Beispiel ist meine Fensterbank zu schmal für ein 60-W-Solarpanel, aber ich kann drei 20-W-Solarpaneele nebeneinander montieren. Es wäre billiger und einfacher, ein einziges 60-W-Solarmodul mit einer Größe zu haben, die der Fensterbank entspricht, aber dieses Format ist nicht verfügbar.

Wenn Sie Solarmodule parallel schalten, bleibt die Ausgangsspannung gleich, aber die Ausgangsstromstärke verdoppelt sich.

Sie können Solarmodule auch in Reihe schalten. Die Ausgangsspannung verdoppelt sich, aber die Ausgangsstromstärke bleibt gleich. Wenn Sie Solarmodule in Reihe schalten, können Sie 24-Volt-Geräte mit 12-Volt-Solarmodulen betreiben. Natürlich können Sie auch ein 24-Volt-Solarmodul verwenden. Am besten schließen Sie Solarmodule desselben Typs an, egal ob Sie sie in Reihe oder parallel schalten. Verschiedene Typen von Solarmodulen können unterschiedliche Ausgangsstromstärken haben, was die Effizienz verringert.

Sie können Solarmodule auch in Reihe und parallel schalten. Sie können zum Beispiel zwei Gruppen von drei 12-V-Module parallel anschließen und dann die beiden Gruppen in Reihe schalten. Das Ergebnis ist ein 24-Volt-System mit der kombinierten Stromleistung von drei Solarmodulen. Sie können auch Batterien in Reihe oder parallel schalten, um den gleichen Effekt zu erzielen.

Illustration: So verkabeln Sie Solarmodule parallel (links) und in Reihe (rechts). Abbildung von Marie Verdeil.

Illustration: So verkabeln Sie Solarmodule parallel und in Reihe im selben Stromkreis. Abbildung von Marie Verdeil.

Wie verkabelt man eine Solarstromanlage mit einem Batteriespeicher?

Wenn Sie eine Solarstromanlage mit Batteriespeicher bauen, benötigen Sie einen Solarladeregler und einen Batteriespeicher. Die meisten netzunabhängigen Solarstromanlagen werden mit Bleiakkumulatoren betrieben. Für tragbare Solarstromanlagen mit Batterien sind Lithium-Ionen-Batterien die praktischste Option. Ansonsten sind Bleiakkumulatoren immer noch die sicherste und günstigste Option. Sie erfordern eine weniger komplexe Steuerung der Batterieverwaltung als Lithium-Ionen-Batterien. Es gibt noch viele andere, weniger verbreitete Batterietypen, auf die ich hier nicht näher eingehen werde.

Solarladeregler

Schließen Sie ein Solarmodul niemals direkt an eine Batterie an. Wenn Sie den Solarstrom für eine spätere Verwendung speichern wollen, installieren Sie einen Solarladeregler dazwischen. Ein Solarladeregler regelt die Ausgangsspannung des Solarmoduls in Abhängigkeit von der Spannung, die der Batteriespeicher während seiner verschiedenen Ladephasen benötigt. Außerdem sorgt der Regler für eine stabile 12-V-Ausgangsleistung des Batteriespeichers und schaltet ab, wenn die Spannung unter ein bestimmtes Niveau fällt. Die meisten Solarladeregler bieten ein Menü zur Einstellung dieser Werte. Einige verfügen über einen aufwändigeren zweiten Bildschirm.

Es gibt Hunderte von verschiedenen Typen von Solarladereglern. Für kleine Solarstromanlagen ist meiner Erfahrung nach alles möglich. Die billigsten Solarladeregler funktionieren gut, aber sie sollten mit der richtigen Spannung arbeiten und über eine ausreichende Kapazität verfügen (siehe Wie bestimmt man die Größe von Solarmodulen, Batteriespeicher und anderen Bauteile?). Teurere Solarladeregler (wie MPPT) lohnen sich nicht für kleine Systeme. Wenn Ihr System mit Lithium-Ionen-Batterien arbeitet, benötigen Sie einen anderen Solarladeregler, der teurer ist. Wenn Sie sich mit Elektronik auskennen, können Sie Ihren Solarladeregler selber bauen. ⁸

Bild: Verschiedene Arten von Solarladereglern. Foto von Kris De Decker.

Batterien

Die Art von Bleiakkumulator, die Sie für eine kleine Solarstromanlage benötigen, ist ein versiegelter Bleiakkumulator. Wenn Sie ein 12-V-Solarmodul verwenden, brauchen Sie eine 12-V-Batterie. Wenn Sie ein 24-V-Solarmodul verwenden, brauchen Sie eine 24-V-Batterie. Behandeln Sie Bleiakkus gut, denn sonst können sie schnell kaputtgehen. Am wichtigsten ist, dass ihre Spannung nicht zu stark abfällt und dass Sie sie regelmäßig vollständig aufladen. Lassen Sie einen Bleiakkumulator nie über einen längeren Zeitraum ohne Aufladung. Lassen Sie ihn an ein Solarmodul angeschlossen, auch wenn Sie nicht zu Hause sind.

Gehen Sie sorgfältig mit Bleiakkumulatoren um, da sie sonst schnell kaputtgehen.

Wenn der Laderegler mit einem Solarmodul und einer Batterie gekoppelt ist, dann schaltet er die Batterie ab, wenn die Spannung unter einen bestimmten Wert fällt, in der Regel 12 V. Sie können diesen Wert im Menü einstellen. Sie können bis auf 11 V heruntergehen, allerdings auf Kosten einer kürzeren Batterielebensdauer. Wenn Sie eine längere Lebensdauer der Batterie wünschen, können Sie den Wert beispielsweise auf 12,2 oder 12,5 V einstellen. Der Preis, den Sie dafür zahlen, ist eine geringere Energiespeicherkapazität.

Stellen Sie einen Bleiakkumulator nicht in einen geschlossenen Behälter. Setzen Sie eine Sicherung in das Pluskabel zwischen der Batterie und dem Solarladeregler so nah wie möglich an den Bleiakku. Überwachen Sie die Spannung mit einem digitalen Spannungsmessgerät. Wenn Sie mehr über Batterien wissen möchten, ist die Battery University ein guter Startpunkt.

Verkabelung

Solarladeregler verbinden alle anderen Bauteile miteinander: den Batteriespeicher, das Solarmodul und die elektrische Last (die Geräte, die Sie mit Strom versorgen). Bei einem Solarladeregler sollten sechs Kabel herausführen: Zwei zur Batterie, zwei zum Solarmodul und zwei zur elektrischen Last. Sie sollten die Bauteile immer in der unten beschriebenen Reihenfolge verbinden.

Schließen Sie den Batteriespeicher an den Solarladeregler an (Batteriespeicher-Symbol)
Schließen Sie das Solarmodul an den Solarladeregler an (Solarmodul-Symbol)
Verbinden Sie die elektrische Last mit dem Solarladeregler (Licht-Symbol)

Zum Abstecken, müssen Sie den umgekehrten Weg gehen:

Trennen Sie die elektrische Last vom Solarladeregler (Licht-Symbol)
Trennen Sie das Solarmodul vom Solarladeregler (Solarmodul-Symbol)
Trennen Sie den Batteriespeicher vom Solarladeregler (Batteriespeicher-Symbol)

Schließen Sie das Solarmodul niemals an den Laderegler an, wenn dieser nicht mit dem Batteriespeicher verbunden ist. Betrachten Sie die Batterie und den Laderegler als eine Einheit. Sie können kostspielige Fehler vermeiden, indem Sie nach Sonnenuntergang an Solarstromanlagen arbeiten oder die Solarmodule tagsüber abdecken.

Wie verkabelt man eine Solarstromanlage ohne Batteriespeicher?

Bei einer direkten Solarstromanlage sind weder eine Batterie noch ein Laderegler erforderlich. Das Solarmodul ist entweder direkt mit dem zu versorgenden Gerät verbunden oder es ist ein Gleichspannungswandler dazwischengeschaltet. Einige Gleichstromgeräte können mit schwankenden Spannungen arbeiten, z. B. Ventilatoren, Pumpen und andere Geräte mit Gleichstrommotor. Je nach Spannung läuft der Motor dann schneller oder langsamer. Auch Heizelemente können mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden. Andere Geräte - wie z. B. die gesamte Elektronik - benötigen jedoch eine präzise und gleichmäßige Eingangsspannung. Ein Gleichspannungswandler (Abwärts- oder Aufwärtswandler) ist für die Bereitstellung dieser stabilen Eingangsspannung unerlässlich.

Gleichspannungswandler

Ein Gleichspannungswandler ist ein elektronisches Modul, das die Eingangsspannung eines Solarpanels (oder einer anderen Stromquelle) in eine konstante Ausgangsspannung für ein Gerät umwandelt, z. B. 5 V für USB-Geräte und 12 bis 20 V für Elektrowerkzeuge. „Step-down“- oder „Buck“-Wandler senken die Ausgangsspannung im Vergleich zur Eingangsspannung. Aufwärtswandler erhöhen die Spannung in ähnlicher Weise. Ein Gleichspannungswandler bringt zwar Energieverluste mit sich, aber diese sind geringer als die Verluste von Batteriespeichern, Wechselrichtern und Netzteilen (AC/DC-Adapter).

Bei Solarstromanlagen ohne Batteriespeicher sollten Sie wissen, dass 12-V-Solarmodule mehr als 12 V erzeugen. Bei voller Sonne liegt die Ausgangsspannung eher bei 20 V. Das Gleiche gilt für 24-Volt-Solarmodule, die eine Spannung von etwa 32 V erzeugen. Die Angabe 12 oder 24 V bezieht sich nur auf die Art des Batteriesystems, für das Sie es verwenden sollen. Wenn Sie also 12-V-Geräte direkt an einem Solarmodul betreiben wollen, benötigen Sie ein Gleichspannungswandler, das die 20-V-Eingangsspannung in eine konstante 12-V-Ausgangsspannung umwandelt (es sei denn, das Gerät kann mit anderen Spannungen betrieben werden). Wenn Sie 5-V-Geräte betreiben wollen, benötigen Sie ein Modul mit einem konstanten 5-V-Ausgang.

Achten Sie darauf, das richtige Elektronikbauteil zu wählen. Der vielseitigste Gleichspannungswandler akzeptiert eine breite Palette von Eingangsspannungen und wandelt diese in jede gewünschte Ausgangsspannung um. Diese Art von Gleichspannungswandler kann direkt an ein Solarmodul angeschlossen werden und alle Geräte mit Strom versorgen, unabhängig von der Spannung, mit der sie laufen. Bei solchen Modulen lässt sich die Ausgangsspannung durch Drehen einer kleinen Schraube oder Drücken eines Knopfes einstellen. Einige Abwärts- und Aufwärtswandler haben ein kleines digitales Display, auf dem die Ausgangsspannung angezeigt wird. Andernfalls verwenden Sie einem Multimeter, um die Ausgangsspannung anzupassen.

Andere Gleichspannungswandler benötigen eine präzise Eingangsspannung, sodass sie nur an eine stabile Spannungsquelle, z. B. eine 12-V-Batterie, angeschlossen werden können. Es gibt auch Gleichspannungswandler mit einer variablen Eingangsspannung, aber einer festen Ausgangsspannung. Diese können direkt an ein Solarmodul angeschlossen werden, aber besorgen Sie sich einen mit einer bestimmten Ausgangsspannung, die von dem Gerät abhängt, das Sie mit Strom versorgen wollen.

Bild: Eine Sammlung von Gleichspannungswandlern. Foto von Kris De Decker

Bild: Ein 5-Watt-12-V-Solarpanel mit einem 12-V-5-V-Abwärtswandler. Der Anschluss auf der linken Seite ermöglicht es Ihnen, den Gleichspannungswandler schnell abzutrennen und das Solarpanel mit einem Laderegler zu verbinden. Foto von Kris De Decker

Verkabelung

Die Verkabelung eines direkten Solarsystems ohne Batteriespeicher ist einfach. Wenn kein Gleichspannungswandler vorhanden ist, verbinden Sie Plus- und Minuspol des Solarmoduls mit Plus- und Minuspol des Geräts. Legen Sie eine Sicherung dazwischen. Fügen Sie optional einen Ein-Aus-Schalter hinzu. Vergewissern Sie sich, dass das Gerät, das Sie mit Strom versorgen, die Spannung verträgt, die das Solarmodul ihm liefert.

Wenn Ihre direkte Solarstromanlage über einen Gleichspannungswandler verfügt, verbinden Sie den Plus- und Minuspol des Solarmoduls mit dem Plus- und Minuspol des Gleichspannungswandlers. Verbinden Sie dann den Plus- und Minuspol des Ausgangs vom Gleichspannungswandler mit dem Plus- und Minuspol des Geräts. Legen Sie eine Sicherung dazwischen. Bei einigen Modulen müssen Sie die Kabel anlöten, während andere mit Schrauben oder Steckern versehen sind. Wenn Ihr Gleichspannungswandler einen variablen Spannungsausgang hat, können Sie das Solarmodul für verschiedene Arten von Geräten verwenden, indem Sie die kleine Schraube drehen. Alternativ können Sie eine Schalttafel bauen, um mehrere Geräte mit unterschiedlichen Spannungen zu verwenden.

Wie bestimmt man die Größe von Solarmodulen, Batteriespeicher und anderen Bauteile?

Sie müssen alle Bauteile einer Solarstromanlage richtig abstimmen, damit sie zusammenarbeiten. Das ist bei einer direkten Solarstromanlage viel einfacher als bei einer Solarstromanlage mit Batteriespeicher.

Größe einer Solarstromanlage ohne Batteriespeicher bestimmen

Bei einem direkten Solarsystem ist die Dimensionierung des Solarmoduls nicht schwierig. Sie müssen die Stromerzeugung des Solarmoduls auf die Geräte abstimmen, die Sie laden oder mit Strom versorgen möchten. Solarmodule erreichen jedoch nur selten ihre maximale Leistung, daher sollten Sie das Solarmodul ein wenig überdimensionieren. Wählen Sie zum Beispiel ein Solarmodul mit einer Leistung, die doppelt so hoch ist wie der Stromverbrauch des Geräts, das Sie anschließen möchten. Wenn Sie die Anlage auch bei bewölktem Wetter betreiben wollen, sollten Sie das Modul noch größer wählen. Eine leichte Bewölkung hat nur geringe Auswirkungen auf die Stromerzeugung, während eine starke Bewölkung sie fast zum Erliegen bringen kann.

Wenn Sie einen Laptop direkt mit einem Solarmodul betreiben, sollten Sie wissen, dass er beim Aufladen viel mehr Strom benötigt als bei voll aufgeladenem Akku (oder wenn er ohne Akku betrieben wird). Ein Solarmodul kann groß genug sein, um einen Laptop mit Strom zu versorgen, aber nicht, um seinen Akku zu laden.

Größe einer Solarstromanlage mit Batteriespeicher bestimmen

Die Berechnung der Größe eines Solarmoduls für eine Solarstromanlage mit einem Batteriespeicher ist viel komplizierter - und bringt auch die zusätzliche Herausforderung mit sich, die Größe des Batteriespeichers zu wählen. Ein Solarsystem mit einem Batteriespeicher benötigt ein größeres Modul, um zusätzliche Energie für die Nacht und Schlechtwetterperioden zu speichern. Sie müssen auch die klimatischen Bedingungen vor Ort berücksichtigen. In weniger sonnigen Klimazonen mit größeren jahreszeitlichen Unterschieden benötigen Sie viel größere Module, um die Batterien im Winter aufzuladen. Außerdem liegen die Lade- und Entladeverluste bei Bleiakkumulatoren bei 20 - 30 % und bei Lithium-Ionen-Batterien bei etwa 10 %.

Energiespeicher für die Nacht

Bei der Auslegung eines Solarmoduls für ein direktes Solarsystem müssen Sie nur die Strom-Produktion berücksichtigen. ⁹ Wenn Sie jedoch eine Solarstromanlage mit einem Batteriespeicher planen, müssen Sie auch berechnen, wie viel Energie Sie benötigen. Der Energieverbrauch entspricht der Leistung multipliziert mit der Zeit. Wenn Sie beispielsweise ein 20-W-Beleuchtungssystem 6 Stunden nach Sonnenuntergang betreiben möchten, benötigen Sie 6 Stunden x 20 Watt Leistung = 120 Wattstunden Energie.

Energie (Wattstunden) = Leistung (Watt) x Zeit (Stunden)

Die richtige Größe des Batteriespeichers und des Solarmoduls zu finden, kann zunächst schwierig erscheinen, denn um die Größe des Einen zu berechnen, muss man die Größe des Anderen kennen - wo soll man also anfangen? Der beste Ausgangspunkt ist in der Regel die Bestimmung der benötigten Batteriespeichergröße. Bleiben wir bei dem obigen Beispiel: Um das Licht sechs Stunden lang brennen zu lassen, ist ein Energiespeicher von 120 Wattstunden erforderlich.

Allerdings dürfen Sie den Batteriespeicher nicht vollständig entladen. Die Kapazität von Bleiakkumulatoren sollten nicht unter 50 % ihrer maximalen Kapazität sinken, bei Lithium-Ionen-Batterien sind es 15 %. Wenn Sie eine Speicherkapazität von 120 Wattstunden benötigen, brauchen Sie also einen 240-Wattstunden-Bleiakkumulator (oder eine 138-Wh Lithium-Ionen-Batterie). Zweitens sollten Sie auch die Lade- und Entladeverluste berücksichtigen, die mindestens 20 % (oder 48 Wattstunden) zur Gesamtsumme hinzufügen, was zu einer Bleiakkumulator-Speicherkapazität von 288 Wattstunden führt (10 % bei Lithium-Ionen-Batterien, 152 Wh). Um die richtige Batteriegröße zu finden, müssen Sie diesen Wert in Amperestunden umrechnen, denn so wird die Speicherkapazität von Batteriespeicher angegeben. Für einen 12 V Bleiakkumulator entsprechen 288 Wattstunden 24 Amperestunden (Ah) (288 / 12 = 24) Batteriespeicherkapazität.

Da Sie nun die Größe Ihres Batteriespeichers kennen, können Sie die Größe des Solarmoduls bestimmen. Es muss mindestens groß genug sein, um die Batterie bei klarem Wetter am kürzesten Tag des Jahres vollständig aufzuladen. Das ist ein Minimum, weil Bleiakkumulatoren regelmäßig vollständig aufgeladen werden müssen, um ihre Funktionsfähigkeit zu erhalten. Wenn Sie in einem Gebiet leben, in dem es häufig bewölkt ist, sollten Sie die das Solarmodul so auslegen, dass die Batterie auch bei mäßiger Bewölkung vollständig aufgeladen wird. Wenn auch tagsüber Sonnenenergie genutzt wird, erhöht sich die Gesamtfläche des Solarmoduls.

Bei Bleiakkumulatoren sollte diese Berechnung mit einem Wert von nur der Hälfte der Batteriespeicherkapazität beginnen. Sie entladen den Bleiakku nicht unter 50 %, sodass das Solarmodul nur 50 % (oder weniger) der Speicherkapazität laden muss. Um beispielsweise eine Batterie mit einer Kapazität von 288 Wattstunden vollständig aufzuladen, muss das Solarmodul 144 Wattstunden liefern.

Danach beginnen Sie mit einer beliebigen Solarmodulgröße und sehen Sie, was sich ergibt. Im obigen Beispiel erzeugt ein 50-Watt-Solarpanel bei halber Leistung (25 W) 144 Wattstunden in weniger als 6 Stunden, was sich so anhört, als könnte man damit eine Batterie an meinem Wohnort vollständig aufladen. Im Gegensatz dazu würde ein 20-Watt-Solarmodul bei halber Leistung 14,4 Stunden benötigen, was dann nicht der Fall sein wird.

Energiespeicher für Schlechtwetter

Der oben beschriebene Batteriespeicher reicht nur für die Nacht, wenn die Batterie vollständig aufgeladen ist. Er wird jedoch nicht dafür sorgen, dass das Licht am Abend funktioniert, wenn das Wetter tagsüber gegen Sie arbeitet. Um das Problem zu lösen, können Sie den Batteriespeicher oder die Fläche des Solarpanels vergrößern.

Die energie- und kosteneffizienteste Option ist die Installation von mehr oder größeren Solarmodulen bei gleichbleibender Batteriespeicherkapazität, denn Solarmodule sind viel billiger und weniger energieintensiv als Batteriespeicher. Je größer die Fläche der Solarmodule ist, desto mehr wird die Batterie auch bei bewölktem Himmel vollständig aufgeladen. Allerdings benötigen Sie genügend Platz für die zusätzliche Solarmodulfläche, der möglicherweise nicht immer zur Verfügung steht.

Wenn Sie mehr Zuverlässigkeit durch einen größeren Batteriespeicher möchten, dann multiplizieren Sie die erforderliche Batteriespeicherkapazität mit der Anzahl der Schlechtwettertage, an denen Sie Strom benötigen. Wenn Sie z. B. eine 24-Ah-Batterie benötigen, um die Beleuchtung einen Abend lang in Betrieb zu halten, brauchen Sie eine 3 x 24 Ah = 72 Ah-Batterie, um drei Tage ohne Stromerzeugung überbrücken zu können. Das ist ein Worst-Case-Szenario, und anstatt die Speicherkapazität zu erhöhen, können Sie den Energiebedarf auch senken, indem Sie weniger Licht verwenden oder es kürzer nutzen. Die Batteriegröße ist immer ein Kompromiss zwischen der Zuverlässigkeit auf der einen Seite und den Kosten (sowohl finanziell als auch energetisch) auf der anderen Seite, sodass ein gewisses Anpassen des Energiebedarfs unvermeidlich ist. ¹⁰

Nachdem Sie sich für einen Batteriespeicher entschieden haben, müssen Sie auch die Fläche des Solarpanels anpassen. All diese Batteriespeicher müssen aufgeladen werden. Berechnen Sie dies auf die gleiche Weise wie oben.

Online Werkzeuge

Ich habe alle meine kleinen Solarstromanlagen mithilfe von Rückwärtsberechnungen wie oben und durch Experimente ausgelegt. Sie können jedoch auch Online-Rechner verwenden, zum Beispiel diesen hier. Nachdem Sie den Anlagentyp (wählen Sie „Netzunabhängige PV Anlagen“) und Ihren Breitengrad ausgewählt haben, geben Sie die Werte für die installierte Spitzenleistung der Photovoltaikanlage (in Wh), die Batteriekapazität (in Wh), die Entladungsgrenzwert (in %), den Tagesverbrauch (in Wh), die Neigung (in Grad) und den Azimut (in Grad, die Ausrichtung des Photovoltaikmoduls relativ zum Süden) ein. Sie erhalten eine tägliche Schätzung der Energieproduktion für alle Monate des Jahres. Sie können dann mit den verschiedenen Variablen experimentieren, um die von Ihnen benötigte Mindestenergieproduktion und -speicherung zu ermitteln.

Bestimmung anderer Bauteile: Laderegler, Gleichspannungswandler, Kabel, Stecker & Sicherungen

Sobald Sie die Größe des Solarmoduls und, falls erforderlich, des Batteriespeichers bestimmt haben, können Sie die Größe aller anderen Bauteile bestimmen: Laderegler, Gleichspannungswandler, Kabel, Sicherungen, Anschlüsse und Schalter. „Größe“ bezieht sich hier nicht so sehr auf die tatsächliche Größe, sondern vielmehr auf die Strommenge, die durch ein Bauteil fließen kann. Jedes Bauteil erfordert die richtige Nennspannung (V) und Stromstärke (A). Wählen Sie die richtige „Größe“ des Gleichspannungswandlers in einer direkten Solarstromanlage. Wählen Sie die richtige „Größe“ des Solarladereglers in einer Solarstromanlage mit Batteriespeicher. Schließlich, wählen Sie in beiden Fällen die richtige „Größe“ der Kabel, Sicherungen, Anschlüsse und Schalter.

Laderegler und Gleichspannungswandler

Sowohl Laderegler (für den Einsatz mit einer Solarstromanlage mit Batteriespeicher) als auch Gleichspannungswandler (für den Einsatz mit einer direkten Solarstromanlage) müssen mit der vom Solarmodul erzeugten Spannung kompatibel sein. Wenn Sie ein 12-V-Solarmodul und einen 12-V-Batteriespeicher verwenden, benötigen Sie auch einen 12-V-Laderegler. Wenn Sie hingegen ein 12-V-Solarmodul ohne Batteriespeicher verwenden, benötigen Sie einen Eingang des Gleichspannungswandlers, der der Spannungsausgabe des Solarpanels entspricht (19 - 20 V bei voller Sonneneinstrahlung).

Wenn Ihr Solarmodul eine Stromstärke von 3 Ampere erzeugt, benötigen Sie einen Gleichspannungswandler oder Solarladeregler, der mindestens 3 Ampere Stromstärke verträgt.

Genauso wichtig ist jedoch, dass beide Bauteile der Stromstärke (A) standhalten, die durch sie fließt. Dazu müssen Sie wissen, wie viel Strom Ihr Solarmodul erzeugt. Diese Information finden Sie auf der Rückseite. Sie können sie auch mit einem Multimeter messen. Wenn Ihr Solarmodul beispielsweise 3 Ampere Strom erzeugt, benötigen Sie einen Gleichspannungswandler oder Solarladeregler, der mindestens 3 Ampere Strom verträgt. Wenn zwei dieser Module parallel angeschlossen sind, benötigen Sie Bauteile, die 6 Ampere Strom aushalten. Die billigsten Gleichspannungswandler vertragen nur 2 bis 5 A, während die günstigsten Solarladeregler maximal 5 A vertragen. Laderegler und Gleichspannungswandler werden teurer, je höher ihre Stromkapazität ist.

Kabel

Elektrokabel sind in vielen Durchmessern erhältlich. Achten Sie darauf, dass Ihre Kabel dick genug für den Strom sind, der durch sie fließt. Sonst riskieren Sie einen elektrischen Brand. Für Niederspannungsanlagen werden Kabel mit größerem Durchmesser benötigt als für Hochspannungsanlagen, da durch sie mehr Strom fließt. Die richtige Wahl zu treffen kann verwirrend sein, da es mehrere Normen gibt, von denen keine einfach zu verstehen ist. Eine Lösung besteht darin, alle Bauteile mit einem Kabel mit relativ großem Durchmesser zu verkabeln, z. B. 20AWG (maximal 11A) oder 18AWG (maximal 16A). Wenn Sie sich für ein dickeres Kabel entscheiden, können Sie Ihre Solarstromanlage später erweitern, ohne die Kabel aufrüsten zu müssen. Der einzige Nachteil von dickeren Kabeln ist, dass sie teurer sind. Eine preiswerte Lösung ist die Wiederverwendung von Stromkabeln aus ausrangierten Elektrogeräten, die Sie öffnen können, um die Plus- und Minuskabel auszubauen.

Sicherungen

Die Sicherung ist ein wichtiges Sicherheitselement, das den Stromfluss des Stromkreises unterbricht. Sie können eine Solarstromanlage auch ohne Sicherungen bauen, aber dann riskieren Sie im Falle eines Kurzschlusses einen elektrischen Brand oder die Beschädigung der Bauteile. Eine Sicherung muss eine maximale Stromkapazität haben, die den Spitzenstromfluss in Ihrem System leicht übersteigt. Bei einem Kurzschluss steigt der Strom und die Sicherung brennt durch. Sobald Sie das Problem behoben haben, können Sie die Sicherung austauschen.

Eine Sicherung muss eine maximale Strombelastbarkeit haben, die den Spitzenstromfluss in Ihrem System nur leicht übersteigt.

Wenn der maximale Strom in Ihrem System 5 Ampere beträgt, besorgen Sie sich eine 6 A- oder 7 A-Sicherung. Der maximale Strom Ihres Systems wird durch das Solarmodul und die Batterie bestimmt. Beachten Sie bei einer Solarstromanlage mit Batteriespeicher, dass der Strom, der zwischen Ihrer Batterie und der elektrischen Last fließt, höher sein kann als der Strom, der zwischen dem Solarmodul und der Batterie fließt. Dies ist der Fall, wenn Sie ein Hochleistungsgerät an die Batterie anschließen (über oder unter Umgehung des Ladereglers). Daher benötigen Sie möglicherweise dickere Kabel und stärkere Sicherungen zwischen der Batterie und dem Gerät. Wenn Sie schließlich Leistungsmesser in Ihrem Schaltkreis verwenden möchten, legen Sie sie entsprechend der Spannung und Stromstärke, die durch Ihre Anlage fließen, aus.

Sicherungen sollten sich in der Nähe der Stromquelle (Solarmodul oder Batteriespeicher) befinden, aber zusätzliche Sicherungen können Geräte vor Problemen mit Gleichspannungswandlern schützen. Es gibt zwei Arten von Sicherungen: Die altmodischen, die aus einem kleinen Glasröhrchen in einem Sicherungshalter bestehen, oder die neueren, die eher wie Karten aussehen und leichter zu ersetzen sind. Ein Schutzschalter kann eine Alternative zu einer Sicherung sein.

Bild: Zwei Arten von Sicherungen und Sicherungshaltern. Foto von Kris De Decker

Stecker

Sie brauchen Stecker, wenn Sie zwei Kabel miteinander verbinden, z. B. wenn Sie eine Sicherung in einem Stromkreis einsetzen. Es gibt viele verschiedene Arten von Steckern. Bei einigen müssen Sie die Kabel in den Stecker schrauben. Andere funktionieren ohne Schraubenzieher. Ich habe für die meisten Anlagen Steckerleisten und Verbindungsklemmen verwendet. Man kann die Kabel auch aneinander löten. ¹¹ Ein praktisches Werkzeug ist eine Abisolierzange, mit der man den Schutzmantel am Ende der Kabel entfernen und das Kupfer freilegen kann. Die Steckverbinder haben oft eine maximale Stromkapazität von 10 oder 20 Ampere, sodass sie für die meisten kleinen Solarstromanlagen geeignet sind.

Bild: Verschiedene Arten von Steckverbindern. Foto von Kris De Decker

Schalter

Mit Schaltern können Sie Stromkreise öffnen und schließen. Sie sind nützlich beim Aufteilen von Strom, da sie elektrischen Strom an einige Geräte leiten, an andere jedoch nicht. Der einfachste Schaltertyp hat einen Eingang und einen Ausgang („einpoliger, einstufiger oder Ein-Aus-Schalter). Er wird wie eine Sicherung in das Pluskabel eingesetzt. Ein-Aus-Schalter, die bei Aktivierung aufleuchten, sind etwas schwieriger zu verkabeln. ¹²

Bild: Verschiedene Arten von Schaltern. Foto von Kris De Decker

Wie baut man die Trägerkonstruktion?

Es ist eine gute Idee, ein Solarmodul auf einer Trägerkonstruktion zu befestigen. Das macht anwendbarer und bietet Schutz für ein Gerät, das 30 Jahre oder länger halten soll. Im Handel erhältliche Halterungen für Solarmodule kosten oft mehr als die Solarmodule. Das ist ein Grund, die Trägerkonstruktionen selber zu bauen, aber ein anderer ist, dass Sie sie an einen bestimmten Standort anpassen können. Es gibt viele Möglichkeiten, Trägerkonstruktion für Solarmodule zu bauen, entweder für den stationären oder den mobilen Einsatz. Ich dokumentiere lediglich die (stationären) Konstruktionen, die ich selbst gebaut habe, wobei ich hauptsächlich Altholz und Metallverbindungen verwendet habe. Sie können die Solarmodule auch an vorhandenen Strukturen befestigen, z. B. an einer Staffelei, einem alten Bettrahmen oder was immer Sie finden können.

Wie wird das Solarmodul am Rahmen befestigt?

Ich verwende zwei Methoden, um Solarmodule an Trägerkonstruktionen zu befestigen. Bei der ersten Methode suche ich nach Holzstücken, die mehr oder weniger die gleiche Dicke wie das Solarmodul haben, schiebe sie in den Rahmen und schraube sie in die vier vorgefertigten Löcher des Aluminiumrahmens des Solarmoduls (kleinere Module haben nur zwei Löcher). Idealerweise passt ein Holzstück pro zwei Löcher, aber vier Holzstücke funktionieren auch.

Verbinden Sie nun diese Holzstücke mit zwei weiteren Holzstücken, die Sie quer darüber legen. Das Solarpanel ist jetzt fest an einer Holzkonstruktion befestigt. Legen Sie genügend Holz unter das Solarmodul, wo Sie die Scharniere anbringen werden (siehe weiter unten), die das Solarmodul am unteren Teil der Konstruktion befestigen und es Ihnen ermöglichen, es in verschiedenen Neigungswinkeln einzustellen. Die untere Stützkonstruktion muss stabil bleiben, auch wenn das Modul aufrecht steht (es sei denn, Sie möchten das nicht).

Bild: Zwei Trägerkonstruktionen für Solarmodule mit festem Winkel auf dem Balkon. Foto von Kris De Decker.

Seien Sie vorsichtig, denn Solarmodule sind empfindlich. Wenn Sie Holz in das Solarmodul schrauben, achten Sie unbedingt darauf, dass die Schraube nicht zu lang ist, damit sie nicht das Solarmodul durchsticht. Schon ein winziger Einstich in einem Solarmodul kann ausreichen, um dessen Funktionsfähigkeit dauerhaft zu beeinträchtigen. Seien Sie außerdem sehr vorsichtig, wenn Sie ein Solarmodul handhaben, das mit der Vorderseite flach auf einer Oberfläche liegt, was beispielsweise passiert, wenn Sie es gegen eine Holzunterlage schrauben. Achten Sie darauf, dass keine Schraube oder anderes unter dem Solarmodul verborgen liegt, wenn Sie Druck darauf ausüben.

Die zweite Methode besteht darin, einen Rahmen um das Solarmodul zu bauen, als wäre es ein Gemälde. Die Rückseite des Rahmens besteht aus einer dünnen Holzplatte, die an allen vier Seiten etwas größer ist als das Modul. In die Mitte des Brettes wird ein Loch gebohrt, durch das die Kabel des Solarmoduls geführt werden. Dann schrauben Sie Holzlatten an die Seite des Bretts, damit das Solarmodul hineinpasst. Zum Schluss fügen Sie einige Metall- oder Holzteile an der Oberseite des Rahmens hinzu, um sicherzustellen, dass das Solarmodul im Rahmen befestigt bleibt. Anschließend können Sie ein Scharnier anbringen und die obere Struktur mit einer unteren Trägerkonstruktion verbinden.

Bild: Ein Solarmodul, das von einem Rahmen auf einem alten IKEA-Lampenständer gehalten wird. Foto von Marie Verdeil

Bild: Ein an einer Staffelei befestigtes Solarpanel. Foto von Marie Verdeil.

Wie lassen sich Neigung und Drehung des Solarmoduls einstellen?

Da Höhe und Ausrichtung der Sonne im Tages- und Jahresverlauf variieren, kann ein Solarmodul mit fester Position die Sonnenenergie nicht optimal nutzen. Nur wenn es senkrecht zu den Sonnenstrahlen steht, kann es seine maximale Leistung erzeugen.

Die meisten konventionellen Systeme haben Solarmodule mit einem festen Winkel und einer festen Ausrichtung. Kleinere Solarstromanlagen können auch mit festen Winkeln arbeiten. Anders als bei Dachsystemen sind die Solarmodule jedoch normalerweise in Reichweite, sodass ein manueller Mechanismus hinzugefügt werden kann, mit dem die Neigung und möglicherweise auch die Drehung des Solarmoduls variiert werden kann. Der Winkel kann bei jedem Jahreszeitenwechsel angepasst werden, während das Solarmodul mehrmals am Tag gedreht werden kann. All dies kann automatisch mithilfe von Elektronik erfolgen, aber auch manuell. Sie können die Ausrichtung eines Solarmoduls auch anpassen, indem Sie die gesamte Trägerkonstruktion zur Sonne drehen, sofern sie beweglich genug ist. Dies ist insbesondere dann nützlich, wenn der direkt gewonnene Sonnenstrom ein Gerät betreibt, das Ihre Aufmerksamkeit erfordert, wie beispielsweise ein Elektrowerkzeug.

Das Hinzufügen beider Mechanismen verkompliziert die Konstruktion. Eine Trägerkonstruktion, die es dem Modul ermöglicht, seine Neigung je nach Jahreszeit zu anzupassen, ist jedoch normalerweise ausreichend. Das Neigen des Moduls in eine nahezu vertikale Position ist der Schlüssel zur Ernte ausreichender Solarenergie im Winter, wenn Energieknappheit am wahrscheinlichsten ist.

Bild: Die Neigung dieses Moduls kann eingestellt werden und es kann um seine Achse gedreht werden. Foto von Marie Verdeil.

Der optimale Winkel eines Solarmoduls hängt von der Jahreszeit und dem Standort ab. Sie können dies schnell und einfach mit Online-Tools berechnen. Beispielsweise ändert sich für Barcelona in Spanien (41. Breitengrad) die optimale Neigung von Solarmodulen zwischen 26 Grad (von der Vertikalen gemessen) im Dezember und 72 Grad im Juni. Ein fester Winkel von etwa 40 Grad von der Vertikalen ist ein Kompromiss, bei dem die Module im Winter besser positioniert sind als im Sommer.

Für Solarmodule mit fester Neigung verwende ich große Scharniere und Stützbalken aus Holzstücken mit Metallverbindungen. Ich bestimme den Winkel und berechne dann die Länge der Holzbalken mithilfe der Geometrie. Für Solarmodule mit variabler Neigung verwende ich andere Methoden. Bei größeren Solarmodulen, die bei jedem Wetter draußen bleiben, ersetze ich die Holzstützbalken durch andere, die je nach Jahreszeit länger oder kürzer sind. Natürlich könnte man auch ein ausgefeilteres System entwerfen, mit dem man die Neigung des Solarmoduls anpassen kann, ohne die Balken auszutauschen.

Bei kleineren Solarmodulen verwende ich Scharniere, um Träger unterschiedlicher Größe zu befestigen, oder ich verwende eine Schmetterlingsschraube, um die Neigung zu lösen und zu verändern. Diese Methoden sind jedoch nicht für den Außenbereich bei windigem Wetter geeignet.

Wohin mit den Solarmodulen?

Kleine Solarstromanlagen können mobil oder feststehend sein. Sie können sie auf Fensterbänken, Balkonen, Terrassen und Innenhöfen aufstellen. Sie können sie in einen Rucksack packen und mitnehmen. Sie können sie auch drinnen in der Nähe eines Fensters aufstellen. Ich habe ein solches Panel auf einem Schreibtisch vor einem Fenster. Es ist mit einer Batterie, einem Laderegler und einer eingebauten Lampe verbunden. Es funktioniert gut im Winter, wenn die Sonne tief am Himmel steht und das Sonnenlicht tief in den Raum eindringt. Die Gewinnung von Solarenergie innerhalb eines Gebäudes ist vielleicht nicht die effizienteste Methode, aber die Struktur des Solarpanels muss Wind und Regen nicht standhalten.

Beachten Sie, dass die Behörden in einigen Städten und Gemeinden die Verwendung von Solarmodulen an der Fassade eines Gebäudes möglicherweise verboten haben. In Barcelona beispielsweise ist dies nur zulässig, wenn die Solarmodule von der Straße aus nicht sichtbar sind.

Wie können Solarstromanlagen sicher befestigt werden?

Ihre Solarmodule können nicht von der Fensterbank oder vom Balkon fallen. Bauen Sie die Trägerkonstruktion stabil genug. Sie sollte auch bei einem Sturm an Ort und Stelle bleiben. Ich habe meine Trägerkonstruktionen zwischen den Fensterrahmen und einen metallenen Pflanzenhalter gepresst und hätte mich ohne diesen Halter wahrscheinlich nicht getraut, die Module auf den schmalen Fensterbänken zu montieren. Die Unterkonstruktionen habe ich zusätzlich mit Steinen und alten Bleiakkus beschwert. Zum Schluss habe ich die Trägerkonstruktionen noch am Metallgeländer festgeschnallt. Sicher ist sicher.

Bei Solarmodulen auf Balkonen ist die Gefahr, dass sie vom Gebäude fallen, normalerweise geringer. Sie sollten trotzdem schwer oder stabil sein, da Solarmodule vom Wind leicht weggetragen werden können. Ich habe zwei große Strukturen gebaut, eine für ein 30-W-Solarmodul (das diese solarbetriebene Website betreibt) und eine für zwei 50-W-Module, die das Wohnzimmer mit Strom versorgen. Die kleinere Struktur trägt einen großen Pflanzenbehälter, während die größere Stützstruktur gleichzeitig als Lagertruhe für viele Sachen dient. Alle meine Solarmodule haben mehrere Stürme ohne Schäden überstanden.

Bild: Zwei kleine Solarstromanlagen (100 Watt und 30 Watt) auf dem Balkon. Foto von Kris De Decker.

Bild: Trägerkonstruktion für ein 30W-Solarpaneel mit einem Pflanzenbehälter darin. Foto von Kris De Decker.

Bild: Drei 10 Watt Solarmodule auf einer Fensterbank. Foto von Kris De Decker.

Wie man den Strom aufteilt und mehrere Geräte gleichzeitig betreibt

Wenn Sie ein Solarstromanlage aufgebaut haben, können Sie eine elektrische Last daran anschließen. Wenn die Anlage nur einen Zweck hat, schließen Sie das elektrische Gerät an den Solarladeregler, den Gleichspannungsregler oder das Solarpanel an. Möglicherweise benötigen Sie auch einen Schalter zum Ein- und Ausschalten der Anlage.

In anderen Fällen wünschen Sie sich jedoch möglicherweise mehr Flexibilität. Beispielsweise möchten Sie die Leistung aufteilen, um mehrere Geräte gleichzeitig oder abwechselnd mit derselben Solarstromanlage zu betreiben. Das ist unkompliziert, wenn alle Geräte mit derselben Spannung betrieben werden. Sie benötigen lediglich einen Anschluss mit zwei Eingängen (Plus und Minus) auf der einen Seite und mehreren Ausgängen auf der anderen. Möglicherweise möchten Sie auch für jeden Schaltkreis Ein-Aus-Schalter anstelle eines Schalters für das gesamte System (oder zusätzlich dazu) hinzufügen. Wenn Sie hingegen Geräte verwenden möchten, die mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden, teilen Sie die Leistung auf und setzen dann in jeden Schaltkreis den entsprechenden Gleichspannungswandler ein.

Die Leistungsaufteilung funktioniert sowohl bei direkten Solarstromanlagen als auch bei Solarstromanlagen mit Batteriespeicher. Allerdings sind sie etwas anders aufgebaut. Bei Verwendung eines Batteriespeichers und eines Solarladereglers beträgt die Ausgangsspannung stabile 12 oder 24 V. Wenn alle Ihre Geräte mit 12 oder 24 V betrieben werden, kann die Leistungsaufteilung ohne Gleichspannungswandler erfolgen. Wenn Sie auch einen Schaltkreis einbinden möchten, der eine andere Spannung benötigt (z. B. 5 V zum Laden von USB-Geräten), können Sie einen Gleichspannungswandler mit stabiler Eingangsspannung (12 V/24 V) und 5 V Ausgangsspannung verwenden.

Wenn Sie dagegen direkt ein Solarmodul verwenden, hängt die Ausgangsspannung von den Sonnenbedingungen ab. Außerdem ist sie oft höher als das, was Ihre Geräte benötigen. Wenn alle Ihre Geräte mit derselben Spannung laufen, z. B. 12 V, installieren Sie einen Gleichspannungswandler, der eine variable Eingangsspannung akzeptiert und die gewünschte Ausgangsspannung erzeugt. Als Nächstes teilen Sie die Leistung auf. Wenn Ihre Geräte mit unterschiedlichen Spannungen laufen, teilen Sie zuerst die Leistung auf und setzen Sie dann in jeden Schaltkreis einen Gleichspannungswandler ein. Teilen Sie die Leistung erneut auf, wenn Sie einen zweiten Ausgang mit derselben Ausgangsspannung wünschen.

Bild: Aufteilung der Leistung einer Solarstromanlage mit Batteriespeicher. 1. Sicherung. 2. Abwärtswandler (12 V auf 5 V USB). 3. Aufwärtswandler (12 V auf 24 V). 4. Wechselrichter (12 V auf 110/220 V). Abbildung von Marie Verdeil.

Bild: Aufteilung der Leistung einer Solarstromanlage ohne Batteriespeicher. 1. Abwärtswandler (20 V auf 5 V). 2. Aufwärtswandler (20 V auf 24 V). 3. Abwärtswandler (20 V auf 12 V). 4. Wechselrichter (12 V auf 110/220 V). Abbildung von Marie Verdeil.

Wenn Ihre Solarstromanlage über einen Batteriespeicher und einen Laderegler verfügt und alle Ihre Geräte mit der gleichen Spannung laufen, können Sie auch typische 12V/24V-Stecker verwenden. Diese stecken Sie je nach Gerät ein oder aus. Wenn Sie über mehrere Steckdosen verfügen, können Sie mehrere Geräte gleichzeitig verwenden.

Wie können Messgeräte eingebaut werden?

Eine Solarstromanlage funktioniert auch ohne Messgeräte einwandfrei. Sie sind jedoch praktisch, um Ihre Anlage zu verstehen und zu warten. Außerdem helfen sie Ihnen, die Energieeffizienz zu optimieren.

Spannungsmesser des Batteriespeichers

Wenn Ihre Solarstromanlage einen Batteriespeicher enthält, fügen Sie ein Spannungsmessgerät hinzu. Obwohl die meisten Laderegler die Batteriespannung anzeigen, müssen Sie oft eine Taste drücken, um sie anzuzeigen. Wenn Sie dagegen ein Spannungsmessgerät direkt an der Batterie anschließen, wissen Sie immer im Handumdrehen, wie es um Ihre Batterie steht. Digitale Spannungsmessgeräte können sehr hell sein. Wenn Sie sie also nachts ausschalten möchten, fügen Sie einen Ein-Aus-Schalter hinzu.

Das Ablesen eines Batteriespannungsmessers erfordert etwas Übung.

Das Ablesen eines Batteriespannungsmessers erfordert etwas Übung. Grundsätzlich sollte die Batteriespannung nicht unter 12 V (24 V bei einer 24 V-Batterie) fallen. Allerdings spiegelt die Batteriespannung nur dann die korrekte Speicherkapazität wider, wenn keine aktive Stromversorgung (das Solarpanel funktioniert nicht) und keine elektrische Last (kein angeschlossenes Gerät) vorhanden ist. Zeigt Ihr Batteriespannungsmesser in dieser Situation 12 V an, sollten Sie die Batterie nicht weiter entladen, um vorzeitiger Alterung vorzubeugen. Zeigt er 12,9 oder 13V an, ist die Batterie voll geladen. Mit zunehmendem Alter der Batterie wird dieser letztere Wert allmählich sinken (12,6V ist ein typischer Wert für eine voll geladene ältere Batterie).

Schaltet man einen elektrischen Verbraucher ein, sinkt die Spannung und entspricht nicht mehr der Speicherkapazität des Batteriespeichers. Ist das Solarmodul aktiv, steigt die Batteriespannung und entspricht nicht mehr der Speicherkapazität.

Bei voller Sonneneinstrahlung übersteigt die Batteriespannung schnell 13 V. Wenn Sie nachts ein stromhungriges Gerät an den Solarladeregler anschließen, kann die Batteriespannung unter 12 V fallen. In beiden Fällen kann die Speicherkapazität der Batterie jedoch gleich sein, z. B. 12,4 V. Um die Speicherkapazität der Batterie zu ermitteln, sollten Sie daher die Spannung nachts bei ausgeschalteter elektrischer Last überprüfen. Es dauert eine Weile, bis sich die Spannung stabilisiert. Geben Sie ihr also Zeit, um eine genaue Aufzeichnung zu erhalten.

Das klingt zwar mühsam, aber wenn Sie Ihr System besser kennen, können Sie die Speicherkapazität auch beim Laden oder Entladen der Batterie abschätzen. Wenn ich beispielsweise in meinem Büro das Licht einschalte, sinkt die Batteriespannung von 12,9 V auf etwa 12,1 V. Nach einigen Betriebsstunden liegt sie bei 11,7 V oder 11,8 V. Wenn ich jedoch am Ende des Abends das Licht ausschalte, springt die Spannung wieder auf 12,5 V oder 12,6 V. Wenn die Batterie tagsüber geladen wird, zeigt die Spannungsanzeige den Ladezustand an. Wenn die Spannung beispielsweise wiederholt rauf und runter geht (zwischen etwa 13 und 15 V), ist die Batterie vollständig geladen.

Watt-, Volt- und Strommessgeräte

Weitere praktische Instrumente sind Watt-, Spannungs- und Strommessgeräte. Sie können sie zwischen Solarmodul und Solarladeregler, aber auch zwischen Solarladeregler und Last platzieren. Im ersten Fall messen sie die vom Solarmodul erzeugte Leistung. Im zweiten Fall messen sie den Stromverbrauch der Elektrogeräte. Die meisten Solarladeregler haben diese Messungen in ihrem Menü, aber die Navigation ist oft umständlich.

Bei einer direkt angetriebenen Solarstromanlage ohne Gleichspannungswandler entspricht der Stromverbrauch der elektrischen Last immer der Stromproduktion des Solarmoduls. Daher reicht ein Messgerät aus. Bei Verwendung eines Gleichspannungswandlers können Sie jedoch davor und danach ein Messgerät platzieren. Diese Daten zeigen die Energieverluste des Wandlers an.

Messgeräte können digital oder analog sein. Ich bevorzuge digitale Batteriespannungsmesser, da sie aus der Ferne gut zu erkennen sind. Volt- und Ampere-Messgeräte, die schwankende Werte anzeigen, können sowohl digital wie analog sein. Wattmeter sind in der analogen Ausführung schwer zu finden.

Anschließen der Messgeräte

Spannungsmessgerät werden parallel verkabelt. Beispielsweise verbinden Sie das Plus- und Minuskabel eines Spannungsmessgerätes mit dem Plus- und Minuspol eines Batteriespeichers. Digitale Wattmeter haben zwei Eingangs- und zwei Ausgangskabel. Strommessgeräte sind etwas komplexer zu verkabeln, siehe Abbildung unten.

Bild: So verkabeln Sie ein Multimeter, um Ampere (in Reihe) und Volt (parallel) zu messen. Abbildung von Marie Verdeil

Bild: Analoges Spannungs- und Strommessgerät (max. 1A). Foto von Kris De Decker

Viele Menschen sind mit Watt vertrauter als mit Spannung und Stromstärke. Obwohl ein Wattmeter eine wertvolle Ergänzung für eine Solarstromanlage ist, dient es auch dazu, Spannungs- und Stromwerte zu messen, da diese bei der Fehlersuche mehr Daten liefern. Ein Spannungsmesser ist zu Kontrollzwecken praktisch, insbesondere bei direkten Solarsystemen. Beispielsweise um zu prüfen, ob ein Gleichspannungswandler die richtige Spannung erzeugt oder um die genaue Spannungsabgabe eines Solarmoduls zu kennen.

Stromzähler sind hilfreich, um die Energieeffizienz zu optimieren. In einer Solarstromanlage mit Batteriespeicher können Sie durch Stromzähler auf beiden Seiten des Solarladereglers so viel überschüssige Solarenergie wie möglich nutzen. Wenn der Ladevorgang der Batterie fast abgeschlossen ist, erzeugt das Solarmodul nicht mehr seine volle Leistung und Sie werden sehen, dass der Stromzähler nach unten geht. Das bedeutet, dass Sie Solarstrom verschwenden. Sobald Sie jedoch ein Gerät anschließen (oder einen schaltbaren Stromkreis einschalten), werden Sie sehen, dass der Stromzähler sowohl der elektrischen Last als auch des Solarpanels nach oben geht, bis Sie einen Grenzwert erreichen – dann nutzen Sie den gesamten verfügbaren Solarstrom, der das Solarmodul erzeugt. Auf diese Weise kann Solarstrom, der sonst verschwendet würde, einen Laptop aufladen oder ein Elektrowerkzeug betreiben.

Bedienfelder und Steckdosen

Wenn Sie Ein-Aus-Schalter und Messinstrumente hinzufügen, möchten Sie diese Bauteile auch auf einer Bedienkonsole organisieren, vorzugsweise alle an der gleichen Stelle.

Verkabeln Sie das System zunächst ohne Bedienfeld, um sicherzustellen, dass alles funktioniert, und nehmen Sie es dann wieder auseinander. Messen Sie anschließend alle Bauteile und skizzieren Sie das Bedienfeld. Wählen Sie dann ein Material (Pappe, Holz, Metall, Kunststoff), schneiden Sie alle Löcher für die Schalter und die Messinstrumente aus und setzen Sie alle Komponenten ein. Verkabeln Sie abschließend alles und bauen Sie eine Box um das Bedienfeld. Gleichspannungswandler können hinter dem Bedienfeld angebracht werden, sofern Sie die Spannungsausgabe nicht regelmäßig anpassen möchten. Wenn Sie Messinstrumente und Ein-Aus-Schalter haben, kann der Solarladeregler auch hinter dem Bedienfeld angebracht werden. Gestalten Sie das Gehäuse so, dass Sie es für Wartungs-, Reparatur- oder Anpassungszwecke leicht öffnen können.

Denken Sie auch an die Steckdosen. Wo möchten Sie Ihre Geräte anschließen können und welche Art von Steckern werden Sie verwenden? Das 12-V-Gegenstück der Steckdose (der sogenannte Zigarettenanzünderstecker) ist der gebräuchlichste Typ, aber es gibt Alternativen. Wenn Sie die Standardstecker verwenden möchten, fügen Sie Ihrer Solarstromanlage Buchsenstecker hinzu (einen für jeden Stromkreis) und Stecker für alle Ihre Geräte. Sie können die Buchsenstecker in ein Bedienfeld einbetten oder handelsübliche Produkte kaufen, die Sie an etwas schrauben können. Sie können Geräte auch an Ihr Anlage anschließen, indem Sie die Kabel in einen Klemmenblock schrauben oder sie direkt an den Stromausgang löten. Das ist nicht für Geräte, die Sie oft ein- und ausstecken, sondern für Lasten, die immer angeschlossen sind (z. B. ein LED-Streifen). Natürlich benötigen Sie einen Ein-Aus-Schalter, um den Stromkreis zu schließen.

Der größte Nachteil von Niederspannungsstrom ist sein relativ hoher Energieverlust bei der Übertragung, insbesondere bei leistungsstarken Geräten. Daher sollten die Steckdosen so nah wie möglich am Rest der Solarstromanlage liegen. Installieren Sie mehrere Systeme anstelle eines zentralen Systems mit vielen Metern Verteilungskabeln. Wählen Sie dickere Stromkabel, wenn Sie Niederspannungsstrom über längere Entfernungen verteilen. ³

Bild: Das Bedienfeld für den Fahrradgenerator [den ich 2022 mit Marie Verdeil gebaut habe](https://qelnixcor.cloud/2022/03/how-to-build-a-practical-household-bike-generator/) kann auch mit Solarmodulen arbeiten. Damit könnten Solarmodule ein Gerät direkt mit Strom versorgen oder einen Bleiakkumulator aufladen, je nachdem, welche Stromkreise Sie einschalten. Die einzige Systemkomponente, die sich ändert (und die sich nicht im Bedienfeld selbst befindet), ist der Laderegler. Der Fahrradgenerator benötigt einen Wind- statt eines Solarladereglers..

Bild: Ein Bedienfeld, das aus einzelnen Modulen besteht. Von links nach rechts: Multimeter, Ein-Aus-Schalter, Gleichspannungswandler, Dimmer.

Bild: Ein speziell angefertigter Solarstromregler für eine Modelleisenbahn mit direkter Solarstromversorgung. Er verfügt über einen Spannungsregler anstelle eines Gleichspannungswandlers. Ein Gleichspannungswandler reduziert die Ausgangsspannung auf einen voreingestellten Wert, der nichts mit der Eingangsspannung zu tun hat. Im Gegensatz dazu reduziert ein Spannungsregler die Ausgangsspannung relativ zur Eingangsspannung.. Foto von Marie Verdeil.

Woher bezieht man Niederspannungsgeräte?

Der Verzicht auf einen Wechselrichter bedeutet, dass Sie Geräte und Vorrichtungen verwenden, die mit Niederspannungsgleichstrom betrieben werden. Das ist nicht so kompliziert, wie es klingt. Zunächst einmal laufen viele Geräte intern mit Niederspannungsstrom. Das betrifft alle USB-Geräte, LED-Leuchten, andere elektronische Geräte und kabellose Elektrowerkzeuge. Jedes Gerät mit einem Adapter - dem Gegenstück zum Wechselrichter - kann direkt an ein Niederspannungsnetz angeschlossen werden, indem einfach das Netzkabel ausgetauscht oder geändert wird. So können Sie beispielsweise einen Laptop mit Niederspannung betreiben, wenn Sie den Standardadapter durch einen 12-Volt-Adapter ersetzen, der für den Einsatz im Auto geeignet ist. ¹³ In den meisten Fällen ist es nicht erforderlich, eines Ihrer Geräte anzupassen.

In anderen Fällen erfordert die Anpassung eines Geräts an 12 V/24 V mehr Arbeit und Wissen. Einige Geräte – wie etwa Digitalfernseher und LED-Leuchten – können einen Wechselstromwandler enthalten, sodass Sie sie öffnen und Komponenten entfernen müssen. Oder Sie müssen einen Wechselstrommotor durch einen Gleichstrommotor ersetzen. Das Veränderun und Herstellen von Niederspannungsgeräten ist ein zu breites Thema, um es in diesem Handbuch ausführlich zu behandeln. Das Low-tech Magazine wird in zukünftigen Handbüchern tiefer darauf eingehen. Marie Verdeil hat beispielsweise einen industriellen Ventilator so umgebaut, dass er mit 1 bis 24 V funktioniert und bis zu 250 Watt Kühlleistung liefert. Er kann direkt über ein Solarpanel (siehe Video) oder über einen Batteriespeicher mit Strom versorgt werden..

Bild: Wechselstromlüfter in Gleichstromlüfter umgewandelt. Foto von Marie Verdeil.

Bild: Wechselstromlüfter auseinandergenommen. Foto von Marie Verdeil.

Bild: Gleichstrommotor anstelle von Wechselstrommotor eingesetzt. Foto von Marie Verdeil.

Bild: Eine Bohrmaschine, die für den Betrieb mit Niederspannungs-Gleichstrom umgerüstet wurde. Photo: Marie Verdeil.

Schließlich gibt es eine große Auswahl an kommerziellen 12- oder 24-Volt-Geräten für Benutzer von Autos, Lastwagen, Segelbooten und Wohnmobilen. Sie reichen von Ventilatoren über Wasserkocher bis hin zu Kühlschränken. Diese Produkte sind jedoch relativ teuer und nicht immer von hoher Qualität. Darüber hinaus sind sie für den Einsatz in kleinen Räumen gedacht und daher oft zu kompakt, um in gewöhnlicheren Haushaltssituationen praktisch zu sein. Oft ist es besser, ein vorhandenes Gerät anzupassen oder ein neues Gerät von Grund aufzubauen.

Siehe https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-3/ohms-law-again/ ↩︎
Siehe https://qelnixcor.cloud/2016/04/slow-electricity-the-return-of-dc-power/ ↩︎ ↩︎
Siehe https://qelnixcor.cloud/2016/05/how-to-get-your-apartment-off-the-grid/ ↩︎ ↩︎
Siehe https://qelnixcor.cloud/2015/05/how-sustainable-is-stored-sunlight/ ↩︎
Siehe https://qelnixcor.cloud/2023/08/direct-solar-power-off-grid-without-batteries/ ↩︎
Siehe Solar Electric Cooking, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Siehe auch this PowerPoint vom selben Autor. Siehe auch: Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Siehe auch this video. ↩︎
Siehe https://qelnixcor.cloud/2015/04/how-sustainable-is-pv-solar-power/ ↩︎
Siehe https://libre.solar. Siehe auch “Do it yourself 12 volt solar power”, by Michel Daniek, Permanent Publications, Third Edition 2015. ↩︎
Es sei denn, Sie verwenden andere Formen der Energiespeicherung, wie dies bei direkten Solarkühlschränken und Kochherden der Fall ist. ↩︎
https://qelnixcor.cloud/2018/12/keeping-some-of-the-lights-on-redefining-energy-security/ ↩︎
Siehe https://www.wikihow.com/Solder-Wires-Together ↩︎
Siehe https://qelnixcor.cloud/2022/03/how-to-build-a-practical-household-bike-generator/images/Wiring-on-off-switch2_hu619c03e126fba9507b966073be9e16b5_65316_800x800_fit_q90_h2_box_3.webp ↩︎
Sie können sogar noch weiter gehen und die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers genau auf die Spannung einstellen, die das Notebook benötigt. In diesem Fall können Sie auf den Autoadapter verzichten. ↩︎

Mit Muskelkraft betriebenes Luftkompressor— und Energiespeichersystem

Sun, 09 Jul 2023 00:00:00 +0000

Bild: Mit Muskelkraft betriebenes Luftkompressor- und Energiespeichersystem. Foto von Andy Lagzdins.

Wenn ich mich in meiner Motorradwerkstatt umschaue, sehe ich überall Druckluftwerkzeuge. Von Handgeräten wie Schlagschraubern, Schleifmaschinen, Schneidwerkzeugen, Sägen und Winkelschleifern bis hin zu großen Geräten wie einer Sandstrahlkabine und einer Bereifungsmaschine – Druckluft ist ein wesentlicher Faktor bei der Verrichtung einer Vielzahl von Arbeiten.

Der Druckluftkompressor, den ich seit den 1990er Jahren einsetze, verwendet einen 220-Volt-Elektromotor mit 7 PS, der eine zweistufige Druckluftpumpe mit 800 Umdrehungen pro Minute antreibt, die den 80-Gallonen-Tank in etwa fünf Minuten auf 150 psi füllt. Die Maschine ist so zuverlässig, dass ich kaum noch auf sie achte. Erst bei einem Stromausfall wird mir bewusst, wie sehr ich mich auf den ständig verfügbaren Vorrat an Druckluft verlasse.

Weil in unserer sich schnell verändernden Welt preiswerte und verlässliche Energie immer weniger selbstverständlich ist, hatte ich mir vorgenommen, ein System zu bauen, mit dem ich meine Drucklufttanks ohne Strom oder Treibstoff füllen kann. Meine Konstruktion sollte frei von jeglicher Elektronik sein, und die Komponenten sollten bei minimaler Wartung ein Leben lang halten. Ich wollte so viele gebrauchte Teile wie möglich verwenden, um die Kosten niedrig zu halten und zu Recycling und Wiederverwertung anzuregen.

Komponenten

Als Erstes musste ich einen Drucklufttank finden. Ich fand einen 80 Gallonen (300 Liter) Ingersoll Rand Druckluftkompressor, der 1952 hergestellt wurde. Ich entfernte die Druckluftpumpe und den Elektromotor. Die ursprüngliche Pumpe wurde durch eine neue von Speedaire ersetzt, die für 115 psi ausgelegt ist und normalerweise einen 0,5-PS-Motor zum Betrieb benötigt. Die Pumpe ist an der Oberseite des Druckufttanks mit einer Stahlplatte befestigt, die mit der ursprünglichen Motorplatte verschraubt ist.

An der Stelle des Elektromotors habe ich eine massive Stahlwelle mit selbstzentrierenden Stehlagern installiert. Diese Welle trägt drei 20 kg schwere Kompressorscheiben, die als Schwungräder dienen, um den Betrieb zu stabilisieren. Diese Riemenscheiben haben eine 1 ⅜"-Bohrung und einen Durchmesser von 16". Ein einzelner Keilriemen der Größe 4L verbindet die Schwungradwelle mit der Druckluftpumpe.

Bild: Kompressor und Kompressor-Riemenscheiben als Schwungräder. Foto von Andy Lagzdins.

Bild: Massive Stahlwelle mit drei Kompressor-Riemenscheiben, die als Schwungräder dienen. Foto von Andy Lagzdins.

Als Nächstes stand die Suche nach einem auf Muskelkraft basierenden Antrieb zum Drehen der Schwungräder auf dem Programm. Ich fand einen Schwinn-Heimtrainer aus den 1970er Jahren, der sehr gut konstruiert war und fast nur aus Stahlteilen bestand. Ich zerlegte ihn bis auf das Nötigste und baute eine Sturmey Archer Nabenschaltung mit acht Gängen anstelle des ursprünglichen Speichenrads ein. Diese Nabe hat einen Übersetzungsbereich von 1:1 bis 3,25:1, und die Gänge werden mit einem Hebel am Lenker geschaltet.

Um das Treten zu erleichtern, wurden die Tretkurbeln durch Kurbelarme aus Cr-Mo-Stahl, abgedichtete Lager und Plattformpedale von einem BMX-Rennrad ersetzt. Lenker und Vorbau wurden ebenfalls durch Cr-Mo-Komponenten ersetzt, um das Durchbiegen bei starker Beanspruchung zu minimieren, und für hohe Belastbarkeit wurden ⅛"-Fahrradketten verwendet.

Anschließend wurden der ehemalige Heimtrainer und der Druckluftbehälter ausgerichtet und in der richtigen Position auf einen Rahmen aus Kanthölzern (15x15cm) montiert. Das Ausgangsritzel des Fahrrads wurde durch eine weitere Kette mit einem ähnlichen Ritzel am Ende der Schwungradwelle verbunden. Damit war das Antriebssystem komplett.

Bild: Ein Schwinn-Heimtrainer aus den 1970er Jahren. Die Tretkurbel wurde durch Kurbelarme aus Cr-Mo-Stahl, abgedichtete Lager und Plattformpedale von einem BMX-Rennrad ersetzt. Foto von Andy Lagzdins.

Bild: Sturmey Archer Nabenschaltung mit acht Gängen. Foto von Andy Lagzdins.

Um den Luftstrom zu steuern, habe ich ein zweistufiges System gebaut. Ein 10-Gallonen-Tank (38 Liter) und der 80-Gallonen-Tank (300 Liter) sind mit separaten Ventilen versehen, so dass ich jeden Tank unabhängig voneinander oder beide zusammen befüllen oder Druckluft von einem Tank in den anderen umfüllen kann. Manometer an jedem Tank dienen zur Überwachung des Drucks. Wenn der große Tank zum ersten Mal befüllt wird, bringe ich ihn auf 50 psi, indem ich ihn direkt mit der Druckluftpumpe befülle. Dann beginne ich, den kleinen Tank auf 100 psi aufzufüllen um anschließend die Druckluft von dort aus in den großen Tank zu leiten.

Acht-Gang-Schaltung

Die Acht-Gang-Schaltung ist eine große Hilfe beim Füllen des Drucklufttanks. Wenn der Fülldruck niedrig ist, kann das Fahrrad in den höheren Gängen gefahren werden. Wenn der Druck im Bereich von 70-100 psi liegt, werden die niedrigeren Gänge verwendet, um den wachsenden Widerstand der Druckluftpumpe zu bewältigen.

Um die leeren Tanks auf 100 psi aufzufüllen, muss man sich etwa eine Woche lang täglich 5-10 Mal aufs Fahrrad schwingen. Wenn ich in der Werkstatt viel zu tun habe, ist es eine gute Möglichkeit, einen klaren Kopf zu bekommen, und bei kaltem Wetter wärmt es mich auf und bringt meinen Kreislauf in Schwung. Ich kann einen niedrigen Gang einlegen, wenn ich beim Treten telefonieren oder Musik hören will.

Dass ich in die Pedale treten muss, um die Druckluft zu erzeugen, sorgt dafür dass ich beim Einsatz der Werkzeuge keine Druckluft mehr verschwende, und ich achte auch mehr darauf, dass alle Anschlüsse richtig abgedichtet sind, damit keine Lecks entstehen.

Bild: Druckluftbetriebene Werkzeuge. Bild von Andy Lagzdins.

Die am stärksten strapazierten Teile dieser Maschine sind die Dichtungen der Druckluftpumpe, der Antriebsriemen und die Ketten, die Zahnräder und der zentrale Druckluftschlauch. Ich halte Ersatzteile für diese Teile vorrätig, um einen störungsfreien Betrieb für die nächsten Jahre zu gewährleisten. Alle Teile können mit einfachstem Werkszeug gewartet und repariert werden.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Druckluft zum Antrieb sind die niedrigen Kosten für Druckluftwerkzeuge. Der aktuelle Trend geht zu Akku-Geräten, so dass die Leute ihre “veralteten” Druckluftwerkzeuge verkaufen. Es gibt viele gebrauchte Druckluftkompressoren mit defekten Motoren oder Pumpen zu kaufen, die daher recht preiswert sind. Es gibt ein gutes Angebot an gebrauchten Heimtrainern, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass die Leute sie angeschafft hatten, um ein Fitnessprogramm zu beginnen, aber den Plan nie durchgezogen haben. Meine nächste Änderung wird darin bestehen, einen weiteren 80-Gallonen-Tank hinzuzufügen, um die Speicherkapazität zu erhöhen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Hauptvorteile des fahrradbetriebenen Druckluftkompressors darin bestehen, dass kein Strom benötigt wird, dass er jederzeit auch in abgelegenen Gegenden betrieben werden kann, dass er aus größtenteils recycelten Komponenten besteht, die leicht repariert werden können, und dass er keine Betriebskosten verursacht. Es gibt weitere zusätzliche Nebeneffekte, und während ich dieses Gerät benutze, zeigen sich immer mehr positive Wirkungen – insbesondere ein gesunder Körper durch das Treten der Pedale und ein gesunder Geist durch das Denken außerhalb von festgefahrenen Bahnen.

Bild: Mit Muskelkraft betriebenes Luftkompressor- und Energiespeichersystem. Illustration von Andy Lagzdins.

Technische Daten:

Hauptlufttank: 80 Gallonen (300 Liter), horizontal, Ingersoll Rand
Fülltank: 10 Gallonen (38 Liter), 125 psi, SnapOn
Druckluftpumpe: Einstufig, 1 PS Max, 115 psi, Speedaire 40KH94
Heimtrainer: Schwinn Exerciser
Getriebe: 8-Gang-Nabenschaltung, Sturmey Archer S80 XRK8
Schwungräder: Gusseisen, 16" Durchmesser, 1 ⅜" Bohrung
Stehlager: P207 abgedichtet, selbstzentrierend, langer Fuß
Riemen: 4L Keilriemen
Ketten: 1/2 x 1/8 KMC Z1EHX Wide
Ventile: ½" NPT Kugelhähne, Messing
Luftfilter: K&N Pod, Textil- und Stahlgewebe