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6.1 Zur "Geschichte" und Montage unserer Solaranlage

Aus Anlass der Einweihung der Fotovoltaikanlage auf dem Flachdach der Realschule Wetter im Jahre 1998 ließ sich H. Kaschuba für das Geschwister-Scholl-Gymnasium von der Firma Abakus auch ein erstes Angebot für eine Solaranlage machen. Zur gleichen Zeit begannen Verhandlungen mit unserem Energieversorgungsunternehmen . Dort standen noch Förderungsgelder für solche Zwecke zur Verfügung. Des Weiteren hatte die Stadt Wetter vom Land NRW im Rahmen des REN-Programmes (REN für R-egenerative Energien und En-ergie sparen) Fördermittell für regenerative Energien erhalten, die in beispielhaften Projekten in Schulen eingesetzt werden sollten. Es dauerte jedoch einige Zeit, bis das Projekt "ins Rollen" kam. Unter anderem musste die Frage geklärt werden, ob sich die Investition von beinahe 70.000 DM überhaupt lohnt.

Letztendlich machten mehrere Aspekte die Finanzierung möglich:

  • Fördermittel vom Land NRW
  • Fördermittel der Stadt Wetter aus dem REN-Progamm des Landes
  • Förderung (materiell und organisatorisch) durch die
  • "Erspartes" aus dem Energiesparprogramm "Fifty-Fifty" (1998 allein DM 8750!)

Da die Schule nicht selber als Träger einer Solaranlage fungieren kann, wurde dies vom Förderverein übernommen, dem also im Prinzip die Anlage gehört. Anders ausgedrückt: Der Förderverein erfüllt die geforderten juristischen Bedingungen. Gleichzeitig beauftragte der Förderverein H. Kaschuba mit der Durchführung der Maßnahme.

 

Zur Montage der Anlage

Während der Aufbauphase erschienen in den Jahren 2000 und 2001 auch einige kleine Seiten zum aktuellen Stand auf unserer Schul-Homepage unter GSG - Aktuelle Kurzmeldungen.

Nachdem Betonträger und die Solarmodule schon einige Tage vorher angeliefert und mit einem Autokran auf unser Schuldach gehoben worden waren und als auch das Wetter einigermaßen mitspielte, begann
  • am 8. Februar 2000 die Montage; nach einigen Tagen standen dann die Solarmodule auf Aluminiumstützen, die wiederum auf den Betonträgern befestigt sind, genau in Richtung Süden.
  • Seit dem 1. März 2000 ist die Solaranlage in Betrieb und
  • am 28. März 2000 wurde sie "feierlich" eingeweiht und damit der Öffentlichkeit präsentiert.
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6.2. Bestimmung des Stehwinkels
Skizze zum Stehwinkel eines Solarmoduls

Die nebenstehende Prinzipskizze zeigt ein Solarmodul (Maße ca. 2m x 1m x 1cm) montiert auf zwei Betonträger (ca. 2m x 15cm x 15cm).


Günstig: Sonnenstrahlen treffen senkrecht auf das Solarmodul.

Die Sonnenstrahlen sollen im Sommer, wenn die Sonne ihren höchsten Stand hat, genau senkrecht auf die Solarzellen treffen, weil so die Sonnenenergie am besten ausgenutzt werden kann.
Diese Situation zeigt die nebenstehende Skizze.

Ungünstig: Das Solarmodul wirft einen kleineren Schatten.

In der hier dargestellten Situation wird das Sonnenlicht nicht vollständig genutzt.
Zur weiteren Veranschaulichung: Das Solarmodul wirft nicht den größtmöglichen Schatten.


Überlegungen zur Bestimmung des Stehwinkels

Zur Bestimmung des Stehwinkels muss man zunächst wissen, wann und in welchem Winkel die Sonnenstrahlen auf die Erde bzw. auf unser Schuldach treffen.
Die Überlegungen beschränken sich jeweils auf den Tageshöchststand der Sonne.


Die Erdachse ist bekanntlich um den Winkel 23,5° gegen die Umlaufachse um die Sonne geneigt, was zur Entstehung der Jahreszeiten führt. Die obige, nicht annähernd maßstäbliche Skizze versucht eine Veranschaulichung.

Zur Bestimmung des Winkels zu den ausgezeichneten Jahrestagen:

Definition der verschiedenen Winkel

(Zur Erinnerung: Unser Schulgebäude liegt etwa auf dem 52. Breitengrad.)


Winteranfang: 21.12., besser: Wintersonnenwende
Die Sonne steht senkrecht über dem südlichen Wendekreis.

Winkel im Winter

90° - (23,5° + 52°) = 14,5°

An diesem Tag treffen die Sonnenstrahlen also in einem Winkel von14,5° auf unser Schuldach (wie bekannt, also "sehr flach"). Sollen die Strahlen senkrecht auf die Solarzellen treffen sollen, so muß gelten:

Neigung des Moduls

180° - 90° - 14,5° = 75,5°


Frühlings- und Herbstanfang: 21.03. und 21.09., besser: Tag- und Nachtgleiche ("Äquinoktien")
Die Sonne steht senkrecht über dem Äquator.

Winkel im Frühjahr und Herbst

90° - (52° - 0°) = 38°

An diesen Tagen treffen die Sonnenstrahlen in einem Winkel von 38° auf unser Schuldach. Sollen die Strahlen senkrecht auf die Solarzellen treffen, so muß gelten:

180° - 90° - 38° = 52°


Sommeranfang: 21.06., besser: Sommersonnenwende
Die Sonne steht senkrecht über dem nördlichen Wendekreis (Sahara).

Winkel im Sommer

90° - (52° - 23,5°) = 90° - 28,5° = 61,5°

An diesem Tag treffen die Sonnenstrahlen in einem Winkel von 61,5° auf unser Schuldach. Dann gilt also:

180° - 90° - 61,5° = 28,5°

Dies ist also der Stehwinkel für den Sommer und damit der optimale Stehwinkel eines fest installierten Moduls. Unter diesem Winkel sind deshalb die Module unserer Anlage aufgestellt.

In Test-Anlagen richten sich die einzelnen Solarmodule wie die Blätter (nicht die Blüten!) einer Sonnenblume immer nach dem Stand der Sonne, das heißt, dass sie sich jeden Tag (und je nach Jahreszeit) mitdrehen. Jedoch ist diese Technik nicht sehr verbreitet, sie ist aufwendig und damit auch kostspielig und störungsanfällig.

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6.3 Technische Daten und Funktionsweise

Prinzip-Schaltskizze unserer Solaranlage


Der Bezugs-Einspeise-Stromzähler misst die ins Netz eingespeiste elektrische Energie in Kilowattstunden.

Auf dem Schuldach wurden, wie bereits gesagt, 20 Solarmodule in 2 Reihen mit je 10 Stück montiert. Es handelt sich dabei um OPTISOL SFM Module der Firma Pilkington. Die Module haben eine Größe von 108cm x 210cm, das entspricht einer Modul-Fläche von je ca. 2,3m² und damit einer Gesamtfläche von ca. 45m². Sie haben eine Stärke von 1cm (4mm Frontglas, 2mm Zellenraum, 4mm Rückglas) und wiegen jeweils 50kg, zusammen also 1t. Jedes Solarmodul setzt sich aus je (16 x 8 =) 128 polykristallinen Solarzellen der Größe 12,5cm x 12,5cm (=156,25cm²) zusammen.

Strom-Spannungs-Kennlinie

Strom-Spannungs-Kennlinie

Die Strom-Spannungs-Kennlinie gibt die charakteristischen Eigenschaften der Solarmodule auf unserer Schule wieder. Sie stellt grafisch den Zusammenhang zwischen I und U bei STC (1000W/m², 25°C, AM 1,5; siehe auch 3.5. Das Solarmodul) dar.
An dieser Kennlinie kann man z. B. ablesen, dass die erzeugte Spannung des Solarmoduls am höchsten ist, wenn kein Strom fließt. Das liegt daran, dass die Spannung proportional zur Ladungsdifferenz zwischen Vorder- und Rückseitenkontakt ist, und diese wird um so größer, je weniger Ladungen sich durch den Verbraucher ausgleichen können, je kleiner also die Stromstärke ist. Diese höchste Spannung, die produziert werden kann, wenn kein Strom fließt (I= 0), nennt man Leerlaufspannung U0. Sie beträgt nach Herstellerangaben U0=37,8V.
Andererseits ist die Stromstärke am höchsten, wenn die Spannung gleich null ist. Die Stromstärke ist am größten, wenn alle von innen den Kontakten zugeführten Ladungsträger direkt nach außen zum Verbraucher abfließen, sich also keine Ladung auf den Kontakten sammeln kann, d.h. bei U=0. Dieser sogenannte Kurzschlussstrom I0 beträgt I0=9,4A.

Die maximale Leistung Pm, die den Solarmodulen entnommen werden kann, wird jedoch nicht durch die Extremwerte U0 und I0 bestimmt, sondern durch die Werte Um und Im. Diese Werte müssen so gewählt werden, dass ihr Produkt am höchsten ist (denn bekanntlich gilt Pm=Um x Im). In der Strom-Spannungs-Kennlinie entspricht dies dem größten Rechteck, das einbeschrieben werden kann (s. Zeichnung). Dieses bestimmte Verhältnis von Stromstärke und Spannung bestimmt den Arbeitspunkt für maximale Leistung (Maximum Power Point = MPP). Da sich dieses Verhältnis unter wechselnden Bedingungen ständig ändert, muss der Punkt der Höchstleistung immer neu berechnet werden. Diese Aufgabe übernimmt der Wechselrichter, er sorgt automatisch dafür, dass stets das Maximum erreicht wird.

Unter STC liefert ein Solarmodul unserer Schule eine Spannung von Um=30,1V bei einer Stromstärke von Im=8,3A. Das bedeutet jedes Modul hat eine maximale Leistung von Pm = 250W (= 30,1V x 8,3A). Daraus ergibt sich für die gesamte Anlage eine maximale theoretische Gesamtleistung von P = 5kW (= 20 x 0,250kW).


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6.4 Der Wechselrichter Sunny Boy

Informationen über den Sunny Boy

Begriffsklärung: Der Sunny Boy ist ein vollelektronischer Wechselrichter, der den von den Solarzellen produzierten Gleichstrom in Wechselstrom zur Einspeisung in das Wechselstromnetz umwandelt.

Auf unserem Schuldach besitzt jeder der beiden Solargeneratoren (Reihe von 10 Modulen) einen Sunny Boy. Das hat wieder einmal den Vorteil, dass bei Ausfall eines Wechselrichters der andere Solargenerator noch weiter Strom produziert.
Unsere Wechselrichter sind von dem Typ Sunny Boy 2000 der Firma SMA.
Sie haben einen großen Eingangsspannungsbereich von 125 V bis 500 V und sind außerdem kurzschlussfest. Die Ausgangsspannung beträgt an die jeweilige Netzspannung angepasst ungefähr 230 V.

Der Sunny Boy 2000 hat viele verschiedene Sicherheitseinrichtungen. Außerdem hat dieser Wechselrichter einen hohen Wirkungsgrad von 94 bis 96 %. Der Wirkungsgrad eines Wechselrichters drückt aus, wieviel Prozent der Eingangsleistung in Ausgangsleistung umgewandelt wird.
Der Sunny Boy 2000 hat ein Edelstahlgehäuse, das vor Wind und Wetter schützt. Die Elektronik arbeitet in einem weiten Temperaturbereich von -25 °C bis +60 °C. Dies hat den Vorteil, dass man ihn direkt unter einem Modul der Solaranlage auf dem Dach montieren kann. Das bedeutet kurze Kabelwege, weniger Leitungsverluste und somit eben einen höheren Wirkungsgrad der Gesamtanlage.


Im Foyer neben der Hausmeisterloge hängt eine Anzeigetafel, an der jederzeit die momentane Leistung, die "gesammelte" Gesamtenergie und die CO2-Ersparnis ablesbar sind.

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Auswertung der Sunnyboy-Daten

Über den Netzanschluss speist der Sunny Boy allerdings nicht nur den Solarstrom ins Hausnetz, sondern sendet gleichzeitig auch noch Informationen durch ein hochfrequentes Trägersignal. Die Datenübertragung erfolgt also einfach über die vorhandenen Leitungen der Elektroinstallation des Hauses, so dass die Informationen an Steckdosen verfügbar sind. Sie können dann mit einem Steckermodem empfangen und über die serielle Schnittstelle zu einem PC geschickt werden, mit dem man die Informationen auswerten kann.

Dies geschieht mit der Auswertesoftware Sunny Data. Das Programm arbeitet unter Windows und bietet die Möglichkeit, die Betriebsdaten aller angeschlossenen Wechselrichter zu erfassen und zu speichern, wie PV-Spannung, PV-Strom, Netzstrom, -frequenz und -impedanz, Einspeisestrom und -leistung, Gesamtenergie, Betriebsstunden, Betriebszustand, Isolationswiderstand und Fehlermeldungen. Man kann somit den Betriebszustand der Fotovoltaikanlage überwachen oder Online-Messdaten von einem Sunny Boy grafisch darstellen und Statistiken anfertigen ( siehe 7.1. Tagesübersicht). Ebenso können Parameterveränderungen zur optimalen Anpassung der PV- Anlage vorgenommen werden.

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Erstellt am 01.03.2000; zuletzt geändert am 12.09.2004 . (Ka)