Im Jahr 2018 habe ich eine Balkon Fotovoltaikanlage erworben, die mit einer Leistung von 600 Watt ausgestattet ist. Zu jener Zeit wurden derartige Anlagen gelegentlich als „Guerilla-Anlagen“ bezeichnet, ein Begriff, der oft mit negativen Kommentaren belegt wurde. Die Rechtslage bezüglich solcher Installationen war damals nicht eindeutig, was zu Unsicherheiten in Bezug auf ihre Legalität führte. Darüber hinaus wurden solche Anlagen von Seiten des VDE, dem Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik, als unsicher eingestuft.
Während in Deutschland die Legalität und Sicherheit solcher Anlagen damals in Frage gestellt wurde, waren Balkon-Fotovoltaikanlagen in anderen Ländern bereits weit verbreitet und gesetzlich geregelt. Ein Blick auf die Situation in den Niederlanden zeigt, dass dort bereits im Jahr 2018 zahlreiche Balkon Fotovoltaikanlagen in Betrieb waren, und ihre Verbreitung stetig zunahm. Laut Berichten aus den Niederlanden wurden bereits über 100.000 solcher Anlagen installiert, und ihre Leistung überschritt insgesamt 30 Megawatt. Diese Zahlen verdeutlichen das enorme Potenzial und die Beliebtheit von Balkon-Fotovoltaikanlagen in anderen europäischen Ländern im Vergleich zu Deutschland.
Inhaltsverzeichnis
I. Geschichte der Balkon-Fotovoltaikanlage
II. Zielsetzung des Projekts
III. Rechtliche Rahmenbedingungen
A. Gesetzliche Vorgaben für Balkon Fotovoltaikanlagen
B. Unsicherheiten bezüglich der Sicherheit von Balkon Fotovoltaikanlagen
C. Bewertung durch den Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE)
IV. Leistungsoptimierung durch Nachführung
A. Grundlagen zu nachgeführten Systemen: Konzept und Funktionsweise
B: Horizontale und vertikale Nachführung: Potenziale und Einschränkungen (bidirektional)
C. Ergebnisse aus Studien und Messungen
V. Installation der Balkon Fotovoltaikanlage
A. Auswahl und Beschaffung der Anlage
B. Planung und Vorbereitung der Installation
C. Verwendete Komponenten, Montage und Anschluss der Komponenten
VI. Erfahrungen und Perspektiven
A. Erfahrungsbericht aus der Praxis
B. Potenziale und Herausforderungen von Balkon Fotovoltaikanlagen
VII. Schlussfolgerung
I. Geschichte der Balkon Fotovoltaikanlage
Die Geschichte der Balkon-Fotovoltaikanlagen in Deutschland ist relativ jung und eng mit der fortschreitenden Entwicklung der Solartechnologie sowie den gesetzlichen Rahmenbedingungen für erneuerbare Energien verbunden.
In den 2000er Jahren begann das Interesse an Balkon Fotovoltaikanlagen in Deutschland stark zu wachsen. Die ersten Anlagen wurden hauptsächlich auf Dächern von Wohnhäusern und Gewerbegebäuden installiert, da die Nutzung von Solaranlagen auf Balkonen zu dieser Zeit noch selten und technisch herausfordernd war.
Mit der Weiterentwicklung der Solartechnologie und der Einführung effizienterer und kostengünstigerer Photovoltaikmodule wurden Solaranlagen jedoch zunehmend erschwinglicher und praktischer. Dies führte dazu, dass immer mehr Menschen die Installation von Solarmodulen in Erwägung zogen, um ihren eigenen Strom zu erzeugen.
In den folgenden Jahren, insbesondere ab den 2010er Jahren, entstand das Konzept der Balkon Fotovoltaikanlagen als eine Möglichkeit für Mieter und Wohnungseigentümer, von der Solarenergie zu profitieren, auch wenn sie kein eigenes Dach besitzen. Balkon-Fotovoltaikanlagen wurden als innovative Lösung für urbane Gebiete beworben, in denen die Verfügbarkeit von Freiflächen begrenzt ist.
Die Popularität von Balkon Fotovoltaikanlagen nahm zu, insbesondere in Städten und Ballungsräumen, wo die Nachfrage nach erneuerbaren Energien hoch war. Im Laufe der 2010er Jahre wurden verschiedene Modelle und Designs von Balkon Fotovoltaikanlagen entwickelt, um den unterschiedlichen Bedürfnissen der Verbraucher gerecht zu werden.
Heutzutage, insbesondere seit den 2020er Jahren, sind Balkon Fotovoltaikanlagen eine etablierte Option für Verbraucher, die ihren eigenen grünen Strom erzeugen möchten. Die Technologie und Effizienz von Solarmodulen verbessert sich kontinuierlich, und es wird erwartet, dass Balkon Fotovoltaikanlagen auch in Zukunft eine wichtige Rolle bei der dezentralen Energieerzeugung in urbanen Gebieten spielen werden.
II. Zielsetzung des Projekts
Nachdem ich mich intensiv mit dem Thema des Wirkungsgrades von Fotovoltaikanlagen auseinandergesetzt hatte, wurde mir klar, dass eine Steigerung der Erträge durch eine präzisere Ausrichtung der Module möglich ist. Ich entschied mich daher, die Optionen für eine horizontale und/oder vertikale Ausrichtung zu prüfen, um die Effizienz meiner Anlage zu optimieren.
Die horizontale Ausrichtung erwies sich für mich jedoch als zu aufwendig, da dies eine drehbare Plattform mit entsprechendem Axiallager (Flanschlager, Flanschlagereinheit) erfordert hätte , um den maximalen Lichteinfall zu gewährleisten. Aus diesem Grund konzentrierte ich mich stattdessen auf die vertikale Ausrichtung, da mir dies weniger aufwendig schien und dennoch vielversprechende Ergebnisse versprach.
In meinem Untersuchungsprozess habe ich verschiedene Tracking-Modelle für vertikale Ausrichtungen geprüft und verglichen, um das optimale System für meine Bedürfnisse zu finden. Dabei habe ich sowohl kommerziell erhältliche Tracking-Lösungen als auch DIY-Modelle geprüft. Letztendlich habe ich meine eigene Lösung gefunden, die meine beruflichen Kenntnisse nutzt und hier zum Einsatz kommt.
Letztendlich entschied ich mich dafür, mein eigenes Tracking-System zu entwickeln, das auf meinen spezifischen Anforderungen und den Gegebenheiten meines Standorts zugeschnitten ist. Dies ermöglichte es mir, die Ausrichtung meiner Fotovoltaikanlage dynamisch anzupassen und so die Sonnenenergie effizienter zu nutzen, um die Erträge meiner Anlage zu maximieren.
Durch diese gezielte Prüfung und Auswahl des Tracking-Systems konnte ich sicherstellen, dass meine Fotovoltaikanlage optimal auf die Sonneneinstrahlung ausgerichtet ist und somit eine maximale Energieausbeute erzielt.
III. Rechtliche Rahmenbedingungen
A. Gesetzliche Vorgaben für Balkon Fotovoltaikanlagen
Im Rahmen des „Solarpaket I“ der Bundesregierung soll es auch für Steckersolar-Geräte bald Vereinfachungen geben. Sie sind geplant und bereits vom Kabinett beschlossen, gelten aber derzeit noch nicht. Die Verbraucherzentralen rechnen damit, dass die Änderungen Anfang 2024 beschlossen werden, eventuell schon im ersten Quartal.
Zu den geplanten Änderungen gehören
- der Wegfall der Anmeldung beim Netzbetreiber,
- ein vereinfachtes Anmeldeverfahren bei der Bundesnetzagentur,
- eine schnellere Inbetriebnahme, da ein möglicher Zählerwechsel nicht mehr abgewartet werden muss,
- die Leistungsgrenze von 600 auf 800 Watt (AC) am Wechselrichter anzuheben,
- eine Grenze von 2.000 Watt für die angeschlossenen Module.
Gut zu wissen: Das bedeutet allerdings nicht, dass Steckersolar-Geräte künftig bis zu 2.000 Watt liefern dürfen. Entscheidend ist die Leistung des Wechselrichters. Und auch wenn laut Gesetz die Grenze 2024 auf 800 Watt (AC) angehoben wird, müssen zusätzlich die Elektronormen geändert werden, bevor auch Geräte über 600 Watt (AC) in der Praxis genutzt werden können.
Wenn die Elektronormen geändert werden, ist auch die Freigabe des Schukosteckers ein Thema. Der verantwortliche Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE) hat am 11. Januar 2023 ein Positionspapier veröffentlicht, in dem er sich unter anderem dafür ausspricht, den Schukostecker zu dulden.
Auch der Verbraucherzentrale Bundesverband (vzbv) befürwortet, dass Schukostecker eingesetzt werden dürfen.
Allerdings ist auch diese Änderung derzeit noch nicht beschlossen und umgesetzt.
Zusätzlich zum Solarpaket I wurde im September auch eine Gesetzesvorlage des Bundesjustizministeriums vom Bundeskabinett verabschiedet. Diese soll zukünftig den Einsatz eines Steckersolar-Gerätes für Mieter und WEG-Bewohner vereinfachen. Doch auch dieses Gesetz muss erst noch vom Bundestag verabschiedet werden.
Was schon jetzt gilt: Seit dem 1. Januar 2023 sind Photovoltaikanlagen und Batteriespeicher mit einem Umsatzsteuersatz von 0 Prozent versehen. Diese 0 Prozent gelten auch für Steckersolar-Geräte.
Außerdem hat das Deutsche Institut für Bautechnik (DIBt) nun in einer aktuellen Meldung klargestellt, dass Glasmodule von Steckersolar-Geräten bei typischer Nutzung nicht als Bauprodukte gelten. Damit entfallen Einschränkungen durch besondere Anforderungen, die Module bisher bei einer Montagehöhe über 4 Metern einhalten mussten.
Quelle: Verbraucherzentrale
B. Unsicherheiten bezüglich der Sicherheit von Balkon Fotovoltaikanlagen
Sind Steckersolar-Geräte sicher?
Die Geräte sind grundsätzlich sehr sicher. Ende 2021 waren bereits über 190.000 solcher Systeme in Deutschland in Betrieb. Bisher ist kein einziger Fall von Sachschäden oder verletzten Personen bekannt geworden. Das liegt daran, dass die verwendete Technik ausgereift ist und oft die gleichen Komponenten in professionell installierten Fotovoltaikanlagen eingesetzt werden. Es dürfen nur normgemäß hergestellte und geprüfte Bauteile verwendet werden.
Auch die aktuelle Diskussion zu Wechselrichtern, bei denen Hersteller ein Relais weggelassen haben, ändert nichts an der grundsätzlichen Sicherheit. Geräte, die hier fehlerhaft sind, werden teils von den Anbietern zurückgerufen und ausgetauscht bzw. nachgerüstet. Auch bei den fehlerhaften Geräten ist im normalen Betrieb des Steckersolar-Gerätes praktisch kein Sicherheitsrisiko vorhanden.
Sicher sind Steckersolar-Geräte dann, wenn die verwendeten Modulwechselrichter die Anforderungen erfüllen, die auch an Wechselrichter für große Fotovoltaikanlagen gestellt werden. Die Installationsnorm sieht zudem vor, dass eine Elektrofachkraft die Eignung des Stromkreises für die Einspeisung von Solarstrom prüft. Das sollten Sie wahrnehmen, wenn Sie (zum Beispiel aufgrund des hohen Alters der Leitungen im Haus) Zweifel am Zustand Ihrer Elektroinstallation haben.
Vor allem sollten Sie an eine Steckdose bzw. an einen Stromkreis immer nur ein Steckersolar-Gerät anschließen. Gefährlich wäre die Kopplung mehrerer Geräte über eine Mehrfachsteckdose. Auch dürfen die maximalen 600 Watt AC-Leistung nur einmal pro Stromzähler ausgeschöpft werden. Im Einfamilienhaus mit einem Stromzähler sind nur 600 Watt erlaubt, in einem Mehrfamilienhaus, in dem jede Wohnung einen eigenen Stromzähler hat, dürfen jeweils pro Wohnung die 600 Watt genutzt werden.
Eine Produktnorm, nach der die Geräte geprüft und zertifiziert werden können, wird derzeit entwickelt. Daran sind auch der DIN-Verbraucherrat und die Verbraucherzentrale beteiligt, eine Veröffentlichung der fertigen Produktnorm wird nun Mitte des Jahres 2024 erwartet. Bis diese Produktnorm veröffentlicht wird, können Sie sich beim Kauf zum Beispiel am Sicherheitsstandard orientieren, den die Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie (DGS) veröffentlicht hat.
Außerdem sollten Sie die Hinweise zum Anschluss und zur Benutzung beachten, die Herstellerfirmen mit dem Gerät liefern. Von ihnen sollten Sie auch erfahren, wie Sie das Solarmodul und den Wechselrichter am vorgesehenen Montageort sicher befestigen.
Quelle: Verbraucherzentrale
C. Bewertung durch den Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE)
Stecker-Solargeräte anschließen und anmelden: Was ist zu beachten?
Steckerfertige PV-Anlagen, auch Mini-PV, Balkon-PV oder Plug and Play-PV genannt, bieten auch kleinen Stromverbrauchern die Chance, an der Energiewende teilzunehmen. Sie haben eine maximale Wechselrichter-Scheinleistung von 600 VA und unterliegen künftig den Sicherheitsanforderungen und der Prüfung, die durch die Produktnorm DIN VDE V 0126-95 definiert werden. Die aus einem oder wenigen PV-Modulen und einem Wechselrichter bestehenden Solargeräte können unter folgenden Bedingungen an den eigenen Haus- oder Wohnungsstromkreises angeschlossen werden.
- Der Anschluss der steckerfertigen PV-Anlagen darf nur über eine spezielle Energiesteckvorrichtung unter Berücksichtigung der Anforderungen nach DIN VDE V 0100-551 und DIN VDE V 0100-551-1 erfolgen oder fest angeschlossen werden. Dann kann auch in vorhandene Endstromkreise eingespeist werden.
- Die Anmeldung einer steckerfertigen Erzeugungsanlage erfolgt nach den Vorgaben des zuständigen Netzbetreibers. Bitte kontaktieren Sie Ihren Netzbetreiber. Diesen finden Sie auf Ihrer Strom-Jahresrechnung oder Ihrem Stromzähler. Die Bundesnetzagentur stellt außerdem eine Übersicht der Netzbetreiber zur Verfügung.
- Arbeiten an elektrischen Anlagen dürfen nur durch fachkundige Personen durchgeführt werden
Im Folgenden sind häufig gestellte Fragen aufbereitet und beantwortet.
Bitte beachten Sie folgenden wichtigen Hinweis: Die Beratung und Installation inklusive individueller Auslegung und Optimierung von PV-Anlagen ist Angelegenheit der Installateure vor Ort. Wir können keine Fragen zu individuellen Anlagen beantworten und bitten Anlagenbetreiber, diese mit Ihrem Installateur zu klären.
Quelle: VDE FNN
Erklärung zu den VDE-Normen:
Der Schuko-Stecker ist Dir bereits durch Haushalts- und Arbeitsgeräte geläufig. Kühlschränke, Kaffeemaschinen, Gartengeräte und Bohrmaschinen – alle haben einen solchen Schuko-Stecker, der in unsere Steckdosen passt. Seine zwei Kontaktstifte und die runde Form sind prägende Merkmale. Den Namen erhält der Stecker als Abkürzung für das Wort Schutzkontakt. Durch seinen Aufbau und seine technischen Merkmale bietet der er einen höheren Schutz als viele andere haushaltsübliche Steckerarten, was ihn für die Installation bzw. den Anschluss von Mini-PV-Anlagen geeignet macht.
Der Wieland-Stecker unterscheidet sich vom Schuko-Stecker einerseits im Aussehen und andererseits im Hinblick auf die Sicherheit. Er erfüllt im Gegensatz zum Schuko-Stecker die Anforderungen bestimmter Normen. Einerseits betrifft dies die Norm DIN VDE V 0100-551-1, andererseits die Norm DIN VDE V 0628‐1. Aus der Erfüllung der Anforderungen beider Normen leitet sich ein höherer Sicherheitsstandard bei der Nutzung von Stecker-PV-Anlagen ab.
IV. Leistungsoptimierung durch Nachführung
A. Grundlagen zu nachgeführten Systemen: Konzept und Funktionsweise
Solar-Tracking ist ein Verfahren, bei dem Solarpanels oder Solarmodule so ausgerichtet werden, dass sie der Sonne während des Tages folgen, um eine optimale Sonneneinstrahlung zu erhalten. Dieses Verfahren ermöglicht es, den Wirkungsgrad von Solaranlagen zu maximieren, da die Panels stets im richtigen Winkel zur Sonne stehen und somit mehr Sonnenlicht einfangen können.
Es gibt verschiedene Arten von Solar-Tracking-Systemen, darunter:
Horizontaler Tracking: Bei dieser Methode werden die Solarpanels über den Tag hinweg so ausgerichtet, dass sie immer parallel zum Horizont bleiben. Dadurch erhalten sie während des Tages eine gleichmäßige Sonneneinstrahlung.
Vertikaler Tracking: Hier werden die Solarpanels so ausgerichtet, dass sie sich der vertikalen Position der Sonne anpassen. Dies bedeutet, dass die Panels dem Lauf der Sonne von Sonnenaufgang bis -untergang folgen.
Doppelseitiges Tracking: Diese Methode kombiniert sowohl horizontalen als auch vertikalen Tracking, sodass die Panels sowohl die direkte Sonneneinstrahlung als auch die reflektierte Strahlung von der Erdoberfläche nutzen können.
Solar-Tracking-Systeme können entweder manuell oder automatisch betrieben werden. Automatische Systeme nutzen Sensoren, um die Position der Sonne zu erkennen und die Panels entsprechend auszurichten, während manuelle Systeme von Hand eingestellt werden müssen.
Insgesamt ermöglicht Solar-Tracking eine höhere Energieausbeute von Solaranlagen, da sie sicherstellt, dass die Panels stets optimal ausgerichtet sind, um die maximale Menge an Sonnenlicht einzufangen.
B: Horizontale und vertikale Nachführung: Potenziale und Einschränkungen
Die Effizienz eines Solarmoduls wird erheblich gesteigert, wenn es dynamisch der Bewegung der Sonne folgt. Ein solcher „Solartracker“ ermöglicht diese Nachführung. Der Kopf des Trackers ist sowohl um die vertikale als auch um die horizontale Achse drehbar. Ein Mikroprozessor berechnet kontinuierlich die Position der Sonne und steuert die Stellmotoren präzise, um sicherzustellen, dass die direkte Strahlung stets senkrecht auf das Modul trifft. Allerdings ist ein Solartracker aufgrund seiner komplexen Mechanik und Steuerung deutlich aufwendiger als eine fest montierte Anlage. Daher ist es für Investitionsentscheidungen entscheidend zu wissen, welchen Mehrertrag eine solche Anlage voraussichtlich generieren kann. Es ist jedoch zu beachten, dass der Mehrertrag stark vom Wetter abhängt. Bei bedecktem Himmel, wenn die Sonne nicht sichtbar ist, bietet die Nachführung keine zusätzlichen Vorteile.
Der Mehrertrag oder Wirkungsgrad einer bidirektionalen Nachführung von Solarmodulen hängt stark vom Standort in Deutschland ab. Dies liegt an den variierenden Sonneneinstrahlungswinkeln und Tageslichtstunden in verschiedenen Regionen des Landes. Hier sind einige Zahlen, Daten und Fakten, die diese Abhängigkeit verdeutlichen:
Sonneneinstrahlungswinkel: Der optimale Einstrahlungswinkel für Solarmodule variiert je nach Standort in Deutschland. Zum Beispiel beträgt der optimale Winkel in südlichen Regionen wie Bayern etwa 30-35 Grad, während er in nördlichen Regionen wie Schleswig-Holstein eher bei 40-45 Grad liegt.
Tageslichtstunden: Die Anzahl der Tageslichtstunden pro Tag variiert ebenfalls je nach Standort. Südliche Regionen Deutschlands wie Bayern haben tendenziell mehr Sonnenstunden pro Tag im Vergleich zu nördlicheren Regionen wie Schleswig-Holstein.
Sonneneinstrahlung: Die durchschnittliche jährliche Sonneneinstrahlung variiert ebenfalls erheblich. Zum Beispiel beträgt die durchschnittliche jährliche Globalstrahlung in Bayern etwa 1.100 kWh/m², während sie in Schleswig-Holstein etwa 900 kWh/m² beträgt.
Effektivität der Nachführung: Aufgrund der unterschiedlichen Sonneneinstrahlungswinkel und Tageslichtstunden erzielt eine bidirektionale Nachführung in südlichen Regionen tendenziell einen höheren Mehrertrag im Vergleich zu nördlicheren Regionen.
Wirtschaftlichkeit: Die Wirtschaftlichkeit einer bidirektionalen Nachführung hängt auch vom Standort ab, da der Mehrertrag den zusätzlichen Investitionskosten gegenübergestellt wird. In Regionen mit höheren Sonnenstunden und besserer Einstrahlung kann sich die Investition in eine Nachführung schneller amortisieren als in Regionen mit weniger günstigen Bedingungen.
Insgesamt zeigt sich, dass der Mehrertrag und die Effektivität einer bidirektionalen Nachführung von Solarmodulen stark vom Standort in Deutschland abhängig sind, wobei südliche Regionen tendenziell von den günstigeren Bedingungen profitieren.
Entsprechend sind auch die Mehrerträge, die in der Literatur für monodirektional (horizontal oder vertikal) oder bidirektionale Nachführungen angegeben werden, schon aus diesen Gründen unterschiedlich. Eine Unterscheidung hinsichtlich Mehrertrag, ob horizontal oder vertikal nachgeführt wird, wird nicht getroffen. Es ist bei einer „einfachen“ für den Mehrertrag egal, ob eine vertikale oder horizontale Nachführung ausgeführt wird.
Das Balkonkraftwerk von Offgridtec zeigt Dir eine leistungsstarke Lösung mit einer Gesamtleistung von 810W auf, mit der Du einen Teil des Strombedarfs für den Haushalt selbst erzeugen kannst.
C. Ergebnisse aus Studien und Messungen
Das Frauenhofer Institut hat bereits 2012 Vergleichsmessungen im Solarpark Rexingen (Großen Kreisstadt Horb am Neckar) durchgeführt und folgende Ergebnisse erhalten:
Nachfolgend eine Vergleichsmessung von Lübeck:
Ergebnis:
Je nach geographischer Lage ist bei
einachsig zweiachsig (bidirektional)
Süddeutschland ca. 28 % ca. 42 %
Norddeutschland ca. 27 %
V. Installation der Balkon Fotovoltaikanlage
A. Auswahl und Beschaffung der Anlage
Also ich mich 2018 mit dem Thema einer kleinen zusätzlichen Fotovoltaikanlage beschäftige, waren die auf dem deutschen Markt zur Verfügung stehenden Anlagen sehr übersichtlich. Auch war das Image von derartigen Anlagen äußerst schlecht und es wurde von verschiedener Seite vor dem Einsatz gewarnt. Nachdem ich bereits Anlagen betrieb, habe ich mich davon nicht abschrecken lassen. Auch die Erfahrungen in den Niederlanden, die derartigen Anlagen häufig einsetzten, haben mich ermutigt, mir eine solche Anlage anzuschaffen.
Schließlich wurde ich fündig und habe mich entschlossen, folgende Anlage mit Wechselrichter zu kaufen:
Das Trina Solar Vertex S ist ein 425W Solarmodul mit monokristallinen Zellen und High-Density-Zellverbindungstechnologie. Leistung (Pmax): 425 W
B. Planung und Vorbereitung der Installation
Nachdem ich mich mit dem Thema der Nachführung der Module eingehend beschäftigt hatte, war für mich klar, dass eine Nachführung installiert werden sollte.
Auf dem Markt gab es eine Reihe von System, die eingesetzt werden konnten.
Astronomische Solar-Tracker: Das Trackingsystem steuert den vorgegebenen Sonnenstand dann an, ohne sich von Wolken beeinflussen zu lassen, die sich gegebenenfalls vor die Sonne schieben.
Sensorische Solar-Tracker: Die Anlage verfolgt fortlaufend den hellsten Punkt am Himmel mithilfe einer sensorischen Steuerung. Dabei muss dieser Punkt nicht unbedingt genau dem Sonnenstand entsprechen. Beispielsweise ist es an den Rändern einer Wolke, die sich vor die Sonne schiebt, heller, da dort die Sonnenstrahlen reflektiert werden, im Vergleich zur Stelle hinter der Wolke, wo sich die Sonne befindet. Der Sensor berücksichtigt auch Reflexionen von hellen Oberflächen wie Fassaden oder Schnee. Somit wählt der Sensor automatisch den hellsten Punkt aus, und die Solarmodule werden entsprechend ausgerichtet.
Bei einem sensorischen Tracking ist bei diffuser Sonneinstrahlung folgendes Bild häufig zu sehen:
Die Module sind nicht gleichmäßig ausgerichtet. Sie richten sich so aus, dass ein Maximum an Licht auf die einzelne Moduloberflächen trifft.
Nachdem eine einachsiges Tracking bereits ca. 28 % Mehrertrag bringt (ein zweiachsiges Tracking „nur“ noch zusätzlich nochmals ca. 14 %) und ich die Investition gering halten wollte, habe ich mich entschlossen ein selbstgebautes System mit vertikalem astronomischem Tracking zu installieren.
C. Verwendete Komponenten, Montage und Anschluss der Komponenten
Neben den in Punkt A genannten Komponenten habe ich noch folgende Bauteile eingesetzt:
– Linearantrieb der Fa. Summit Aktuator HQ050-24 Schubstangenmotor, 50 cm
Hub, max. 350 kg, 24 V DC
– 5 Stck. Näherungsinitiatoren PNP NO (vorhanden)
– Raspberry 3 (vorhanden)
– Schaltrelais (vorhanden)
Aktuator Summit ST055-36 Solar Tracker Aktuator Linearmotor Schubstangenmotor 55cm Hub 36V DC
Der Raspberry Pi 4 Model B ist das neueste Produkt aus der beliebten Raspberry Pi Computer Familie. Er bietet bahnbrechende Steigerungen bei der Prozessor Leistungsfähigkeit, Multimedia Performance, Speicher und Anschlüssen, im Vergleich zu der Vorgänger Generation Raspberry Pi 3 Model B+, während die Rückwärts Kompatibilität zu den Vorgängermodellen voll erhalten bleibt
Nachfolgende Bilder sollen einen Eindruck vermitteln, wie der von mir erstellte Aufbau aussieht:
Wie schon in anderen Beiträgen dargestellt, sind meine Smart-Home Anwendung in einem Raspberry realisiert. Auf dem Raspberry läuft ein Linux-Debian System auf dem der ioBroker installiert ist.
Der ioBroker hat wiederum eine Reihe von Adaptern, die unabhängig voneinander auf dem Rechner arbeiten und kostenlos installiert werden können. Sind die Adapter installiert, so wird von Instanzen gesprochen, die verschiedene Funktion ausüben. Bei der Ermittlung des Sonnenstandes nutze ich den Adapter/Instanz „followthesun“. Es ist über diesen Weg relativ einfach an die standortbezogenen Daten zu kommen.
Ebenfalls ein Adapter/Instanz ist Blockly: „ ein visueller Code-Editor. Der Blockly-Editor verwendet verzahnte, grafische Blöcke zur Darstellung von Programmierkonzepten wie Variablen, logischen Ausdrücken, Schleifen und mehr“.
Über Blockly können Programmabläufe beschrieben werden, die über diesen Weg erstellt werden können. In diesem Zusammenhang verweise sehr gerne auf Matthias Kleine, der einen sehr guten ioBroker-Master-Kurs anbietet, den ich empfehlen kann.
Um die aktuelle Stellung der PV-Module zu erfassen, habe ich 5 Näherungsinitiatoren installiert. Hierbei werden die Neigungswinkel 35°, 41 °, 47°, 52 ° und 58 ° der PV-Module abgefragt. Entsprechend dem Blockly-Programm wird abhängig von der Höhe des Sonnenstandes (Elevation) versucht, die PV-Module senkrecht zu Sonnen stellen. Dies geschieht in den oben beschriebenen 5 Schritten.
Auf diese Weise starten die Module morgen bei einem Anstellwinkel von 58 °C und abhängig von der Jahreszeit (z.B. im Sommer), werden die Module schrittweise bis auf einen Winkel von 35° heruntergefahren.
Lese dazu meinen Beitrag Smart Home mit dem ioBroker.
Auf dem Bild ist die Visualisierung der Balkonanlage zu sehen. Auch diese Visualisierung wird über einen Adapter/Instanz im ioBroker dargestellt. Hierfür gibt es für Visu eine Reihe von Widgets, die für die Darstellung verwendet werden können. Auf der Darstellung ist zu erkennen, dass der Näherungsinitiator 35° belegt ist, so dass der Sonnenstand > 55 ° erreicht sein muss.
VI. Erfahrungen und Perspektiven
A. Erfahrungsbericht aus der Praxis
Bis die Anlage in dem dargestellten Stand war, habe ich einige Verbesserungen durchführen müssen:
a.) Auch wenn der Linearantrieb die Schutzklasse IP54 hat, habe ich dennoch einen Kunststoffbalg über den Antrieb übergezogen, damit keine Feuchtigkeit eindringen kann.
b.) Um eine Abfrage mit Näherungsinitiatoren zu realisieren, habe ich eine Reihe von Versuche durchgeführt. Es sollte über einen bewegliche Arm die Abfragen installiert werden. Schließlich habe ich eine Schiene mit Nut verwendet, die als Haltschiene für Module eingesetzt wird.
In der Nut läuft eine „Kugelschraube“, die mit dem Profil des Moduls verbunden ist. Bewegt sich das Modul ab- bzw. aufwärts bewegt sich auch die Kugel in der Nut entsprechend. Die Schiene neigt sich deshalb bei einer Abwärtsbewegung der Module nach unten und nach vorne und entsprechend umgekehrt.
Dieses Prinzip funktioniert sehr gut.
c.) Über den Adapter/Instanz im ioBroker des Deutschen Wetterdienstes (DWD), frage ich Wetterereignisse ab, wie schwere Gewitter, starken Wind, etc. Sollte ein diesbezügliches Ereignis gemeldet werden, werden die Module in eine Sicherheitsposition gefahren, d.h. komplett heruntergefahren.
d.) Im ioBroker werden die Daten über den Adapter/Instanz InfluxDB aufgezeignet und können jederzeit visuell dargestellt bzw. die Daten exportiert werden. Eine sehr komfortable grafische Darstellung ist dann über Grafana möglich.
Lese dazu meinen Beitrag Smart Home mit dem ioBroker.
B. Potenziale und Herausforderungen von Balkon Fotovoltaikanlagen
Die Nachfrage nach Balkonkraftwerken steigt kontinuierlich an, angetrieben durch sich ändernde Gesetze und einen wachsenden Fokus auf Nachhaltigkeit. Laut einer Marktstudie der HTW Berlin prognostizieren etwa 85 Prozent der Anbieter ein jährliches Wachstum von mindestens 50 Prozent. Interessanterweise sind neuere Unternehmen optimistischer in ihren Prognosen als etablierte Anbieter.
Eine Forsa-Umfrage im Oktober 2022 ergab, dass 60 Prozent der deutschen Haushalte einen für Balkonkraftwerke geeigneten Balkon haben, und etwa die Hälfte davon erwägt die Anschaffung einer Mini-Solaranlage. Hauptgründe, die einer Anschaffung im Wege stehen, sind Unwissenheit (46 Prozent), Unsicherheit über die Rentabilität (etwa ein Drittel), Vermieterverbote (23 Prozent), fehlende Förderung (22 Prozent) und die als kompliziert empfundene Installation (19 Prozent).
Der Markt für Balkonkraftwerke ist äußerst dynamisch, mit stark steigenden Verkaufszahlen in den letzten Jahren. Der Gesamtumsatz betrug 2021 über 30 Millionen Euro und dürfte seitdem weiter gestiegen sein. Die Anbieter sind meist kleine Unternehmen, die sich auf den Vertrieb von vorgefertigten Balkonkraftwerken konzentrieren. Kunden bevorzugen dabei einfache Lösungen mit Schukosteckern, unkomplizierter Installation und niedriger Wattzahl. Die Wachstumsaussichten für den Markt sind vielversprechend.
Die Integration von Batteriespeichern in Fotovoltaik-Balkonanlagen bietet ein enormes Entwicklungspotenzial, insbesondere im Hinblick auf die Maximierung der Eigenverbrauchsquote und die Minimierung des öffentlichen Strombezugs während der Nachtstunden.
Durch die Speicherung überschüssiger Solarenergie in Batterien während des Tages kann der erzeugte Strom effizient genutzt werden, um den eigenen Bedarf zu decken, wenn die Sonne nicht scheint. Dies ermöglicht eine weitgehende Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz und trägt gleichzeitig zur Stabilisierung des Netzes bei, indem die Lastspitzen reduziert werden.
Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Batterietechnologien sowie deren zunehmende Verfügbarkeit und sinkende Kosten eröffnen neue Möglichkeiten für PV-Balkonanlagen. Kleinere und leistungsfähigere Batterien ermöglichen eine kompakte Integration in Balkonanlagen, ohne dabei den verfügbaren Platz einzuschränken.
Zukünftige Entwicklungen könnten sich auf die Optimierung von Speicherkapazität, Lade- und Entladegeschwindigkeiten sowie auf die Verbesserung der Lebensdauer und Effizienz der Batterien konzentrieren. Darüber hinaus könnten intelligente Energiemanagementsysteme implementiert werden, die den Stromverbrauch optimieren und die Batterieladung entsprechend den individuellen Bedürfnissen und dem aktuellen Energieangebot steuern.
Insgesamt bietet die Integration von Batteriespeichern ein vielversprechendes Entwicklungspotenzial für Balkon Fotovoltaikanlagen, um den Eigenverbrauch zu maximieren, den öffentlichen Strombezug zu minimieren und einen wichtigen Beitrag zur dezentralen Energieversorgung und Energiewende zu leisten.
VII. Schlussfolgerung
Balkon Fotovoltaikanlagen bieten eine hervorragende Möglichkeit, Strom zu sparen und gleichzeitig einen Beitrag zur Umwelt zu leisten. Dank vorgefertigter Anlagen ist die Installation einfach und unkompliziert, was sie zu einer empfehlenswerten Option macht. Doch nicht nur auf dem Balkon können solche Anlagen eingesetzt werden, sondern auch an verschiedenen anderen Orten.
Beispielsweise eignen sich Balkon Fotovoltaikanlagen auch für:
Terrassen: Für Häuser mit Terrassen bieten sich Fotovoltaikanlagen als alternative Energiequelle an, um den Stromverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die Umweltbelastung zu minimieren.
Gartenhäuser: Gartenbesitzer können mit Photovoltaikanlagen in ihren Gartenhäusern eine nachhaltige Energiequelle nutzen, um dort Strom zu erzeugen und unabhängiger von externen Stromquellen zu werden.
Carports: Photovoltaikanlagen auf Carports können nicht nur Fahrzeuge vor Witterungseinflüssen schützen, sondern auch als effiziente Möglichkeit dienen, um Solarenergie zu nutzen und Strom für den Haushalt zu produzieren.
Freiflächen: Auch auf freien Flächen, wie beispielsweise ungenutzten Grundstücken oder Landwirtschaftsflächen, können Photovoltaikanlagen installiert werden, um eine nachhaltige Energiequelle zu schaffen und zur Energiewende beizutragen.
Insgesamt bieten Balkon Fotovoltaikanlagen vielfältige Einsatzmöglichkeiten und tragen dazu bei, den eigenen Stromverbrauch zu reduzieren sowie einen Beitrag zum Umweltschutz zu leisten.
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