Autonome Solaranlagen - Inselbetrieb

Eine autonome oder Inselanlage erzeugt Strom für ein Haus oder einen Verbraucher ohne Verbindung zum Elektrizitätsnetz (z.B. Funkrelaisstationen, Parksäulen oder Notrufsäulen entlang von Straßen und Autobahnen). In der Schweiz befindet sich ein Grossteil der autonomen Anlagen in abgelegenen Häusern oder SAC-Hütten. Hier ist eine Solaranlage oft die wirtschaftlichste Methode der Stromproduktion.

Eine solche Anlage umfasst als wesentliches Merkmal einen Stromspeicher für die Nacht oder Schlechtwettertage. Da die Solarzellen Gleichstrom liefern, betreibt man die Verbraucher wenn möglich direkt mit der Batteriespannung von 12 oder 24 Volt; dies macht einen Wechselrichter überflüssig. Diese niedrigen Betriebsspannungen haben sich in der Pionierzeit der Solarenergie eingebürgert; sie wurden von den Gleichspannungs-Bordnetzen in Autos und Lastwagen übernommen. Aus heutiger Sicht ist diese Spannungswahl etwas unglücklich, denn sie verursacht gegenüber gewöhnlichen Hausinstallationen die zehn- beziehungsweise zwanzigfachen Ströme, was teure Kabel mit grossen Querschnitten erfordert.

Für die Speicherung werden hochwertige Bleiakkumulatoren verwendet. Damit diese niemals überladen oder tiefentladen werden, was sich negativ auf ihre ohnehin begrenzte Lebensdauer auswirken würde, wird ein Laderegler vorgeschaltet. Der Laderegler überwacht ständig den Ladezustand der Akkus.

Zur Leistungssteigerung der Anlage eignet sich ein Maximum Power Tracker, der die Solarzellen ständig im optimalen Betriebszustand Pmax arbeiten lässt. Die Leistung kann so um etwa 10% erhöht werden. Nicht zu vergessen ist der Blitzschutz der Module; da sie meist an exponierten Stellen montiert werden (Dach, Fassade oder Mast), wären die teuren Kristalle durch Unwetter sonst stark gefährdet.

Bei den Verbrauchern ist auf möglichst sparsame Geräte zu achten. Das Sortiment an Niedervolt-Geräten wie Kühlschränken, Fernsehern, Motoren oder gar Waschmaschinen ist leider etwas eingeschränkt, und die Geräte sind ausserdem teuer. Keine Probleme stellen sich dagegen bei Lampen und einfacheren Radios. Auf energiefressende Geräte wie elektrische Kochherde, Boiler und Heizlüfter sollte man in solchen Anlagen unbedingt verzichten. Meist handelt es sich ohnehin um Kleinanlagen, in welchen mit dem Strom sehr ökonomisch umgegangen werden muss.

Vielleicht werden in einigen Jahren Solarkraftwerke in sonnenreichen Gebieten, wie etwa der Sahara, als echte Alternative zur konventionellen Stromerzeugung zum Einsatz kommen.

Da die Sonne nicht ständig scheint und oftmals elektrische Energie auch im Dunkeln, etwa zur Beleuchtung, benötigt wird, ist ein sinnvoller Einsatz der Photovoltaik nur dann gegeben, wenn die Möglichkeit der Energiespeicherung besteht. Bei den meisten Insellösungen werden deshalb zusätzlich Batterien verwendet.

Wird eine Solaranlage mit dem öffentlichen Netz gekoppelt, entfällt die Notwendigkeit der Energiespeicherung. In den meisten anderen Fällen muss die solar erzeugte Energie jedoch mit Hilfe von Akkumulatoren (Batterien) gespeichert werden. Diese Energiespeicherung ist einer der wenigen umweltkritischen Aspekte der Solarenergie.

Solarzellen liefern nur Gleichspannung. Meist beträgt die Systemspannung bei Kleinanlagen nur 12 bzw. 24 Volt. Will man aber wechselstrombetriebene Haushaltsgeräte wie Kühlschrank, Küchengeräte oder Fernseher betreiben, muss die Spannung der Solarzellen mit Hilfe von so genannten Wechselrichtern in Wechselspannung von 230 Volt umgewandelt werden.

Die Aufgaben einer Batterie bestehen aus Speicherung elektrischer Energie bei dauernder Abgabebereitschaft. An die Batterie werden folgende Anforderungen gestellt:

• ausreichend hohe Ladungs- und Leistungsaufnahme
  
• lange Haltbarkeit im Zyklenbetrieb
  
• gute Wiederaufladbarkeit
  
• wartungsarmer Betrieb

Für stationäre Solaranlagen wird meistens der Bleiakkumulator, für mobile Anlagen ein Nickel-Cadmium-Akkumulator verwendet.

Die Kapazität einer Batterie in Amperestunden (Ah) gibt an, wie lange man mit einem bestimmten Strom den Akkumulator (Batterie) verwenden kann, also entlädt, bis er wieder mit elektrischer Energie geladen werden muss. Je niedriger der Entladestrom ist, desto größer ist die entnehmbare Kapazität. Einer Batterie mit 100 Ah kann man 100 Stunden lang einen Strom von 1 Ampere entnehmen. Einen Strom von 25 Ampere kann man ihr jedoch nur 2 Stunden lang entnehmen, das heißt, ihre Kapazität halbiert sich.

Der Ladewirkungsgrad einer Bleibatterie soll bei etwa 90 % liegen.

Das funktionsgerechte Aufladen des Akkus wird durch den so genannten elektronischen Laderegler erreicht. Er schaltet bei Erreichen der Ladeschlussspannung automatisch den Ladestrom ab und bei Unterschreiten der Mindestspannung wieder ein. Ein elektronischer Tiefladeschutz schützt die Batterie vor zu starker Entladung.