Anleitung zur Dimensionierung einer Inselanlage

In diesem Artikel geht es um die Auslegung einer Inselanlage mit Photovoltaik, Solarakku und Laderegler. Solch eine 12V Solaranlage wird üblicherweise in Wohnmobilen, Gartenhäusern, Booten und Entwicklungsländern für die ländliche Elektrifizierung eingesetzt.

Hier findest du eine kleine Anleitung. So kannst du deine eigene autarke Solaranlage schnell berechnen. In diesem Artikel lernst du folgende Punkte:

  • mobile und stationäre Inselanlagen
  • Reisegewohnheiten
  • Reiseregion
  • Nutzungzeit
  • Autarkiezeit der Solaranlage
  • Schritt 1: Berechnung des Energiebedarfs der Inselanlage
  • Schritt 2: Auslegung des Solargenerators
  • Schritt 3: Auslegung der Solarbatterie
  • Fazit

Welche Inselanlage ist die richtige?

Es ist nicht leicht aus der großen Auswahl an Komponenten die passende Solaranlage für ein gut funktionierendes Inselsystem zusammenzustellen. Je nach benötigter Leistung der Verbraucher, der Nutzungszeiten und des Sonnenangebots werden unterschiedliche Solaranlagen-Sets benötigt.  Bevor du dich an die Auslegung der einzelnen Komponenten wie Photovoltaikmodul, Solarbatterie und Laderegler machst, sollten du einige grundsätzlichen Punkte klären.

Mobile oder stationäre Inselanlage

Eine stationäre Inselanlage ist ortsfest in einer Alpenhütte, einem Gartenhaus oder einer Ferienhütte aufgebaut. Da sich die Solaranlage an einem festen Standort steht, können für die Berechnung Strahlungsdaten der Sonne herangezogen werden.

Eine mobile Inselanlage ist auf einem Wohnmobil, einem Boot oder einem Bus montiert. Je nach aktuellem Aufenthaltsort der mobilen Solaranlage variieren das Strahlungsangebot der Sonne. Bevor man sich für eine mobile Solaranlage entscheidet, sollte man sich kurz Gedanken über die persönlichen Reisegewohnheiten, Reiseregionen und Reisezeiten machen.

Reisegewohnheiten (relevant für Solaranlage Wohnmobil)

Deine Reisegewohnheiten haben einen Einfluss auf deine Wohnmobil Solaranlage.

  • Fährst du regelmäßig Campingplätze an, so kannst du dort deinen entladenen Solarakku aufladen.
  • Bleibst du für viele Tage ohne Stromanschluss, so benötigst du natürlich eine größere Wohnmobil-Solaranlage.
  • Fährst du jeden Tag ein paar Stunden weiter, so kannst du über die Lichtmaschine deine Solarbatterien laden.

Reiseregion (relevant für Solaranlage Wohnmobil)

Reiseregionen haben von Nord nach Süd höchst unterschiedliche Sonneneinstrahlungen. Daher hat der aktuelle Standort einen Einfluss auf den Ertrag deiner Wohnmobil Solaranlage.

  • Bist du mit deinem Wohnmobil bevorzugt im Süden Europas unterwegs, so kannst du auf satte Solarerträge zählen.
  • Umso nördlicher du fährst, umso schwieriger wird es dich unabhängig mit deiner Wohnmobil Solaranlage zu versorgen. Es  herrscht ein wesentlich geringeres Strahlungsangebot und deine Wohnmobil Solaranlage muss größer ausfallen.

Nutzungszeit

Benutzt du dein Inselanlage nur im Sommer oder z.B. auch im Winter? Dein Nutzungsprofil hat einen Einfluss auf die Größe deiner Solaranlage.

  • Im Frühling und Herbst ist der Sonnenstand tiefer und das Sonnenangebot geringer als  im Sommer. Bei sparsamen Energieeinsatz kommt man in Mitteleuropa mit einer Photovoltaik-Inselanlage gut durch diese Jahreszeiten.
  • Im Winter ist es fast unmöglich sich in Mitteleuropa mit einer Solaranlage autark zu versorgen. Du hast in Mitteleuropa in der Sommerzeit im Vergleich zum Winter ca. das 10x fache Sonnenangebot. Deine Inselanlage wäre im Sommer also 10 fach überdimensioniert!
  • Beachte das du im Frühjahr, Herbst und Winter meist einen höheren Energieverbrauch hast.
  • Eine Solaranlage im Gartenhaus wird oftmals nur am Wochenende benutzt. Das Solarpanel kann also über die Werktage die Solarbatterie sicher voll laden. Meist reicht das etwas kleinere Solarmodul für die Energieversorgung in diesem Fall aus.

Autarkiezeit der Inselanlage

In einem Inselsystem kann jederzeit der Fall eintreten, dass die Sonne mehrere Tage nicht scheint. In solchen Schlechtwetterperioden entnimmst du der Solarbatterie weiterhin jeden Tag Energie, ohne das die Solarmodule Energie in den Solarakku hineinladen. Daher wird die Solarbatterie so dimensioniert, das du mehrere Tage deine Verbraucher weiter betreiben kannst. Eine zentrale Frage für die Systemauslegung ist also: Wie lange willst du unabhängig von Schlechtwetterperioden ohne Sonnenschein sein?

  • Normalerweise beträgt die Autarkiezeit in einem kleinen Inselsystem für Wohnmobile oder Gartenhäuser drei Tage.
  • Längere Autarkiezeiten erfordern größere Solarbatterien und kosten Geld.
  • In Wohnmobilen limitiert das hohe Gewicht der Bordbatterien und das Platzangebot die Größe der Batteriebank.
  • Um so größer deine Batteriekapazität ist, umso größer ist deine Autarkiezeit und umso länger deine unabhängigen Standzeiten.
  • Wie wichtig ist dir die Versorgungssicherheit mit Energie? Wenn dein Leben an der Stromversorgung hängt, lohnt sich eine hohe Autarkiezeit oder die zusätzliche Absicherung mit einem Dieselgenerator oder Brennstoffzelle.
  • Bist du flexibel und lernst deinen Verbrauch nach dem Sonnenenergieangebot und deinem Batterieladezustand auszurichten, so wirst zu bereits mit einer kleinen Solaranlagen in deinem Inselsystem viel Freude haben.
  • Energieeffiziente Verbraucher und sparsamer Energieeinsatz tragen wesentlich dazu bei, die Kosten für die Solaranlage gering zu halten.

Schritt 1: Berechnung des Energiebedarfs der Inselanlage

Je nach Anzahl deiner eingeschalteten Verbraucher und deinen Nutzungsdauer ändert sich dein Energiebedarf. Wichtig für es einen Überblick über deinen generellen Verbrauch zu haben. Du kannst hierfür deine Verbraucher und Nutzungszeiten pro Tag zu einem Tagesbedarf zusammenfassen.

Möchtest du jetzt deinen Verbrauch berechnen, so musst du zuerst die Leistung deiner Geräte in Erfahrung bringen. Jeder Gerät hat ein Typenschild auf dem die Leistung in Watt vermerkt ist.

Gehe wie folgt vor:

  1. Notiere alle Stromverbraucher inkl. der Leistung in Watt
  2. Notiere für jedes Gerät die tägliche Einschaltzeit in h
  3. Berechne jetzt für jedes Gerät den täglichen Energiebedarf (Leistung in Watt x tägl. Einschaltzeit in h = Energieverbrauch in Wh)
  4. Summiere den täglichen Energiebedarf aller Geräte -> diese Energiemenge in Wh muss deine Solaranlage jeden Tag bereitstellen
  5. Berechne die Spitzenleistung (Summiere die Leistung in Watt aller Geräte, die maximal gleichzeitig in Betrieb sind)

Wähle den Laderegler später so, dass er die Spitzenleistung verträgt. Falls du neben deinen 12V Geräten auch 230V Geräte in der Inselanlage betreiben möchtest, so benötigst du hierfür einen Wechselrichter bzw. Spannungswandler. Ein Teil deiner Spitzenleistung wird also direkt über den Spannungswandler geleitet. Hierbei fallen ca. 10-15% Wechselrichterverluste an.

Schritt 2: Auslegung des Solargenerators

Ein Solarmodul erreicht seine Nennleistung unter realen Bedingungen nur selten, da Temperatur, Strahlungswinkel und Verschmutzung die Leistung reduzieren.

Folgende vereinfachte Schritte sind notwendig um die Leistung des Solargenerators zu berechnen.

  1. Bereitstellung der Strahlungsdaten am Inselanlagen Standort
  2. Ausrichtung und Neigung der Solaranlage festlegen
  3. Korrekturfaktoren und Systemverluste festlegen
  4. Leistung der Solaranlage berechnen

Diese Anleitung ist im folgenden einfach gehalten. Eine ausführliche Berechnung einer kleinen Inselanlage würde den Rahmen sprengen und die meisten Leser nicht interessieren.

Solaranlage Wohnmobil:

  1. Strahlungsdaten variieren stark je nach aktuellem Standort
  2. Ausrichtung nach der Himmelsrichtung variiert je nach Stellplatz oder Fahrtrichtung, die Neigung der Solarpanels ist meist waagerecht – da auf Wohnmobildach montiert.

Folgende Erfahrungswerte geben Auskunft über den Ertrag eines horizontalen Solarpanels auf dem Wohnmobil. Ein 100 W Solarpanel erzeugt in Deutschland an einem sonnigen Wintertag ca. 50 Wh und im Sommer 420 Wh Solarenergie. Im Frühjahr und Herbst bringen 100 W Solarmodul horizontal auf einem Wohnmobildach im Schnitt 230 – 330 Wh pro Tag. Diese Angaben verstehen sich inkl. der Systemverluste, wie Kabelverluste, Einstrahlungswinkel, Temperatur, Verschmutzung etc..

Beispiel:

Bei einem täglichen Energiebedarf von 600 Wh im Wohnmobil benötigst du für die vollständige Versorgung in Deutschland:

  • im Sommer ca. 140 Watt installierte Solarmodul-Leistung
  • im Frühling und Herbst ca. 200 Watt installierte Solarmodul-Leistung
  • im Winter ganze 600 Watt installierte Solarmodul-Leistung

Bei Reisen nach Südeuropa kann man von ca. 50% Mehrertrag ausgehen. Bei Reisen nach Nordeuropa sind es ca. 50% weniger Sonnenertag. Dies sind grobe Richtwerte, um ein Gefühl für das Solaranlage im Wohnmobil zu entwickeln.

Eine genaue Berechnung ist bei Wohnmobil Solaranlagen also wenig aussagekräftig, sondern viel mehr sind die Erfahrungswerte von Campern von verschiedenen Regionen und Reisezielen heranzuziehen. Da unser Wetter bekanntlich nicht zu beeinflussen ist, benötigst du natürlich auch ein wenig Glück beim Reisen mit deiner Solaranlage.

Solaranlage Gartenhaus:

Bei einem Gartenhaus ist prinzipiell eine genau Berechnung des Solargenerators möglich. Da diese Berechnung den Rahmen dieses Blogs sprengen würde, verweisen wir auf existierende Exceldateien und Software mit ausführlichen Berechnungsmodellen.

Als grobe Orientierung für die Leistungsfähigkeit einer Gartenhaus Inselanlage: Die Ausrichtung des Solargenerators zeigt optimaler weise direkt nach Süden.  In Deutschland ist eine Neigung von 30° gut geeignet, um im Frühling und Herbst einen optimalen Solarertrag zu ernten. Dafür leidet zwar der Solarertrag im Sommer minimal, aber es steht meist eh ein Überangebot an Solarenergie zur Verfügung.

Diese Erfahrungswerte geben Auskunft über den zu erwartenden Ertrag eines bei 30° Neigung und Süd-Orientierung  in Deutschland installierten Solarpanels auf dem Gartenhaus. Ein 100 W Solarpanel an einem sonnigen Wintertag erzeugt ca. 60 Wh und im Sommer 400 Wh Solarenergie. Im Frühjahr und Herbst bringen 100 W Solarmodul horizontal auf einem Gartendach im Schnitt 280 – 380 Wh pro Tag. Diese Angaben verstehen sich ebenfalls inkl. der Systemverluste, wie Kabelverluste, Einstrahlungswinkel, Temperatur, Verschmutzung etc..

Schritt 3: Auslegung der Solarbatterie

Egal ob AGM, Gel oder Panzerplattenbatterie – die Solarbatterie basiert meistens auf der Blei-Säure Technologie. Bleisäurebatterien sind anfällig gegenüber Tiefentladung. Der Tiefentladeschutz des Solarreglers trennt daher bei einer Entladung von ca. 10,5V den Solarakku von den Verbrauchern.  Damit sind nur 70% der Nennkapazität der Solarbatterie für die tägliche Be- und Entladung aktiv nutzbar.

Im Schritt 1 wurde der durchschnittliche Tagesverbrauch in Wh berechnet. Da während Schlechtwetterperioden die Solaranlage keinen Ertrag bringt, muss in dieser Zeit der Energiebedarf allein von dem Solarakku geliefert werden. Normalerweise wird von einer Autarkiezeit von 3 Tagen ausgegangen. Das gibt dir im Verbrauch ein wenig Spiel und du kannst kurze Schlechtwetterperioden überbrücken.

Die Formel lautet:

Batteriekapazität = Tagesbedarf in Wh x 3 Tage Autarkiezeit x 1,4 / 12 Volt

Faktor 1,4: Überdimensionierung der Batterie, da nur 70% der Nennkapazität nutzbar

Beispiel:

600 Wh durchschnittlicher Tagesbedarf x 3 Tage Autarkiezeit = 1800 Wh Speichergröße
1800 Wh Speichergröße x 1,4 = 2520 Wh
2520 Wh / 12V = 210 Ah Batteriekapazität bei 12 V Systemspannung

Du wählst eine Solarbatterie mit 210 Ah (C20) und kannst damit deinen Tagesbedarf ohne Tiefenentladung 3 Tage decken.

Ein weiterer Vorteil der Autonomiezeit ist, das deine Batterie jeden Tag nur um 23% gezykelt wird. Ohne Autonomiezeit wird die Batterie jeden Tag um 70% ihrer Nennkapazität gezykelt und schnell verschleissen. Je geringer die tägliche Zyklentiefe, je länger die Lebensdauer der Batterie und je größer die Lebensdauerentnahme aus der Batterie.

Fazit

Letztendlich ist jedes Inselsystem in seinen Anforderungen einzigartig. Optimaler weise lädt deine Solaranlage deine Batterie im Tagesverlauf immer wieder vollständig auf, so dass die verbrauchte Energie des Vorabends wieder vorhanden ist.

Nun kennst du einige wichtige Punkte für die Bestimmung deiner Inselanlage. Gerade bei kleinen Inselanlagen ist eine Auswahl basierend auf Erfahrungswerten sinnvoll. Leider gibt es kaum Standards im Markt. Für den Endverbraucher ist daher ein objektiver Vergleich zwischen den Komplettsets oder den einzelnen Komponenten wie Laderegler, Solarakku und Solarpanel schwierig. Auf dieser Seite findest du weitere Anleitungen und Tipps, damit du deine perfekte Solaranlage findest.

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