Das Lastprofil eines elektrischen Verbrauchers fällt im Allgemeinen nicht mit dem Leistungsprofil eines photovoltaischen Solargenerators zusammen. Insbesondere für die Nutzung der elektrischen Energie während der Nacht ist daher ein Speichersystem vorzusehen. Als Standard-Batteriespeicher haben sich Bleiakkumulatoren durchgesetzt.
Der Solargenerator besteht aus einem oder mehreren zusammengeschalteten Solarmodulen. Die Rückstrom-Sperrdiode verhindert die Rückspeisung elektrischer Energie aus der Batterie in den bei Nacht unbeleuchteten Solargenerator. Der Laderegler überwacht den Ladezustand der Batterie und schützt die Batterie vor Überladung und Tiefentladung. Der Wechselrichter wandelt die Gleichspannung der Batterie in eine an den Verbraucher angepasste Wechselspannung. In kleinen Systemen wird häufig auf den Wechselrichter verzichtet und der Verbraucher direkt mit der Batterie- Gleichspannung betrieben. Dies spart Kosten, erfordert jedoch spezielle gleichspannungs geeignete Verbraucher.
Wesentlich für einen wirtschaftlichen Betrieb photovoltaischer Systeme ist eine gute Ausnutzung der angebotenen Gleichstrom-Energie. Der Wirkungsgrad der Komponenten ist daher von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
Zusätzlich zum Wirkungsgrad ist die Anpass-Genauigkeit eines Wechselrichters von gleicher Wichtigkeit für den Energieertrag.
Die Wirtschaftlichkeit einer Batterie in einem PV-System hängt von Anschaffungspreis, Lebensdauer und Wirkungsgrad der Batterie ab. Zur Abschätzung der erwarteten Lebensdauer einer Batterie muss ihre Zyklenfestigkeit Z bekannt sein. Zur Bestimmung der Zyklenfestigkeit können die Normen für ortsfeste Batterien herangezogen werden.
Die Zyklenfestigkeit Z ist definiert als die Anzahl der vollständigen Lade-Entladezyklen, die eine Batterie durchlaufen kann, bis die aktuelle Kapazität C nur noch 80% der Nennkapazität CN beträgt .
Laderegler:
Die Hauptaufgabe eines Ladereglers in einem PV-System besteht im Schutz der Batterie vor vorzeitiger Zerstörung durch Überladen oder Tiefentladen. Das Maß für das Erreichen der Ladegrenzen sind die vom Batteriehersteller vorgegebenen Lade- bzw. Entladeschlussspannungen.
Es gibt zwei Typen von Ladereglern: Serienregler und Parallelregler.
Verbraucher:
Elektrische Verbraucher in Solarsystemen unterscheiden sich nicht grundsätzlich von Standardverbrauchern für Netzversorgung. Es ist allerdings auf gute Wirkungsgrade zu achten, da die Kosten pro Kilowattstunde eines PV-Systems hoch sind.
Dimensionierung von PV-Inselanlagen
Grundlage der Dimensionierung ist das tägliche Strahlungsangebot der Sonne am vorgesehenen Einsatzort der PV-Anlage.
Üblicherweise durchläuft die vom Solargenerator abgegebene elektrische Energie eine Kette von Systemkomponenten, die der Speicherung, der Anpassung und dem Schutz des Systems dienen. Jede dieser Komponenten weist im Realfall Verluste auf, die durch ihren energetischen Wirkungsgrad beschrieben werden können.
Dimensionierung der Batterie
Das durch den Tagesgang der Sonneneinstrahlung bestimmte Angebotsprofil Pm(t) deckt sich im Allgemeinen nicht mit dem Lastprofil des Verbrauchers. Insbesondere wird gerade für Beleuchtungsanwendungen die elektrische Energie nachts gebraucht.
Ein Energiespeicher ist daher unumgänglich. Unter der Annahme, dass die elektrische Energie vor allem nachts benötigt
wird, muss die Energiekapazität Wbat einer als Energiespeicher genutzten Batterie mindestens so groß sein, dass der Energiebedarf des Verbrauchers pro Tag Wd vollständig aus der Batterie gedeckt werden kann. Zur Verbesserung der Verfügbarkeit des Systems wird die Batterie um den Autonomiefaktor AF vergrößert .
wird, muss die Energiekapazität Wbat einer als Energiespeicher genutzten Batterie mindestens so groß sein, dass der Energiebedarf des Verbrauchers pro Tag Wd vollständig aus der Batterie gedeckt werden kann. Zur Verbesserung der Verfügbarkeit des Systems wird die Batterie um den Autonomiefaktor AF vergrößert .
Der Begriff Autonomiefaktor rührt daher, dass ein PV-System mit anfangs vollgeladener Batterie über eine Dauer von AF Tagen den Betrieb des Verbrauchers aufrecht erhalten kann, ohne dass die Batterie nachgeladen werden muss. Dies ist gedacht zur Überbrückung von Tagen mit wetterbedingter geringer Sonneneinstrahlung. Da aber selbst an „schlechten“ Tagen die Batterie geringfügig nachgeladen wird, kann tatsächlich eine längere Schlechtwetterperiode als A Tage überbrückt werden.
Die Investitionskosten für eine Batterie sind näherungsweise proportional zu ihrer Kapazität. Ein geringerer Autonomiefaktor als 3 verringert folglich die Investitionskosten, aber daneben auch die Verfügbarkeit sowie die Lebensdauer der Batterie.
Die Beziehung zeigt, dass die Lebensdauer der Batterie näherungsweise dem Autonomiefaktor proportional ist.
Eine größere Batterie birgt die Gefahr, dass nach einer Tiefentladung die Wiederaufladung bis zum Erreichen der Ladeschlussspannung aufgrund des hohen Autonomiefaktors mehrere Wochen dauern kann, da der Nutzverbraucher des PV-Systems regulär weiterbetrieben wird und zum Anstieg des Ladezustandes der Batterie jeweils nur die täglichen Überschussenergien des Solargenerators beitragen.
Eine Bleibatterie, die über längere Zeit nicht vollgeladen wird, sulfatiert irreversibel, wodurch die nutzbare Kapazität irreversibel abnimmt. Dies ist insbesondere dann zu beachten, wenn beispielsweise die Batterie sehr groß dimensioniert wird mit dem Ziel, die Überschussenergie des Sommers im sonnenarmen Winter zu nutzen. Die Lebensdauer einer derart überdimensionierten Batterie wird stark verkürzt sein.
Darüber hinaus ist die tägliche Selbstentladung der Batterie proportional zu ihrer Kapazität. Die erhöhten Energieverluste durch Selbstentladung müssen bei einer stark überdimensionierten Batterie gegebenenfalls durch die Erhöhung der Solargeneratorleistung kompensiert werden.
Bei der Auswahl der Komponeneten für unterschiedliche Anwendungen müssen die unterschiedlichen Bedürfnisse und Möglichkeiten der Anwender bezüglich Investitionskosten, Komfort, Versorgungssicherheit, elektrische Geräte usw. berücksichtigt werden.
Die qualifizierte Beratung der Menschen ist besonders dann wichtig, wenn z.B. in bisher nicht elektrifizierten Gegenden die Menschen erstmalig elektrische Geräte nutzen können.
In Projekten zur ländlichen Elektrifizierung ist daher die interdisziplinäre Zusammenarbeit von technischen Fachleuten und Soziologen eine notwendige Voraussetzung für den Erfolg der Projekte. Die folgenden ausgewählten Anwendungen gehen immer zunächst vom
täglichen Energiebedarf aus. Da die Frage „wieviele Kilowattstunden benötigen Sie täglich“ nur von den wenigsten Menschen korrekt beantwortet werden kann, muss der Energiebedarf anders ermittelt werden.
täglichen Energiebedarf aus. Da die Frage „wieviele Kilowattstunden benötigen Sie täglich“ nur von den wenigsten Menschen korrekt beantwortet werden kann, muss der Energiebedarf anders ermittelt werden.
Solare Heim-Systeme (Solar-Home-Systems, SHS) sind Standardsysteme zur Versorgung von Familien mit elektrischem Strom für Licht, Radio und Fernsehen in nichtelektrifizierten ländlichen Regionen von äquatornahen Ländern. Der Komfort, den solare Heimsysteme bieten, stellt für die Menschen dieser Regionen häufig einen wichtigen Anschluss an die Modernität dar.
Empfehlung für die Dimensionierung eines Solar-Home-Systems.
1. Ermittlung des täglichen Energiebedarfs der Anwender Wd.
2. Berechnung der Batterie-Kapazität Empfohlener Autonomiefaktor für SHS: AF=3 Batterie- Nennspannung: UN
3. Überprüfung der erreichbaren Verfügbarkeit bei Dimensionierung mit dem Jahresmittel der Einstrahlung (Gdim=GA).
4. Wird die Verfügbarkeit besser als 90% erreicht? Wenn ja, dann Gdim=GA wählen. Wenn nein, dann dim ( 90%) G G a zur Dimensionierung heranziehen.
5. Berechnung der optimalen Peakleistung Ppkopt des PV-Generators.
6. Realisierung der Peakleistung Ppk mit handelsüblichen Komponenten.
7. Überprüfung der sich aus der Realisierung ergebenden Verfügbarkeit.
3. Überprüfung der erreichbaren Verfügbarkeit bei Dimensionierung mit dem Jahresmittel der Einstrahlung (Gdim=GA).
4. Wird die Verfügbarkeit besser als 90% erreicht? Wenn ja, dann Gdim=GA wählen. Wenn nein, dann dim ( 90%) G G a zur Dimensionierung heranziehen.
5. Berechnung der optimalen Peakleistung Ppkopt des PV-Generators.
6. Realisierung der Peakleistung Ppk mit handelsüblichen Komponenten.
7. Überprüfung der sich aus der Realisierung ergebenden Verfügbarkeit.
© Marc Husmann Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des Herausgebers.
