Alles was Sie über Solarzellen und Solarmodule wissen müssen. Solaranlagen in Haus und Garten selbst planen und installieren

Transkript

1 FRANZIS DO IT YOURSELF IM HAUS BAND 14 Bo Hanus Wie nutze ich Solarenergie in Haus und Garten? Leicht gemacht, Geld und Ärger gespart! Alles was Sie über Solarzellen und Solarmodule wissen müssen Solaranlagen in Haus und Garten selbst planen und installieren Über 100 Bauanleitungen und Montagehinweise

2 6Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Die Sonnenenergie gewinnt an Kraft Solarelektrische Systeme (Photovoltaik-Systeme) Solarthermische Systeme 17 2 Photovoltaik (Solarelektrik) Solarzellen statt Batterie? Wie groß muss eine Solarzelle sein? Sonnenlichtintensität und Solarleistung Einfache Experimente mit Solarzellen Wissenswertes über Solarmodule Welches Solarmodul ist das richtige? 43 3 Welche Akkumulatoren eignen sich für die Solartechnik? Wie rechnet man die benötigte Akkukapazität aus? Akkumulatoren richtig laden Kleine NiCd-, NiMH- und NiH-Akkus als Energiespeicher Solarakkumulatoren oder Autobatterien? Tiefentladeschutz 65 4 Bypass-Dioden in Solarmodulen 67 5 Standorte für die Solarmodule 71 6 Netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagen Der Wechselrichter 80

3 Inhaltsverzeichnis 7 Selbstversorgung mit Solarstrom Funktioniert Ihre Anlage perfekt? 93 Inhaltsverzeichnis 8 Solarstrom für kleinere Vorhaben Solarbetriebene Pumpen und Motoren Solarspringbrunnen und Wasserfälle im Garten Solarbelüftung des Gartenweihers Gartenbrunnen mit Solarpumpe Markisen und Jalousien mit Solarantrieb Garagen- und Hoftor mit Solarantrieb Heizen mit Solarstrom Lüften und Kühlen mit Solarstrom Beleuchten mit Solarstrom Eine Sonnenuhr anderer Art Solarstrom an der Gartentür Solarstromversorgung von Kleingeräten Solarthermische Systeme 123 Stichwortverzeichnis 127 7

4 1 Die Sonnenenergie gewinnt an Kraft 1 Die Sonnenenergie gewinnt an Kraft I n den letzten Jahren gewinnt die Sonne spürbar an Kraft und während so mancher sonnenreichen Periode empfinden wir das Überangebot an Hitze sogar als zu viel des Guten. Dies gilt jedoch nicht in Bezug auf die Möglichkeiten der technischen Nutzung der Sonnenspenden. Zu den altbekannten Vorrichtungen, die eine zusätzliche Nutzung der Sonnenenergie ermöglichen, gehören Gewächshäuser, Frühbeete und Wintergärten. Zu den moderneren gehören Solaranlagen, die sich hinsichtlich der Art der Energienutzung in zwei unterschiedliche Systeme teilen: in solarelektrische und in solarthermische Systeme bzw. Anlagen. 9

5 1 Die Sonnenenergie gewinnt an Kraft Solarelektrische Systeme (Photovoltaik-Systeme) Photovoltaik-Systeme nutzen nicht die Sonnenwärme als solche, sondern die Energie der Photonen der Sonnenstrahlen. Diese bombardieren Solarzellen, die das Licht in elektrischen Strom umwandeln. Eine kristalline Solarzelle nach Abb. 1.1 wandelt die Sonnenenergie bzw. beliebige Lichtstrahlen auf folgende Weise um: Wenn ihre Fläche von Photonen bombardiert wird, setzen sich in ihrer oberen Negativschicht sowie auch in ihrer unteren Positivschicht sogenannte Ladungsträger frei, geraten in das mittlere elektrische Feld und an ihren zwei äußeren Oberflächen (an der Sonnenseite und an der Rückseite der Zelle) entsteht elektrisches Potenzial (elektrische Spannung). Eine belichtete Solarzelle funktioniert ähnlich wie eine Batterie (Abb. 1.2), allerdings nur in direkter Abhängigkeit von der jeweiligen Belichtung: viel Licht = hohe Spannung, hoher Strom weniger Licht = niedrigere Spannung, niedrigerer Strom kein Licht = keine Spannung und kein Strom. Wird ein Verbraucher von einer Solarzelle oder von einem Solarzel- Abb. 1.1 Eine kristalline Solarzelle im Schnitt. Abb. 1.2 Eine belichtete Solarzelle funktioniert ähnlich wie eine Batterie. Die von ihr gelieferte elektrische Spannung (und Leistung) ist jedoch nicht konstant, sondern hängt von der Intensität der momentanen Belichtung der Zellenfläche ab.

6 1.1 Solarelektrische Systeme (Photovoltaik-Systeme) lenmodul (Solarmodul) direkt mit Strom versorgt, hängt die Leistung des Verbrauchers von der Belichtung (und somit von der Leistung) des Solarmoduls ab. Wie sich dabei eine derartig wetterabhängige Stromversorgung z. B. auf die Leistung einer Springbrunnenpumpe auswirkt, zeigt Abb Das Solarzellenmodul (Solarmodul) ist erklärungsbedürftig: Wir wissen, dass sowohl die meisten Taschenlampen als auch die meisten batteriebetriebenen Geräte mehrere Batterien (Batterieglieder) benötigen, da ein einziges Batterieglied nur eine bescheidene Spannung von z. B. 1,5 Volt (bei einer Einwegbatterie) liefern kann. Benötigt eine Taschenlampe oder ein elektronisches Gerät eine höhere Spannung (von z. B. 4,5 Volt), müssen drei Batterieglieder nach Abb. 1.4 links in Reihe geschaltet werden, um diese Spannung aufbringen zu können: Die Spannungen der einzelnen Batterieglieder addieren sich. Dasselbe gilt für die Spannungen einzelner Solarzellen. Allerdings mit dem Unterschied, dass bei den Solarzellen die maximale Zellenspannung physikalisch bedingt nur ca. 0,46 bis 0,48 Volt pro Zelle (bei optimaler Belichtung) beträgt. Das sieht auf den ersten Blick nach ziemlich wenig aus, aber die relativ niedrige Zellen- Nennspannung wiegt wiederum der relativ hohe Zellen- Nennstrom von über 3 Ampere pro dm² Zellenfläche auf (darauf kommen wir später noch zurück). 1.1 Solarelektrische Systeme (Photovoltaik-Systeme) 11 Abb. 1.3 Wird eine Solar-Springbrunnenpumpe von einem Solarmodul direkt betrieben, hängt ihre Leistung von der Belichtung des Moduls ab.

7 1 Die Sonnenenergie gewinnt an Kraft 1.1 Solarelektrische Systeme (Photovoltaik-Systeme) Abb. 1.4 Die Spannungen einzelner Batterienoder Solarzellen, die in Reihe geschaltet sind, addieren sich. Abb. 1.5 Um eine erforderlich hohe Solarspannung zu erhalten, werden längere Zellenreihen zu einer Kette zusammengelötet und zu einem Solarmodul zusammengebaut. 12 Um eine ausreichend hohe Solarspannung zu erhalten, werden längere Solarzellenreihen zu einer Kette nach Abb. 1.5 zusammengelötet, anschließend unter einer Glasscheibe eingerahmt und mit einer speziellen lichtdurchlässigen Gussmasse eingegossen. Je nach Anzahl und Größe der angewendeten Solarzellen entstehen auf diese Weise Solarmodule unterschiedlicher Größe und Form nach Abb Von einem Solarmodul oder einigen zusammengelöteten Solarzellen können wir den elektrischen Strom ähnlich wie aus einer Batterie beziehen. Allerdings nur dann, wenn und so lange das Solarmodul ausreichend von der Sonne bestrahlt bzw. künstlich belichtet wird. Für Anwendungen in Haus und Garten gibt es zwei Möglichkeiten der Solarstromnutzung, die Abb. 1.7 zeigt. Abb. 1.6 Solarmodule sind in verschiedensten Größen und Ausführungen erhältlich.

8 1.1 Solarelektrische Systeme (Photovoltaik-Systeme) Eine Lösung nach Abb. 1.7 a kommt nur für die Stromversorgung elektrischer Verbraucher in Frage, bei denen wir in Kauf nehmen, dass sie nur wetterbedingt arbeiten oder bei denen es sogar willkommen ist, dass sie nur dann arbeiten, wenn die Sonne scheint. Als Beispiel kann hier z. B. ein Solarventilator dienen, der zum Lüften eines kleinen Gewächshauses nach Abb. 1.8 verwendet wird: Er kann direkt an ein kleines Solarmodul angeschlossen werden und nur dann lüften, wenn die Sonne scheint was in der Praxis ausreicht. 1.1 Solarelektrische Systeme (Photovoltaik-Systeme) 13 Abb. 1.7 Für Anwendungen in Haus und Garten gibt es zwei Möglichkeiten der Solarstromnutzung: a) Bei einem Direktantrieb wird der elektrische Verbraucher (in diesem Beispiel eine Springbrunnenpumpe) direkt an das Solarmodul angeschlossen und man gibt sich damit zufrieden, dass die Pumpe nur dann läuft, wenn die Sonne scheint. b) Möchte man Solarenergie speichern, fungiert das Solarmodul nur als eine Energiequelle, die über einen kleinen Laderegler den Ladestrom für die Batterie liefert.

9 Stichwortverzeichnis A Abstrahlwinkel 115, 116 Akku (Akkumulator) 51 Akkumulator 51 richtig laden 54 Amorphe Siliziumzellen 24 Amperemeter 95 Analog-Multimeter 38 Aufdach-Montage 73 Ausdehnungsgefäß 18 Ausgangsleistung eines Photovoltaik-Generators 85 Ausgangsspannung an einem Solarmodul 56 Auto-Kühlboxen 113 B Batterie 51 im Parallelbetrieb 92 Beschädigte Solarzelle 85 Betriebstemperatur belasteter Solarzellen 49 Bypass-Dioden 68 C Carport 112 D Diffuses Sonnenlicht 20 Digital-Multimeter 38 Direktantrieb 13 E Einstellen und Kontrolle des LED- Stroms 117 Elektrisches Autositz-Heizkissen 111 Energiesparlampen 114 F Festspannungsregelung 58 Flachdach 76 Fronius-Sinuswechselrichter 98 Funkschalter 103 Funk-Türgong-Empfänger 122 Funk-Türklingel 121 G Garagen- und Hoftor mit Solarantrieb 107 Gartenbrunnen mit Solarpumpe 105 Gartenpool 17 Gartentür mit Stromversorgung aus Solarzellen 120 Gekapselte Solarminimodule 61 Solarzelle 37 Solarzellen 60 Geografischer Unterschiede 36 Gold-Cap-Kondensator 119 Gussmasse 12 H Highpower-LEDs 115 Höchstgrenzen der Ladespannung für NiCd- oder NiMH-Akkus 57 Hot-Spot-Effekte 67 I Indach-Montage 73 Internationale Testbedingungen 48 K Kapazität einer Batterie 53 Kontrolle des Ladevorgangs 96 Kristalline Solarzellen 10, 24 L Laden einer 36-Volt-Batterie 101 einer 48-Volt-Batterie 101 Laderegler 13, 54 mit Tiefentladeschutz 55 Ladungsträger 10 Leerlaufspannung 12, 33 Leichtgewicht-Solarmodule 42 Leistung (W) 30 Leuchtdioden (LEDs) 114 Leuchtstofflampen 114 Lichtstrom guter herkömmlicher Standardglühlampen und Halogenlampen 115 Low-Current-LEDs 115 M Markisen und Jalousien mit Solarantrieb 106 Maximalleistung 12 Millicandel 115 Monokristalline Solarzellen 25 Multimeter 38 Stichwortverzeichnis 127

10 Stichwortverzeichnis 128 Stichwortverzeichnis N n/p-übergang 10 Nachführen des Solarmoduls 33 Nachladen einer Batterie 93 Negativschicht 10 Neigungswinkel der Solarzellenflächen 71 eines Solarmoduls 33 Nennleistung 43 Nennspannung 12, 43 Nennstrom 12, 43 Nützliche Formeln 95 P Photovoltaik-Dachanlage 16 Polykristalline (multikristalline) Solarzellen 25 Positivschicht 10 S Schottky-Dioden 69 Senkung der Heizkosten 124 Solarakkus 52, 63 Solarbatterien 52 Solarbelüftung des Gartenweihers 104 Solarbetriebenes Heizkissen 110 Solarheizung als Frühbeet- Frostschutz 112 Solar-Inselanlage 87 Solar-Kühlschränke 113 Solarladeregler-IC 55 Solarleistung 32 Solarleuchten 118 Solarmodul-Dachmontage auf speziellen Alu-Schienen 74 Solarmodule 12, 41, 43 im Schnitt 41 in Reihe 45 parallel geschaltet 46 Solarmodulketten 84 Solarspringbrunnen und Wasserfälle im Garten 102 Solar-Springbrunnenpumpe 11 Solarstromversorgung eines Elektromotors 100 kleinerer Geräte 121 Solarthermische Dachsysteme 123 Solarthermische Kollektoren 17 Solarthermische Systeme 17 Solaruhr 119 Solarventilator 14, 20 Solarzelle 24, 28, 29 Kette 27 Solarzellenmodul (Solarmodul) 10 Sonneneinstrahlung 48 Sonnenscheindauer 36 Spannung (V) 30 Speicherbatterie 91 Spektralverteilung 48 Springbrunnensets 30 Standard-LEDs 114 String-Wechselrichter 84 Strom (A) 30 Stromverbrauch 90 Stromversorgung eines Wochenendhäuschens 89 T Tiefentladeschutz 54, 65 Tiefentladeschwelle 65 Timer 122 V Verluste im System 92 Vorwiderstand 117 W Wärmetauscher 17, 18 Wärmeträgermedium 17 Warmwasserspeicher 17 Wechselrichter 55 Wechselrichter (Inverter) 80 Windgenerator 88 Wirkungsgrad 25 eines Solarmoduls 25 Z Zellentemperatur 48 Zenerdiode 58 Zenerdioden 59 Zweifarbige Leuchtdioden (Duo- LEDs) 115