Seit einiger Zeit habe ich 4x100Watt Solarmodule auf dem Dach. Aus der ursprünglichen Nutzung für die Gartenbeleuchtung ist in diesem Jahr eine „echte Anwendung“ geworden. Siehe dazu auch weitere Artikel hier auf der Webseite.

Die verbleibende IT, bestehend aus 2x Fritz Box, 2x Layer3 Router, 2x NAS und in Raspi´s, benötigt immer noch ca. 0.4A oder 80Watt. Das 24×7, bedeutet im Jahr so ca. 700kWh.

eigene Abschätzung

Mein kleines Solarkraftwerk nenne ich auch liebevoll mein „Forschungsprojekt„. Es dient im kleinen dazu viele Dinge zu verstehen und später einmal etwas größeres aufzubauen. Die 1.6KWp Anlage ist in der Vorbereitung 😉 Damit ich einige Dinge besser einschätzen kann habe ich den Raspi, der für die Steuerung der Gartenbeleuchtung dar ist und vor Langeweile nicht weiß was er machen soll, mit einigen Aufgaben betreut. Er hat ein paar Sensoren bekommen und erfasst 24×7 die Daten der Anlage. Diese werden in eine SQL DB geschrieben und stehen zur Auswertung zur Verfügung.

Diese Daten sind:

  • Spannung am Solarmodul
  • Stromlieferung des Solarmoduls
  • Akkuspannung
  • Leistung die durch den Wechselrichter in das 230V gegeben wird
Chart vom 11. Mai 2022

Das Bild zeigt die Auswertung vom 11. Mai 2022. Das war ein teilweise sehr sonniger Tag aber auch mit Bewölkung. Also kein schlechter Tag aber auch nicht der Beste. Das Chart zeigt aus meiner Sicht folgende Phasen:

  • 00:00 – 05:11: Dunkel, Akkuspannung so ca. 11.5 Volt
  • 05:11 – 11:00: Die Sonne kommt um das Haus und ab 10 Uhr werden die Solarmodule voll ausgeleuchtet. Gegen 11.00 Uhr ist der Akku voll und der Laderegler geht in den Boost Mode. In diesem Mode wird der Akku von der Ladung erhalten und der verrauchte Strom durch die Solaranlage geliefert. Marker 1 im Chart. Zwischenzeitlich hat die Batteriespannung den Schwellwert für den Wechselrichter überschritten und dieser Schaltet die IT-Stromversorgung um auf Inselbetrieb (rote Linie)
  • 11:00 – 17:00: Diese Zeit ist recht unspektakulär, hier ist der Akku voll, Solarzellen liefern Energie und ab 17.00 beginnt die Abschattung der Solarzellen durch Bäume. In diesem Zeitraum könnte die erzeugte Energie noch besser genutzt werden – oder besser gesagt hier ist Potenzial. Dazu später mehr. Dann gibt es einen Bereich wo einzelene Punkte sprunghaft runter gehen. Dorts sucht der Laderegler den optimalen Ladepunkt – ein Ergebnis von MPPT.
  • 17:00 – 21:37: Durch die Abschattung und Sonnenuntergang nutzt der Wechselrichter die erzeugte Energie, ab 11V (gegen 20:25 Uhr) schaltet der Wechselrichter aus und das öffentliche Netz übernimmt wieder. Dann wird der Akku noch einmal ein wenig nachgeladen bis gegen 21:37 Uhr der Raspi keine Spannung am Solarmodul mehr misst.
  • Ab 21:35 Uhr, das steuert der Raspi abhängig von Sonnenstand, wird die Gatenbeleuchtung eingeschaltet. Diese geht um 01.00 Uhr aus.

Fazit und Potenzial

In den letzten Tage haben wir schönes Wetter gehabt und das System funktioneirt recht gut und zuverlässig. Der Bereich zwischen Marker 1 und Marker 2 ist aus meiner Sicht potenziell noch weiter nutzbar. Insbesondere bei intensiver Sonnebestrahlung könnte der Strom doppelt oder sogar dreimal so hoch sein. Das sind aktuell 6-8 Stunden wo bis zu 180Watt NICHT genutzt werden. Das sind immerhin 0,180kW * 7h = 1,26kWh. Bedenkt man das die IT-Infrastruktur aktuell täglich so ca. 0.8 bis 1kWh aus Solarenergie bezieht wäre das eine Verdopplung der genutzen Energiemenge.

Möglichkeiten zur Nutzung

Konzeptionell gehen mir zwei Dinge durch den Kopf. Entweder das Energiepotenzial wird genutzt zu dieser Zeit oder es wird gespeichert. Gespeichert bedeutet Erhöhung der Akkukapazität oder Veränderung des Speichers, der Speichertechnologie. Damit wäre dann auch gleich die Frage der Erhöhung verbunden, welche sich nach obiger Rechnung ansatzweise definieren lässt. Es kann also ein Speicher sein der etwas zwischen 0.6 und 1.2kWh liefern kann. Gleichzeitig sollte es nicht wirtschaftlicher Totalschaden werden.

Berechnung:
Bedarf: 80 Watt x 10h = 0,8kWh
Akku: Cnenn = (Pmax * C) / U = (80W * 20h) / 12V = 133Ah ==> Nächster Normwert der Batterie: 12V/110AH/C20 (AGM-Akku) alternativ
Cnenn = (Pmax * C) / U = (80W * 1h) / 12V = 66Ah ==> Nächster Normwert der Batterie: 12V/50AH/C1 (LiFePO-Akku)

Speicheraufrüstung mit 12V System

Blickt man auf das Chart währe es gut, die rote Kurve in der der Wechselrichter seinen Dienst tut zu verlängern. Das gelingt nur mit geeigneter Energie aus Batteriespeicher. Dieser würde dann über die Nacht hnweg die benötigte Energie liefern.

Wichtig ist der C-Faktor eines Akkus. Dieser beschreibt die Entladedauer bezogen auf die Kapazität. Gegeben sind: U=12V, Cnenn=110Ah, C100
Pmax = Cnenn / C * U = 110Ah / 100h * 12V = 13.2W (Das ist ca. 10% von dem was ich benötige!!)

Wichtig ist bei der Kapazitätsangabe den C-Faktor einzuschätzen. In diesem Fall besagt dieser, die Kapazität von 110Ah hat die Batterie bei einer Entladung von 13.2Watt und einer Dauer von 100 Stunden bei einer Spannung von 12V. Würde diese Batterie jetzt mit einer höheren Last betrieben werden verläuft die Kurve nicht linear, sondern die Batterie ist viel schneller leer. Faktisch währe eine Batterie mit dem C-Faktor 10 die bessere Wahl. Wird also die Kapazität in kürzerer Zeit als auf 100 Stunden verteilt benötigt muss die Kapazität erhöht werden oder der C-Faktor der Batterie. Zusätzlich ist Spannung der Batterie zu beachten. Da die Batterie nicht tiefentladen werden darf sollte man bis zu 50% Restkapazität (abhängig vom Batterietyp) als Reserve beachten. Dieser Wert kann auch als Sicherheitsfaktor vor Tiefentladung betrachtet werden und liegt bei AGM/ Gel Batterien so bei 1.3 – Mit 50% ist man also auf der sicheren Seite 😉

Bei der Wahl der Solarbatterie habe ich genau diesen Fehler aus Unkenntnis gemacht. Eine Batterie mit C-Faktor 10 hätte knapp das doppelte gekostet, hätte mich vermutlich über die Nacht hinweg mit Energie versorgt. Würde ich, um den gleichen Effekt zu erreichen, die Kapazität erhöhen müsste ich eine Nenn-Kapazität von >1.000 Ah bereitstellen. Auch eine Erkenntnis aus dieser Forschung 😉

Der Einsatz eines LiFePo Akkus anstatt eines AGM-Akkus ist vermutlich die noch bessere Wahl. Die Akkus haben einen C-Faktor = 1..10, sie sind kleiner, langlebiger und haben eine deutlich geringere Entladespannung.

Verbraucher zeitweise hinzuschalten

Ich hatte die Idee den Gefrierschrank noch in den Verbund mit aufzunehmen. Der benötigt zeitweise ca. 60-80Watt, hat aber einen zu hohen Anlaufstrom. Aktuell fehlt es schlicht an einem geeigneten Verbraucher.

Wie geht es weiter?

Einen Verbraucher finden und hinzuschalten ist die beste Alternative. Damit wird das Energiepotenzial genutzt ohne Investition. Nix zu machen ist erst einmal die wirtschaftlich und vom Aufwand betrachtet die beste Alternative. Technologisch reizt es einen anderen Speicher einzusetzen und damit einen echten Inselbetrieb über 24×7 nahe zu kommen. Fakt ist aber auch das die Erkenntnis mit der Batterie so nicht hatte und das erst durch die Auswertung der Daten und daraus resultierenden Alternativen so gesehen habe. Ich treffe mal die Annahme das es im kleinen mit meinem „Forschungsprojekt“ 0.4KW peek genauso ist wie bei einer Anlage mit 4KW peek.