Photovoltaik – Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie

Photovoltaik-Exponat des Helmholtz-Zentrum Berlin auf der MS Wissenschaft 2010

Einführung
Die Sonne ist eine riesige Energiequelle und sendet uns eine ungeheure Menge Energie auf die Erde – Tag für Tag und ganz umsonst! Die Schwierigkeit liegt darin, diese Energie nutzbar zu machen. Mit der Photovoltaik gelingt dies. Ein Teil des Sonnenlichts kann mit dieser Technologie direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Auf dem Schiffsdach der MS Wissenschaft ist eine Photovoltaik-Solaranlage mit 32 schwarzen Modulen aufgebaut. Wenn diese Anlage in Deutschland aufgestellt wird, erzeugt sie pro Jahr ungefähr so viel elektrische Energie wie eine Person in Deutschland in einem Haushalt pro Jahr verbraucht, das sind etwa 1700 kWh.
Dass die elektrische Energie mithilfe der Photovoltaik direkt aus dem Sonnenlicht gewonnen wird, bedeutet allerdings auch, dass nur dann Strom erzeugt werden kann, wenn die Sonne scheint. Wird der Strom nicht im gleichen Moment vor Ort verbraucht, kann er in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden, damit er an einem anderen Ort verbraucht wird. Das passiert üblicherweise bei den Photovoltaik-Anlagen, die in Deutschland installiert sind. Falls die Solaranlage nicht an das öffentliche Stromnetz gekoppelt ist, muss die nicht verbrauchte Energie gespeichert werden, damit man sie auch bei Dunkelheit nutzen kann. Auf der MS Wissenschaft wird die von der Solaranlage erzeugte Energie in vier Batterien gespeichert. So steht die Energie der Sonne auch dann zur Verfügung, wenn sie nicht scheint.

Bedienung durch die Lotsen:
Das Exponat besteht aus der auf dem Schiffsdeck installierten Solaranlage, einem Computer, der die Datenerfassung managt und drei Beispielverbrauchern. Auf dem Computer läuft ein Programm, mit dem sich der Besucher auf verschiedenen Seiten Rahmendaten der Anlage anschauen kann. Außerdem kann er die drei Beispielverbraucher an- und ausschalten. Zur Bedienung des Programms siehe unten.

Die Solaranlage versorgt derzeit den Computer mit Strom, und sie betreibt die angeschlossenen Verbraucher. Am hinteren Teil des Exponattisches befinden sich Steckdosen, die mit dem Solarstrom versorgt werden und zum Beispiel für die Deckenlüfter oder zum Staubsaugen genutzt werden können. Maximale Gesamtleistung, für die der Wechselrichter ausgelegt ist: 2000 W . Dieser Wert sollte nicht überschritten werden: ein Staubsauger ist also okay, aber zwei wären für den Wechselrichter zu viel. Die Anlage kann nur so viel elektrische Energie produzieren, wie verbraucht wird, denn wenn die Batterien voll sind, kann keine weitere Energie eingespeist werden. Es wäre daher sinnvoll, wenn auch ausreichend Energie verbraucht wird. Wenn die Batterien leer sind, schaltet der Wechselrichter automatisch ab und der Computer und alle Verbraucher gehen aus. Der Wechselrichter schaltet automatisch wieder ein, wenn die Solaranlage wieder genügend Strom produziert. Der Start des Computers und des Programms sollte dann auch automatisch erfolgen.

Die Batteriekapazität beträgt ~ 10kWh. Allerdings gibt es keine direkte Kontrolle des Ladezustands der Batterie. Mithilfe des Programms kann man sich aber die Differenz zwischen erzeugter und verbrauchter Energie anzeigen lassen. Wenn hier die Summe über die letzten 3-4 Tage deutlich negativ ausfällt und in der Summe 8 kWh übersteigt, sollte vorübergehend etwas weniger gestaubsaugt werden. Es ist unwahrscheinlich, dass die Batterie in den Sommermonaten ganz leer wird. Selbst wenn dies einmal abends beim Staubsaugen geschieht, sollte am nächsten Morgen bei Öffnung der Ausstellung auch bei ungünstigen Lichtverhältnissen genügend Licht da sein, sodass sich die Anlage bald wieder einschaltet.

Bei Problemen oder Fragen kontaktieren Sie bitte eine der oben angegebenen Kontaktpersonen. Viel Spass!

Rahmendaten:

Stromverbrauch privater Haushalte in Deutschland: ~ 1700 kWh / Jahr pro Person.¹
Energieerzeugung aus einer 1 kWp-Anlage in Deutschland: 935 kWh - 1170kWh / Jahr²

-> Energieerzeugung aus einer 1.84 kWp-Anlage in D: 1720 kWh - 2150 kWh / Jahr.

Diese Daten beziehen sich auf eine ideale Ausrichtung und eine Anlage zur Netzeinspeisung. Bei einer Inselanlage mit Batterie hängt der Ertrag stark vom Verbrauch ab.

Daten der Anlage:

Anlage
- 32 Dünnschicht-Module auf der Basis von Kupfer-Indium-Sulfid (CuInS₂)
- Spitzenleistung der Anlage: 1,84 kW_p
- Gesamte Modulfläche: 26,5 m²
- Durchschnittlicher Jahresertrag in Deutschland: 1720 kWh - 2150 kWh
Module
- Spitzenleistung Modul: 57.5 W_p (U_mpp: 39.7V, I_mpp: 1.45 A)
- Abmessungen: 658mm x 1258mm
Speichereinheit
- 4 Batterien mit 12 V / 230Ah = 11.04 kWh

Das Programm

Nutzbare Energie
Hier kann der Besucher verschiedene Geräte (Lampe, elektronischer Bilderrahmen, Ventilator) einschalten. Der Verbrauch dieser Geräte ist angegeben. Er wird mit der aktuellen Sonneneinstrahlung und der damit erreichbaren Leistung der Solaranlage verglichen. Unten gibt es eine Anzeige, wie viele dieser Verbraucher gleichzeitig mit der aktuellen Sonneneinstrahlung betrieben werden könnten.

Verlauf
Hier werden die wichtigsten Kenndaten der Anlage und ihre Veränderung mit der Zeit dargestellt. Dazu zählen Verbrauch und erzeugte Leistung, Modulstrom und -spannung, etc. Unten wird der Ertrag der Anlage, der Verbrach sowie die sich ergebende Differenz für den aktuellen Tag und als Monatsübersicht angezeigt.

Anlagenübersicht
Eine grobe Schaltskizze und eine Anzeige der aktuellen Istwerte von Batteriestrom und –spannung, Modulstrom, -spannung und –leistung sowie der Verbrauchsdaten.

_{¹ BMWi, Zahlen für 2003-2008, Stand 09/12/2009: "Kennziffern des Energieverbrauchs Deutschland" Andere Quellen geben auch geringere Durchschnittsverbrauchswerte an, beispielsweise für das Jahr 2005 1300 kWh laut Forsa: "Erhebung des Energieverbrauchs für private Haushalte für das Jahr 2005"

² Agentur für Erneuerbare Energien, Erneuerbare Energien 2020 Potentialatlas Deutschland. Für eine nach Süden ausgerichtete PV-Anlage mit 35° Neigung. 935 kWh: Standort Kiel - 1170 kWh: Standort München}