Kontext

Ich beschäftige mich gerne mit Themen Schritt für Schritt angefangen mit kleinen und einfachen Lösungen, die sich dann langsam an große und komplexe Lösungen herantasten. Mein Einstieg in die faszinierende Welt der Photovoltaik begann 2022, als ich durch Zufall hörte, dass Bastler und Maker wie ich ein kleines Photovoltaiksystem ohne professionelle Elektriker einrichten können, solange die Stromerzeugung auf der AC-Seite 600 W nicht übersteigt. In Deutschland werden diese kompakten Kraftwerke unter verschiedenen Namen geführt, aber am gebräuchlichsten ist Balkonkraftwerk, selbst wenn sie nicht unbedingt auf einem Balkon angebracht werden. Diese Erkenntnis führte zu einer Lernreise (lesen, YouTube-Tutorials, Austausch mit lokalen Hobbygruppen) bei der ich mein Verständnis für Photovoltaik vertiefen konnte.

Der folgende Blog-Beitrag dokumentiert diese Reise und ich hoffe, dass der Eine oder andere damit einen leichteren Start in die Materie der Balkonkraftwerke und Photovoltaik hat.

Bilder anklicken

Wenn du weiter unten Bilder siehst, dann klicke diese gerne an, um eine detailliertere, vergrößerte Ansicht zu erhalten.

Das Solar-Tisch-Projekt

Ich wohne in einer Wohnung im ersten Stock mit einem ungefähr nach Süden ausgerichteten Balkon. Als ich beschloss, ein Solarkraftwerk auf meinem Balkon zu bauen, erfuhr ich durch mein erstes Googeln, dass die Montage von Solarmodulen/Paneelen^[1] an der Außenseite des Balkons die Genehmigung der Eigentümergemeinschaft erfordert. Leider bietet sich diese Chance üblicherweise nur einmal im Jahr während der jährlichen Eigentümerversammlung, und ich hatte meine Chance für 2022 verpasst. Sehr hilfreich in diesem Moment war das Dokument Balkonkraftwerke in der Eigentumswohnung. Mit seiner Hilfe fand ich eine “kreative” Lösung in Form eines Solartisches, der keine Genehmigungen benötigt, da er in die Kategorie Balkondekoration fällt.

Während meiner Recherche stieß ich auf eine Anleitung zum Bau eines Solartisches auf Heise: Strom selbst erzeugen: Wie Sie einen Solartisch bauen^[2]. Als “motorischer Legastheniker” war mir das aber zu kompliziert und ich adaptierte die Lösung: zwei STIER Falt Arbeitsböcke für jeweils 36,81€, mit einer einfachen Holzkonstruktion obendrauf.

Durch dieses Projekt wurde ich auch mehrmals mit der Nase in ein unerwartetes Problem gestoßen: dem Mangel an Standardisierung in der Photovoltaikbranche. Ich hatte angenommen, dass die Solarindustrie nach über zwei Jahrzehnten ihres Bestehens es geschafft hätte Standards zu etablieren, insbesondere für scheinbar banale Dinge wie Größenmaße. Aber das ist nicht der Fall. Dieser Mangel an Standards ist in der Solarindustrie weit verbreitet, also ACHTUNG!! Nimm nichts als gegeben hin.

Mein konkretes Problem war, dass ich, wie im Heise-Artikel erwähnt, die gleichen Montageschienen von eet.energy verwenden wollte, aber zugleich ein anderes Panel verwendete - ein Jinko Solar JKM375N-6TL3-B mit den Maßen (H x B x T) in mm: 1692 x 1029 x 30. Die Tiefe des Panels betrug nur 30mm, während die Montageschienen für Module mit einer Tiefe von 35-40mm ausgelegt waren. Kurz gesagt, die Schienen passten nicht zu meinem Panel. Ich kaufte schließlich das K2 2004211 MiniRail 2.0 Set zusammen mit den K2 2002559 Clamp EC 30-50mm Klemmen, die dann auch zu meinem Panel passten.

Du fragst dich vielleicht, warum ich das Panel nicht einfach auf den Tisch geschraubt habe. Das ist eine meiner verbleibenden offenen Fragen. Ich stieß auf mehrere YouTube-Videos, die darauf hinwiesen, dass der Rahmen eines Solarmoduls nicht als “tragende Struktur” konzipiert ist. Ich fand keine konkreten Dokumente dazu, aber zum Beispiel warnt in dem Video Darum nicht anwinkeln am Balkon: Windlast-Gefahr / Achtung: Modulrahmen Holger Laudeley ausdrücklich vor der Montage mit Schrauben. Obwohl die Installationsanleitung von Jinko Solar unter Punkte “2.3.1 Montage mit Schrauben” erwähnt, entschied ich mich, auf Nummer sicher zu gehen.

Eine weitere Frage, die aufkam, betraf das Drehmoment, das beim Montieren der Klemmen anzuwenden ist. Laut den Installationsanleitungen von Jinko Solar beträgt der Referenzwert des Anzugsdrehmoments für eine M8-Schraube 16-20 Nm und für eine M6-Schraube 9-12 Nm.

Handhabbarkeit

Mein Jinko Solar JKM375N-6TL3-B Solarmodul misst 1692 x 1029 x 30mm und wiegt 19kg. Ursprünglich entschied ich mich für dieses Modul in der Annahme, dass es in den Kofferraum von unserem Kombi passen würde. Ich nahm (fälschlicher Weise) an, dass die Länge das einzige potenzielle Problem darstellen würde. In unseren Kofferraum passen Gegenstände bis zu fast 1,8m Länge. Ich dachte, mit diesem Modul bliebe mir ein komfortabler Spielraum von 10cm. Die Breite erwies sich jedoch als größere Herausforderung als die Länge. An seiner schmalsten Stelle ist unser Kofferraum nur 0,95m breit. Im Nachhinein wäre jedes Panel für unseren Kofferraum zu groß gewesen. Das mag trivial erscheinen, bis man die Paneele transportieren oder verkaufen muss, z.B. wenn man umzieht, dann wird es zu einem erheblichen Problem.

Ein weiteres Thema, das auf dich zukommt, wenn du vorhast, die Module an der Außenseite deines Balkons zu montieren, ist die Sicherheit, insbesondere die Windlast. Holger Laudeleys Video bietet eine ausführliche Diskussion zu diese Sicherheitsaspekten und er löst das Thema mit einem speziellen Montageset: Darum nicht anwinkeln am Balkon: Windlast-Gefahr. Das war mir aber dann zu aufwändig und zu teuer.

Die Hauptmotivation ein Standardpanel zu nehmen ist der Preis. Du solltest aber bedenken, dass das Panel allein nicht ausreicht; du brauchst auch ein Montageset. Unabhängig von der konkreten Ausführung kostet so ein Montageset immer rund 100€ pro Panel. Die Kosten für meinen Solartischunterbau waren grob 100€. Eine weitere Option, die ich mir angeschaut hatte, war das Profiness Montageset für Balkongeländer PV-Montagesystem >>> Aufständerung >>> Geländer/Zaun/Wand-Sets (du musst manuell durch das Menü auf der linken Seite klicken, da eine direkte Verlinkung nicht möglich war), das ebenfalls rund 100€ kostet.

Im Gegensatz dazu sind spezialisierte Paneele für die Balkonmontage kleiner, leichter und viel einfacher zu handhaben. Die beiden, die ich mir angesehen habe, sind:

• PiE AIR superLIGHT 390+
• ledscom.de 4 x 105W Solar Panele, klein (101x55x2cm), leicht (2,1kg)

Aus Sicherheitsgründen fühle ich mich wohler damit ein 3kg Panel mit Klettverschluss am Balkongeländer zu montieren als ein schweres 20kg Panel mit einem Montageset. Aber das ist nur meine persönliche Meinung.

Der Hauptnachteil dieser spezialisierten Paneele sind die Kosten. Sie kosten etwa 1€/Wp, verglichen mit 0,25€/Wp (oder sogar weniger) für ein Standardpanel. Es bleibt zu hoffen, dass diese Systeme in Zukunft erschwinglicher werden.

Wechselrichter mit MPPT-Tracker

Solarmodule erzeugen Gleichstrom, aber das Hausnetz arbeitet mit Wechselstrom. Hier kommt ein Wechselrichter ins Spiel. Es handelt sich um ein Gerät, das Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Wechselrichter gibt es in verschiedenen “Größen”. Zum Beispiel würde ein großes Solarkraftwerk eine andere Geräteauswahl benötigen als ein kleines Balkonkraftwerk. Die Wechselrichter für kleinere Setups, wie Balkonkraftwerke, werden oft als “Mikro-Wechselrichter” bezeichnet. Diese haben in der Regel Anschlüsse für ein oder zwei Solarmodule, wobei MC4-Anschlüsse der Standard ist. Zumindest hier scheint es, dass sich die Anbieter auf MC4-Anschlüsse geeinigt haben. Jeder Anschluss hat in der Regel einen eigenen MPPT-Tracker (Maximum Power Point Tracking), dessen Aufgabe es ist, die Leistung des Panels zu optimieren.

Eine Randbemerkung: wenn du mit größeren Solarkraftwerken arbeitest, bei denen mehrere Module in Serie und/oder parallel an einen einzigen Wechselrichter angeschlossen werden, könntest du Probleme bekommen, wenn die Module nicht gleichmäßig Sonnenlicht erhalten. Dies könnte aufgrund unterschiedlicher Ausrichtungen oder Schattenunterschiede der Fall sein. Es ist auch ratsam, keine Module von verschiedenen Herstellern zu mischen. Selbst Module desselben Herstellers und Typs können Probleme verursachen, wenn sie nicht genau standardisiert sind oder in verschiedenen Chargen hergestellt wurden. Für eine vertiefte Behandlung dieses Themas empfehle ich Photovoltaik: Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis von Konrad Mertens.

Glücklicherweise wirst du dieses Problem mit Mikro-Wechselrichtern nicht haben, da jedes Panel eine dedizierte Verbindung zum Wechselrichter hat.

Darüber hinaus kann man (Mikro-)Wechselrichter auf der AC-Seite verbinden. Im Prinzip ist das Äquivalent damit mehrere Wechselrichter an einer Mehrfachsteckdose anzuschließen, aber die Wechselrichter sind bereits dafür ausgelegt, auf der AC-Seite verbunden zu werden.

Im Wesentlichen ist das alles. Verbinde die Module mit dem Wechselrichter, steck den Wechselrichter in die Steckdose, und schon kann es losgehen.

Als ich mich für den Hoymiles HM-600 Mikro-Wechselrichter entschied, habe ich nicht viel darüber nachgedacht:

Im Nachhinein glaube ich jedoch, dass es eine kluge Wahl aus mehreren Gründen war:

• Er lässt sich sehr einfach mit Home Assistant über OpenDTU^[3] oder AhoyDTU integrieren. DTU steht für Data Transfer Unit und fungiert als “Proxy” zwischen dem drahtlosen Protokoll, das die Hoymiles HM-600 Wechselrichter nativ verwenden, und WLAN/MQTT. Obwohl Hoymiles DTU-Einheiten verkauft, können diese recht teuer sein.
  • Für HMS, HMT: DTU-Pro-S oder DTU-Lite-S
  • Für MI, HM: DTU-WLite, DTU-Pro oder DTU-W100/G100
• Er war nicht von RelaisGate betroffen, einem Problem, das einige Marken von Mikro-Wechselrichtern aufgrund eines fehlenden erforderlichen Relais plagte.

Wie oben erwähnt, verwende ich den HM-600. Seitdem habe ich bemerkt, dass es auch neuere HMS-600 Wechselrichter gibt (beachte das S in HMS). Während Hoymiles mehrere elektrische Eigenschaften dieser Wechselrichter verbessert hat, wie den Spannungsbereich und das Stromlimit, haben sie auch andere weniger offensichtliche Änderungen vorgenommen, wie:

• Das drahtlose Protokoll und die Frequenz: früher, bei der HM-Serie, war es das 2,4-GHz-Spektrum, jetzt, bei der HMS- und HMT-Serie, ist es das Sub-1-GHz-Spektrum.
  • Es gibt eine aktualisierte Version von OpenDTU für die HMS- und HMT-Serie, aber sie erfordert ein anderes RF-Modul, das schwieriger an einen ESP32 anzuschließen ist.
• Die AC-Konnektivität: früher, bei der HM-Serie, war es ein Betteri BC01, bei der HMS-Serie ist es ein Betteri BC05 und bei der HMT-Serie ein Betteri BC06.

Schatten

Ursprünglich hatte ich zwei Solartische auf unserem Balkon aufgestellt (ca. 3,5 Meter auf 2,0 Meter). Im Bild unten ist der Balkonbereich in Grau dargestellt, das erste Panel in Gelb und das zweite Panel in Grün:

Im Nachhinein erscheint es etwas naiv, aber ich habe zunächst nicht den Schatten berücksichtigt, den der Balkon unserer Nachbarn über uns wirft. Außerdem habe ich die erhebliche, nichtlineare Beeinträchtigung, die der Schatten auf meine Solarstromproduktion haben würde, nicht vollständig gerafft. Ich bin froh, dass ich dieses Projekt im Kleinen auf unserem Balkon gestartet habe, wo ich genau beobachten und ein besseres Gespür für diese Effekte entwickeln kann. Stell dir vor, du hättest eine große Anlage auf deinem Dach mit langen Strings von Solarmodulen. Wenn ein partieller Schatten, sagen wir von einem Kamin, auf die Paneele fällt, wäre es schwierig, intuitiv die Auswirkungen zu verstehen und einen Leistungsabfall auf diesen “kleinen Schatten”^[4] zurückzuführen.

Seitdem habe ich einige Anpassungen vorgenommen. Ich habe ein Panel vertikal an der Außenseite unseres Balkons positioniert^[5], während ich das andere Panel als Solartisch mit einer anderen Ausrichtung belassen habe:

Das Bild unten zeigt die Solarstromproduktion dieses Solartisches an einem besonders sonnigen Tag:

Zum Vergleich habe ich auch die pvlib clear sky Simulation^[6] berechnet:

Die braunen Rechtecke im folgenden Bild stellen den Schatten zu verschiedenen Zeiten dar (von links nach rechts): 12:50, 13:00, 13:45, 14:20 und 15:40:

Man sieht, dass um 12:50 Uhr der Schatten das Panel noch nicht berührt und das Panel seine “Vollsonnen”-Leistung von etwas über 250 Watt erbringt. Um 13:00 Uhr beginnt der Schatten, das Panel zu streifen, und die Leistung des Panels beginnt deutlich zu sinken. Dies setzt sich fort bis 13:45 Uhr, wenn der Schatteneffekt seinen Höhepunkt erreicht. Von den potenziellen 250 W werden nur noch 20 W produziert, das sind weniger als 10%! Aber um etwa 14:15/14:20 Uhr reduziert sich der Schatteneffekt erheblich, da der Schatten die Mittellinie des Moduls überquert. Schließlich verlässt um etwa 15:40 Uhr der Schatten das Panel vollständig, und das Panel kehrt zu seiner “Vollsonnen”-Leistung zurück^[7].

Die tatsächliche DC-Produktion dieses Panels an diesem Tag, gemessen am Wechselrichter, betrug 1566 Wh. Das Clear-Sky-Modell hätte 2223 Wh vorhergesagt. Ohne den Schatten vom oberen Balkon hätten wir unser Ergebnis um beeindruckende 42% steigern können. Das ist SIGNIFIKANT!

Bypass-Dioden

Das Bild, das man typischerweise für Bypass-Dioden im Internet findet, sieht folgendermaßen aus:

Sie sollten über die kurze Seite des Panels verteilt sein, sodass bei einem Schatten, der das Panel auf der langen Seite betritt, nur 33% der Leistung verloren gehen sollten. In meinem Fall scheint dies jedoch komplett anders zu laufen. Selbst der kleinste Schatten auf der längeren Seite reduziert die Leistung drastisch und lässt sie auf unter 10% sinken. Dies lässt mich vermuten, dass die Bypass-Dioden in meinem Panel anders angeordnet sein könnten. Ich habe versucht, weitere Details im Datenblatt zu finden, aber ohne Erfolg.

Hier ist ein einfacher Trick, um das Verhalten deines Solarpanels unter Schattenbedingungen zu verstehen: Verwende ein Handtuch. Lege an einem sonnigen Tag ein Handtuch über bestimmte Teile deines Panels und beobachte die Veränderungen. Ein Handtuch eignet sich perfekt für dieses Experiment, da es das gesamte Panel abdecken kann und durch Falten kannst du kleinere Schattenflächen simulieren.

Für diejenigen, die tiefer in die Welt der Bypass-Dioden einsteigen wollen, bietet sich das folgende Video an: Bypass-Diode in a Solar Panel explained.

Halbzellen-Panel-Design

Im Nachhinein, muss ich sagen, wäre ein Halbzellen-Solarpanel vorteilhaft gewesen. Die Standarddarstellung für Bypass-Dioden in Halbzellen-Panels sieht folgendermaßen aus:

Schau dir das folgende YouTube-Video für einen Vergleich der beiden Architekturen an: Half Cell VS. Full Cell Solar Panel Design.

Und eine zusätzliche Anmerkung: Ein Glas-Glas bifaziales Panel wäre eine noch bessere Wahl gewesen, um auch das Licht von der Rückseite des Panels zu nutzen. Da das Panel über einem hellen Balkonboden positioniert ist, wird diffuses Licht auf das Panel von hinten reflektiert, was bei der Erzeugung von Solarenergie hilft.

Jupyter Notebook Simulationen

Diejenigen, die an ähnlichen Simulationen interessiert sind, können hier auf den Python-Code und das Jupyter-Notebook zugreifen:

• nbviewer / gist

Fazit

Um es einfach auszudrücken, die wichtigste Erkenntnis aus diesem Blogbeitrag könnte humorvoll als “Schatten ist Scheiße” übersetzt werden.

Meine Reise in die Welt der Photovoltaik war bisher sehr lehrreich und hat mir geholfen, die Komplexität und die vielen Faktoren einzuschätzen, die bei der Installation eines Solarkraftwerks berücksichtigt werden müssen. Es hat mir auch gezeigt, wie wichtig es ist, sich Zeit zu nehmen, um zu lernen und zu experimentieren, bevor man sich für eine größere Investition entscheidet. Ich hoffe, dass dieser Blog-Beitrag anderen dabei helfen kann, ihre eigenen Photovoltaik-Projekte besser zu verstehen und zu planen.

Fußnoten