Sonnenkollektoren 2/4 Daten

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Veröffentlicht: Samstag, 26. Januar 2013 11:51

Geschrieben von Martin Erger

In den Katalogen der Händler wird die Leistung von Solarmodulen üblicherweise als Spitzenwert angeben. Manche geben auch einen Ertrag pro Tag an, der meistens um den Faktor 4 höher liegt. So wird aus einem 80 W-Modul ein 320 Wh/d–Modul. Einerseits sieht das nach viel mehr aus, andererseits soll dieser Wert auch eine Hilfestellung zur Gestaltung einer solaren Stromversorgung sein. Beides sind nur sehr grobe Richtwerte, für eine sinnvolle Dimensionierung sollte man sich die Mühe machen, etwas genauer hinzuschauen und mal einen Blick in das Datenblatt werfen, das es zu jedem Modul gibt.

Zunächst muss man wissen, dass alle dort aufgeführten Daten unter Laborbedingungen nach einer Norm (IEC 61215) ermittelt werden. Dabei geht man von einer Strahlung von 1akW/m² und einer Zellentemperatur von 25°C aus. Die Daten entsprechen deshalb nicht unbedingt den Bedingungen im praktischen Einsatz, machen aber die Module untereinander vergleichbar.

Ob mono- oder polykristalline Zellen verwendet werden kann einem im Grunde egal sein, denn entscheidend sind allein die Leistungsdaten. Insbesondere die elektrischen  erschließen sich dem interessierten Laien oft nicht direkt, sind aber wichtig, wenn man das Modul optimal nutzen will. Nebenstehende Tabelle zeigt die Daten eines typischen 80 W-Modules auf die ich mich in meinen Erläuterungen beziehen werde.

Arbeitskennlinie
Die sogenannte Arbeitskennlinie ist elementarer Bestandteil jedes Datenblattes. Sollte das nicht der Fall sein, sind zumindest die Leerlaufspannung (U_OC), der Kurzschlussstrom (I_sc) und der Maximum Power Point (MPP), also der Punkt an dem das Modul die maximale Leistung abgibt, genannt. Aus diesen Werten lässt sich die Arbeitskennlinie leicht selbst zeichnen. Mit den Daten eines 80 W-Moduls, wie es oben beispielhaft genannt wurde, sieht sie wie die violette Linie in nebenstehendem Bild aus. Durch äußere Beschaltung könnte man den Arbeitspunkt auf eine beliebige Stelle der Kennlinie legen. Legt man ihn auf den MPP gibt das Modul die maximal mögliche Leistung (P=U*I) ab. In diesem Beispiel mit U_MPP=17,6 V und I_MPP=4,5 A sind das 79,2 W, was der violetten Fläche entspricht. Würde man eine Batterie ohne weitere Bauelemente direkt anschließen, würde sie das Modul auf ihre vom Ladezustand abhängige Spannung zwingen. Der Arbeitspunkt läge dann an der gekennzeichneten Stelle. Bei 12,5 V würde das Modul 4,7 A liefern. Die Leistung (grüne Fläche) wäre aber nur 12,5 V * 4,7 A = 58,75 W, was nur 74% der möglichen Leistung entspricht. Es macht also Sinn, den Arbeitspunkt sorgfältig zu wählen.

Temperatureinfluss
Die Standarddaten werden bei einer Modultemperatur von 25°C ermittelt. Im praktischen Betrieb werden auch in Nordeuropa die Module wesentlich wärmer. Im Mittelmeerbereich sind auch 70°C keine Seltenheit. Aus obiger Tabelle geht hervor, dass sich der MPP mit jedem Grad Temperaturerhöhung um 0,55% nach unten verschiebt. Beträgt die Temperatur des Moduls nicht 25 sondern 65°C, was im Sommer schnell passieren kann, liegt der MPP nur noch bei 14 V. Allein dadurch ist der eben angesprochene nicht genutzte Überschuss schon wieder hin. Es ist also wichtig auf eine gute Luftzirkulation zur Kühlung der Module zu achten.

Leistung eines Kollektors in Abhängigkeit von der Beleuchtung

Ausrichtung
Die Leistung von Sonnenkollektoren nimmt in etwa linear mit der Beleuchtung ab. So wird unser Beispielmodul nicht mehr 80 sondern nur noch ca. 50 W liefern, wenn es statt 1000 nur noch mit 600 W/m² beleuchtet wird. Es liegt daher nahe eine optimale Ausrichtung vorzunehmen. Auf Booten ist das leichter gesagt als getan. Wenn man nicht gerade im Hafen fest vertäut liegt, wird sich das Boot bewegen und eine häufige Neuausrichtung erforderlich machen. Eine automatischen Ausführung ist sehr aufwendig und damit teuer. Eine manuell zu bedienende erfordert entsprechende Aufmerksamkeit und häufige Nachstellung. Wird z.B. die Morgenstellung nicht rechtzeitig vor Mittag korrigiert, geht mehr Energie verloren als wenn man die Kollektoren gleich horizontal montiert und damit die Morgen- und Abendverluste in Kauf genommen hätte. Die meisten Segler ziehen es deshalb vor, die Panele horizontal zu montieren und die dadurch entstehenden Verluste durch eine größere Fläche zu kompensieren.

Abschattung
Wenn eine oder auch mehrere der in einem Modul verschalteten Zellen ganz oder teilweise abgeschattet werden erhöht sich dadurch ihr Widerstand. Da die Zellen in Reihe geschaltet sind, fällt demzufolge das ganze Modul aus. Manche Module haben intern für einzelne Gruppen von Zellen Bypassdioden, die den Totalausfall verhindern sollen. Das bringt allerdings nur etwas, wenn man spezielle Regler (MPPT) verwendet, die auch mit niedrigeren Spannungen arbeiten können. Sind weitere Module parallel verschaltet, zieht das teilweise abgeschattete deren Arbeitspunkt herunter oder trägt nicht mehr zur Stromerzeugung bei. Auch teilweise Abschattungen sind deshalb unbedingt zu vermeiden.

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Leistungsdichte
Nicht alle Module arbeiten mit der gleichen Technologie. So lassen sich bspw. mit monokristallinen Zellen besonders leistungsfähige Module herstellen. Wenn man wie oft auf Booten wenig Platz hat, lohnt es sich möglicherweise darüber nachzudenken. Mit einem Taschenrechner lässt sich das Verhältnis von Leistung zur Modulfläche (W/m²) schnell zum Vergleich ermitteln. Wenn man darüber hinaus auch noch das Kosten-Leistungs-Verhältnis (€/W) errechnet, relativiert sich das möglicherweise wieder. Leistung hat auch bei Sonnenkollektoren ihren Preis.

Leitungsverluste
Batterien sind selten direkt neben den Solarmodulen montiert. Am Widerstand der Verbindungsleitungen entstehen Spannungsverluste, die nicht vernachlässigt werden dürfen. Ihre Höhe kann man leicht nach dem Ohmschen Gesetz (U = R * I) berechnen. R ist der Widerstand der Verbindungsleitung zwischen Kollektor und Batterie bzw. Regler. Man erhält ihn, wenn man aus der nebenstehenden Tabelle den Widerstand für den verwendeten Leitungsquerschnitt entnimmt und mit der einfachen(!) Länge der Leitung multipliziert. Eine 10 m Leitung mit 1,5 mm² Querschnitt hat demnach einen Widerstand 0,25aΩ, der bei einem Strom von 5 A zu einem Spannungsabfall von 1,25 V führt, bei einer 2,5er-Leitung wären es nur 0,65 V.

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Sonnenkollektoren 3/4 Regler