Auslegung des Systems

 

Sie finden hier eine Anleitung zur Auslegung Ihres netzautarken Energieversorgungssystems.
Bitte beachten Sie, dass eine netzautarke Solar- Energieversorgung immer von unvorhersehbaren, meist natürlichen Faktoren beeinflussbar ist. Schlechtwetterperioden, Verschattung und Verschmutzung der Solarmodule und andere Einflüsse können für zeitweise niedrigere Energieerträge sorgen. Auch ein nicht vorhergesehener, zusätzlicher Energieverbrauch kann das System stark belasten und auf Dauer zu einer verminderten Leistungsfähigkeit führen. Um solche Risiken zu minimieren, planen Sie Ihr System sorgfältig. Die folgende Anleitung zeigt die ungefähre Vorgehensweise zur Auslegung Ihres autarken Energieversorgungssystems ohne jegliche Gewähr.

 

1. Schritt Energie- Bedarfsberechnung:

Die Grundlage zur Auslegung einer netzautarken Energieversorgung ist immer der Energiebedarf der zu betreibenden Verbraucher. Um diesen Energiebedarf zu ermitteln, empfiehlt es sich eine Liste anzulegen: (Nennleistung x Betriebszeit = Verbrauch)

Verbraucher

Nennleistung in Watt

Tägl. Betriebszeit h

Tägl. Verbrauch Wh

1 Kühlbox

120W

(Kompressorlaufzeit) 3h

360Wh

3 Lampen

75W

2h

150Wh

1 Wasserpumpe

200W

0,5h

100Wh

 

Gesamtergebnis täglicher Verbrauch: 610 Wh

Gesamtleistung der Verbraucher: 395 W

 

 Achtung! Der hier errechnete Wert bildet die Grundlage für die Dimensionierung Ihres autarken Energieversorgungssystems. Ein größer dimensioniertes Energieversorgungssystem kostet auch mehr. Um die späteren Kosten gering zu halten, lohnt es sich mögliche Stromfresser von vorn herein durch energiesparende Produkte zu ersetzten. Zum Beispiel LED Lampen mit einem tägl. Verbrauch von 30Wh zu verwenden, anstelle der in der Tabelle eingesetzten, alten Glühlampen mit einem tägl. Verbrauch von 150 Wh. -Erst den Energiebedarf reduzieren, dann den verbleibenden Bedarf effizient abdecken- Die LED Lampen aus dem genannten Beispiel mögen im ersten Moment teurer sein als die alten Glühlampen. Allerdings wird die kleinere Dimensionierung des Gesamtsystems diesen Kostenfaktor mehrfach wieder ausgleichen. Um Verwirrungen zu vermeiden, rechnen wir mit dem alten „Glühlampenverbrauch“ weiter.

 

 

2. Schritt Spitzenlastermittlung

Die in Schritt 1 errechnete Gesamtleistung der Verbraucher wird nun zur Berechnung des Maximalstroms herangezogen:

Beispiel: (Leistung : Systemspannung = Strom)

395W : 12V = 32,92A

Der aus der Gesamtleistung der Geräte resultierende Wert kann hier recht hoch sein. Mit steigender Leistung fließen abhängig von der Systemspannung mehr oder weniger große Ströme. Leitungsverluste erhöhen sich, Leitungen und Schalteinrichtungen müssen größer dimensioniert werden. Es lohnt sich also zu überlegen, ob die Systemspannung nicht erhöht werden sollte, (z.B. 24 Volt Systemspannung) um den Stromfluss zu verringern. Zum späteren Betrieb von z.B. 12V Verbrauchern am 24V oder 48V Batteriesystem, können die im Shop erhältlichen DC-DC Konverter genutzt werden.

Beispiel Stromreduzierung: (Leistung : Systemspannung = Strom)

395W : 24V = 16,45A

Die resultierende Verringerung des Stromflusses bei einer Systemspannung von 24 Volt ermöglicht eine kleinere Dimensionierung verschiedener Komponenten des Gesamtsystems. Zum Beispiel kleinere Leitungsquerschnitte. Geringere Leitungsverluste werden ebenfalls ermöglicht.

 

 

3. Schritt Berechnung der Solaren Einstrahlung am Standort

Um die Solarmodule zur Ladung der Versorgungsbatterie richtig zu dimensionieren, wird die mittlere, tägliche Sonneneinstrahlung am Standort des autarken Energieversorgungssystems herangezogen. Diese Einstrahlungswerte variieren je nach Standort und von Monat zu Monat. Sie stellen einen Mittelwert dar, gebildet aus Messdaten des deutschen Wetterdienstes. Aus den verfügbaren Tabellen ist zu entnehmen, dass die Einstrahlungswerte in den Sommermonaten deutlich höher sind als in den Wintermonaten. Sie müssen sich nun entscheiden, in welchem Zeitraum des Jahres Sie Ihre solare Energieversorgungseinrichtung betreiben wollen. Berechnungsgrundlage wird nun der Monat innerhalb des erwünschten Betriebszeitraumes, der die geringste Einstrahlung aufweist. Funktioniert die Anlage zu dieser Zeit, wird sie im restlichen Betriebszeitraum mit deutlich höherer Einstrahlung in jedem Fall funktionieren.
 
Genaue Karten zur Solaren Einstrahlung in Deutschland finden Sie beim Deutschen Wetterdienst. (Beachten Sie, dass die Karten sich auf den Monat beziehen und sie durch 30 geteilt, den Wert für den einzelnen Tag wiedergeben.)
 
 

Mittlere tägliche Einstrahlungswerte nach Region und Monat: (Kwh/m²)

Stadt/Monat

April

Mai

Juni

Juli

August

September

Berlin

3,49

4,77

5,44

5,26

4,58

3,05

Bonn

3,33

4,82

4,38

4,15

3,63

2,76

Freiburg

3,6

4,7

5,2

4,83

4,55

3,46

Hamburg

3,55

4,67

5,44

4,82

4,34

2,79

Nürnberg

3,07

5,66

5,84

5,03

4,52

2,99

Würzburg

4,04

5,03

5,54

5,34

4,49

3,53

 (Die hier gezeigten täglichen Einstrahlungswerte beziehen sich ausschliesslich auf die Haupt- Betriebsmonate der Solarstrom- Versorgungseinrichtung. Natürlich ist eine ganzjährige Auslegung des Systems möglich, genaue Daten dazu entnehmen Sie bitte den DWD- Einstrahlungskarten.)

 

Anmerkung: Die Kosten einer ganzjährigen, Solaren Energieversorgung sind im nördlichen Europa hoch. Es werden hier in den Wintermonaten extrem große PV – Modulflächen benötigt, um bei den niedrigen Einstrahlungsleistungen pro Quadratmeter genug Leistung zu generieren. Aus diesem Grund enthält die hier erstellte Beispieltabelle auch nur die Einstrahlungsdaten der Haupt- Betriebsmonate für Solare Energieversrgungseinrichtungen. Der Einsatz einer zusätzlichen Energiequelle sollte in den Wintermonaten in Betracht gezogen werden. Zum Beispiel lässt sich der Energiebedarf des Systems im Winter oft auch problemlos über einen zusätzlichen Dieselgenerator oder eine Windkraftanlage decken. Im Sommer reichen dann wenige Solarmodule für die komplette Energieversorgung aus.
Die Ladung der Batterien über weitere Energiequellen ist meist sehr einfach zu realisieren. ( Produkte hierzu finden Sie im Bereich Ladetechnik im Shop.) 

 

 

4. Schritt Korrekturfaktoren anwenden und benötigte Solarmodulleistung bestimmen:

 

Die in der vorherigen Einstrahlungstabelle angegebenen Werte sind auf horizontale Flächen bezogen. Solarmodule werden meist in unterschiedlichen Neigungswinkeln und Himmelsrichtungen montiert. Umdies zu kompensieren gibt es sogenannte Korrekturfaktoren. Gewählt wird der passende Winkelkorrekturfaktor des schwächsten Betriebsmonats aus der Einstrahlungstabelle.

Dieser Winkel fließt als Korrekturfaktor mit in die Berechnung der Solar- Generatorleistung ein.

Tabelle mit Korrekturfaktoren für unterschiedliche Ausrichtungs- und Neigungswinkel:

Richtung / Neigung

April

Mai

Juni

Juli

August

September

Süd 30°

1,08

1

0,96

0,97

1,03

1,17

Süd 45°

1,05

0,94

0,9

0,91

1

1,18

Süd 60°

0,98

0,85

0,81

0,83

0,92

1,14

SW/SO 30°

1,07

1

0,97

0,98

1,03

1,15

SW/SO 45°

1,05

0,95

0,91

0,92

1

1,16

SW/SO 60°

0,99

0,88

0,82

0,84

0,93

1,12

W/O 30°

0,98

0,97

0,96

0,96

0,97

0,99

W/O 45°

0,95

0,93

0,92

0,92

0,94

0,96

W/O 60°

0,89

0,88

0,86

0,86

0,88

0,92

 

 

Da ebenfalls Verluste durch unterschiedliche Zelltemperaturen während des Betriebszeitraumes entstehen, werden diese über einen weiteren Korrekturfaktor kompensiert.

Tabelle Korrekturfaktor Zelltemperaturen:

April

Mai

Juni

Juli

August

September

0,91

0,88

0,87

0,86

0,86

0,89

Weitere Korrekturfaktoren: Umwandlungs-, Anpassungs- und Leitungsverluste.

Um die Verlustfaktoren vereinfacht in einem Faktor zusammenzufassen, kann hier der Mittelwert von 0,7 herangezogen werden. Dieser Wert vereint gemittelt die Verluste aus Umwandlung, Anpassung und Leitung innerhalb des Systems. Die Leitungslängen zu den Verbrauchern werden getrennt erfasst.

Somit ergibt sich: PV Modulleistung = Energieverbrauch Wh : (Globalstrahlung x Korrekturfaktoren)

Unser Beispiel:

Gesamtergebnis täglicher Verbrauch: 610 Wh

Standort Nürnberg, Betrieb April bis September, Modulausrichtung Süd 30°

Als PV Modulleistung ergibt sich: 610Wh : (2,99 x 1,17 x 0,89 x 0,7) = 279,9 Wp

Das bedeutet, dass eine Modul- Gesamtleistung von gerundet 280 Watt nötig ist, um das System während des gewählten Betriebszeitraumes, auch im schwächsten Monat zu betreiben.

 

 

5. Schritt Auswahl des Ladereglers:

Um die Systembatterie über Solarmodule zu laden, ist immer ein Solar- Laderegler nötig.

Zuerst einmal muss der Laderegler zur gewählten Systemspannung passen. 12V, 24V usw. Die meisten unserer Laderegler passen sich automatisch an die entsprechende Systemspannung an.

Die Moduleingangsspannung muss zum Laderegler passen. (Leerlaufspannung der Solarmodule) Die im Shop erhältlichen Blue Solar Solarmodule sind alle speziell für den Inselnetzbetrieb ausgelgt.
Sie können problemlos mit gebräuchlichen Ladereglern im DC Batteriesystem arbeiten.
Achtung! Oftmals haben gebräuchliche Solarmodule zur Netzeinspeisung über Wechselrichter, deutlich höhere Leerlaufspannungen als Inselnetzmodule. Nur MPPT Laderegler können mit höheren Eingangsspannungen PV- Seitig arbeiten. Vergleichen Sie deshalb immer auf die maximal mögliche Eingangsspannung Ihres Ladereglers, mit der Leerlaufspannung Ihrer Solarmodule. (Besonders wenn Sie keine Solarmodule verwenden, die für den Inselnetzbetrieb ausgelegt sind.) Die deutlich höhere Leerlaufspannung dieser Module kann das System ernsthaft beschädigen. Die Gesamt- Leerlaufspannung der Solarmodule muss kleiner sein als die zulässige PV Eingangsspannung des Ladereglers.  Die Leistungsgröße des Ladereglers berechnet sich dann wie folgt: Die entscheidende Größe zur Berechnung ist hier der Gesamt- Kurzschlussstrom der zuvor ausgewählten Solarmodule. (Angaben zum Kurzschlussstrom finden Sie im Datenblatt der Solarmodule)
Zum Beispiel: Gesamt- Kurzschlusstrom Solarmodule 15A, zuzüglich einer Sicherheitsreserve von 25%

Beispiel: 15A + 25% = 18,75A

Es könnte hier also ein Laderegler mit der nächsthöheren Leistungsklasse, z.B. 20A gewählt werden. Die meisten Laderegler verfügen über einen eigenen Lastausgang und können, bei zu niedriger Systemspannung, die Batterie automatisch vom Verbraucher trennen um eine Tiefentladung zu verhindern. Achten Sie auf die passende Ausgangsleistung des Lastausgangs wenn Sie diesen nutzen möchten.

 

 

6. Schritt Bestimmung der erforderlichen Batteriekapazität.

 

Umrechnung Wh in Ah

Die Akkukapazität hat die Einheit Ah. Der bisher errechnete Energieverbrauch wurde in Wh angeben. Um diesen beiden Werte gemeinsam verarbeiten zu können, wird der Energieverbrauch nun in Ah umgerechnet. Hierzu wird unser ermittelter Energieverbrauch aus der Tabelle in Schritt 1 durch die gewählte Systemspannung geteilt:

Beispiel: 610Wh : 12V = 25,42Ah

 

Autonomietage einbeziehen

Damit das System auch an bewölkten Tagen, besonders im Winter funktioniert, müssen sogenannte Autonomietage in die Dimensionierung der Batterie mit einbezogen werden. Hier übernimmt die Batterie die Versorgung des Systems, ohne zwischendurch voll aufgeladen zu werden. Die Anzahl der Autonomietage kann frei gewählt werden. In Gebieten mit vielen Schlechtwetter- Perioden und einer Betriebsdauer bis in die Wintermonate hinein, sollte die Anzahl der Autonomietage höher gewählt werden. Übliche Werte liegen hier zwischen 2 und 6 Tagen.

Beispiel: 2 Autonomietage: 25,42Ah x 2 = 50,84 Ah

 

Entladetiefe wählen

Unterschiedliche Batterietypen könnten unterschiedlich tief entladen werden. (Meist zwischen 30% und 70%) Die Anzahl der Zyklen und damit die Lebensdauer einer Batterie ist direkt abhängig von der Entladetiefe. Das bedeutet, je tiefer eine Batterie entladen wird, umso geringer ist auch ihre Lebensdauer. Eine zu tiefe Entladung ist auf jeden Fall zu vermeiden. Genaue Daten zur Entladetiefe und zur Zyklenfestigkeit entnehmen Sie bitte dem Batterie zugehörigen Datenblatt.

(Bildquelle: Datenblatt Victron Energy AGM/GEL Batterien)

 

In unserem Berechnungsbeispiel wählen wir 50%:

Beispiel: 50,84 Ah : 0,5 = 101,68Ah

Bei einer maximalen Entladetiefe von 50% und 2 Autonomietagen sollte die Akkukapazität also 101,68 Ah betragen.

 

 

Die Batterie ist das Herzstück Ihres Energieversorgungssystems. Schützen Sie Ihre wertvolle Batterie und sorgen Sie so für eine lange Lebensdauer. Ein sinnvoller Schutz ist zum einen der Schutz vor Tiefentladung. Dies kann automatisiert per Lastabschaltung erfolgen. Ein weiterer Schutz ist ein Batteriecomputer der die Ladezustände im System erfasst und so Handlungen zum Schutz der Batterie ermöglicht. Lithium Batterie Systeme sollten zum Schutz immer mit einem Batteriemanagement System (BMS) betrieben werden.

 

 

7. Schritt Vergleich Entladezeitraum / Batteriekapazität

Entladeverhalten der Batterie

Die Nennkapazität der Victron Batterien bezieht sich auf eine Entladungszeit von 20 Stunden d. h. auf einen Entladestrom von 0,1 C.

Die Nennkapazität der Victron Tubular Plate Long Life Batterien bezieht sich auf eine Entladungszeit von 10 Stunden.

Ein niedrigerer Entladestrom erhöht die effektive Kapazität, und umgekehrt verringert sie sich bei höherem Entladestrom.
Möchten Sie einen Verbraucher mit einer sehr hohen Stromaufnahme berteiben, sollten Sie diese Tabelle in Ihre Berechnungen mit einbeziehen. Die Kapazität sinkt bei sehr schneller Entladung deutlich

 

(Bildquelle: Datenblatt Victron Energy AGM/GEL Batterien)

 

AGM Batterien zeichnen sich durch ein hervorragendes Verhalten bei hohen Entladeströmen aus und sind deshalb speziell für Hochstromanwendungen wie z.B. Starterbatterien oder Wechselrichtern zu empfehlen. Auf Grund ihres inneren Aufbaus haben GEL Batterien bei hohen Entladeströmen eine geringere effektive Kapazität. Andererseits zeigen sie eine längere Lebensdauer sowohl im Erhaltungszustand als auch bei zyklischer Belastung.

Ein weiterer Einflussfaktor auf die Lebensdauer der Batterie ist neben der Entladetiefe auch die Temperatur der Batterie:

 

 Temperaturdiagramm Victron Energy Batterien:

(Bildquelle: Datenblatt Victron Energy AGM/GEL Batterien)