Balkonkraftwerk

Die einfachste Version einer PV-Anlage ist ein “Balkonkraftwerk”, eine PV-Anlage für Städter in Mehrfamilienhäusern.

Es besteht aus wenigen PV-Modulen, meist einem oder zweien) und einem Wechselrichter. Der Wechselrichter wird an einer Steckdose angesteckt, und schon produziert man Strom – sofern die Lichtverhältnisse passen. Diese Anlagen sind schon so selbstverständlich geworden, dass man sie im Baumarkt kaufen kann.

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• Die Einspeisung über eine gewöhnliche Schuko-Steckdose bewirkt, dass ein Verbraucher in der Wohnung sich die Energie zuerst von dem nahegelegenen Balkonkraftwerk holt und erst bei einem größeren Energiebedarf auf das öffentliche Netz zugreift. Das liegt allein am unterschiedlichen Innerwiderstand der beiden Quellen. Die kurze Zuleitung zum Balkonkraftwerk ist niederohmiger als die lange Leitung zum öffentlichen Netz.
• Das Balkonkraftwerk produziert nur dann Strom, wenn Netzspannung vorhanden ist und schaltet sich bei einem Stromausfall automatisch ab. Es kann also in Zeiten eines Blackouts nicht als Notstromaggregat verwendet werden.
• Das “Kraftwerk” ist praktisch wartungsfrei und hilft, die Stormoens reduzieren.

Nachdem die Balkonkraftwerke in aller Munde sind und auch Klubkollegen mit Experimenten beginnen, wurden hier einige Recherchen eines Noch-PV-Laien zusammengefasst.

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Globalstrahlung

Die Sonne versorgt uns mit einer ständigen Energiezufuhr, aus der wir in unseren Breiten mit einem Solarpanel 1000-1300 kWh/m²a erzeugen können (Jahresmittelwert), Der Wirkungsgrad beträgt bei modernen Modulen etwa 20%. Es wurden aber im Labor auch schon Wirkungsgrade von 40% erzielt und für die Zukunft erscheinen sogar 80% möglich. Man erreicht diese deutlich höhere Ausbeute durch ein mehrschichtiges Material, wobei jede Schicht einen bestimmten Spektralbereich filtert, wogegen die heute üblichen Module nur mit einem Teil des Spektrums interagieren. Außerdem wird auch daran gearbeitet, dass die Module nicht nur für sichtbares Licht, sondern auch für Infrarot empfindlich sind. Heute schon gibt es Module, die von beiden Seiten lichtempfindlich sind, sodass auch Streulicht vom Untergrund zum Ertrag beiträgt. Globalstrahlung (Wikipedia)

Wp

Jedes Solarmodul wird durch die Leistung charakterisiert, die es maximal liefern kann. Das nachgestellte “p” steht für “peak” (Spitzenleistung). Man erreicht diesen Leistungsspitzenwert nur unter optimalen Bedingungen.

Wieviel Energie liefert nun ein Panel?

Grob gerechnet kann ein Quadratmeter eines Solarpanels zwischen 150W und 300W erzeugen. abhängig von der verwendeten Technologie.

Eine Faustformel sagt, dass 1Wp in unseren Breiten etwa 1kWh pro Jahr erzeugen kann. Wenn man also Solarmodule mit insgesamt 1.000 W verwendet, kann man mit einem Ertrag von 1.000 kWh pro Jahr, das ergibt 83 kWh pro Monat und 2,7 kWh pro Tag. das entspricht einem mittleren Stromfluss von etwa 0,5 A.

Mittelwert und Momentanwert

Das Problem der Solarstromerzeugung ist die sehr ungleichmäßige Anlieferung (Tag/Nacht, Wetter, Sommer/Winter). Dem steht unser Stromverbrauchsverhalten gegenüber. Mit den mittleren 2,7 kW pro Tag kann man leicht zwei Kühlschränke und den Fernseher betreiben. Leider ist das aber ein Mittelwert, und nehmen wir nur einmal das Tag/Nacht-Problem her, dann leistet das Kraftwerk am Tag doppelt so viel, in der Nacht aber nichts und im Mittel kommt man auf 2,7 kWh.

Abstriche

Ausrichtung und Neigung

Eine Neigungswinkel-Tabelle zeigt, welche Leistungsreduktion bei verschiedenen Montagearten zu erwarten ist.

Die folgende (vereinfachte) Tabelle zeigt die Verringerung des Ertrags in Prozent für verschiedene Neigungswinkel und Abweichungen von der Südrichtung. (Quelle “Photovoltaik Neigungswinkel“, Excel-Tabelle)

Ein nach Norden ausgerichtetes, senkrecht stehendes Modul liefert 29% des Ertrags eines optimal nach Süden ausgerichteten Moduls mit einer Neigung von 30°.

Beschattung

Wenn durch Mauern oder Bäume ein Teil der verwendeten Module zeitweise beschattet ist, wirkt sich das negativ auf die Gesamtleistung aus. Werden die Module in Serie geschaltet, bestimmt das schwächste Modul – also das beschattete – die Stromstärke. Eine Abhilfe bieten Bypass-Dioden, die ein schwächeres Modul kurzschließen. (“Bypass-Dioden in Solarmodulen”)

Eine weitere Methode, der Ungleichheit der Modulleistung durch Beschattung oder verschiedene Größe zu begegnen, ist die Verwendung von Multistrang-Wechselrichtern, die für jedes Modul (oder Modulgruppe) einen eigenen Eingang mit einem eigenen MPP-Tracker haben. MPP steht für “Maximum Power Tracking”. MPP nennt man die Suche nach dem optimalen Arbeitspunkt für jede Lichtsituation. (Details: “MPP-Tracking“, “Beschattung“, “Wirkung von Verschattung“, “Bypass Dioden“, “Wechselrichtertypen“)

Sommer/Winter

Der Jahresertrag von 1.000 kWh verteilt sich höchst ungleichmäßig auf die einzelnen Monate. Im Mittel erwartet man 83 kWh (1000/12) pro Monat. Man bekommt aber im in den Sommermonaten bis zu 160 kWh aber in den Wintermonaten nur etwa 20 kWh pro Monat, im Dezember sogar darunter. “Photovoltaik in Sommer und Winter“

Die folgende Grafi zeigt den monatlichen Ertrag eines Balkonkraftwerks mit 1 kWp:

Tag/Nacht

Da unser Solarkraftwerk in der Nacht “schläft”, erbringt es den mittleren Ertrag ausschließlich bei Tag, in der Nacht gibt es keine Ersparnis. 180 kWh im Monatsmittel bedeuten 6 kWh pro Tag oder eine mittlere Dauerleistung von 250 W. Da aber die Nachstunden unproduktiv sind, ist die verfügbare mittlere Momentanleistung am Tag 500W.

Verbraucher

PC mit zwei Bildschirmen

Der einfachste Verbraucher für eine Solaranlage ist ein PC-Arbeitsplatz mit einer gleichmäßigen Leistungsaufnahme. Zwei Monitore à 32 W, ein PC 140 W benötigen etwa 200 W (0,9 A/230 V). Pro Tag verbraucht der PC 4,8 kWh. Siehe auch Artikel “Wie viel Strom verbracht ein PC?“

Kühlschrank

Unser Tiefkühler verbraucht 0,5 kWh pro Tag. Das entspricht einem gleichmäßigen Stromfluss von 0,1 A. (0,1×230*24), und das könnte eine PV-Anlage leicht liefern. Aber ein Kühlschrank arbeitet als Zweipunktregler, der bei Überschreiten einer Maximaltemperatur seine Tätigkeit aufnimmt, diese aber bei Unterschreiten einer zweiten Temperaturschwelle wieder beendet. Die Angabe am Typenschild ist daher ein Mittelwert aber kein Momentanwert. Der Kühlschrank beansprucht zeitweise eine viel höhere Leistung als es dem täglichen Mittelwert von 0,1 A entspricht. Nehmen wir an, dass sich eine Aktivitätsphase, also die Kühlung, eine Minute dauert und eine Erwärmungsphase 10 Minuten. Dann benötigt der Kühlschrank während dieser einen Minute 1 A aber während der restlichen 10 Minuten gar keinen Strom.

Elektrowerkzeuge und Staubsauger

Wer mit Elektrowerkzeugen oder mit Haushaltsgeräten arbeitet, benötigt kurzzeitig große Leistung und genau das, kann eine kleine Solaranlage nicht liefern. Wer dennoch eine Ersparnis erreichen will, sollte auf batteriebetriebene Geräte umsteigen, denn die liefern die Leistung netzunabhängig und verteilen durch den Ladevorgang den Energiebedarf auf einen längeren Zeitraum.

Beispiel: Unser Staubsauer hat eine Leistung von 2 kW. Bei 30 Minuten Betriebszeit verbraucht er eine Kilowattstunde, kostet also ca. 0,3 €. Das Balkonkraftwerk liefert im Jahresmittel 2,7 kWh pro Tag oder 0,056 kWh in diesen 30 Minuten. Der Verbrauch sinkt also auf 1,944 kW. Die Ersparnis ist 3%.

Wenn aber ein Akku-Staubsauger verwendet wird, dann ist nicht der Betrieb entscheidend, sondern das Aufladen. Nehmen wir an, dass es um dieselbe Energiemenge geht, die in den Akku nachgeladen werden muss, also 1kWh, die aber während eines längeren Zeitraums gebraucht wird, zum Beispiel dauert ein solcher Ladevorgang 4 Stunden. Dann ist der Energiebedarf des Akkuladegeräts zwar insgesamt auch 1 kWh (wie beim Saugen) aber die Solaranlage liefert in diesen 4 Stunden 450 Wh, d.h. der Verbauch sinkt auf 1.550 kWh, und man hat 25% der Stromkosten gespart.

Dieselbe Überlegung gilt für alle anderen akkubetriebenen Geräte wie Bohrmaschinen, Rasenmäher, usw.

Warmwasserbereitung

Ideal für die Nutzung von Solarenergie sind Warmwasserboiler, die Überschüsse aus der Solarstromproduktion verbrauchen.

Motivation

Anlass für diese Überlegungen waren unsere großen Fensterbleche. Ost: 4.000×1.100 mm, West 6.500×1.100 mm, also brutto 12,7 m². Ideal würde diese Fläche mit modernen PV Modulen 1.900×1.000 mm ausgefüllt werden. Man würde damit insgesamt ca. 2 kWp erreichen, doch ist die Handhabung dieser “Riesen” auf einem Fensterbrett für einen Laien schwierig. Bei der Suche nach kleineren Modulen wurde ich im Bereich “Camping” fündig. Dort findet man Module die 12 V abgeben, etwa 1.000 x 500 mm groß sind und 100 Wp liefern. mit diesen Modulen erreicht man auf dieser Fläche 1.8 kWp.

Die Ausgangsspannung von 12V ist für den Betrieb im Camping-Umfeld ideal, weil man dort mehrere Module einfach parallelschalten kann und keinen Wechselrichter benötigt. Bei der Verwendung als Balkonkraftwerk benötigt man einen Wechselrichter. Die handelsüblichen Wechselrichter sind aber für eine höhere Eingangsspannung ausgelegt. Man muss daher je zwei 100 W-Module in Serie schalten, um im Betriebsspannungsbereich des Wechselrichters zu liegen.

Am einfachsten ist die Verwendung eines Wechselrichters mit vier Strängen, wobei jeder Strang zwei PV Module (2*12 V) versorgt. Damit wird auch das Beschattungsproblem etwas abgemildert.

Die eigentliche Herausforderung wird aber die Montage der Module sein, weil die Fensterbleche nicht durch Bohrlöcher beschädigt werden sollen. Ideen gibt es, und es wird die Hilfe eines Spenglers nötig sein.

Bewilligung

Neuerdings benötigen Balkonkraftwerke bis 15 kW in Wien keine Bewilligung. (Bisher war die Grenze 600 W.) Ich werde mir aber die Erdung und die Durchführung der Netzspannung in die Wohnung von einem Elektriker ausführen lassen.

• Link zum Beitrag von Radio Wien