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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 Sie Ihre Wohnung vom Netz nehmen

Tue, 17 May 2016 00:00:00 +0000

Die Solarmodule. Foto von Kris de Decker.

Die typische Solarstromanlage erfordert den Zugang zu einem privaten Dach und ein großes Budget. Könnte man diese Hindernisse umgehen, indem man kleine Solarmodule auf Fensterbänken und Balkonen installiert und sie an ein Niederspannungsgleichstromnetz (DC, englisch „direct current“) anschließt? Um diese These zu testen, beschloss ich, das Homeoffice des Low-tech Magazines in Spanien mit Solarenergie zu versorgen und meine Artikel unabhängig vom herkömmlichen Stromnetz zu schreiben.

Solarmodule sind in den letzten Jahren billiger und effizienter geworden, allerdings sind sie weit von einer Universallösung entfernt, das gilt auch für sonnige Regionen. Ein Grund dafür ist, dass eine herkömmliche Solarstromanlage für viele Menschen immer noch zu teuer ist. Der Durchschnittspreis für eine im Jahr 2014 fertiggestellte 5-kW-Solarstromanlage für Privathaushalte reichte von 11.000 Dollar in Deutschland bis 16.450 Dollar in den USA.¹² Ungefähr die Hälfte dieses Betrags entfällt auf die Installationskosten.³

Ein zweites Hindernis der Solarenergie ist, dass nicht alle in ihrem Einfamilienhaus mit Zugang zu ihrem eigenen Dach leben. Diejenigen, die in Mehrfamilienhäusern wohnen, haben kaum eine Chance, mit einer herkömmlichen Anlage auf dem Dach Solarstrom zu ernten. Außerdem würde das Dach von Mehrfamilienhäusern schnell zu voll werden, um den Stromverbrauch aller Bewohner zu decken. Ein Problem, das umso größer wird, je mehr Stockwerke ein Gebäude hat. Und schließlich ist eine herkömmliche Solaranlage ebenso problematisch, wenn Sie eine Wohnung oder ein Haus mieten.

Ich gehöre zu den Menschen, die mit all diesen Hindernissen konfrontiert sind: Ich wohne in einer Wohnung, bin Mieter und habe nicht das Budget für eine herkömmliche Solaranlage. Allerdings bekomme ich viel Sonne ab. Meine Wohnung liegt in der Nähe von Barcelona in Spanien, einer Stadt mit einer durchschnittlichen Sonneneinstrahlung von fast 1.700 kWh/m2/Jahr (das ist auch der Durchschnittswert in den USA). Zudem sind der Balkon und alle Fenster der 60 m2 großen Wohnung nach Süden und Südwesten ausgerichtet, und es gibt keine Beschattung durch Bäume oder andere Gebäude.

Der Blick aus meinem Homeoffice. Foto von Kris de Decker.

Diese Bedingungen erlauben mir den Winter ohne Heizungsanlage zu überstehen, alleine nur auf Solarwärme und Thermounterwäsche angewiesen. Die Warmwasserversorgung erfolgt über einen Solarboiler, der vom Vermieter installiert wurde. Die Wäsche wird auf dem Balkon getrocknet. Als ich für ein Kunstprojekt mit Sonnenkollektoren bastelte, kam mir eine Idee: Wenn die Sonne schon so viel von meinem Wohnraum mit Energie versorgt, wäre es dann nicht auch möglich, Solarenergie von den Fensterbänken und dem Balkon zu ernten und meine Wohnung vom herkömmlichen Stromnetz zu befreien? Eine solche Solarstromanlage würde folgende, meiner Probleme lösen:

Ich benötige keinen Zugang zum Dach.
Ich kann die Anlage selbst installieren. Das macht sie viel billiger.
Ich kann die Solarstromanlage mitnehmen, wenn ich an einen anderen Ort ziehe.

Offensichtlich stellt sich die Frage, ob ein solches andersartiges Solarsystem den erforderlichen Strom erzeugen kann. Als erstes Experiment beschloss ich, mein 10 m2 großes Büro zu Hause mit Solarzellen zu versorgen, die auf der 2,8 m langen Fensterbank entlang der Fenster des Büros und des angrenzenden Schlafzimmers angebracht sind.

Solarbetriebenes Heimbüro

Das Fenster in meinem Büro ist ziemlich klein (mit 1,5 m2 nimmt es nur die Hälfte der Wand ein). Im Schlafzimmer, das seit Jahren von drei IKEA SUNNAN-Lampen beleuchtet wird, besteht jedoch kein Bedarf an Strom. Daher steht die gesamte Fensterbank für die Stromversorgung des Arbeitszimmers zur Verfügung. Sie bietet genug Platz für fünf Solarmodule mit je 10 Watt, die mir 50 Watt Spitzenleistung liefern. Der Balkon wird dazu dienen, den Rest der Wohnung mit Strom zu versorgen. Auf die Pläne für dieses zweite Projekt wird am Ende dieses Artikels eingegangen.

Foto: Die Solarmodule auf den Fensterbänken. Foto von Kris de Decker.

Durch ihre Platzierung auf der Fensterbank werden die Solarmodule morgens vom Gebäude selbst beschattet. Sie erhalten direktes Sonnenlicht von etwa 10 bis 17 Uhr im Winter (insgesamt 7 Stunden) und von etwa 13 bis 21 Uhr im Hochsommer (insgesamt 8 Stunden). Die maximale Energieproduktion beträgt also etwa 400 Wh pro Tag.

Die Solarmodule sind parallel geschaltet und an einem Solarladeregler gekoppelt, dieser wiederum an einen 550 Wh Bleiakkumulatoren. Bei einer Entladungstiefe (DoD, englisch “Depth of discharge”) von 33 % und einem Batteriewirkungsgrad von 80 % ergibt sich ein maximaler Energiespeicher von etwa 150 Wh.

Kann man ein Homeoffice mit 50-Watt-Peak-Solarmodulen und einem 150-Wh-Energiespeicher betreiben?

Schauen wir uns nun den Energieverbrauch meines Homeoffices an, bevor es mit Solarstrom betrieben wurde. Die meiste Zeit des Tages sitze ich hier und arbeite, entweder recherchiere ich, schreibe oder baue und repariere Dinge. Geräte, die regelmäßig Strom verbrauchen, sind:

Ein Laptop, der durchschnittlich 20 Watt Leistung benötigt.
Ein externer Computerbildschirm, der 16,5 W Leistung benötigt.
Zwei CFL-Lampen (20W und 12W) und eine LED-Lampe (3W).

Stromverbrauch im Homeoffice

Das sind 35 W tagsüber (wenn nur der Laptop und der Bildschirm in Betrieb sind) und 70 W nach Sonnenuntergang (Laptop, Bildschirm und Beleuchtung). Ich arbeite normalerweise morgens und abends, ungefähr von 10 bis 14 Uhr und von 20 bis 1 Uhr. Nachmittags erledige ich andere Dinge oder arbeite in der Bibliothek.

Der Gesamtstromverbrauch in meinem Büro liegt also (im Durchschnitt) bei 500 Wh pro Tag, mit geringen Schwankungen zwischen Winter und Sommer. An bewölkten Tagen benutze ich morgens auch das Licht, was den Stromverbrauch auf 640 Wh pro Tag erhöhen kann. Dann gibt es noch einige Geräte, die gelegentlich Strom benötigen:

Ein Laserdrucker, der für das Aufwärmen und den Druck von acht Textseiten 4Wh Energie verbraucht. Das entspricht dem Betrieb meiner Schreibtischlampe (5 W) für mehr als 45 Minuten.
Ein Paar PC-Lautsprecher (1,5 W Leistung).
Drei USB-Fahrradlampen (jede verbraucht 1,4 W beim Aufladen).
Eine Digitalkamera, die während des Ladevorgangs 3 W verbraucht.
Ein Ventilator, der 30 bis 40 Watt Leistung verbraucht.
Ein Mobiltelefon (ein ganz einfaches), das alle paar Wochen aufgeladen wird.

Foto: Solarmodul auf der Fensterbank.

Offensichtlich produziert meine Solarstromanlage nicht genug Energie, um mein Homeoffice mit Strom zu versorgen. Der normale Stromverbrauch an einem 9-Stunden-Arbeitstag beträgt mindestens 500 Wh, jedoch erhalte ich von den Fensterbänken maximal 400 Wh pro Tag. An bewölkten Tagen kann die Energiegewinnung je nach Art der Bewölkung nur 40 bis 200 Wh pro Tag betragen. Außerdem beträgt die Energiespeicherung unter idealen Bedingungen nur 150 Wh, während der größte Teil der Energie (350 Wh) nach Sonnenuntergang verbraucht wird.

Und doch bin ich hier und tippe diesen Artikel auf einem solarbetriebenen Laptop in einem Raum, der mit Solarenergie beleuchtet wird. Wie ist das möglich? Durch die Befolgung folgender Strategien:

Maximieren der Solarstromgewinnung, indem die Neigung der Solarmodule der Jahreszeit entsprechend eingestellt wird.
Minimieren des Stromverbrauches, indem ein Niederspannungsgleichstromnetz installiert und Gleichstromgeräte verwendet werden.
Zwingen Sie sich, den Energiebedarf an dunklen Tagen zu senken, indem Sie vom Netz gehen.

Im Folgenden gehen wir auf diese Punkte näher ein. Meine Solaranlage ist seit November 2015 in Betrieb, zunächst mit nur zwei 10-W-Solarmodulen. Im Frühjahr kamen drei weitere Solarmodule hinzu.

1. Einstellen der Neigung der Solarmodule

Auf Dächern montierte Solarmodule haben in der Regel einen festen Winkel in Bezug auf die Sonne. Da die Höhe der Sonne im Laufe des Jahres schwankt, ist ein fester Winkel sehr oft ein schlechter Kompromiss. Solarmodule, die waagerecht auf einem Flachdach liegen, sind für die Energieerzeugung im Sommer relativ gut positioniert, für den Einsatz im Winter jedoch weit weniger. Geneigte Solarmodule hingegen sind im Winter viel besser, aber nicht so gut wie im Sommer. Auf schrägen Dächern wird der Winkel der Paneele oft durch die Dachneigung bestimmt, was nicht unbedingt der beste Winkel für die Solarstromerzeugung ist.

Ein Solarmodul, das optimal zur Wintersonne ausgerichtet ist, kann die Stromerzeugung im Vergleich zu einem horizontal angeordneten Panel verdreifachen

Die Anpassung des Neigungswinkels eines Solarmoduls an die jeweilige Jahreszeit steigert die Stromerzeugung im Winter erheblich. Im Dezember kann ein Solarmodul in Barcelona, das optimal auf die Wintersonne ausgerichtet ist, die Stromerzeugung im Vergleich zu einem horizontal angeordneten Panel verdreifachen. Da der Vorteil in den anderen Jahreszeiten viel geringer ist, beträgt die durchschnittliche jährliche Steigerung der Stromerzeugung weniger als 10 %. Die Neigung der Solarmodule ist jedoch der Schlüssel, um in den Wintermonaten, wenn die Wahrscheinlichkeit von Stromengpässen am Größten ist, genügend Solarstrom zu ernten.

Eines der Solarmodule. Foto von Adriana Parra.

In the case of a balcony or window sill solar PV system, adjusting the angle of the solar panels is as simple as watering the plants. Although you could make small adjustments every hour, day or month, adapting the angle two or four times per year is as far as you should go.

Bei einer Solarstromanlage auf dem Balkon oder der Fensterbank ist die Einstellung des Winkels der Solarmodule so einfach wie das Gießen der Pflanzen. Sie können zwar jede Stunde, jeden Tag oder jeden Monat kleine Anpassungen vornehmen, aber häufiger als zwei- bis viermal im Jahr ist es nicht notwendig.

Es gibt noch einen weiteren Vorteil, wenn die Solarmodule in unmittelbarer Nähe sind: Sie können regelmäßig gereinigt werden. Auf Dächern montierte Solarmodule werden nur selten gereinigt, da das Dach in der Regel schlecht zugänglich ist. Die Verluste durch Staub und Schmutz werden mit 1 % der erzeugten Energie angenommen. Allerdings, in trockenen und staubigen Regionen sowie in verkehrsreichen Gebieten können sie bis zu 4-6 % betragen, wenn sie nicht regelmäßig gereinigt werden.⁴

Das Einstellen des Neigungswinkels eines Solarpanels auf der Fensterbank ist so einfach wie das Gießen der Pflanzen

Natürlich ist es wichtig, dass die Solarmodule auf keinen Fall von der Fensterbank fallen. Fensterbänke haben unterschiedliche Formen und Größen, sodass eine maßgeschneiderte Trägerkonstruktion erforderlich ist. Ich habe eine feste Metallstange an meiner Fensterbank, die zum Schutz von Pflanzgefäßen gedacht ist und mit der ich die Solarmodule sicher befestigen kann. Ich schätze mich glücklich, dass ich das habe, aber es zeigt auch, wie kleine Designänderungen einen großen Unterschied machen können. Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme habe ich den Holzsockel eines jeden Solarmoduls mit schweren Steinen zusätzlich beladen.

Das Hinzufügen eines Mechanismuses zur Veränderung der Neigung der Solarmodule verkompliziert die Trägerkonstruktion, da das bewegliche Teil genauso stabil sein muss wie die Basis. Nach einigen fehlgeschlagenen Versuchen habe ich einen Mechanismus gefunden, der zu funktionieren scheint, und zwar mit alten Meccano-Metallstreifen (2 bis 3 Schichten dick und mit größeren Schrauben und Muttern). Eine Stange ist mit dem Sockel der Trägerkonstruktion verbunden, die andere mit dem Holzbrett, das das Solarmodul trägt. Beide Stangen sind in der Mitte miteinander verbunden. Wenn ich diese Verbindung löse, kann ich die Länge der Stützen und damit den Winkel des Solarmoduls einstellen.

Solarfenster?

Einige Leser könnten meinen Ansatz für bald überholt halten, da mehrere Unternehmen an “Solarfenster” arbeiten: Glas, das gleichzeitig als Stromgenerator dient. Diese Technologie würde jedoch aus mehreren Gründen nicht so gut funktionieren wie verstellbare Sonnenkollektoren auf Fensterbänken.

Die Solarmodule auf der linken Seite sind optimal für den Frühling eingestellt, die beiden Solarmodule auf der rechten Seite sind noch in Winterstellung.

Erstens sind Solarfenster meist exakt vertikal aufgestllt, was nie ein effizienter Winkel für die Erzeugung von Solarstrom ist — ihre Stromerzeugung ist etwa dreimal geringer als bei horizontalen Solarmodulen.⁵ Zweitens ist nicht möglich im Sommer, die Fenster zu öffnen oder die Rollläden herunterzulassen. Das würde mein Büro schnell überhitzen und eine Klimaanlage erforderlich machen.

Meine Solarstromanlage hingegen kann Strom erzeugen, während die Rollläden geschlossen und die Fenster geöffnet sind. Nicht zuletzt kann ein fensterintegriertes Solarmodul nicht mitgenommen werden, wenn man umzieht, während mein System vollständig mobil ist.

2. Entscheiden Sie sich für ein Niederspannungsgleichstromsystem

Herkömmliche Solarstromanlagen wandeln den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC, englisch “alternating current”) um, um ihn mit dem AC-Verteilungssystem des Gebäudes kompatibel zu machen. Da viele moderne Geräte intern mit Gleichstrom arbeiten, wird der Wechselstrom anschließend wieder in Gleichstrom umgewandelt. Die Gleichstrom/Wechselstrom-Umwandlung wird vom Wechselrichter vorgenommen, der zwischen dem Solarladeregler und dem Abnehmer sitzt. Die zweite Umwandlung erfolgt im (externen oder internen) AC/DC-Adapter der genutzten Geräte.

Der Nachteil dieser doppelten Umwandlung der elektrischen Stromart ist, dass sie zu erheblichen Energieverlusten führt. Dies gilt insbesondere für Halbleitergeräte wie LEDs und Computer, bei denen die kombinierten Verluste der Gleichstrom/Wechselstrom/Gleichstrom-Wandlung etwa 30 % betragen — siehe unseren früheren Artikel für weitere Einzelheiten. Da dies auch die Geräte sind, die den größten Teil der Last in meinem Homeoffice ausmachen, ist es sehr sinnvoll, diese Verluste zu vermeiden, indem ich stattdessen ein Niederspannungsgleichstromsystem aufbaue.

Ein Solarregler. Foto von Kris de Decker.

Wie auf einem Boot oder in einem Wohnmobil wird der 12-V-Gleichstrom meiner Solarmodule direkt von 12-V-Gleichstromgeräten verwendet oder in 12-V-Gleichstrombatterien gespeichert. Wenn meine Solarmodule ihre maximale Leistung von 50 W erzeugen, haben meine Geräte 50 W zur Verfügung. Wenn es sich um Batteriestrom handelt, gehen durch das Laden und Entladen der Batterie 20 % Energie verloren. Nun stehen 40 W für die Geräte zur Verfügung.

Die Entscheidung für ein Niederspannungsgleichstromsystem erhöht die Energieeffizienz um 40%.

In einer herkömmlichen Solarstromanlage, in der eine DC/AC/DC-Stromumwandlung stattfindet, hätten die Geräte dagegen nur 35 W zur Verfügung, und der Rest ginge bei der Energieumwandlung als Wärme verloren. Wenn in einem solchen System Bleiakkumulatorspeicher verwendet werden, bleiben nur 28 W Leistung übrig. Kurz gesagt, in meinem speziellen Fall vervielfacht die Wahl eines Gleichstromsystems die Stromerzeugung um das 1,4-fache.

Die Entscheidung für ein Gleichstromsystem spart nicht nur Energie, sondern auch Platz und Kosten. Es werden weniger Solarmodule benötigt, und man muss keinen Gleichstrom-Wechselrichter kaufen. Das ist ein teures Gerät, welches während der Lebensdauer einer Solarstromanlage mindestens einmal ausgetauscht werden muss. Das Wichtigste ist, dass Sie ein Niederspannungsgleichstromsystem selbst bauen können, selbst wenn Sie so ungeschickt sind wie ich. Ein Niederspannungsgleichstromnetz (bis zu 24 V) ist sicher zu handhaben, da es keine Gefahr eines Stromschlags birgt.⁶ Wenn man alle Kosten zusammenzählt, habe ich mein Homeoffice für weniger als 400 Euro vom herkömmlichen Netz genommen.

Wo findet man Gleichstromgeräte?

Der Einbau eines Gleichstromsystems setzt die Verwendung von gleichstromtauglichen Geräten voraus. Da so viele moderne Geräte intern mit Gleichstrom arbeiten, bedeutet dies jedoch nicht, dass man alles neu kaufen muss. Um die Beleuchtung in meinem Büro anzupassen, habe ich einfach die Netzstecker von den Stromkabeln abgeschnitten und durch DC-kompatible Stecker ersetzt, die direkt in meinen Solarladeregler passen, und die Glühbirnen durch 12V-LED-Birnen ersetzt. Um den Laptop mit Gleichstrom zu betreiben, habe ich das Netzteil durch ein DC-kompatibles Netzkabel ersetzt, das es auch für Autos gibt. Diese Netzkabel kann man für jedes erdenkliche Laptop-Modell kaufen.

Meine 3W DC-Lampe. Foto von Kris de Decker.

Mein Laptop mit DC-Netzkabel. Foto von Kris de Decker.

Bei anderen Geräten ist die Anpassung schwieriger, weil sich der AC/DC-Adapter im Gerät selbst befindet. Ich habe zum Beispiel noch nicht herausgefunden, wie ich meinen externen Computerbildschirm so umbauen kann, dass er direkt mit Gleichstrom betrieben werden kann.

Geräte, die nicht umgerüstet werden können, sind in der Regel in einer 12-V-Ausführung Gleichstrom erhältlich. Beispiele sind Kühlschränke, langsame Kocher, Fernseher, Luftkompressoren oder Elektrowerkzeuge. Diese können teurer sein als ihre Wechselstrom-Gegenstücke, da sie in viel kleineren Mengen hergestellt werden. Gleichstromkühlschränke sind sehr teuer, weil sie eine Vakuumisolierung verwenden. Während dies in einem Wohnmobil oder Segelboot, wo der Platz begrenzt ist, sinnvoll ist, stellt es in einem gewöhnlichen Gebäude nur unnötige Kosten dar.

Die Zigarettenanzünderbuchse in Autos, die ursprünglich für die Stromversorgung eines elektrisch beheizten Zigarettenanzünders konzipiert wurde, ist seit Jahrzehnten der de facto Standard-Gleichstromanschluss. In jüngster Zeit ist ein weiteres Niederspannungsgleichstromverteilungssystem hinzugekommen: der USB-Anschluss. USB-Kabel arbeiten mit 5 V Gleichstrom und können sowohl Daten als auch Energie übertragen. Sie versorgen heute viele Geräte der Unterhaltungselektronik mit Strom.

Derzeit werden diese Geräte über den USB-Anschluss eines Laptops oder Desktop-Computers aufgeladen, sie könnten aber auch direkt an eine Solarstromanlage angeschlossen werden. Während das Standard-USB-Kabel eine maximale Leistung von nur 10 Watt hat, ermöglicht der neuere USB-PD-Standard Geräte mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 100 Watt.

Bewölkte Tage

Die Entscheidung für ein Gleichstromsystem hat den Stromverbrauch in meinem Homeoffice erheblich gesenkt. Der Stromverbrauch meines Laptops ist um etwa 20 % gesunken. Durch die Umstellung auf direkt Gleichstrom betriebene LED-Lampen hat sich der Stromverbrauch für die Beleuchtung von 35 auf 16 W halbiert. Ausgehend von dem oben beschriebenen 9-Stunden-Arbeitstag ist der tägliche Energieverbrauch der regelmäßig genutzten Geräte in meinem Heimbüro von 500 auf 350 Wh pro Tag gesunken. Damit liegt der durchschnittliche Energieverbrauch unter der Energieproduktion an sonnigen Tagen (400 Wh), die in meinem Wohnort reichlich vorhanden sind.

Drei 10-W-Solarmodule auf der Fensterbank des Schlafzimmers.

In Wirklichkeit werden der externe Bildschirm und der Laserdrucker weiterhin vom herkömmlichen Stromnetz gespeist. In den oben genannten 350 Wh Energieverbrauch ist die hypothetische Verwendung eines externen Gleichstrombildschirms (der gegenüber der Wechselstromversion 15 % Strom spart) enthalten, nicht aber der Energieverbrauch des Druckers. An sonnigen Tagen habe ich jedoch einen beträchtlichen Stromüberschuss, was darauf schließen lässt, dass ich auch den externen Bildschirm und den Drucker betreiben könnte. Selbst an teilweise bewölkten Tagen ist Energie im Überfluss vorhanden.

Jedoch, an bewölkten Tagen, wenn die Stromerzeugung zwischen 40 und 200 Wh pro Tag liegt, ist der Energieverbrauch zu hoch. Natürlich könnte man das Problem lösen, indem man mehr Solarmodule und Batterien hinzufügt, aber das ist nicht der richtige Weg, weil die Solarstromanlage dann teurer, weniger praktisch und weniger nachhaltig wird.

An sonnigen oder teilweise bewölkten Tagen habe ich mehr als genug Strom. An bewölkten Tagen muss ich den Energiebedarf reduzieren.

To guarantee a daily 350 Wh of electricity during three consecutive heavy overcast days in December (a worst case scenario of only 40 Wh energy production per day), I would need to increase solar power capacity fourfold, from 50 to 200W peak capacity, and provide at least five times more batteries.

Um an drei aufeinander folgenden, stark bewölkten Tagen im Dezember täglich 350 Wh Strom zu garantieren (im schlimmsten Fall habe ich nur 40 Wh Energieproduktion pro Tag), müsste ich die Solarstromkapazität um das Vierfache erhöhen, von 50 auf 200 W Spitzenleistung, und mindestens fünfmal so viele Batterien bereitstellen.

Es wäre zwar möglich, 200 W auf den Fensterbänken zu installieren, aber in diesem Fall würden die Solarmodule das Sonnenlicht und die Wärme davon abhalten, in die Räume zu gelangen, was kontraproduktiv wäre. Außerdem würde ich die meiste Zeit des Jahres viel zu viel Strom produzieren.

3. Anpassung der Energienachfrage an das verfügbare Angebot

Der Solarladeregler und die Hälfte des Batteriespeichers des Homeoffices. Foto von Adriana Parra.

Es gibt noch eine andere Möglichkeit, die Zahlen in Einklang zu bringen, wenn nicht genügend Sonne vorhanden ist, nämlich weniger Energie zu verbrauchen. Der Vorschlag, den Energieverbrauch zu senken, ist ziemlich umstritten, aber es gibt erstaunlich viele Möglichkeiten, den Energieverbrauch zu senken, ohne auf Schreibmaschine und Kerzen zurückgreifen zu müssen. Hier sind einige Möglichkeiten für mein Homeoffice:

Ich könnte einen zweiten Arbeitstisch direkt neben dem Fenster installieren. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer künstlichen Beleuchtung an dunklen Wintertagen, was mir an Tagen mit geringer Stromproduktion mindestens weitere 40 Wh einspart.
Ich könnte an Tagen mit geringer Sonneneinstrahlung abends weniger Licht benutzen. Die meiste Zeit des Jahres steht mir genügend Energie zur Verfügung, um alle Lampen im Raum zu verwenden. An den meisten Tagen komme ich jedoch mit nur zwei Lampen aus, und wenn nötig, könnte ich eine einzige 5- oder sogar 3-W-Lampe verwenden. Wenn die Solarenergie am geringsten ist, habe ich mit der Letzteren immer noch mehr als 13 Stunden Licht. Ich werde nie eine Nacht im Dunkeln verbringen müssen.
Ich könnte die Lasten auf sonnige Nachmittage verlagern. Selbst im Winter können die Batterien an sonnigen Tagen bereits um 14 oder 15 Uhr voll aufgeladen sein. Wenn ich das System in diesen Zeiten zusätzlich belaste, nutze ich die Sonnenenergie, die sonst ungenutzt bliebe. In dieser Zeit kann ich die Fahrradbeleuchtung, die Digitalkamera oder das Telefon aufladen oder den 12-V-Lötkolben (mein einziges Elektrowerkzeug) oder den Drucker benutzen. Im Sommer kann ich die überschüssige Energie nutzen, um zwei kleine USB-Lüfter zu betreiben, und das ist natürlich die Zeit, in der ich die Lüfter am meisten brauche.

Es gibt erstaunlich viele Möglichkeiten, den Energieverbrauch zu senken, ohne auf Schreibmaschine und Kerzen zurückgreifen zu müssen

Ich könnte meine Arbeitszeiten ändern. Wenn ich es schaffe, von 9 Uhr morgens bis 18 Uhr abends zu arbeiten, anstatt morgens und abends, spare ich doppelt soviel Energie. Ich bräuchte keine Beleuchtung mehr, außer für etwa eine Stunde im Winter (das spart 70 bis 80 Wh pro Tag). Zweitens, würde ich mehr Strom verbrauchen, während er erzeugt wird, und dadurch 20 % der Lade- und Entladeverluste beim Betrieb des Laptops in der Nacht und am Morgen vermeiden (was weitere 30 Wh einspart). Wenn ich meinen Arbeitsplan ändere, würde der tägliche Stromverbrauch auf etwa 125Wh sinken, weniger als die Hälfte der maximalen Stromerzeugung. Außerdem stünde die gesamte Batteriekapazität für bewölkte Tage zur Verfügung, da nachts kein Strom verbraucht wird.
Ich könnte die Computerarbeit an die Sonnenverhältnisse anpassen. Es gibt einen bemerkenswerten Unterschied im Stromverbrauch des Laptops zwischen dem Schreiben (etwa 15 W) und dem Surfen im Internet (etwa 25 W). Mit anderen Worten: Ich kann fast doppelt so lange arbeiten, wenn ich schreibe, was ich immer dann tun könnte, wenn die verfügbare Energie knapp ist.
Ich könnte meinen externen Computerbildschirm verstecken. Er kann für manche Arbeiten sehr praktisch sein, da er sowohl einen Bildschirm zum Lesen als auch einen zum Schreiben bietet, aber die meiste Zeit über verschwendet er nur Energie, ohne besonders nützlich zu sein. Durch den Verzicht auf den externen Bildschirm könnte ich weitere 150 Wh pro Tag einsparen. Allerdings würde dadurch wahrscheinlich der Drucker stärker beansprucht, sodass sich erst noch zeigen muss, ob diese Option wirklich Energie spart.
An aufeinanderfolgenden, stark bewölkten Tagen könnte ich auf drastischere Maßnahmen zurückgreifen, z. B. in der Bibliothek arbeiten.

Mein Barometer.

Wenn ich mein Barometer im Auge behalte und ein bisschen flexibel bin, ist es gar nicht so schwer, die Arbeit je nach Wetterlage anzupassen. Bislang habe ich diese Möglichkeiten jedoch vor allem für die Beleuchtung genutzt, weniger bei der Arbeit mit dem Laptop. Das hat nichts damit zu tun, dass die Computernutzung weniger flexibel ist als die Beleuchtung. Vielmehr ist es eine Folge des Aufbaus des Systems.

Dies wurde durch die etwas ungeschickte Art und Weise deutlich, wie ich mein Experiment aufgebaut habe. Natürlich wollte ich die Anlage im tiefsten Winter testen, bevor ich darüber schreibe. Allerdings hatte ich zu diesem Zeitpunkt nur zwei Solarzellen. Daher testete ich zunächst mein solarbetriebenes Homeoffice, indem ich den Laptop zwei Wochen lang mit Solarenergie versorgte (während ich die Lampen mit herkömmlichem Netzstrom betrieben habe), gefolgt von einem zweiwöchigen Test, bei dem die Lampen mit Solarenergie betrieben wurden (und der Computer mit herkömmlichem Netzstrom).

Für meine Beleuchtung ist es unmöglich, auf das herkömmliche Stromnetz zurückzugreifen, da ich die Stromkabel aller Lampen abschneiden musste, um sie mit dem 12-V-Gleichstromnetz kompatibel zu machen.

Die Ergebnisse waren in beiden Zeiträumen bemerkenswert unterschiedlich. Mit dem Laptop konnte ich immer auf Netzstrom zurückgreifen, indem ich einfach das Netzkabel umlegte. Es gab also keine äußeren Faktoren, die mich dazu zwangen, meine Arbeitsweise zu ändern, um an einem dunklen Tag innerhalb der Grenzen des Energiebudgets zu bleiben. Bei der Beleuchtung war es jedoch unmöglich, auf den Netzstrom zurückzugreifen. Ich musste die Stromkabel aller Lampen kürzen, um sie mit dem 12-V-Gleichstromnetz kompatibel zu machen, was bedeutete, dass ich sie nicht mehr mit Wechselstrom aus dem herkömmlichen Netz betreiben konnte.

In den Zeiten, in denen wenig Strom verbraucht wird, hatte ich keine andere Wahl, als den Energiebedarf für die Beleuchtung zu senken, und genau das habe ich getan, und zwar ziemlich mühelos, muss ich sagen. Ich habe mir schnell einen zusätzlichen Schreibtisch am Fenster eingerichtet, um morgens kein künstliches Licht zu verwenden, ich habe das Licht ausgeschaltet, wenn ich den Raum verlassen habe, und ich habe mit nur einer 5-Watt- oder sogar einer 3-Watt-Glühbirne gearbeitet, wenn es nötig war.

Fünf Monate später habe ich mich völlig daran gewöhnt, die Beleuchtung an die verfügbare Sonnenenergie anzupassen. Andererseits schließe ich meinen Laptop immer wieder an das Stromnetz an, wenn die Energie knapp wird. Und warum? Weil ich das kann.⁷

Der neue Schreibtisch am Fenster.

Folglich scheint die Abkehr vom herkömmlichen Netz der Schlüssel zu sein, um den Energiebedarf erheblich zu senken.⁸ Eine begrenzte Energieversorgung fördert auch den Einsatz energieeffizienterer Technologien. Die Energieeinsparungen, die ich beispielsweise durch den Austausch der beiden verbliebenen herkömmlichen Lampen durch LEDs erzielt habe, hätten auch ohne den Bau einer Solarstromanlage erreicht werden können. Diese Option kam mir jedoch erst in den Sinn, nachdem ich mich der Herausforderung gestellt hatte, das Büro mit Solarstrom zu versorgen.

Die Fortschritte in der energieeffizienten Technologie werden die Möglichkeiten meines netzunabhängigen Systems ständig erweitern, ohne dass die Gefahr von Rebound-Effekten besteht.

Wenn ich nicht auf das herkömmliche Stromnetz zurückgreifen könnte, würde ich mir wahrscheinlich auch einen energieeffizienteren Laptop zulegen.⁹ In Zukunft könnte ich auch auf Lithium-Ionen-Batterien umsteigen, die weniger Verluste haben als Blei-Säure-Batterien. Wenn ich in energieeffizientere Technologie investiere, könnte ich den Computer und die Beleuchtung länger mit der gleichen Anzahl von Solarzellen betreiben. Bei einer begrenzten Stromversorgung besteht kein Risiko von Rebound-Effekten, die diese Vorteile zunichtemachen.

Baue mehrere Solarstromanlagen

Wie zu Beginn des Artikels erwähnt, ist das solarbetriebene Homeoffice nur der erste Schritt zur Umstellung der gesamten Wohnung auf Solarstrom und zur vollständigen Unabhängigkeit vom Stromnetzes. Das zweite Projekt wird die Installation einer Solaranlage auf dem 6 Meter langen Balkon vor dem Wohnzimmer und der (offenen) Küche sein. Sie wird die Beleuchtung, die Stereoanlage, den Wifi-Router, die gesamte Computernutzung außerhalb des Büros und alle Küchengeräte versorgen.

Die Solarstromanlage des Schlafzimmers.

Dieses zweite Experiment ist aus zwei Gründen viel schwieriger. Erstens, das Wohnzimmer und die Küche werden auch von der zweiten Person in diesem Haushalt genutzt, was die Verwaltung des Energieverbrauchs komplizierter macht. Außerdem haben wir zwar keinen Toaster, keine Kaffeemaschine und keine Mikrowelle, aber in der Küche steht ein viel genutztes Hochleistungsgerät: der Elektroherd.

Da man zu viele Solarmodule und Batterien bräuchte, um den elektrischen Kochherd zu betreiben, soll er durch nichtelektrische Alternativen ersetzt werden: ein oder zwei Solarkocher, ein feuerloser Kocher und ein Raketenherd für den Morgenkaffee. Durch die Nutzung der direkten Sonnenwärme können wir den Platz auf dem Balkon viel effizienter nutzen. Ein weiterer Plan ist der Bau eines Low-Tech-Lebensmittelaufbewahrungssystems, das den Großteil der Lebensmittel außerhalb des Kühlschranks lagern kann, um dieses energieintensive Gerät so klein wie möglich zu halten oder ganz abzuschaffen.

Die Solarstromanlage auf dem Balkon wird völlig unabhängig von der Solarstromanlage auf der Fensterbank sein.

Die Solarstromanlage auf dem Balkon wird völlig unabhängig von der Solarstromanlage auf der Fensterbank sein. Dieser Ansatz hat mehrere Vorteile. Wie wir im vorherigen Artikel gesehen haben, sind die Kabelverluste in einem Niederspannungsgleichstromsystem relativ hoch. Die Einrichtung mehrerer unabhängiger Systeme schränkt die Kabellänge (und den Kabelsalat) erheblich ein.

Zweitens kann durch die Installation separater Systeme der Gesamtstromverbrauch 150 Watt übersteigen — dies ist die Sicherheitsgrenze für ein 12-V-Gleichstromsystem. Drittens kann man mit mehreren Systemen klein anfangen und das System schrittweise erweitern. Dies vermeidet hohe Anfangskosten und ermöglicht es Ihnen, aus Ihren Fehlern zu lernen.

Aus Fehlern lernen

Tatsächlich war es ein solcher Fehler, der mich dazu gebracht hat, selbst in meinem relativ kleinen 10 m2 großen Heimbüro zwei getrennte Systeme zu installieren. Die beiden Solarmodule vor dem Büro sind mit der Hälfte der Batterien verbunden (für die Beleuchtung), während die drei Solarmodule vor dem Schlafzimmer mit der anderen Hälfte verbunden sind (für die Stromversorgung des Laptops).

Das liegt daran, dass ich meinen ersten Solarladeregler kurzgeschlossen habe und einen zweiten kaufen musste, während der erste repariert wurde. Entweder das oder drei Wochen lang kein Licht. Ein letzter Vorteil mehrerer Systeme ist also die höhere Zuverlässigkeit: Wenn ein System ausfällt, gibt es immer noch Strom.

Foto von Kris De Decker.

Wenn das zweite Experiment erfolgreich ist, was natürlich noch abzuwarten ist, ist geplant, den Vertrag mit unserem Stromversorger, der im Dezember verlängert werden soll, zu beenden. Natürlich wäre es praktisch, weiterhin an das Stromnetz angeschlossen zu sein, aber es gibt zwei wichtige Gründe, dies nicht zu tun. Der erste Grund wurde bereits genannt: Die Abkehr vom herkömmlichen Stromnetz setzt die Kreativität und den Willen zur Senkung des Energiebedarfs frei.

Sollte das zweite Experiment erfolgreich sein, was natürlich noch abzuwarten ist, ist geplant, den Vertrag mit unserem Stromversorger zu kündigen.

Einige wichtige Herausforderungen bleiben bestehen, vor allem die Waschmaschine, das Badezimmer und der Laserdrucker. Das Problem mit der Waschmaschine und dem Bad ist, dass sie sich auf der Nordseite des Gebäudes befinden, weit weg von den Solarmodulen. Wir könnten in einen Waschsalon gehen, aber es gibt keinen in der Stadt. Eine pedalbetriebene Waschmaschine benötigt Platz, den wir nicht haben.

Der Laserdrucker könnte mit einem Wechselrichter betrieben werden, der auch für den Betrieb anderer gelegentlich genutzter Geräte, die nicht mit 12 V Gleichstrom betrieben werden, nützlich sein kann. Allerdings wäre dafür ein relativ großer und teurer Wechselrichter erforderlich, da die Einschaltleistung des Geräts über 400 Watt liegt. Glücklicherweise habe ich das herausgefunden, bevor ich ein weiteres teures Gerät kaputt gemacht habe.

Bevor Sie beginnen

Bevor Sie sich für die Installation einer kleinen Solarstromanlage entscheiden, sollten Sie einige Dinge bedenken:

Sie brauchen genügend Sonne. Solarmodule auf Balkonen und Fensterbänken funktionieren nicht überall. Eine ähnliche Anlage wie meine, aber 1.000 km weiter nördlich, würde im Durchschnitt nur die Hälfte des Stroms produzieren, mit einem viel größeren Unterschied zwischen Winter und Sommer.
Sie brauchen die richtige Belichtung. Selbst wenn Sie in einem sonnigen Klima leben, sollten Sie nicht daran denken, Solarstrom zu ernten, wenn Fenster oder Balkone nach Norden, Nordwesten oder Nordosten ausgerichtet sind. Auch die Abschattung durch andere Gebäude oder Bäume kann Ihre Bestrebungen zunichtemachen. Sie brauchen täglich mindestens 4 Stunden direkte Sonneneinstrahlung auf die Module.
Sie müssen bereit sein, Ihren Energieverbrauch zu senken. Nur wenige Wohnungsbewohner werden über genügend Platz verfügen, um ausreichend Solarstrom für einen energieintensiven Lebensstil zu erzeugen.
Es kann unmöglich sein, einige Fenster vollständig zu schließen. Die Kabel der Solarmodule gelangen in meine Wohnung, indem ich das Schiebefenster des Büros leicht öffne. Im Winter decke ich diesen Spalt mit Kork ab. Da ich nicht heize, geht keine Energie verloren, aber unter anderen Umständen könnte das problematisch sein. Sie sollten wahrscheinlich kein Loch durch das Fenster oder die Wand bohren, wenn Sie die Wohnung mieten.
Die Umstellung Ihrer Wohnung auf Solarenergie macht Sie nicht zu “100 % nachhaltig “. Für die Herstellung von Solarmodulen und Batterien werden fossile Brennstoffe verwendet. Der von mir erzeugte Strom ist wahrscheinlich pro kWh CO2-intensiver als der spanische Netzstrom, zumal meine Solarmodule und Batterien in China hergestellt werden. Der einzige Grund, warum mein System nachhaltiger ist als die Nutzung von Netzstrom, ist, dass es mich zwingt, den Stromverbrauch erheblich zu senken.

Renewable Power Generation Costs in 2014 (PDF), International Renewable Energy Agency (IRENA), January 2015 ↩︎
Photovoltaic System Pricing Trends: Historical, Recent, and Near-Term Projections (PDF), 2014 Edition, SunShot, U.S. Departmennt of Energy, September 2014 ↩︎
Soft costs account for most of PV residential installation costs, PV Magazine, December 2013 ↩︎
Spain’s Photovoltaic Revolution: The Energy Return on Investment (SpringerBriefs in Energy), Pedro A. Prieto & Charles A. Hall, 2013 ↩︎
Power Density: A Key to Understanding Energy Sources and Uses (MIT Press), Vaclav Smil, 2015 ↩︎
Vorausgesetzt, dass der Gesamtverbrauch unter 100-150 Watt liegt (was bei einem 12-Volt-System zwischen 8 und 12 Ampere entspricht). Achten Sie auch darauf, [Ihre Solarstromanlage richtig abzusichern] (https://www.windynation.com/jzv/inf/how-properly-fuse-solar-pv-system"), um elektrische Brände zu vermeiden. ↩︎
Die Laptop-Nutzung wird durch den Laptop-Akku zusätzlich erschwert. Wenn der Akku nicht zu 100 % aufgeladen ist, versucht der Computer automatisch, ihn aufzuladen, wenn Sie ihn an das Solarstromnetz anschließen. Der Stromverbrauch des Laptops verdreifacht sich jedoch während des Ladevorgangs, und wenn die Sonne nicht voll auf die Solarmodule scheint, weigert sich mein System, diese Menge an Strom zu liefern. Ich habe das Problem gelöst, indem ich die Batterie immer zu 100 % aufgeladen habe. ↩︎
Es gibt interessante wissenschaftliche Untersuchungen über die Beziehung zwischen Energieinfrastruktur und Energienachfrage, die wir in einem der nächsten Artikel erörtern werden. ↩︎
Beachten Sie, dass der größte Anteil des Energieverbrauch eines Laptops bei seiner Herstellung anfällt. Der Umstieg auf einen energieeffizienteren Laptop ist nicht immer eine nachhaltige Entscheidung. Der Kauf eines gebrauchten Geräts könnte eine Lösung sein. ↩︎