Wenn du eine PV Inselanlage bauen willst, solltest du relativ genau wissen, wie leistungsfähig sie sein muss, um deinen Ansprüchen gerecht zu werden. Sonst wird sie vielleicht zu klein für deine Ansprüche oder du gibst mehr Geld aus als nötig. Der Preis wird neben der Anlagengröße auch von der Entfernung zwischen Solarmodulen und Solarbatterie, der Unterkonstruktion für die Module und der mehr oder weniger aufwändigen Verteilung zu den Verbrauchern bestimmt.
Den Bedarf ermitteln
Zur Berechnung der PV Inselanlage werden folgende Informationen über Standort und Nutzung benötigt:
Benötigte Geräte und ihren Stromverbrauch ermitteln
Welche Verbraucher (Lampen, Kühlschrank, Musikanlage, Haushaltsgeräte, Werkzeuge) sollen jeweils in welcher Anzahl mit der PV Inselanlage betrieben werden und wie hoch ist deren Verbrauch in Watt?
Nutzungsdauer
Wie lange müssen die einzelnen Verbraucher jeweils betrieben werden können? (z.B. Licht in der Küche drei Stunden täglich oder Waschmaschine einmal in der Woche 2,5 Stunden).
PV Wechselrichter dimensionieren
Welche Verbraucher sollen gleichzeitig betrieben werden? Hiervon hängt die Dimensionierung des Wechselrichters ab. Handelsübliche Wechselrichter haben eine Maximalleistung von 100W bis 5000W.
Um den Wechselrichter nicht zu überlasten (er schaltet dann einfach ab), ist es also wichtig, vor dem Kauf des Spannungswandlers zu wissen, wie viel Strom die einzelnen Geräte (Waschmaschine, Werkzeug, Hauswasserwerk) brauchen und ob sie eventuell gleichzeitig betrieben werden müssen (zum Beispiel Waschmaschine und Hauswasserwerk). Bei Elektromotoren, also z.B. einer Kreissäge, aber auch bei einem Kompressor-Kühlschrank muss der um ein Vielfaches höhere Anlaufstrom berücksichtigt werden.
Sinnvoller Nutzungszeitraum
Welche Verbraucher könnten nur tagsüber betrieben werden, welche müssen auch nachts benutzt werden können? Tagsüber wird der Verbraucher zum Teil auch direkt, also ohne Umweg über die Batterie betrieben (z.B. wenn die Batterie fast voll sind und nur noch mit wenig Ampere laden). Das ist günstig, denn das Laden und Entladen der Batterien ist immer mit einigen Prozent Verlusten behaftet.
Nutzung nur im Sommer oder ganzjährig
Wird nur im Sommerhalbjahr Strom benötigt (zum Beispiel Sommerferienhaus) oder möchtest du die PV Inselanlage ganzjährig nutzen? Der Ertrag ist im Sommer wesentlich höher als im Winter, weshalb die PV Inselanlage für einen ganzjährigen Betrieb größer dimensioniert werden müsste. Es ist auch möglich, Verbrauchsspitzen alternativ abzudecken (z.B. mit Windkraft oder einem Benzin- beziehungsweise Dieselgenerator).
Standort der PV Module
Wie ist der mögliche Standort der Solarmodule beschaffen (Ausrichtung nach Süden ist perfekt, bestenfalls zu keiner Tages- und Jahreszeit Beschattung durch Bäume, Gebäude oder Berge). Können die PV Module auf dem Dach oder frei stehend montiert werden. Man kann eine PV Inselanlage auch auf ausgefallene Art und Weise den Gegebenheiten anpassen, z.B. Montage auf Zelten, Felsen, Anhängern…
Zusatzaufwand
Soll die Hauselektrik auch verlegt werden oder ist schon eine vorhanden? Gibt es einen geeigneten Platz für Batteriebank, Laderegler und Wechselrichter?
Zunächst musst du überlegen, wofür du eine PV Inselanlage benötigst und den Stromverbrauch ermitteln:
Beispiel: Eine PV Inselanlage für ein Tiny House
Zur Verdeutlichung habe ich den Strombedarf für ein Tiny House ermittelt.
| Gerät | Verbrauch Watt [W] | Dauer [Stunde] | Wh | ganzjährig |
| 3xLED a 3w | 9W | 5 | 45 | ja |
| 2x LED a 6W | 12W | 4 | 48 | ja |
| Laptop | 50W | 4 | 200 | ja |
| Handy Laden | 20 W | 1 | 20 | ja |
| Wasserpumpe | 42 W | 0,25 | 10,5 | ja |
| Kühlschrank | 11W | 24 | 264 | nein |
| Waschmaschine | 700 | 0,375 | 175 | ja |
| Sommerbedarf | 762,5 | |||
| Winterbedarf | 498,5 |
Eine ganzjährig genutzte PV Inselanlage muss auf den Winterbetrieb ausgelegt werden, da im Winter viel weniger Sonnenenergie auf der Erdoberfläche ankommt. Deshalb ist die in der Tabelle angenommene Betriebsdauer der Beleuchtung auch ganzjährig gleich, obwohl im Sommer wahrscheinlich nicht so viele Stunden lang elektrisches Licht benötigt wird. Der Verbrauch des Kühlschranks
Bevor du die Größe der PV Inselanlage berechnen kannst, musst du noch überlegen, ob die Solarmodule deiner Solaranlage genau nach Süden ausgerichtet und in welchem Winkel sie vertikal aufgeständert werden können. Es ist auch wirklich wichtig, darauf zu achten, dass auf die Module den ganzen Tag über kein Schatten fallen wird. In diesem Artikel habe ich beschrieben, wovon der Aufstellwinkel abhängt und wie du den richtigen Aufstellwinkel für deinen Standort herausbekommst.
Ich nehme für das Beispiel der PV Inselanlage für ein Tiny House einen Aufstellwinkel von 68°, da dieser Winkel für Darmstadt gut passt und richte meine Module genau nach Süden aus. Wenn du deine Daten hast, kannst du mit der Berechnung PV Inselanlage beginnen.
Ermittlung der Solaranlagengröße mit PVGIS
Hierbei hilft uns das PVGIS, ein von der EU finanziertes faszinierendes Tool, mit dem an vielen Orten der Erde auf wenige Meter genau die Standortbedingungen für Solaranlagen ermittelt werden können. Enthalten sind die Strahlungsdaten und die Höhendaten von Europa, Afrika, großen Bereichen Nord- und Südamerikas. Asien und Australien sind nur teilweise in der Datenbank, allerdings gibt es für diese Regionen wahrscheinlich auch eigene Geoinformationssysteme. Die Seite ist auf englisch, französisch, spanisch und italienisch verfügbar.
Um die Anlage berechnen zu können, muss der Standort der PV Inselanlage gewählt werden. Diesen kannst du per Klick auf der Karte auswählen oder die Adresse eingeben.
Auf der rechten Seite können die Daten für verschiedene Anlagentypen eingegeben und deren Ertrag berechnet werden. Außerdem kannst du die lokalen Strahlungsdaten der letzten Jahre anzeigen lassen und nach Monat und Tag die Durchschnittswerte visualisieren lassen.
Zur Berechnung der PV Inselanlage klicke auf den Reiter “OFF GRID”. Dort kann man die Leistung der Solarmodule, die Batteriekapazität, die Batterie Entladetiefe, den Tagesbedarf sowie Ausrichtung und Aufstellwinkel der PV-Module eingeben. Die dort stehenden Beispielwerte kannst du einfach überschreiben.
Wir haben bisher aber nur den Strombedarf, den Standort und die Ausrichtung der Solarmodule. Den Rest wollen wir jetzt ermitteln.
Dazu geben wir den berechneten Winterbedarfswert von 498,5 Wh bei “Consumption per day” ein, der Aufstellwinkel von 68° wird unter “Slope” eingetragen, die Himmelsrichtung bei “Azimut” bleibt bei 0° (genau Süden).
An die anderen Werte müssen wir uns bei diesem Tool etwas herantasten. Durch den ganzjährigen Betrieb der Waschmaschine ist klar, dass unsere Beispiel PV Inselanlage für ein Tiny House eine eher mittelgroße Solaranlage wird. Ich habe im ersten Versuch folgende Werte eingegeben:
In bergiger Umgebung kann auch die Horizontanzeige des Standortes hilfreich sein. Zusammen mit dem eingezeichneten höchsten und tiefsten Sonnenstand im Jahr kann eine Verschattung schon hier erkannt und evtl. durch eine höhere Montage der Solarmodule beseitigt werden.
Das Ergebnis der Batterieleistungsprognose ist nicht schlecht, allerdings möchte ich mit dieser Beispiel PV Inselanlage das Tiny House komplett mit Solarstrom versorgen. Alternativ könnte man die Anlage auch etwas kleiner dimensionieren und im Winter die Akkus teilweise mit einem Benzingenerator nachladen. Darum soll es hier aber jetzt nicht gehen, deswegen optimieren wir noch etwas:
Optimierung des Aufstellwinkels der Solarmodule
Zunächst verändere ich den Winkel der PV Module etwas. Die knapp 70° sind sehr gut um im Winter das direkte Licht der tief stehenden Sonne einzufangen. Bei bewölktem Himmel kann es aber besser sein, die Module etwas flacher zu legen um die diffusen Anteile des Sonnenlichts in Strom umwandeln zu können. Im PVGIS wird das berücksichtigt und nach einigem Probieren habe ich einen Winkel von 47° als guten Mittelwert gefunden. Nun sieht das ganze folgendermaßen aus:
Die Winkelveränderung hat auf den ersten Blick wenig gebracht. Allerdings wird es den ein oder anderen Januartag geben, an dem die Batterie abends noch nicht leer ist, wenn der Laptop tagsüber geladen wird.
Die Benutzung große Verbraucher auf den Tag verlegen
Um den Anteil der täglich nicht speicherbaren Sonnenenergie zu verringern, wäre es gut, die großen Verbraucher tagsüber zu betreiben. Also nicht erst abends Wäsche waschen, sondern natürlich am besten Mittags an einem sonnigen Tag. Tiny House Bewohner sind häufig aufgeschlossen gegenüber naturnaher Lebensweise, deshalb kann der Stromverbrauch ein wenig an die Sonnenstand- und Wetterbedingungen angepasst werden. Um zu schauen, wie groß der Effekt ist, kann das Nutzungsprofil im PVGIS geändert werden. Der stündliche Anteil am Tagesverbrauch steht in einer einfachen Tabelle. Die voreingestellten Werte sind laut der Dokumentation des PVGIS, angelehnt an das durchschnittlichen Nutzungsverhalten, von elektrischer Energie, d.h. ein großer Anteil des Verbrauchs liegt in den Abendstunden:
| Stunde | Anteil am Tagesverbrauch |
|---|---|
| 1 | 0.0505 |
| 2 | 0.0350 |
| 3 | 0.0270 |
| 4 | 0.0250 |
| 5 | 0.0245 |
| 6 | 0.0265 |
| 7 | 0.0345 |
| 8 | 0.0295 |
| 9 | 0.0230 |
| 10 | 0.0180 |
| 11 | 0.0180 |
| 12 | 0.0205 |
| 13 | 0.0265 |
| 14 | 0.0350 |
| 15 | 0.0415 |
| 16 | 0.0505 |
| 17 | 0.0455 |
| 18 | 0.0340 |
| 19 | 0.0250 |
| 20 | 0.0300 |
| 21 | 0.0650 |
| 22 | 0.1095 |
| 23 | 0.1175 |
| 24 | 0.0880 |
| Stunde | Anteil am Tagesverbrauch |
|---|---|
| 1 | 0.005 |
| 2 | 0.0035 |
| 3 | 0.0027 |
| 4 | 0.0025 |
| 5 | 0.0024 |
| 6 | 0.0265 |
| 7 | 0.0345 |
| 8 | 0.0862 |
| 9 | 0.1009 |
| 10 | 0.0495 |
| 11 | 0.0433 |
| 12 | 0.0787 |
| 13 | 0.1205 |
| 14 | 0.0915 |
| 15 | 0.0765 |
| 16 | 0.0505 |
| 17 | 0.0455 |
| 18 | 0.034 |
| 19 | 0.025 |
| 20 | 0.03 |
| 21 | 0.065 |
| 22 | 0.0095 |
| 23 | 0.0075 |
| 24 | 0.0088 |
Die modifizierte Tabelle lädt man als .csv -Datei bei “Upload consumption data” im PVGIS hoch und berechnet es neu:
Die angepasste Nutzung des Solarstroms bringt auf den ersten Blick nicht viel, auch hier gilt wieder, dass es im Winter den ein oder anderen Tag geben wird, an dem die Batterien der PV Inselanlage abends noch nicht leer sind und die Lichter noch brennen.
Zur Prüfung kannst du jetzt noch schnell den Sommerstrombedarf deiner Pv Inselanlage eingeben, um zu sehen, ob sie auch dieser Aufgabe gewachsen ist. Bei meiner Beispielhaften PV Inselanlage für ein Tiny House ist der Mehrverbrauch kein Problem:
Wenn du mehr Leistung brauchst, weil du etwas flexibler sein willst, was die Stromnutzung angeht, dann solltest du eventuell eher die Solarmodulleistung erhöhen, als mehr Batteriekapazität einzuplanen. Denn Batterien sind im Vergleich sehr teuer und müssen als Verschleißteil alle vier bis höchstens 10 Jahre ausgetauscht werden (je länger die Akkus halten, desto teurer waren sie auch in der Anschaffung). Solarmodule sind mittlerweile ziemlich günstig und halten wesentlich länger.
Generell ist es sinnvoll, mit dem PVGIS Tool für PV Inselanlagen eine Weile herumzuspielen, bis man die richtige Mischung zwischen Solarleistung und Anlagengröße herausgefunden hat.
Es folgen weitere Artikel, die auf die Auslegung der einzelnen Komponenten der PV Inselanlage, vor allem Solar Laderegler und Solar Inselwechselrichter eingehen werden.