Die Highlights im Bereich Elektrik sind im Folgenden:

• autarke Stromversorgung mit Hilfe der Sonnenenergie
• hybride Stromversorgung vom autarken zum lokalen Stromnetz mit einer manuellen Wieder-einschaltung des Solarnetzes
• komplette elektrotechnische Lösungskette zur Sonnenenergieumwandlung, -speicherung und Verteilung. Die Umwandlung und Speicherung basiert auf einem 24 V-Gleichstromsystem, welches anschließend in ein 230 V Wechsel-stromsystem transformiert und verteilt wird.

Anbei ist die grundlegende Verschaltung einer Solar-Insel-Anlage zu sehen.

Das Grundprinzip unserer Lösung

Zu sehen ist die schematische Darstellung der wichtigsten elektrischen Komponenten im SHS. Die mit Hilfe der Photovoltaikmodule umgewandelte Sonnenenergie wird in zwei Akkumulatoren gespeichert.  Das Aufladen der Akkus erfolgt mit Hilfe eines Ladereglers.   Diese Gel-Akkus sind in Reihe geschaltet, um eine 24 V-Systemspannung gewährleisten zu können. Im Gegensatz zu einer 12-V Systemspannung arbeitet das 24 V-System mit geringeren Verlusten. Die Umwandlung der Gleich- in Wechselspannung übernimmt der abgebildete Wechselrichter.

Ausgewählte Berechnungsgrundlagen

Für die Dimensionierung einer Solar-Insel-Anlage werden zahlreiche Faktoren, wie die

• globale Sonnenstrahlung am ausgewählten Ort,
• Systemleistung,
• zu versorgenden Verbraucher,
• realisierte Peak-Leistung der Solarpanele,
• angestrebte Autonomie,
• realisierte Akku-Kapazität, ...

berücksichtigt.

Die Photovoltaikmodule

Die Photovoltaikmodule wandeln das Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um. Für das SHS sind polychristaline Solarmodule verwendet und auf der Basis  unserer Berechnungen insgesamt 3 Stück eingesetzt worden. Der daraus resultierende Solargenerator hat eine Gesamtleistung von 660 Watt Peak (Wp). In den Bildern sehen Sie:

• das Datenblatt,
• die Modellbezeichnung,
• die 3D-Modellierung,
• die Testphase in Ludwigsburg,
• den Aufbau in Kamerun.

Der Laderegler

Der Steca PR 30 Laderegler ist das Highlight unter den Solarladereglern. Die neuesten Ladetechnologien verbunden mit einer nochmals deutlich verbesserten Steca-AtonIC-Ladezustandsbestimmung ergeben eine optimale Batteriepflege und -Kontrolle unserer 660 Wp  Modulleistung. Ein großes Display informiert den Nutzer mit Hilfe von Symbolen über alle Betriebszustände. Der Ladezustand wird in der Art einer Tankanzeige visuell dargestellt. Daten wie z. B. Spannung, Strom und Ladezustand können auch digital als Zahl auf dem Display angezeigt werden. Zudem verfügt der Regler über einen Energiezähler. All diese Informationen fließen in die  wöchentliche Datenerfassung ein.

Die Blei-Gel-Akkumulatoren

Die im SHS verwendeten Blei-Gel-Akkumulatoren zeichnen sich nicht nur durch ihre geschlossene und damit transportsichere Bauweise aus, sondern sind darüber hinaus wartungsfrei. Bei optimaler Auslegung, so wie sie im SHS eingesetzt worden sind, können sie eine Lebensdauer von bis zu 10 Jahren erreichen. Im SHS kommen zwei in Reihe geschaltete Blei-Gel-Akkumulatoren mit jeweils 12 V, 200 Ah, 63 kg zum Einsatz. Des Weiteren sind ein Gleistrom-Trennschalter sowie eine -Sicherung vorhanden.

Der Wechselrichter

Der hier verwendete Wechselrichter transformiert die in den Akkus vorhandene Gleichspannung (24 V) in Wechselspannung (230 V).  Eine der vielen Besonderheiten ist die Bereitstellung einer echten Sinusspannung, die den Betrieb von sehr empfindlichen Elektro-Geräten ermöglicht. Das Gerät zeichnet sich außerdem durch die stabile Versorgung von unterschiedlichsten Geräten und den geringen Eigenverbrauch aus. Es verfügt darüber hinaus über zahlreiche Schutzvorrichtungen, die einen sicheren Betrieb auch im Fehlerfall garantieren.

Der Hauptsicherungskasten

Dieser Kasten stellt das Herzstück des Hybrid-SHS-Steuerungssystems dar. Darin verbaut sind von oben nach unten, links nach rechts folgende Komponenten:

• Der DC-Trennschalter, dessen Aufgabe es ist, die Verbindung zwischen den Solarmodulen und den Akkumulatoren über dem Laderegler zu trennen.
• Der 2-polige FI-Schutzschalter (F1) zur Absicherung der elektrischen Geräte und zum Personenschutz gegen Fehlerstrom. Dieser FI-Schutzschalter ist direkt nach dem Wechselrichter verbaut.
• Der 2-polige FI-Schutzschalter (F2). Dieser ist mit dem lokalen Energieversorger verbunden.
• Im Fall eines niedrigen Akkustandes schaltet unsere Steuerung automatisch von F1 zu F2 um. In diesem Fall werden die Elektrogeräte mit dem lokalen Stromnetz augenblicklich verbunden.
• Die Schütze Q1 u. Q2 sind Teil des ausgeklügelten Steuerungskonzepts, welches die automatische Umschaltung ermöglicht.
• Zur manuellen Zu- u. Abschaltung des jeweiligen Versorgungsnetzes müssen die Tasten S1 u. S2 betätigt werden. Mehr dazu erfahren Sie in den Videos zu den Testreihen (s. unten).

Test der selbstentwickelten Hybrid-Schaltung:

Diese Lösung ermöglicht den sicheren Betrieb von elektrischen Geräten mit zwei getrennten Energiequellen. Dabei kommen die Energiequellen zu keinem Zeitpunkt in Kontakt. In unserem Fall können so die Elektro-Geräte bei niedrigerem Akkustand jederzeit innerhalb von Millisekunden weiterhin mit der Energie eines lokalen Stromanbieters versorgt werden.

Validierung der selbstentwickelten Hybrid-Schaltung: Hier wird gezeigt wie das System bei Stromausfall die verfügbare Stromquelle (hier Hausstromnetz) zuschaltet. Es geschieht so schnell, dass der akkufreie Laptop nicht ausgeht.