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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. ↩︎

Wie baut man ein Solarpanel mit geringem technischen Aufwand?

Tue, 05 Oct 2021 00:00:00 +0000

George Cove steht neben seiner dritten Solar-Panel-Anordnung. Quelle: \"Generating electricity by the sun's rays\", Popular Electricity, Volume 2, nr. 12, April 1910, pp.793.

Effizienter aber weniger nachhaltig

Seit Bell Labs in den 1950er Jahren das erste praktische Photovoltaik-Panel vorstellte, konzentrierte sich die technische Entwicklung darauf, den Wirkungsgrads von Solarzellen zu erhöhen und die Kosten zu senken. Nach diesen Maßstäben haben die Forscher große Fortschritte gemacht. Der Wirkungsgrad von Solarzellen stieg von weniger als 5 % in den 1950er Jahren auf heute über 20 %, während die Kosten von 30 Dollar pro “Watt Peak” (Nennleistung unter Standard-Testbedingungen) im Jahr 1980 auf weniger als 0,2 Dollar pro Watt Peak im Jahr 2020 sanken. Niedrigere Kosten - zu denen höhere Wirkungsgrade beitragen - werden als besonders wichtig angesehen, da sie es den PV-Paneelen ermöglichen, auf dem Markt mit der aus fossilen Brennstoffen erzeugten Elektrizität zu konkurrieren.

Im Hinblick auf die Nachhaltigkeit wurden jedoch nur geringe Fortschritte erzielt. Der größte Mangel besteht darin, dass Solarmodule seit den 1950er Jahren für das Recycling ungeeignet sind. Das führt zu Abfall, der auf den Mülldeponien landet. Die Abfallmenge wird in den kommenden Jahren noch erheblich zunehmen. Solarmodule werden erst nach mindestens 25 bis 30 Jahren entsorgt, und die meisten wurden erst in den letzten Jahren installiert. Forscher gehen davon aus, dass bis 2050 fast 80 Millionen Tonnen Solarmodule das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. ¹²³ Das ist eine erhebliche Verschwendung von Ressourcen und eine Gefahr für die Umwelt - ausrangierte PV-Solarmodule enthalten giftige Elemente und stellen eine Brandgefahr dar.

Der Bedarf an kapitalintensiver Technologie sowie lange Lieferwege verhindern, dass Solarmodule durch weniger wohlhabende Gesellschaften oder Heimwerkergemeinschaften lokal produziert werden.

Die Herstellung von PV-Solarmodulen ist ebenso problematisch. Sie produziert giftige Abfälle und erfordert eine globale Lieferkette mit dem Abbau von Materialien, kapitalintensiven Fabriken, komplexen Maschinen und einem ständigen Input an fossilen Brennstoffen. In Lebenszyklusanalysen von Solarmodulen berechnen Wissenschaftler wie viel Energie und Materialien für den Bau eines Solarmoduls benötigt werden. Sie ignorieren jedoch den enormen Energie- und Materialaufwand, der für den Aufbau und die Instandhaltung der PV-Lieferkette selbst erforderlich ist. ⁴⁵⁶⁷⁸⁹¹⁰¹¹ Folglich geben diese Studien keinen Aufschluss über die tatsächlichen Kosten von Solarmodulen etwa in Bezug auf die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, Emissionen oder andere Umweltbelastungen. Darüber hinaus verhindern der Bedarf an kapitalintensiver Technologie und die langen Lieferwege die lokale Produktion von Solarmodulen durch weniger wohlhabende Gesellschaften oder Heimwerkergemeinschaften.

Inspiration in der Geschichte finden

Sind PV-Solarmodule von Natur aus nicht nachhaltig, nicht recycelbar und abhängig von Hochtechnologie und kapitalintensiven Herstellungsverfahren? Oder ist es möglich, sie mit lokalen, recycelbaren und weniger energieintensiven Materialien und Produktionsmethoden herzustellen? Mit anderen Worten: Können wir Low-Tech-Solarzellen bauen? Und wenn ja, was würde das für die Kosten und die Effizienz bedeuten?

Bevor wir versuchen, diese Frage zu beantworten, ist es wichtig festzustellen, dass die beste Low-Tech-Alternative zu einem High-Tech-Solarpanel oft nicht ein Low-Tech-Solarpanel ist, sondern die direkte Nutzung der Sonnenenergie. Das heißt: die Nutzung der Sonnenenergie ohne sie vorher in Strom umzuwandeln. So sind zum Beispiel eine Wäscheleine und ein solarthermischer Warmwasserboiler viel effizienter, nachhaltiger und wirtschaftlicher als ein elektrischer Wäschetrockner und ein mit Solarmodulen betriebener Warmwasserboiler. Die direkte Nutzung von Solarenergie kann mit lokalen Materialien, relativ einfachen Fertigungstechnologien und kurzen Lieferwegen erfolgen.

In diesem Artikel nehme ich die Frage jedoch wörtlich: Können wir Low-Tech-Photovoltaikanlagen bauen, die Sonnenlicht in Strom umwandeln? In einem früheren Artikel haben wir gesehen, dass die Geschichte Inspiration für den Bau nachhaltigerer Windturbinen bietet. Kann uns die Geschichte auch dazu inspirieren, nachhaltigere Solarzellen zu bauen?

Die Frühgeschichte der Solarzelle

Das 1954 von den Bell Labs vorgestellte PV-Panel entstand nicht aus dem Nichts. Die Silizium-Solarzelle hatte ihre Wurzeln in weniger komplexen Systemen, die Strom entweder aus Licht oder aus Wärme erzeugen konnten.

Thomas Seebeck stellte 1821 fest, dass in einem Stromkreis aus zwei ungleichen Metallen, deren Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen haben, ein elektrischer Strom fließt. Dieser “thermoelektrische Effekt” bildete die Grundlage für den “thermoelektrischen Generator”, der Wärme (z. B. von einem Holzofen) direkt in Elektrizität wandelt. Im Jahr 1839 entdeckte Antoine Becquerel, dass auch Licht in Elektrizität umgewandelt werden kann, und in den 1870er Jahren wiesen mehrere Wissenschaftler diesen Effekt in Festkörpern nach, vor allem in Selen. Dieser “photoelektrische Effekt” bildete die Grundlage für den “photoelektrischen Generator”, den wir heute als “photovoltaischen” Generator oder PV-Solarzelle bezeichnen. Im Jahr 1883 konstruierte Charles Fritts das erste jemals hergestellte photovoltaische Modul, bei dem er Selen auf eine dünne Goldschicht aufbrachte. ¹²¹³¹⁴

Von damals bis in die 1950er Jahre waren die praktischen Einsatzmöglichkeiten von thermoelektrischen und photoelektrischen Systemen begrenzt. Erfinder bauten zahlreiche experimentelle thermoelektrische Generatoren, die in der Regel mit einer Gasflamme betrieben wurden, deren Wirkungsgrad jedoch nicht über 1 % lag. Auch das Solarpanel von Charles Fritts und die danach hergestellten Selen-Solarzellen erreichten nur einen Wirkungsgrad von 1-2 % bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom. ¹⁵ Kurz gesagt, die Zeit vor den 1950er Jahren scheint nicht viel Inspiration für den Bau nachhaltigerer PV-Solarzellen zu bieten.

Ein vergessener Pionier der Solarenergie

Die Frühgeschichte des Solarpanels könnte jedoch unvollständig sein. Im Jahr 2019 erhielt ich eine E-Mail von Philip Pesavento, einem Leser des Low-tech Magazine:

“Ich beschäftige mich seit Anfang der 1990er Jahre mit einem frühen Pionier der Solarzellentechnologie aus der Vorkriegszeit. Ich werde zu alt, um mich weiter damit zu beschäftigen, und obwohl es ein oder zwei wissenschaftliche Artikel über Herrn Cove gab, haben sie seine Leistungen völlig außer Acht gelassen. Ich füge eine PDF-Version einer Präsentation bei, die ich 2015 erstellt und noch nie jemandem vorgestellt habe. Wenn Sie daran interessiert sind, selbst einen Artikel zu schreiben, kann ich Ihnen einen USB-Stick mit dem gesamten Hintergrundmaterial schicken, das ich gesammelt habe.”

Wenn die historische Darstellung und die Hypothesen von Philip Pesavento richtig sind, wollte George Cove einen thermoelektrischen Generator bauen, hat aber versehentlich einen photovoltaischen Generator - eine PV-Solarzelle - hergestellt. Obwohl dies in den frühen 1900er Jahren geschah, erreichte Cove eine vergleichbare Leistung und Effizienz wie die Wissenschaftler der Bell Labs 1954. Sein Entwurf war auch wesentlich leistungsfähiger als die Selen-Solarzellen, die zwischen den 1880er und 1940er Jahren gebaut wurden. ¹⁶ Philip Pesavento dazu:

“Es wäre ziemlich spannend zu beweisen, dass relativ hocheffiziente Solarzellen 40 Jahre vor der Entwicklung von Siliziumzellen erfunden wurden. Noch wichtiger ist, dass, wenn sich herausstellt, dass es bereits vor dem Ersten Weltkrieg Solarzellen und -paneele gab, dies auch einige Vorteile in Bezug auf die Billigkeit der Rohstoffe, die geringe graue Energie für die Umwandlung der Erze in metallische Werkstoffe, den Wirkungsgrad der fertigen Solarzellen und die einfache Herstellung mit sich bringen könnte.” (Graue Energie: Energie für Herstellung, Transport, Lagerung, Verkauf und Entsorgung.)

Mit anderen Worten: Wenn Philip Pesaventos historische Darstellung und seine Hypothesen richtig sind, könnte es möglich sein, Low-Tech-Solarzellen zu bauen.

Der “Solar Electric Generator” von George Cove

George Cove präsentierte seinen ersten “Solargenerator” 1905 im Metropole Building in Halifax, Nova Scotia, Kanada. Abgesehen von einem Bild gibt es keine Daten über diese Anlage. ¹⁷ Seine Leistung und Effizienz waren jedoch so bemerkenswert, dass amerikanische Investoren einen Experten nach Halifax schickten. Auf der Grundlage der Untersuchung der Maschine durch diesen Experten holten sie Cove in die USA (nach Sommerville, Massachusetts), um die Entwicklung seines Geräts fortzusetzen.

Cove stellte dort 1909 seinen zweiten Solargenerator vor. Diese 1,5 m2 große Platte konnte 45 Watt Leistung erzeugen und hatte einen Wirkungsgrad von 2,75 % bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom. Mitte 1909 war Cove nach New York City umgezogen, wo er seinen dritten Prototyp vorstellte, eine Solaranlage, die aus vier Solarzellen mit je 60 Watt Spitzenleistung bestand und insgesamt fünf Blei-Säure-Batterien auflud. Die Gesamtoberfläche betrug 4,5 m2, die maximale Leistung 240 Watt, und der Wirkungsgrad stieg auf 5 % - ähnlich wie bei dem ersten von Bell Labs vorgestellten Solarpanel. ¹⁸

Oben: George Coves erstes Solarpanel, 1905 der Öffentlichkeit vorgestellt. Quelle: Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909.

Oben: Coves zweites Solarpanel; ein Modul fehlt. Quelle: Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909.

Oben: George Coves drittes Solarpanel. Quelle: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, September 1909.

Oben: George Coves drittes Solarpanel. Die Paneele sind nun in einem definierten Winkel geneigt und liegen nicht mehr waagrecht. Quelle: Literary Digest 1909, pp. 1153.

Oben: Ein Modul aus Coves drittem Solarpanel. Die Glasabdeckung ist abgenommen. Quelle: \"Harnessing sunlight\", René Homer, Modern Electrics, Vol. II, No.6, September 1909.

Obwohl George Cove in den meisten historischen Berichten über Solarenergie nicht vorkommt, beeindruckte sein solarer Stromgenerator einige populäre technische Medien der damaligen Zeit. So schrieb das Technical World Magazine 1909, dass “eine solche Maschine billig und unzerstörbar wie ein Küchenherd ist. Selbst in ihrem derzeitigen, etwas groben und experimentellen Zustand speichert sie bei zwei Tagen Sonne genügend elektrische Energie, um ein normales Haus eine Woche lang zu beleuchten. Der Erfinder hat dies nun schon seit Monaten in seinem Betrieb bewiesen”. ¹⁹

Metallstopfen in Asphalt gesetzt

Wie ist es George Cove gelungen, ein Solarpanel zu bauen, das seiner Zeit 40 Jahre voraus war? Laut Philip Pesavento, der einen Ausbildung in Halbleitertechnik hat, wollte Cove einen besseren thermoelektrischen Generator (TEG) bauen. Er setzte seinen Generator der Wärme eines Holzofens und direkter Sonnenenergie aus - Edward Weston hatte 1888 den ersten experimentellen thermoelektrischen Solargenerator (oder STEG) gebaut. Die Absichten von Cove werden auch aus der Beschreibung seines Geräts deutlich:

“Der Rahmen enthält eine Reihe von Scheiben aus violettem Glas, hinter denen, gehalten von einer Asphaltmischung, viele kleine Metallstopfen angebracht sind. Ein Ende der Stopfen ist immer dem Sonnenlicht ausgesetzt, während das andere Ende kühl und geschützt ist.”

Eine möglichst große Temperaturdifferenz zu erzeugen ist der Schlüssel zur thermoelektrischen Stromerzeugung, daher ist Cove’s Entwurf sinnvoll. Das Problem besteht darin, dass sein Generator bei der Messung der Leistungsabgabe nicht auf Wärme reagierte, wie es bei einem thermoelektrischen Generator der Fall sein sollte. Zunächst stellt Cove fest, dass seine Erfindung sowohl Wärme als auch Licht zur Stromerzeugung nutzt, wenn sie der Sonnenenergie ausgesetzt ist:

“Der Hauptbestandteil meiner Erfindung ist die besondere Zusammensetzung der Metallstopfen, auf die die Sonne so einwirkt, dass der Strom nicht nur durch die Wärmestrahlung, sondern auch durch die Sonnenstrahlen erzeugt wird”.

Nach weiteren Experimenten sowohl mit dem Holzofen als auch mit Sonnenenergie stellt Cove jedoch fest:

“Wenn die Maschine verschiedenen künstlichen Wärmequellen ausgesetzt wird, gibt sie keinerlei Strom ab. Außer den Wärmestrahlen der Sonne (kurzwelliges Infrarot) sind vielleicht die violetten oder ultravioletten Strahlen aktiv, um den elektrischen Strom zu erzeugen”.

Die Primärzelle des PV-Panels von Cove war ein drei Zoll langer Stecker oder Stab aus einer metallischen Zusammensetzung, einer Legierung aus mehreren gängigen Metallen. Das 1,5 m2 große Paneel hatte 976 Stäbe, während die 4,5 m2 große Anlage 4 x 1804 Stäbe hatte. Dass die Stäbe auf der einen Seite kühl und auf der anderen heiß waren - getrennt durch eine Asphaltschicht -, spielte keine Rolle. Entscheidend war, dass Cove unwissentlich einen Metall-Halbleiter-Kontakt hergestellt hatte.

Die Bandlücke bei Halbleitern

George Cove verstand nicht wie sein Solargenerator funktionierte, und auch sonst niemand zu jener Zeit. Erst mit Einsteins Arbeit über den photoelektrischen Effekt (1905) und späteren Arbeiten in der Quantenmechanik (ab den 1930er Jahren) wurde das Konzept einer Halbleiterbandlücke erkannt. Die Elektronen umkreisen den Kern eines Atoms in verschiedenen “Zuständen” und halten sich in Bereichen auf, die man “Bänder” nennt. Bei gleichbleibenden Bedingungen bleiben die Elektronen in diesen Bändern. Zwischen diesen Bändern liegen “Bandlücken” - Bereiche, in denen sich kein Elektron aufhalten kann.

George Cove verstand nicht, wie sein Solargenerator funktionierte, und auch sonst niemand zu jener Zeit.

Leiter haben keine Bandlücken, so dass Elektronen durch sie hindurchfließen. Aus diesem Grund leitet beispielsweise ein Kupferdraht Strom. In Isolatoren (wie Holz, Glas, Kunststoff oder Keramik) gibt es eine sehr große Bandlücke, die den Stromfluss blockiert. Bei Halbleitern schließlich ist die Bandlücke relativ schmal. Deshalb können sie als Isolator oder als Leiter wirken. Halbleiter können zu Leitern werden, wenn sie ein “Photon” (ein Elementarteilchen des Lichts) mit einem Energiepotenzial absorbieren, das gleich oder größer ist als die Bandlücke des Halbleitermaterials. ²⁰

Das Verständnis von Halbleitern führte in den 1950er Jahren zur Geburt der modernen Solarzelle. Es verbesserte auch die Leistung thermoelektrischer Generatoren - wenn auch aus anderen Gründen. Thermoelektrische Generatoren nutzen den Vorteil der Halbleiter-Bandlücke nicht aus. Halbleiter haben jedoch höhere Thermospannungen und geringere Wärmeleitfähigkeiten als Metalle und Metalllegierungen ohne Bandlücke, was thermoelektrische Generatoren effizienter macht.

Der Schottky-Kontakt

Um einen photovoltaischen Effekt zu erzielen, muss eine Inhomogenität im System vorhanden sein. In den 1950er Jahren gelang den Wissenschaftlern der Bell Labs die Herstellung einer Inhomogenität mit dem so genannten p-n-Übergang, der eine Grenze zwischen einem positiv geladenen und einem negativ geladenen Halbleiter bildet. P-Typ-Halbleiter haben Elektronenlücken, so genannte “Löcher” (die Elektronen anziehen), während N-Typ-Halbleiter zusätzliche Elektronen haben. An der Grenzfläche zwischen beiden entsteht ein elektrisches Potenzial.

Es ist jedoch auch möglich, eine PV-Zelle aus einem so genannten Schottky-Übergang herzustellen, der einen Halbleiter mit einem Metall verbindet. In diesem Fall fungiert das Metall als n-Typ-Halbleiter. Philip Pesavento:

“Meine Hypothese ist, dass George Cove auf eine photovoltaische Zelle mit Schottky-Kontakt gestoßen ist, Jahrzehnte bevor sie von Walter Schottky beschrieben wurde. ²¹ Es besteht die Möglichkeit, dass eine solche Zelle sowohl (vorwiegend) photovoltaische als auch thermoelektrische Effekte hervorruft. Der Stecker war eine Legierung aus Zink und Antimon, von der wir heute wissen, dass sie ein Halbleiter ist. Er wurde abwechselnd mit Neusilber (einer Nickel-, Kupfer- und Zinklegierung) und Kupfer an den gegenüberliegenden Enden bedeckt. So entstand ein ohmscher Kontakt bzw. ein Schottky-Kontakt. Das ergibt ein photovoltaisches Bauteil.

Eine zufällige Entdeckung

Laut Philip Pesavento begann George Cove wahrscheinlich mit Neusilber als negativem Material an beiden Enden der Stecker und einer Antimon-Zink-Legierung (ZnSb) als positivem Material. Dies waren die besten verfügbaren thermoelektrischen Materialien zu dieser Zeit:

“Wahrscheinlich ging ihm das Neusilber aus und er ersetzte es durch Kupfer, um eine Reihe von Steckern fertigzustellen. Die Thermospannung von Kupfer und Neusilber unterscheidet sich nur wenig. Beim Testen stellte Cove dann fest, dass diese Stecker (mit einer Neusilberkappe an einem Ende und einer Kupferkappe am anderen Ende) eine viel höhere Spannung lieferten: Hunderte von mV gegenüber den üblichen einigen 10 mV für einen thermoelektrischen Generator.”

Was war geschehen? Durch die Verwendung von Kupfer hatte Cove unwissentlich einen Schottky-Übergang gebaut. Dadurch verwandelte sich sein thermoelektrischer Generator in einen “thermophotovoltaischen Generator”. Eine solche Anordnung funktioniert genauso wie eine photovoltaische Solarzelle, nur mit einer anderen Wellenlänge. Das Sonnenspektrum umfasst einen Bereich von etwa 0,5 bis 2,9 Elektronenvolt (eV), von Infrarot bis Ultraviolett. Ein Halbleiter mit einer Bandlücke zwischen 1 und 1,7 eV wandelt sichtbares Licht effizient in Elektrizität um (ein photovoltaischer Generator), während ein Halbleiter mit einer Bandlücke zwischen 0,4 und 0,7 eV kurzwellige infrarote Sonnenenergie effizient in Elektrizität umwandelt (ein thermophotovoltaischer Generator).

Oben: Diese Zeichnung aus [Coves Patent von 1906](https://patentimages.storage.googleapis.com/bc/bb/50/6683e8b44edd4c/US824684.pdf) zeigt die Antimon-Zink-Legierung “b”; die Kappe aus Neusilber (ohmscher Leiter) “c”; und die Kappe aus Kupfer oder Zinn (Schottky-Übergang) “f”. Überall werden Pressverbindungen verwendet, da Lötverbindungen den Wirkungsgrad verringern.

Heute wissen wir, dass ZnSb - das negative Material in Coves Steckern - ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,5 eV ist. Das erklärt weitgehend, warum der Erfinder zunächst feststellte, dass sein Solargenerator sowohl Wärme als auch Licht in Strom umwandelt. Ein thermophotovoltaischer Generator deckt nicht nur den infraroten Teil des Sonnenspektrums ab - er passt auch zum direkten Spektrum einer brennenden Flamme oder einer rotglühenden Oberfläche, die durch brennendes Holz oder Erdgas erhitzt wird. Er wandelt auch den unteren Teil des sichtbaren Spektrums in Strom um, wenn auch sehr ineffizient.

Laut Philip Pesavento gelang es Cove dann, die Zusammensetzung der Legierung bis auf Zn4Sb3 zu verfeinern - eine Zink-Antimon-Legierung mit einem Verhältnis von 4 Teilen Zink zu 6 Teilen Antimon. Wie wir heute wissen, ist dies ebenfalls ein Halbleiter. Allerdings hat diese Legierung eine Bandlücke von 1,2 eV - sehr nahe an der Bandlücke von Silizium (1,1 eV). Folglich wurde aus dem thermophotovoltaischen Generator ein rein photovoltaischer Generator:

“In seinem Enthusiasmus hat Cove wahrscheinlich eine größere Anzahl von Steckern hergestellt und bei einer Charge irgendwie die Proportionen “falsch” bemessen. Er hat dann eine noch größere Spannung gemessen. Schließlich untersuchte er sorgfältig die Zink-Antimon-Legierungen und stellte fest, dass die Zinklegierung mit einem Anteil von 40-42 % die höchste Spannung ergab (im Vergleich zu 35 % Zink in ZnSb). Nachdem er - zufällig - Zn4Sb3 entdeckt hatte, führte die höhere Bandlücke dieses Halbleiters dazu, dass er nicht mehr funktionierte, wenn er der Hitze eines Holzofens ausgesetzt war. Er funktionierte jedoch umso besser, wenn er der Sonnenenergie ausgesetzt war, da er nun einen viel größeren Teil des sichtbaren Spektrums des Sonnenlichts effizient in Strom umwandelte.

Mit Hilfe von Farbglasfiltern stellte George Cove fest, dass der größte Teil der Reaktion auf das violette Ende des Spektrums entfiel und nur wenig auf die so genannten Wärmestrahlen. Seine früheren PV-Stecker hatten gleich gut auf Wärmestrahlen und violette Strahlen reagiert, während die älteren thermoelektrischen Generatoren (Neusilber an beiden Seiten) überhaupt nicht auf die violetten Strahlen reagierten.

Zurück zur Schottky Solarzelle?

Solarzellen mit Schottky-Übergang haben bei Forschern und Unternehmen nur wenig Aufmerksamkeit erregt - nur wenige Entwürfe für Solarzellen verwenden Metalle im aktiven Bereich, außer für Kontakte. ²² Philip Pesavento ist jedoch der Ansicht, dass es sich lohnen würde, auch Schottky-Solarzellen nach dem Entwurf von Cove herzustellen:

“Wenn nachgewiesen werden kann, dass Zn4Sb3 (Bandlücke 1,2 eV) in einer photovoltaischen Zelle verwendet werden kann, besteht eine gute Chance, dass eine solche Solarzellenkonstruktion nachhaltig ist. Sie wäre ein guter Kandidat für einen hohen Erntefaktor (Energy Returned on Energy Invested - EROI) und hätte eine akzeptabel lange Lebensdauer mit einem Energieüberschuss von mehreren Jahrzehnten. Es ist erstaunlich, dass alle dieses Material und seine Anwendung in Photovoltaikzellen übersehen zu haben scheinen und dass keine Entwicklung stattgefunden hat - selbst nachdem Forscher es Anfang bis Mitte der 1980er Jahre kurz als mögliche Option erkannt hatten. Insofern passt es in die Kategorie einer verfrühten Entdeckung, was auch bedeuten sollte, dass es in der heutigen Zeit sehr schnell entwickelt werden könnte.”

Abgesehen von der Photovoltaik sieht Philip Pesavento ein Potenzial in der Thermophotovoltaik für Holzöfen, in der Solarthermie oder in Tandemanwendungen mit zwei Anschlüssen, bei denen ZnSb anstelle von Zn4Sb3 verwendet wird. Wenn sich die Plug-Type-Solarzellen als wirksam erweisen, könnten seiner Meinung nach auch Solarkollektoren mit Linienkonzentratoren - wie Parabolrinnen oder Compound Parabolic-Konzentratoren - zu deutlich geringeren Kosten gebaut werden.

Low-tech-Herstellung

Der Hauptvorteil des Designs von Cove liegt in der einfachen Herstellung. In den 1970er und 1980er Jahren untersuchten Wissenschaftler Zn4Sb3 für den Einsatz in der Photovoltaik und kamen zum Schluss, dass die “offensichtlichen Vorteile des Materials in der offensichtlichen Einfachheit und der relativ niedrigen Temperatur des Herstellungsverfahrens liegen.” ²³ Der Schmelzpunkt von Zn4Sb3 liegt bei 570 Grad Celsius, während er bei Silizium 1.400 Grad beträgt.

In den 1970er Jahren untersuchten Forscher Metall-Halbleiter-Solarzellen auf der Grundlage anderer Halbleitertypen als Zn4Sb3. Auch hier war ihre Motivation das einfache und kostengünstige Herstellungsverfahren im Vergleich zu den Silizium-Solarzellen mit p-n-Übergang der damaligen Zeit. ²⁴ ²⁵ Schottky-Zellen erfordern keinen Hochtemperatur-Phosphor-Diffusionsschritt, durch den die n-Schicht des p-n-Übergangs in Silizium heute üblicherweise erzeugt wird. Allein dadurch wird der Energieaufwand für die Herstellung von Solarzellen um 35 % reduziert. ²²

In den 1980er Jahren erzielten die Forscher wichtige Fortschritte bei den p-n-Übergängen aus Silizium, und das Interesse an alternativen Lösungen ließ nach. In den letzten Jahren ist dieses Interesse jedoch wieder erwacht. So kommen beispielsweise Forschungen zu Graphen/Silizium-Schottky-Solarzellen zu dem Schluss, dass “die einfache und kostengünstige Herstellung der Geräte, die keine hohen Temperaturen erfordert, einer der Vorteile ist.” ²⁶ In anderen neueren Studien kommen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass “Selen-Bauelemente vom Schottky-Typ … extrem einfach und kostengünstig herzustellen sind”. ²⁷²⁸²⁹³⁰

Einfachere Wiederverwertung

Ein weiterer Vorteil von Schottky-Solarzellen könnte das einfachere Recycling sein. Siliziummodule sind zwischen zwei laminierten Verkapselungsschichten eingebettet (in der Regel EVA, ein Ethylen-Vinylacetat-Copolymer). Diese Schichten sind entscheidend für die Lebensdauer der Module. ¹ ² ³ Um das Silizium - den wertvollsten Bestandteil eines Solarmoduls - zu recyceln, müssen diese Schichten abgetrennt werden, aber wenn man sie verbrennt werden die Module ebenfalls zerstört. Siliziumzellen können nur durch eine Kombination aus thermischen, chemischen und metallurgischen Schritten recycelt werden. Das ist ein teurer Prozess mit Auswirkungen auf die Umwelt. Es gibt zwar Angaben, wonach etwa 10 % der Solarmodule “recycelt” werden, doch handelt es sich dabei eher um ein “Downcycling”. Die Module werden zerkleinert, und das dabei entstehende Material wird als Füllstoff in der Asphalt- und Zementindustrie verwendet.

Die von George Cove gebauten Solarzellen waren dagegen vollständig recycelbar. Sie benötigten keine Schutzschicht und enthielten nicht einmal Lötzinn. Philip Pesavento:

“Wenn man die Zellen genau so bauen würde wie Cove, indem man die Kappen einpresst und sie dann mit Draht umwickelt, um sie dicht zu halten, wären sie auch einfacher zu recyceln, da es sich um einen rein mechanischen Vorgang handelt, bei dem keine Chemikalien eingesetzt werden müssen. Es wäre zwar arbeitsintensiv, sie zusammenzusetzen und wieder zu zerlegen, aber es könnte auch automatisiert werden.”

Pesavento glaubt, dass es auch möglich ist, flache Solarzellen aus dem Cove-Material herzustellen. Ob diese jedoch eine Schutzschicht benötigen, die das Recycling behindert, bleibt abzuwarten. In den 1970er Jahren benötigten Schottky-Solarzellen aus anderen Materialien, um eine Lebensdauer von über 20 Jahren zu erreichen, nicht immer eine Schutzschicht. ²⁴

Effizienz

Wenn wir mehr Low-Tech-Solarzellen bauen könnten, wie effizient könnten wir sie dann machen? Laut Philip Pesavento sind Schottky-Zellen bei gleichem Material etwas weniger effizient als p-n-Übergänge, da p-n-Übergänge eine höhere Spannung erzeugen - sie erhalten mehr Energie aus den Photonen, die sie absorbieren.

“Wenn jedes Quäntchen Effizienz zählt, macht man das. Wenn es darum geht, die Herstellung von Solarzellen mit manuellen oder handwerklichen Methoden zu erleichtern, wäre die Schottky-Diode die logischere Wahl.”

Andererseits könnte es möglich sein, Schottky-Zellen dünner als Silizium-Solarzellen zu bauen - und das würde ihre Effizienz erhöhen. Philip Pesavento:

“Ich habe die spezifischen Zahlen für die Parameter - Ladungsträgergeschwindigkeit, Rekombinationslebensdauer, Absorptionskoeffizient - nicht gefunden, um dies eindeutig sagen zu können. Aber die Tatsache, dass Cove so lange, dünne Zellen hergestellt und so hohe Wirkungsgrade erzielt hat, ist ein gutes Zeichen dafür, dass sich dünnere Zellen herstellen lassen.

Jüngste Forschungsarbeiten zu Schottky-Zellen aus anderen Materialien scheinen dies zu bestätigen. So konnte bei jüngsten Experimenten mit Schottky-Selen-Zellen die Schichtdicke auf nur 100 µm reduziert werden, während sie bei Siliziumzellen zwischen 200 und 500 µm beträgt. ²⁷ ³¹ Die Wissenschaftler erreichten auch einen experimentellen Wirkungsgrad von 17 % für eine Graphen/Silizium-Schottky-Zelle, der zehn Jahre zuvor noch bei 1,5 % lag. ²⁶

Wir können auch die derzeitige Besessenheit von höheren Wirkungsgraden in Frage stellen. Viele werden argumentieren, dass wir mehr Solarmodule benötigen würden, um die gleiche Leistung zu erzielen, wenn die Low-Tech-Solarmodule weniger effizient sind. Folglich würden die durch Low-Tech-Produktionsmethoden eingesparten Ressourcen durch die zusätzlichen Ressourcen für den Bau von mehr Solarzellen kompensiert. Die Effizienz ist jedoch nur dann entscheidend, wenn wir den Energiebedarf als gegeben ansehen. Ein Rückgang der Effizienz kann ebenso gut durch eine Senkung der Energienachfrage kompensiert werden, insbesondere wenn dies zu mehr Nachhaltigkeit und einem geringeren Ressourcenverbrauch in der gesamten Lieferkette führt. Wie bei den Windturbinen kann der Verzicht auf ein gewisses Maß an Effizienz einen großen Gewinn an Nachhaltigkeit bedeuten.

Was geschah mit George Cove?

Wenn das Solarpanel von Cove so revolutionär war, warum wurde es dann vergessen? Zu dieser Frage liest sich das Forschungsmaterial von Philip Pesavento wie ein Kriminalroman. Cove’s Versuch, sein Solarenergiegerät zu produzieren und zu vermarkten, scheiterte auf mysteriöse Weise.

Der Erfinder ließ sich mit einem Aktienmanipulator ein, Elmer Burlingame, der in den Jahren 1909 und 1910 Aktien von Unternehmen ausgab, die ihm nicht gehörten, darunter auch die von Cove gegründete Sun Electric Generator Company. Im Oktober 1909 wurde Cove angeblich entführt und es wurde ihm mit dem Tod gedroht, falls er die Entwicklung seiner Solarerfindung nicht einstellen würde. Die Polizei hielt die Entführung von Cove jedoch für einen Scherz. Im Jahr 1911 wurden sowohl Cove als auch Burlingame wegen Aktienbetrugs verhaftet und

Erfindungen arbeitete, hatte keine davon etwas mit Solarenergie zu tun. ³²

Im Oktober 1909 wurde Cove angeblich entführt und es wurde ihm mit dem Tod gedroht, falls er die Entwicklung seiner Solarerfindung nicht einstellen würde.

War George Cove ein Scharlatan? War er das Opfer eines solchen? Oder wurde sein Ruf zerstört, weil der Solarstromgenerator die Interessen anderer Unternehmen bedrohte? Es gibt viele historische Beispiele für die Unterdrückung technologischer Innovationen durch große US-Konzerne. George Cove war im gleichen Zeitraum wie die Edison Electric Illuminating Company of New York tätig, deren skrupellose Praktiken gegen Konkurrenten gut dokumentiert sind. Wenn Cove’s Solarstromgenerator funktioniert hätte, hätte das die wachsende Nachfrage nach Edisons Kohle- und Ölkraftwerken verringern können. [Zuvor, in den 1880er Jahren, hatte Edison das Unternehmen gekauft, das den damals besten thermoelektrischen Generator herstellte - Clamonds’s Improved Thermopile - und anschließend die Entwicklung der Maschinen eingestellt. ³³

Noch mehr Rätsel

Es ist zwar verlockend, George Cove als Opfer zu sehen, aber wir können nur spekulieren. Philip Pesaventos Archivmaterial enthält weitere Rätsel, wie etwa Cove’s Patent - 1905 beantragt, 1906 erteilt. In seinem Patent beschreibt der Erfinder die Herstellung seiner Zn4Sb3-Stecker im Detail, was Pesavento half, die Leistung und den Wirkungsgrad der Solarzellen zu berechnen. Allerdings beschreibt Cove diese Stecker für die Umwandlung von Wärme aus einem Holzofen in Elektrizität, was mit seiner Materialwahl nicht vereinbar ist. Damit der Ofengenerator funktioniert, benötigt er ZnSb-Stecker mit einer Bandlücke von 0,5 eV. Philip Pesavento:

“War dies eine Irreführung seitens Cove, um zu verhindern, dass Leute sein Herdpatent kopieren und es zum Laufen bringen? Ich weiß es nicht.”

Noch überraschender ist, dass ein Bild, das Cove neben einem seiner Solarmodule zeigt, auch in John Perlins 2013 erschienenem historischen Überblick über die Solarenergie Let It Shine: The 6,000-Year Story of Solar Energy zu finden ist. Das Solarpanel auf dem Bild wird jedoch Charles Fritts zugeschrieben, dem Erfinder der Selen-Solarzelle. Außerdem ist George Cove selbst nicht mehr auf dem Bild zu sehen. Auszüge aus dem Buch sowie das Foto sind auf mehreren Websites erschienen (https://www.smithsonianmag.com/sponsored/brief-history-solar-panels-180972006/). Philip Pesavento war nicht überrascht, als ich mich wieder meldete:

“Ich habe diese Entdeckung vor einigen Jahren gemacht. Ich vermute, dass jemand dringend ein Bild der Fritts’schen Solarpaneele brauchte, dieses Bild fand und dann George Cove mit einer Fotobearbeitung daraus entfernte. Schließlich ist Cove völlig unbekannt, und wenn er überhaupt Einigen bekannt ist, soll er einen thermoelektrischen Solargenerator erfunden haben, keine PV-Solarzellen. Wenn man sich die beiden Fotos genau ansieht, erkennt man, dass der obere Teil des rechten Säulengangs hinter ihm ausgeschnitten und an die Stelle geklebt wurde, an der Cove gestanden hatte, und dass die Perspektive nicht ganz stimmt.”

Update: Bellingcat hat das Geheimnis des Bildes gelüftet.

Weckend, Stephanie, Andreas Wade, and Garvin A. Heath. End of life management: solar photovoltaic panels. No. NREL/TP-6A20-73852. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2016. ↩︎ ↩︎
Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. ↩︎ ↩︎
Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. ↩︎ ↩︎
Hornborg, Alf, Gustav Cederlöf, and Andreas Roos. “Has Cuba exposed the myth of “free” solar power? Energy, space, and justice.” Environment and planning E: Nature and space 2.4 (2019): 989-1008. ↩︎
Cederlof, Gustav, and Alf Hornborg. “System boundaries as epistemological and ethnographic problems: Assessing energy technology and socio-environmental impact.” Journal of Political Ecology 28.1 (2021): 111-123. ↩︎
Bartie, N. J., et al. “The resources, exergetic and environmental footprint of the silicon photovoltaic circular economy: Assessment and opportunities.” Resources, Conservation and Recycling 169 (2021): 105516. ↩︎
Powell, Douglas M., et al. “The capital intensity of photovoltaics manufacturing: barrier to scale and opportunity for innovation.” Energy & Environmental Science 8.12 (2015): 3395-3408. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “An environmentally conscious photovoltaic supply chain network design under correlated uncertainty: A case study in Iran.” Journal of Cleaner Production 262 (2020): 121434. ↩︎
Carvalho, Maria, Antoine Dechezleprêtre, and Matthieu Glachant. Understanding the dynamics of global value chains for solar photovoltaic technologies. Vol. 40. WIPO, 2017. ↩︎
Dehghani, Ehsan, et al. “Resilient solar photovoltaic supply chain network design under business-as-usual and hazard uncertainties.” Computers & Chemical Engineering 111 (2018): 288-310. ↩︎
Kumar, Abhishek, et al. “Economic viability analysis of silicon solar cell manufacturing: Al-BSF versus PERC.” Energy Procedia 130 (2017): 43-49. ↩︎
Fritts, Charles E. “On a new form of selenium cell, and some electrical discoveries made by its use.” American Journal of Science 3.156 (1883): 465-472. ↩︎
Effect of Light on Selenium During the Passage of An Electric Current*. Nature 7, 303 (1873). ↩︎
Green, Martin A. “Silicon photovoltaic modules: a brief history of the first 50 years.” Progress in Photovoltaics: Research and applications 13.5 (2005): 447-455. ↩︎
Perlin, John. Let it shine: the 6,000-year story of solar energy. New World Library, 2013. ↩︎
Selenium Cells, Thomas William Benson, 1919. ↩︎
Extrapolating from the performance of the next panel, we can guess that this one had a power output of about 25W and just under 3% efficiency. ↩︎
Cove claimed to have built an even larger panel of 9 m2, but no image has survived. It was said to have had a power output of 768 watt at 8% efficiency assuming 100 W/ft2 solar insolation. This array consisted of 8 panels with a total of 14,432 plugs. ↩︎
Winthrop Packard, Technical World Magazine 11, nr.4, June 1909. ↩︎
Why don’t we use conductors for solar panels? When light hits a conductor surface it mostly reflects, and little or no energy is absorbed. Furthermore, in conductors, the free electrons move randomly, there is no flow of current, no directional capacity. ↩︎
Cove was not the first, though. Charles Fritts’ solar cell was also based on a Schottky junction. ↩︎
Byrnes, Steve. “Schottky junction solar cells.” (2008). ↩︎ ↩︎
Tapiero, M., et al. “Preparation and characterization of Zn4Sb4.” Solar Energy Materials 12.4 (1985): 257-274. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0165163385900516. See also: Mozharivskyj, Yurij, et al. “A promising thermoelectric material: Zn4Sb3 or Zn6-δSb5. Its composition, structure, stability, and polymorphs. Structure and stability of Zn1-δSb.” Chemistry of Materials 16.8 (2004): 1580-1589. https://lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1787&context=chem_pubs ↩︎
Rothwarf, A., and K. W. Böer. “Direct conversion of solar energy through photovoltaic cells.” Progress in Solid State Chemistry 10 (1975): 71-102.. ↩︎ ↩︎
Anderson, W. A., A. E. Delahoy, and R. A. Milano. “An 8% efficient layered Schottky‐barrier solar cell.” Journal of Applied Physics 45.9 (1974): 3913-3915. ↩︎
Yavuz, Serdar. Graphene/Silicon Schottky Junction Based Solar Cells. University of California, San Diego, 2018. ↩︎ ↩︎
Todorov, Teodor K., et al. “Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world’s oldest photovoltaic material.” Nature communications 8.1 (2017): 1-8. ↩︎ ↩︎
Selenium can be deposited by thermal evaporation at only 200°C. This temperature is within easy reach of solar thermal technologies, which means that in principle these processes could be run by direct use of solar energy. ↩︎
Hadar, Ido, et al. “Modern processing and insights on selenium solar cells: the world’s first photovoltaic device.” Advanced Energy Materials 9.16 (2019): 1802766. ↩︎
Ferhati, H., F. Djeffal, and D. Arar. “Above 14% efficiency earth-abundant selenium solar cells by introducing gold nanoparticles and Titanium sub-layer.” Optical Materials 86 (2018): 24-31. ↩︎
Zhu, Menghua, Guangda Niu, and Jiang Tang. “Elemental Se: fundamentals and its optoelectronic applications.” Journal of Materials Chemistry C 7.8 (2019): 2199-2206. ↩︎
More details in “George Cove’s solar energy device”, Dennis Bartels, 1997. ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17 (2014): 1260-1267. ↩︎

Wie Windenergie wieder nachhaltig werden kann

Sun, 02 Jun 2019 00:00:00 +0000

Abbildung: Eva Miquel für Low-tech Magazine.

Mehr als zweitausend Jahre lang wurden Windmühlen aus recycelbaren und wiederverwertbaren Materialien gefertigt: Holz, Stein, Backstein, Segeltuch, und Metall. Die Materialien veränderten sich auch nicht, als in den 1880er Jahren die neuartigen Windmühlen auftauchten, die Strom erzeugen konnten. Erst mit dem Aufmarsch von Rotorblättern aus Kunststoff in den 1980er Jahren wurde Windenergie zur Quelle von toxischem Abfall, der auf Deponien landet.

Neue Technologien der Holzproduktion und neue Entwürfe ermöglichen es mittlerweile größere Windkraftanlagen beinahe wieder vollständig aus Holz zu bauen – nicht nur die Rotorblätter, sondern auch das restliche Konstrukt. So könnte man das Abfallproblem lösen und die Herstellung von Windanlagen von fossilen Brennstoffen und Materialien aus Minen größtenteils unabhängig machen. Ein Wald inmitten der Windkraftanlagen könnte das Holz für die kommenden Generationen von Anlagen liefern.

Wie nachhaltig ist ein Rotorblatt?

Windkraftanlagen werden zu den sauberen und nachhaltigen Energiequellen gezählt. Obwohl sie in der Tat weniger CO2 ausstoßen als Anlagen, die fossile Brennstoffe nutzen, erzeugen auch sie jede Menge Abfall. Das übersieht man leicht, da ungefähr 90% der gesamten Masse einer Windkraftanlage aus Stahl ist und sich hauptsächlich im Turm konzentriert. Stahl ist wiederverwertbar. Das erklärt, wieso Windkraftanlagen so schnell die Energie zurückgewinnen, die nötig ist, um sie zu bauen – der wiederverwertete Stahl kann bei der Herstellung von neuen Bestandteilen genutzt werden. Das spart viel Energie.

Die Rotorblätter anderseits werden aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt, der voluminös ist und nicht recycelt werden kann. Obwohl die Masse im Vergleich zur gesamten Masse einer Windkraftanlage klein ist, sollte sie nicht unterschätzt werden. Ein 60m langes Rotorblatt wiegt 17 Tonnen, was bedeutet, dass die drei Rotorblätter von einer 5-MW-Windkraftanlage alleine mehr als 50 Tonnen nicht recyclebaren Abfall produzieren.

Abbildung: Ein Rotorblatt aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Quelle: [Gurit](https://www.gurit.com/Our-Business/Industries--Markets/Wind).

Ein Rotorblatt besteht normalerweise aus einer Kombination von Epoxidharz – ein Petroleum-Produkt – verstärkt durch Glasfasern. Die Blätter sind zudem gefüllt mit Materialien auf Kunststoffbasis, zum Beispiel teilvernetztem PVC-Schaum, und umhüllt von einer Schutzschicht auf Polyurethan-Basis.¹²³⁴

Im Gegensatz zum Stahl des Turmes kann das Plastik der Rotorblätter nicht recycelt werden, um neue Blätter herzustellen. Das Material kann man nur “downcyceln”, indem man es beispielsweise schreddert. Dabei gehen die Fasern jedoch kaputt und eignen sich dann nur noch als Füllmaterial für die Produktion von Zement oder Asphalt. Andere Methoden werden noch erforscht, aber sie stoßen bis jetzt immer wieder auf dasselbe Problem: Niemand will das “recycelte” Material haben. Einige Architekten haben die Rotorblätter wiederverwendet, indem sie damit Bänke oder Spielplätze gebaut haben. Aber wir können nicht alles aus Rotorblättern anfertigen!

Schon allein die Rotorblätter einer 5-MW-Windkraftanlage produzieren mehr als 50 Tonnen nicht recycelbaren Abfalls.

Wegen der begrenzten Möglichkeiten zum Recyceln und Wiederverwerten werden Rotorblätter normalerweise auf Deponien entsorgt (in den USA), oder verbrannt (in der EU). Letzteres ist auch nicht nachhaltiger, da das Verbrennen der Rotorblätter nur einen Teil des Materials reduziert (60% bleiben als Asche übrig) und der Rest verschmutzt die Luft. Es kann außerdem kaum Energie zurückgewonnen werden, da Glasfaser ohnehin nicht brennbar ist. ¹²³⁴

Müllentsorgung mit 25 Jahren Verspätung

Die meisten der ca. 250.000 Windkraftanlagen, die momentan weltweit in Betrieb sind, wurden vor weniger als 25 Jahren installiert, was ihrer voraussichtlichen Lebensdauer entspricht. Das schnelle Wachstum von Windenergie in den letzten zwei Jahrzehnten wird bald einen zwar verspäteten, aber stetig wachsenden Strom von Abfallprodukten zur Folge haben.

In Europa zum Beispiel steigt der Anteil an Windkraftanlagen, die älter als 15 Jahre sind, von 12 % in 2016 auf 28 % in 2020 an. In Deutschland, Spanien und Dänemark beläuft sich ihr Anteil sogar schon auf 41 - 57 %. Im Jahr 2020 alleine werden diese Länder zwischen 6.000 und 12.000 Rotorblätter entsorgen müssen. ⁵

Abbildung: Die Flügel von altmodischen Windmühlen wurden gänzlich aus recycelbaren Materialien hergestellt. Bild: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Entsorgte Rotorblätter werden nicht nur immer zahlreicher sondern auch größer, da Rotorblätter mit stets größerem Umfang im Trend liegen. Windkraftanlagen vor 25 Jahren hatten ca. 15 - 25m lange Rotorblätter, wohingegen die heutigen Rotorblätter zwischen 75 - 80m oder länger sind.³ Schätzungen auf Basis von aktuellen Wachstumsprognosen für Windenergie suggerieren, dass der Abfall aus Rotorblättern sich bis 2028 auf 330.000 Tonnen jährlich belaufen wird und bis 2040 sogar auf 418.000 Tonnen pro Jahr.¹

Das schnelle Wachstum von Windenergie in den letzten zwei Jahrzehnten wird bald einen zwar verspäteten, aber stetig wachsenden Strom von Abfallprodukten zur Folge haben.

Diese Schätzungen sind konservativ, da es zum einen immer wieder defekte Rotorblätter gibt und zum anderen neue Innovationen dazu führen, dass viele der Blätter weit vor ihrem Verfallsdatum ausgetauscht werden – gegen effizientere Rotorblätter mit verbessertem Energieertrag.¹⁶ Außerdem stammt diese Abfallmenge von Windkraftanlagen, die zwischen 2005 und 2015 installiert wurden, als Windenergie gerade mal 4% der globalen Energiequellen ausmachte. Würde Windenergie die gewünschten 40% des (heutigen) globalen Energievierbauchs decken, wären es drei bis vier Millionen Tonnen Abfall pro Jahr.

Die Geschichte der Windmühlenflügel

Die Geschichte der Windenergie macht deutlich, dass Plastik als Bestandteil eigentlich nicht zwingend notwendig ist. Die Nutzung von Wind zur mechanischen Erzeugung von Energie geht auf die Antike zurück und die ersten stromerzeugenden Windmühlen – die heute Windkraftanlagen heißen – wurden um 1880 gebaut. Glasfaser-Rotorblätter wurden allerdings erst in den 1980er Jahren populär. 2000 Jahre lang waren Windmühlen, ganz gleich aus welchem Material, also komplett recycelbar.

Die Windmühlen in Europa, die von Paul La Cour in Dänemark gebaut wurden, hatten traditionelle Holzflügel. Bild: Image: Paul La Cour Museum.

Traditionelle Windmühlen hatten Türme, die aus Holz, Stein oder aus Backstein gebaut wurden. Ihre Flügel wurden normalerweise aus einem Holzgerüst gefertigt, an dem die Segel oder Holzklappen befestigt wurden. Später wurden Teile der Windmühlen zunehmend aus Eisen hergestellt – ebenfalls ein recycelbares Material.

Trotz sich wandelnder Designs ab dem 18. Jahrhundert haben sich die Materialien der Flügel nicht groß verändert, abgesehen von der Anwendung von Aluminium ab dem 20. Jahrhundert, das jedoch auch recycelbar ist.⁷] Im Gegensatz zu modernen Windkraftanlagen, die regelmäßig komplett erneuert werden müssen, konnten traditionelle Windmühlen durch stetige Wartung und Reparatur über Jahrzehnte hinweg genutzt werden, manchmal sogar jahrhundertelang.

Die Geschichte der Windenergie macht deutlich, dass Plastik kein notwendiges Material ist.

Die erste Windkraftanlage in den USA von Charles F. Brush hatte einen Rotordurchmesser von 17m, mit 144 dünnen Blättern aus Zedernholz. Die erste Windkraftanlage in Europa von Paul La Cour in Dänemark hatte vier traditionelle Holzflügel mit einem Rotordurchmesser von 22,8m.

La Cours Design wurde von lokalen dänischen Unternehmen kopiert, was dazu führte, dass zwischen 1900 und 1920 tausende Windkraftanlagen auf dänischen Farmen gebaut wurden. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden auch dutzende experimentelle Windkraftanlagen gebaut, manche mit Stahlflügeln, wie das US-amerikanische Smith-Putnam-Modell von 1939.

Eine Struktur aus Stahldraht stabilisierte die drei Rotorblätter der Gedser Windkraftanlage.

1957 baute Johannes Juul, ein Schüler von Paul La Cour, die Gedser Windkraftanlage mit drei Rotorblättern. Die Anlage hatte einen Rotordurchmesser von 24m und wurde zusammengehalten von einem Stahlgerüst, das für extra Stabilität der Rotorblätter sorgte. Die Rotorblätter wurden aus Stahl konstruiert, mit Aluminium umhüllt und gestützt durch Holzrippen.

Bis Mitte der 1980er galt die Gedser Windkraftanlage als die erfolgreichste. Sie war ohne Wartung 11 Jahre in Betrieb und generierte bis zu 360.000 kWh pro Jahr, aber sie wurde nicht repariert, als ein Lager ausfiel. Als die Turbine in den späten 1970ern getestet und überholt wurde, stellte sich heraus, dass sie besser funktionierte als die ersten Windkraftanlagen mit Rotorblättern aus Kunststoff.⁸⁹

Die Größe spielt eine Rolle

Die erste Windkraftanlage mit Rotorblättern aus Kunststoff wurde 1978 in Dänemark installiert, wo sie eine Schule mit Strom versorgte. Mit einem Rotordurchmesser von 54m war die Tvind Windkraftanlage damals die größte existierende Windkraftanlage. Nach 1980 wurden Rotorblätter aus Kunststoff zum Standard in Dänemark und das ‘Dänische Design’ wurde überall auf der Welt kopiert. Rotorblätter aus Kunststoff, so könnte man sagen, definieren die moderne Windkraftanlage. Das stellt uns vor ein Dilemma!

Der Wechsel zu Rotorblättern aus Kunststoff hatte hauptsächlich mit dem Wunsch nach größeren Windkraftanlagen zu tun. Es gibt zwei Gründe, warum größere Anlagen die Kosten pro Kilowattstunde generierter Elektrizität verringern: die Windgeschwindigkeit nimmt in der Höhe zu und das Verdoppeln des Rotorradius vervierfacht den Energieertrag.

Der Wunsch nach immer größeren Windkraftanlagen treibt die Industrie seitdem voran. Der Rotordurchmesser ist von ca. 50m in den 1990ern auf bis zu 120m im Jahr 2000 angestiegen. Heute haben die größten Offshore-Windkraftanlagen einen Rotordurchmesser von mehr als 160m. In den Niederlanden wird gerade eine 12-MW-Windkraftanlage mit einem Rotordurchmesser von 220m gebaut. ³⁶¹⁰

Ein verbesserter Windmühlenflügel aus den 1940ern, gebaut und entworfen von P.L. Fauel. Bild: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Je größer die Rotorblätter, desto größer auch die Masse der Blätter, wodurch immer leichtere Materialien benötigt werden. Gleichzeitig biegen sich größere Blätter auch leichter, wodurch ihre strukturelle Steifigkeit immer wichtiger wird, um eine optimale Aerodynamik zu erreichen und zu vermeiden, dass die Blätter den Turm streifen. Kurz gesagt, größere Windkraftanlagen mit längeren Rotorblättern stellen neue Anforderungen, was die Materialien betrifft, und diese übersteigen die Möglichkeiten von recycelbaren Materialien.¹¹¹² Windkraftanlagen sind effizienter geworden, aber weniger nachhaltig.

Größere Windkraftanlagen stellen neue Anforderungen, was die Materialien betrifft.

Dieser Trend schlägt sich nieder in der vermehrten Nutzung von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, der noch stabiler, steifer und leichter ist als glasfaserverstärkter Kunststoff.¹¹ Das Nutzen von Kohlenstofffasern, was das Recyceln noch weiter erschwert, ist bei großen Rotorblättern zum Standard geworden – vor allem in Bereichen, die großer Belastung ausgesetzt sind, wie zum Beispiel die Wurzel des Blattes. Wir haben demnach ein neue Phase erreicht, in der Rotorblätter so groß sind, dass sie nicht einmal mehr aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt werden können.

Das Rotorblatt neu erfinden

Eine Industrie, die sich selbst nachhaltig und erneuerbar nennen will, sollte nicht jährlich Millionen Tonnen Plastikabfall produzieren. Wäre es denn möglich Rotorblätter aus recyclebaren Materialien zu bauen? Wie groß könnten diese Anlagen sein? Inwieweit lassen sich Effizienz und Nachhaltigkeit miteinander vereinen?

Ein verbesserter Windmühlenflügel aus den 1930ern, entworfen von Kurt Bilau. Der Turm ist aus Stein, die Segel aus Holz und Aluminium. Bild: Frank Vincentz (CC BY-SA 3.0).

Die meiste Forschung zu nachhaltigeren Rotorblättern bleibt bei Kunststoff als Hauptmaterial. “Thermoplaste”, wie zum Beispiel PVC, können geschmolzen und wiederverwendet werden, was es ermöglicht, die Rotorblätter zu recyceln, um neue herzustellen, selbst vor Ort. Da das Material aber nicht so belastbar ist, waren die gebauten Rotorblätter bis jetzt noch nicht größer als 9m.¹¹³

Ein weiterer Bereich ist der Erforschung von Holz- oder Flachsfasern als Alternative zu Glasfasern gewidmet. Diese Rotorblätter können zwar größer werden, aber sie sind nur minimal nachhaltiger als die Glasfaser-Epoxidharz-Rotorblätter.¹⁴¹⁵ Denn das aus Petroleum gewonnene Epoxidharz ist besonders schädlich und Produkte, die auf natürlichen Fasern basieren, absorbieren mehr davon als Glasfaserprodukte.¹⁶¹⁷¹²

Die Länge von Holz-Rotorblättern ist nicht mehr abhängig von der Verfügbarkeit großer Bäume von einheitlicher Qualität.

Manche Ingenieure und Wissenschaftler wählen andere Wege und konzentrieren sich auf traditionellere Holzkonstruktionen. Für kleine Windkraftanlagen können die Rotorblätter aus solidem Holz geschnitzt werden. Für größere Windkraftanlagen können die Rotorblätter aus einer leeren aerodynamischen Hülle mit einem inneren Gerüst aus Rippen und einem Holm als Stütze konstruiert werden – allesamt aus laminiertem Furnierholz.

Laminiertes Furnierholz

Laminiertes Furnierholz, bei dem das Holz zuerst vom Baum geschält und dann in dünnen Schichten wieder aneinander geleimt wird, ist ein Holzprodukt, das in den 1980ern auftauchte und das einen wichtigen Vorteil gegenüber Massivholzprodukten bietet. Die Beschaffenheit des Holzes kann innerhalb eines Baumes variieren. Deswegen war die Länge der Holme aus Holz, die in vorindustriellen Windmühlen eingesetzt wurden, abhängig von der Verfügbarkeit von ausreichend großen Bäume einheitlicher Qualität. Die größte traditionelle Windmühle, die je gebaut wurde – die ‘Murphy Mill’ in San Francisco (1900) – hatte einen Rotordurchmesser von 35m.

Verbesserte Windmühlenflügel aus den 1940ern. Bild: Reboelje.

Im Gegensatz dazu verteilt der Prozess des Furnierens Defekte im Holz, wie zum Beispiel Knoten, gleichmäßig und gewährleistet somit eine bessere Steifigkeit. Dadurch wird es möglich, größere Rotorblätter aus Holz zu bauen.¹² Laminiertes Holz ist viel günstiger und leichter als Glasfaser. Da Rotorblätter vor allem ihr eigenes Gewicht aushalten müssen und Holz leichter als Glasfaser ist, müssen Holzrotorblätter nicht so stark und steif wie Glasfaserblätter sein.¹² Nichtsdestotrotz ist es aufgrund der geringen Steifigkeit von Holz schwer, das Durchbiegen bei sehr großen Rotorblättern zu verhindern.

Eine Studie aus 2017 zu einer 5-MW-Windkraftanlagen mit 61,5m langen Rotorblättern, die an der UmassAmherst in den USA durchgeführt wurde, hat errechnet: Für eine ausreichende Steifigkeit muss ein Rotorblatt aus laminiertem Furnierholz eine Laminatschicht von über 50cm aufweisen und 2,8 Mal schwerer sein als sein Kunststoff-Gegenpart (48 statt 17 Tonnen Gewicht).¹² Obwohl es also technisch möglich ist, Rotorblätter aus Holz zu bauen, die über 60m groß sind, ist dies nicht besonders praktikabel. Mit schwereren Rotorblättern müssen die Windkraftanlagen viel robuster gebaut werden, wodurch sowohl die Kosten als auch der Verbrauch anderer Rohstoffe steigen.

Das Beste aus zwei Welten?

Es gibt zwei mögliche Lösungen für dieses Problem: Die erste wäre ein Rotorblatt zu entwerfen, das hauptsächlich aus laminiertem Furnierholz besteht, aber gestützt wird durch Holme aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, mit einer zusätzlichen Außenschicht von glasfaserverstärktem Kunststoff. In der oben genannten Studie wurde errechnet, dass ein Holz-Kohlenstoff-Kombinationsrotorblatt steif genug ist, um bei einer 5-MW-Windkraftanlage eine Länge von 61,5m zu erreichen, und 3 Tonnen leichter wäre als ein Glasfaserrotorblatt.¹² Eine andere Studie zu einem Holz-Kohlenstoff-Rotorblatt kommt zu einer ähnlichen Schlussfolgerung, aber in diesem Fall ist das Holz-Kohlenstoff-Rotorblatt etwas schwerer als das Kunststoff-Blatt.¹⁴

Ein Rotorblatt aus Furnierholz und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff kann mit einer Länge von über 60m gebaut werden.

Holz-Kohlenstoff-Rotorblätter enthalten weniger Kunststoff und der Kunststoff ist nicht mit dem Holz im Inneren des Rotorblatts verwebt, sondern deutlich davon getrennt, wodurch das Wiederverwerten, Recyceln oder Verbrennen des Rotorblatts einfacher wird. Laut den genannten Studien enthält ein solches Rotorblatt allerdings immer noch 2,5 ¹⁴ - 6,2 ¹² Tonnen Kunststoff, was bedeutet, dass die drei Rotorblätter einer 5-MW-Windkraftanlage 7,5 -18,4 Tonnen nicht recycelbaren Abfall produzieren würden – verglichen mit den 50 Tonnen eines gewöhnlichen Rotorblatts.

Dann doch lieber kleine Windkraftanlagen?

Den Umweltschaden, den Kohlenstoff-Epoxidharz-Holme verursachen, könnte man vielleicht akzeptieren, wenn man ihn mit dem größeren Schaden vergleicht, den konventionelle Windkraftanlagen anrichten. Aber das Problem des Abfalls wäre immer noch nicht gelöst und das stetige Wachstum der Windenergie-Branche würde nach wie vor mit immer mehr Abfall einhergehen.

Abbildung: Ein Rotorblatt aus laminiertem Holz mit Holmkappen aus Kohlenstoff.[^14]

Alternativ könnten wir das Thema Nachhaltigkeit auch ambitionierter angehen und Rotorblätter wieder komplett aus Holz bauen – auch wenn das bedeutet, dass sie kleiner sind. Es gibt nämlich ein weiteres Argument dafür, den Fokus auf Effizienz in Frage zu stellen: Die geringe Nachhaltigkeit liegt nicht nur an den Rotorblättern. Andere Teile der Windkraftanlagen werden in zunehmenden Maße auch aus Kunststoff hergestellt, wie zum Beispiel die Gondel, die den Generator schützt, oder die Nabe.¹²³⁴

Weitere Trends sind die zunehmende Nutzung von Elektronik, die nicht recycelt werden kann, und von Dauermagnet-Generatoren aus seltenen Rohstoffen, was verglichen mit einer mechanischen Lösung zwar Kosten spart, aber dafür destruktiven Bergbau voraussetzt. Größere Windkraftanlagen töten zudem mehr Vögel und Fledermäuse.¹⁸

Mit wenigen Einschnitten bei der Effizienz würden wir viel zur Nachhaltigkeit beitragen.

Mit wenigen Einschnitten bei der Effizienz würden wir viel zur Nachhaltigkeit beitragen. Die Befürworter von Windenergie sind da wahrscheinlich anderer Meinung. Denn dies bedeutet auch, dass die Windenergie nicht mehr mit fossilen Brennstoffen konkurrieren kann. Der sich verteuernden Windenergie könnte aber mit höheren Preisen für fossile Brennstoffe begegnet werden.

Das eigentliche Problem ist, dass wir billige fossile Brennstoffe als Maßstab nehmen, um die Wirtschaftlichkeit von Windenergie zu bemessen. Durch den Vergleich mit fossilen Brennstoffen – und ausgehend von einem Lebensstil, der erst durch fossile Brennstoffe möglich wurde – wird Windenergie in zunehmenden Maße schädlich für die Umwelt. Wenn wir den allgemeinen Energiebedarf senken würden, wären kleinere und weniger effiziente Windkraftanlagen kein Problem.

Abbildung: Die erste Windkraftanlage in den USA von Charles F. Brush hatte einen Rotordurchmesser von 17m, mit 144 dünnen Blättern aus Zedernholz.

Wie groß könnten Rotorblätter aus Furnierholz werden? Niemand scheint es wirklich zu wissen. Ich habe Rachel Koh befragt, die Wissenschaftlerin, die die Berechnungen zu dem 61,5m Holzrotorblatt gemacht hat, aber auch sie konnte nicht weiterhelfen: „Ich habe das Modell nur für eine 5-MW-Windkraftanlage entwickelt“, schreibt Koh. „Es wäre hypothetisch möglich, eine neue Studie zu konzipieren, um die Frage zu beantworten, aber das ist kein kleines Unterfangen.“ Sie wies zudem darauf hin, dass es möglich sei, mit innovativen Herstellungsmethoden die Steifigkeit von Holzlaminaten weiter zu verbessern.

Ein Wald von Windkraftanlagen

Ob wir uns für große Holz-Kohlenstoff-Rotorblätter oder für kleinere nur aus Holz bestehende Rotorblätter entscheiden, in beiden Fällen könnte man den Turm und auch die Gondel aus laminierten Holzprodukten anfertigen. 2012 hat die deutsche Firma TimberTower für eine 1,5-MW-Windkraftanlage einen 100m hohen Turm aus laminiertem Holz gebaut. Ein Turm aus Holz scheint auf den ersten Blick natürlich etwas unsinnig, da er einen Teil des Konstruktes ersetzt, der sowieso schon recycelt werden kann. Eine Windkraftanlage, die fast ganz aus Holz gebaut ist, bietet aber noch andere Vorteile.

Illustration: Eva Miquel für Low-tech Magazine.

Die Verwendung von Holz könnte die Herstellung von Windkraftanlagen von fossilen Brennstoffen und Minen unabhängig machen, ausgenommen der Zahnräder und der nötigen Elektronik (und es geht sogar noch nachhaltiger, wenn Windenergie für die direkte mechanische Energiegewinnung genutzt wird.)¹⁹ Holzwindkraftanlagen könnten außerdem CO2 aus der Atmosphäre speichern, das die Bäume, die ihre Bestandteile liefern, gebunden haben.

Außerdem könnte das Gelände zwischen den Windkraftanlagen, das sich nicht als Wohngebiet eignet, genutzt werden, um Wälder anzupflanzen, die wiederum das Holz für die nächste Generation an Windkraftanlagen liefern. Das Holz könnte vor Ort gesägt und verarbeitet werden, was den Energieverbrauch verringert, der normalerweise mit dem Transport von Bestandteilen einhergeht. Die benötigte Energie, um die Laminate herzustellen und um die neuen Anlagen zu bauen, könnten von den Anlagen im Park selbst sowie aus der Biomasse des Waldes kommen. Wenn die Rotorblätter wirklich nur aus Holz gefertigt würden, könnten Windkraftanlagen tatsächlich zu einem Paradebeispiel für die Kreislaufwirtschaft werden.

Und was ist mit Solarzellen?

Der nächste Artikel wird sich der Nachhaltigkeit der Solarzellen widmen. Ist toxischer und nicht recycelbarer Abfall ein inhärenter Bestandteil der Solarenergie? Könnte man Solarzellen aus nachhaltigen Materialien anfertigen? Welche Folgen hätte das für die Bezahlbarkeit und Effizienz von Solarenergie?

Ramirez-Tejeda, Katerin, David A. Turcotte, and Sarah Pike. “Unsustainable Wind Turbine Blade Disposal Practices in the United States: A Case for Policy Intervention and Technological Innovation.” NEW SOLUTIONS: A Journal of Environmental and Occupational Health Policy 26.4 (2017): 581-598. http://docs.wind-watch.org/ramireztejeda2016-bladedisposal.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Wilburn, David R. Wind energy in the United States and materials required for the land-based wind turbine industry from 2010 through 2030. US Department of the Interior, US Geological Survey, 2011. https://pubs.usgs.gov/sir/2011/5036/sir2011-5036.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Jensen, Jonas Pagh. “Evaluating the environmental impacts of recycling wind turbines.” Wind Energy 22.2 (2019): 316-326. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/we.2287 ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Martínez, Eduardo, et al. “Life cycle assessment of a multi-megawatt wind turbine.” Renewable energy 34.3 (2009): 667-673. http://communityrenewables.org.au/wp-content/uploads/2013/02/Life-cycle-analysis-turbines_Renewable-Energy_2009.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Ziegler, Lisa, et al. “Lifetime extension of onshore wind turbines: A review covering Germany, Spain, Denmark, and the UK.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 1261-1271. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032117313503 ↩︎
Lefeuvre, Anaële, et al. “Anticipating in-use stocks of carbon fiber reinforced polymers and related waste flows generated by the commercial aeronautical sector until 2050.” Resources, Conservation and Recycling 125 (2017): 264-272. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344917301775 ↩︎ ↩︎
De Decker, Kris. “Wind powered factories: history (and future) of industrial windmills.” Low-tech Magazine. Barcelona (2009). HERE ↩︎
The Rise of Modern Wind Energy: Wind Power for the World. Pan Stanford Publishing, 2013. https://www.crcpress.com/Wind-Power-for-the-World-The-Rise-of-Modern-Wind-Energy/Maegaard-Krenz-Palz/p/book/9789814364935 ↩︎
Lundsager, P., Sten Tronæs Frandsen, and Carl Jørgen Christensen. “Analysis of data from the Gedser wind turbine 1977-1979.” (1980). http://orbit.dtu.dk/files/33441311/ris_m_2242.pdf ↩︎
Gupta, Ashwani K. “Efficient wind energy conversion: evolution to modern design.” Journal of Energy Resources Technology 137.5 (2015): 051201. http://energyresources.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2211540 ↩︎
Brøndsted, Povl, Hans Lilholt, and Aage Lystrup. “Composite materials for wind power turbine blades.” Annu. Rev. Mater. Res. 35 (2005): 505-538. http://www-eng.lbl.gov/~shuman/NEXT/MATERIALS&COMPONENTS/Pressure_vessels/FRP_Hutter_flange.pdf ↩︎ ↩︎
Koh, Rachel. “Bio-based Wind Turbine Blades: Renewable Energy Meets Sustainable Materials for Clean, Green Power.” (2017). https://scholarworks.umass.edu/dissertations_2/1102/ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Murray, Robynne, et al. Manufacturing a 9-meter thermoplastic composite wind turbine blade. No. NREL/CP-5000-68615. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2017. https://www.nrel.gov/docs/fy18osti/68615.pdf ↩︎
Borrmann, Rasmus. “Structural design of a wood-CFRP wind turbine blade model.” (2016) https://www.eksh.org/fileadmin/bilder/themen/Energieforschung/02_-Final_Report-_Strcutural_Design_of_a_Wood-CFRP_Wind_Turbine_Blade_Model.pdf ↩︎ ↩︎ ↩︎
Spera, David. “Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts in Wind Turbine Engineering, Second Edition.” (2009) https://ebooks.asmedigitalcollection.asme.org/book.aspx?bookid=271 ↩︎
Corona, Andrea, et al. “Comparative environmental sustainability assessment of bio-based fibre reinforcement materials for wind turbine blades.” Wind Engineering 39.1 (2015): 53-63. http://orbit.dtu.dk/files/129909032/0309_524x_2E39_2E1_2E53.pdf ↩︎
The use of wood for wind turbine construction. Meade Gougeon, NASA. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19800008214.pdf ↩︎
Loss, Scott R., Tom Will, and Peter P. Marra. “Estimates of bird collision mortality at wind facilities in the contiguous United States.” Biological Conservation 168 (2013): 201-209. https://repository.si.edu/bitstream/handle/10088/35192/NZP_Marra_2013-Estimates_of_bird_collision_mortality_at_wind_facilities_in_the_contiguous_United_States.pdf?sequence=1&isAllowed=y ↩︎
De Decker, Kris. “Heat your house with a mechanical windmill.” Low-Tech Magazine. Barcelona (2019). here ↩︎