384 Seiten. komplett in Farbe. Know-how FRANZIS

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1 FRANZIS 384 Seiten Know-how komplett in Farbe

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 39, 42, 55, 95 Abzweigdosen (Aufputz-Installationsdosen) 123 Amorphe-Dünnschicht- Solarmodule 59 Amperestunden 23 Analogmultimeter 67 Außenbeleuchtung 118 B Batterien und Akkus 22 Beleuchtung einer Gartenlaube 24 eines Raums 95 Beobachtungswinkel 40 Berechnung der Zenerdioden- Leistung 81 Betriebsspannung (UF) 26 Betriebsstrom (IF) 26 Blinkende LED-Sektionen 109 Leuchtdioden 46 Blinker mit dem IC NE C Candela (cd) 53 Carports 99 D Dekorative LED-Anwendungen 106 Digitalmultimeter 67 Dosenklemmen 123 Duo-LEDs/Bicolor-LEDs 48 E Einstellbare Spannungsregelung 83 Einstellregler 20, 107 Einstellung der Ladespannung 87 der LED-Lichtstärke 107 des optimalen Stroms 20 Elektromagnetische Relais 47 Elliptische LED 40 Erhöhung der Akkukapazität 120 der Solar-Ladeleistung 102 der Solarspannung 101 F Full-Color-LEDs 48 Funktionsweise der Solarzellen 61 G Garten-Gerätehaus 99 Gartenlaube 99 Gartenlauben-Beleuchtung 105 Gekapselte Solarzellen 58, 77 H Hausnummer 36 High-Power-LEDs 104 Hochleistungs (High-Power)-Leuchtdioden 43 SMD-LEDs 41 Höchstgrenzen der Ladespannung für NiMH-Akkus 88 I internationale Standard- Testbedingungen 62 K Kapazitäten der Elkos 87 Kontrollmessung des Ladens 75 Kontrollvoltmeter am Akku 104 Kristalline Solarzellen 59 Kühlkörper 43, 45 L Laden eines Akkus 71 Laderegler 15, 73 mit Tiefentladeschutz 16 Ladespannung 72, 79 Ladestrom 75 Ladung kleiner Akkus 78 Ladungsträger 61 LEDs (light-emitting-diodes) 9 Anordnung in einer Selbstbauleuchte 94 Außenleuchten 11 Betriebsstrom (I F ) 27 Durchlassspannung (U F ) 27 für höhere Betriebsspannungen 52 Garten- und Wandleuchten 10 in Reihe 18 in Reihenschaltung 19 Nennleistung (P) 27 parallel betrieben 18 Pflasterstein 12 Schaltzeichen 26 seriell/parallel betrieben 18 Solar-Hausnummer 111 Leerlaufspannung 62 Leiterdurchmesser 125 Leiterquerschnitt 125 Leitungen für die Beleuchtung 123 Leuchtdioden für die Überwachung der Batteriespannung 50 Leuchtende Flächen oder Mosaiken 106 Leuchtkraft 39 der LEDs 53 Lichtstärke 39 Lichtstrom 39, 53 Löten 92 Lötfahnen 65 Stichwortverzeichnis 127

10 Stichwortverzeichnis 128 Stichwortverzeichnis Low-Batt-Warndiode 50 Low-Current-LEDs 36 Lumen (lm) 53 Lüsterklemmen 123 M Messbereiche 68 Messgenauigkeit 67 Millicandel (mcd) 53 Minimodule 70 Modul-Leerlaufspannung 86 Monokristalline Zellen 59 Mosaik 35 Multimeter 20, 66 N Negativschicht 61 Neigungsschalter 121 Nennkapazität 23 Nennleistung 62 eines Vorwiderstands 34 Nennspannung 69 einer Solarzelle 61 einer Batterie 29 NiCd-Akkus 78 NiMH-Akkus 78 O Ohmsche Widerstand der Kupferleiter 125 Gesetz 33 Optik für ausgewogene Lichtverteilung 42 Ornamente 35 P Pin-Belegung des ICs Polykristalline (multikristalline) Zellen 59 Positivschicht 61 R Regelung der Ladespannung bei kleineren Akkus 80 Relais 47 S Schaltstrom der Relaiskontakte 47 Schottky-Dioden 102 Schutzdiode (Schottky-Diode) 75 Selbstbau-Dämmerungsschalter 113 Selbstbauleuchten 93 Selbstbau-Spannungsregelung 45, 83 SMD-Leuchtdioden 95 Solarelektrisch Laden 74 Solar-Hausnummer 115, 117 Solar-Inselanlagen 13 Solar-Laderegler-IC PB Solar-Ladevorrichtung 74 Solar-Minimodule 58, 105 Solarmodul 16, 64, 71 Solarspannung 64 Solarzellen 57, 58 Spannung bei maximaler Belastung 69 bei maximaler Leistung 62 Spulenwiderstand 47 Standard-LEDs 35 Standard-Leuchtdioden 27 Superhelle und ultrahelle LEDs 39 T Temperaturabhängige Veränderung der Zellenleistung 86 Tiefentladeschutz 15 Tiefentladeschwelle 71 Timer für die Außenbeleuchtung 121 Tricks zur optimalen Einstellung der Ladespannung 89 Trittmatten-Schalter 121 U Überprüfung der Zenerdioden- Funktionsweise 85 V Verschalten der Leuchtdioden 18 Versorgungsspannung 100 Versuchsschaltung mit dem IC Verzinnen der LED-Anschlüsse 96 Vorwiderstände 106, 107 W Widerstände 31 Widerstandsmessung 107 Wochenendhäuser 120 Z Zellenkette 63 Zenerdiode 50, 101, 104, 111, 115 Sperrspannungen 117 Zungenschalter (Reed-Schalter) 121 Zwei oder mehrere LEDs in Reihe 93 und mehrfarbige Leuchtdioden 48 Zweitbatterie 76