Solarstrom / Balkonkraftwerk / Stecker-Solaranlage / Mini-PV-Anlage

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Vorwort

Bei diesem Projekt geht es uns nicht primär darum, die Kosten für die bezogene elektrische Energie zu senken, sondern darum, Erfahrungen mit der Solarenergie zu sammeln; auch im Hinblick auf eine mögliche Installation einer Solaranlage auf dem Hausdach.
Die Erklärungen unten sind eher knapp verfasst - weiterführende Informationen sind auf zahlreichen Webseiten mit vielen Detailinformationen zu finden. Dabei sind - wie immer - jeweils die Quellen sorgfältig zu beurteilen, denn in einigen Webseiten und Foren sind zum Teil recht abstruse Theorien zu finden...

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung und Anmeldung
2. Aufbau und Einspeisung
3. Sicherheit
4. Messung der eingespiesenen Energie
5. Optimale Ausrichtung und Aufstellwinkel
6. Erfahrungen vom 13. Februar bis zum 15. März 2023
7. Erfahrungen ab dem 16. März 2023

1. Einführung und Anmeldung

Sogenannte Stecker-Solaranlagen dürfen bis zu einer Leistung von 600W ohne Bewilligung benutzt werden; unsere 760W-Photovoltaik-Anlage begrenzt die ausgegebene Leistung auf ca. 600W (siehe unter 3.). Trotzdem ist eine leistungsfähigere Stecker-Anlage als 600W von Vorteil, denn sie liefert auch bei schlechteren Lichtbedingungen mehr Solarenergie.
Zu beachten ist, dass solche Anlagen beim zuständigen Elektrizitätswerk anzumelden sind. Bei der EKZ geschieht dies unbürokratisch via ein Webformular, wo wenige Angaben gemacht werden müssen und gleich auch die Konformitätserklärung - die man beim Lieferanten erhält - hochgeladen werden kann. Danach kann es bereits losgehen!

2. Aufbau und Einspeisung

Solarpanels können auf einem Dach, am Boden oder an der Fassade befestigt werden. Wichtig ist, diese gut gegen Sturmwinde zu schützen. Falls Zwischenstecker vor der Einspeisung in die Aussensteckdose verwendet werden, müssen diese zwingend wassergeschützt werden, z.B. mit einer Elektroverteilbox.
Nachdem wir die Panels am 3. September 2022 bestellt hatten, wurden diese nach gut fünf Monaten am 13. Februar 2023 geliefert und vorerst provisorisch aufgestellt und fixiert.

Foto: Aufstellung der beiden Solarpanels vom Typ "EET 760W LightMate G+ Swiss", gekauft mit Förderrabatt im EKZ-Shop. (Zur Zeit nicht mehr mit Rabatt im EKZ-Shop erhältlich.) Die Anlage wurde quasi fixfertig geliefert: Es mussten nur die zwei Gleichstromkabel miteinander verbunden und der Netzstecker vom Wechselrichter in die Aussensteckdose gesteckt werden - fertig! Die Panels sind gegen Süden ausgerichtet und deren Neigung zum Boden beträgt der Jahreszeit entsprechend (siehe unter 4.) ca. den optimalen 70 Grad. Wichtig ist - dies sei hier wiederholt -, dass die ganze Anlage gut gegen auch starke Windböen geschützt und stabil fixiert wird. Ab dem 16. März 2023 sind die Panels auf dem Dach (siehe Abschnitt 7).

3. Sicherheit

ACHTUNG: DIESER ABSCHNITT 3 GILT BIS AUF WEITERES ALS NICHT EMPFOHLEN! BALD WERDE ICH DIESEN TEXT DURCH EINE NEUE UND VERBESSERTE VERSION ERSETZEN!

Dieser Abschnitt gilt der elektrischen Sicherheit. Steckverbindungen gehören im Aussenbereich wie oben erwähnt in witterungssichere Boxen.
Im Film "Wie gefährlich kann ein Balkonkraftwerk werden?" wird ab Minute 27 erklärt, dass ein Fall auftreten könnte, bei dem selbst bei einer vollständigen FI-Absicherung der Hausinstallation eine gefährliche Situation entstehen kann. Als Lösung wird der Einsatz eines FI-Steckers empfohlen. Allerdings lösen FI-Stecker auch bei Unterspannung aus, was heisst, dass nach einem Stromausfall ein FI-Stecker auch nach dem Ende des Stromausfalls keinen Strom durchlässt. Um diese unschöne Situation zu verhindern, beschloss ich, einen Fehlerstrom-Schutzschalter für den Einbau in einem Sicherungskasten zu beschaffen, weil diese bei einem Stromausfall nicht auslösen. Entschieden habe ich mich für einen der Firma Hager, der für eine Phase geeignet ist, bei einem Fehlerstrom von 30 mA auslöst und eine Betriebstemperatur von -25...40°C (der Schalter soll draussen im Einsatz sein) aufweist.

Achtung: Arbeiten mit Elementen, die unter Netzspannung (230 V) stehen, sollten nur von Fachleuten ausgeführt werden - es besteht Lebensgefahr!

Eingebaut wurde der FI-Schutzschalter in eine Nassabzweigdose (eben sah ich, dass diese bei Hornbach viel günstiger zu haben ist...), siehe Foto unten links: Phase und Neutralleiter werden durch den FI geleitet und die Erdung wird aussen herumgeführt.
Die Netzkabel sind mittels Kabelbindern gegen Ausreissen gesichert und der FI-Schutzschalter ist mittels einem Kabelbinder in der Box fixiert. Im Bild rechts ist der FI-Schutzschalter von der anderen Seite her zu sehen.
Diese "FI-Box" wurde nun zwischen den Wechselrichter der Solarpanels und die Einspeisung in die Aussensteckdose verbunden, wo auch der myStrom WiFi Adapter zwischengeschaltet ist:
   
Die Verdrahtung wurde in dieser "FI-Box" so gemacht, dass die Einspeisung zum FI-Schutzschalter oben (vom dreipoligen Stecker her) und der Ausgang unten zur Steckdose geführt wird; so, die der Stromfluss normalerweise ist. Im Moment kläre ich noch ab, ob der FI-Schutzschalter auch dann funktioniert, wenn der Strom während der Einspeisung von Solarstrom in die andere Richtung fliesst. Dies sollte eigentlich der Fall sein, weil der Summenstromwandler im FI-Schutzschalter ja kaum anders reagiert, wenn der Strom in die andere Richtung fliesst.

4. Messung der eingespiesenen Energie

Die Produktion des Solarstromes kann direkt vor der Einspeisung ins Netz mittels einem Smartplug wie z.B. dem myStrom WiFi Adapter - der einfach ins eigene WLAN-Netz eingebunden wird - gemessen und mit der gleichnamigen App dargestellt werden. Im Bild unten links sind die ersten mittels Sonnenlicht produzierten ca. 1.5 kWh Energie dargestellt. :-)

Dieselbe Firma bietet auch eine Weboberfläche für die Analyse der Messdaten an, das myStrom Cockpit. Die dargestellten Daten sind im Wesentlichen dieselben wie in der App, wobei in der Weboberfläche (auf dem Handy) mittels zwei Fingern eine Zoomfunktion hinzukommt, siehe Bild oben rechts.

Interessant wäre natürlich, den Energiezähler des Hausanschlusses auslesen zu können, um zu sehen, wie viel Solarstrom wir selbst nutzen und wieviel zurück zum EW fliesst (was wir vermeiden wollen). Auf eine entsprechende Anfrage, wie unser Smartmeter vom Typ "Landis+Gyr E450" ausgelesen werden kann, erhielt ich zwar eine freundliche Antwort, stiess jedoch zwischenzeitlich auf das Produkt Shelly 3EM. Dieses wurde am 16. Februar 2023 von einem Elektroinstallateur bei uns im Sicherungskasten eingebaut.
Der Shelly 3EM misst die Leistung, die in den drei Phasen vom EW ins Haus eingespiesen wird bzw. aufgrund von eigener Produktion ins Netz zurückgegeben wird.
Unten folgen einige Screenshots, die nach der Installation an diesem sonnigen Nachmittag gemacht wurden.

Links ist die Energieproduktion für diesen Tag zu sehen. Insgesamt wurden 2.23 kWh produziert und deutlich ist in der ausgefüllten gelben Kurve auch zu erkennen, dass der Wechselrichter die maximale Leistung bei ca. 615 Watt begrenzt hat.
Im mittleren Bild ist ein Screenshot der Shelly-App dargestellt, die via Handy über WLAN mit dem kurz vorher eingebauten "Shelly 3EM" verbunden ist. Im grossen Feld links ist die momentane Leistung zu sehen, die vom EW bezogen wird (91.2 Watt). In den drei Feldern darunter ist diese Leistung aufgeschlüsselt nach den drei Phasen zu sehen. Der Wert im mittleren Feld ist negativ und bedeutet, dass in dieser Phase (an der die Aussensteckdose mit dem Wechselrichter angeschlossen ist) Strom zurück zum EW geflossen ist. Die restlichen mehrere hundert Watt sind im Haus verbraucht worden.
Die App "Shelly" bietet ausserdem etliche graphische Darstellungen z.B. für verschiedene zeitliche Intervalle an.
In welche Phase man einspeist ist egal, denn wie mir vom EKZ auf eine frühere Anfrage mitgeteilt wurde, ist der bei uns verbaute Zähler saldierend, das heisst, dass eingespiesener Strom mit demjenigen, der bezogen wird, verrechnet wird. Somit spielt es für diese Art von Solaranlage keine Rolle, ob man elektrische Verbraucher bei Sonnenschein benutzt oder nicht. Dies im Unterschied zu grossen Photovoltaikanlagen, die oft auf Dächern installiert sind: Dort sollte Solarenergie bevorzugt selbst genutzt werden, weil die Einspeisevergütung geringer als die Kosten für bezogenen Strom ist.
Auf dem Bild rechts ist unser Strombezug anhand der vom Smartmeter an das EKZ gelieferten Daten dargestellt. Zugriff darauf erhält man über MyEKZ. Kurz vor 12 Uhr betrug dieser Wert 0.00W, was wir bisher noch nie beobachten konnten! Dies zeigt, dass wir in diesem Zeitraum alle elektrischen Verbraucher im Haus aus eigenem Solarstrom speisen konnten. :-)

5. Optimale Ausrichtung und Aufstellwinkel

Die horizontale Ausrichtung der Solarpanels erfolgt optimalerweisee in Richtung Süden. Die vertikale Ausrichtung bzw. der Aufstellwinkel ist bei der Montage auf ein Schrägdach gezwungenermassen gleich der Dachneigung und beim Fixieren an die Fassade gleich 90 Grad. Bei der Aufstellung im Garten kann eine Möglichkeit gewählt werden, die anhand der geographischen Breite und des Sonnenstandes optimiert werden kann.

Optimale Aufstellwinkel Beta β und Azimuth Alpha α der Solarpanels vs. Datum und Tageszeit (Lokalzeit):

 S               / Solarpanel       N                N
                /                                    |
               /)                                    |  α
              /  )                             W-----+-----O  α=90°
             /    )                                  |  
            /  β   )                                 |
 __________/________)________________                S
                                                   α=180°

Der optimale Aufstellwinkel ändert sich nicht nur saisonal während den Jahreszeiten, sondern auch tagsüber, denn die Sonne steigt jeden Tag langsam höher bis zur Mittagszeit und sinkt danach wieder.
Die schwarzen Linien zeigen den gewichteten Mittelwert der Werte von 9 Uhr, 13 Uhr und 17 Uhr, wobei der Wert von 13 Uhr doppelt gewichtet wurde, denn um den Mittag scheint die Sonne länger als um 9 oder 17 Uhr.
Daraus ergeben sich für uns neben der optimalen Ausrichtung nach Süden auch die ungefähr optimalen Aufstellwinkel β für die Solarpanels.
Der Aufstellwinkel der Solarpanels lässt sich unseres Wissens nicht auf schnelle und einfache Art direkt bestimmen. Wir behelfen uns daher mit folgender Methode: Wenn die Oberkanten der beiden Panels mit dem Abstand Δ an der Fassade stehen, werden die Winkel wie folgt bestimmt:

 S         Solarpanel  / Δ |          N
                      /    |
                     /     |
                    /      |
                   /       | Fassade
                  /)       |           
                 /  )      |
                /    )     |         
               /  β   )    |
 _____________/________)___|____________
              +   d    + Δ +
              +      D     +

      D = Δ + d , wobei
      d = 1.8 * cos β

  Winkel β   D [m]         D a t e n 

    80°    Δ + 0.31     1. Jan. & 31. Dez.

    75°    Δ + 0.47    24. Jan. & 23. Nov. 

    70°    Δ + 0.62    17. Feb. & 8. Nov. 

    65°    Δ + 0.76    26. Feb. & 10. Okt. 

    60°    Δ + 0.90    15. Mar. & 1. Okt. 

    55°    Δ + 1.03     1. Apr. & 15. Sep. 

    50°    Δ + 1.21    12. Apr. & 1. Sep. 

    45°    Δ + 1.27    20. Mai. & 19. Jul. 

    40°    Δ + 1.38    21. Jun. 

Wir werden diese Berechnungen mittels Messungen der Energieeinspeisungen in den nächsten Wochen überprüfen und hier rapportieren.

6. Erfahrungen vom 13. Februar bis zum 15. März 2023

Am 21. Februar 2023 war es sehr sonnig. Unten links ist zu sehen, dass - aufgrund der Verschattung eines Hausteils - die Energieproduktion gegen 10 Uhr stark ansteigt, zwischen 11:30 und 13:30 Uhr durch den Wechselrichter bei ca. 615 W begrenzt wird und anschliessend aufgrund des Sonnenganges in Richtung Westen und der Verschattung durch Gebüsche bis um etwa 16:30 Uhr abnimmt. Die gesamte Produktion dieses Tages beträgt 2.87 kWh; der bisherige Tagesrekord.

Oben rechts ist die gesamte Stromproduktion in der ersten Woche, seit wir diese kleine Anlage haben, dargestellt: Innert sieben Tagen wurden insgesamt rund 11.5 kWh produziert.
Der Ertrag, den die myStrom-App oben rechts im Screenshot ausgibt, ist nur als grobe Näherung zu verstehen: In dieser App kann man unter "Tarife" die Tarife für den Energiebezug angeben. Da die Solaranlage ausschliesslich tagsüber Strom produziert und bei unserem Lieferanten EKZ von Montag bis Freitag für den Hochtarif Fr. 0.2366 und übers Wochenende ganztags Fr. 0.1935 verrechnet werden, wurde in der App für die Produktion im Sinne eines langfristigen Mittelwertes
    (5 * 0.2366 + 2 * 0.1935) / 7=0.2243
der Wert von Fr. 0.2243 pro kWh eingegeben.

Vom 13. Februar bis zum 15. März 2023 haben wir mittels Sonnenlicht insgesamt elektrische Energie von 40.25 kWh im Wert von ca. Fr. 9.02 produziert. Die produzierten Leistungen (und die vom myStrom-Adapter ebenfalls gemessenen Temperaturen) sind im Plot unten dargestellt.
   

Unten sind die Resultate der ersten Tage unseres Experimentes vom 13. bis zum 28. Februar 2023 dargestellt:
   

Produzierte Leistung pro Tagesstunde vom 13. Februar bis zum 15. März 2023:
   
Wie man sieht, wird die meiste Energie zwischen etwa 9 und 16 Uhr produziert. Dies hängt im Wesentlichen von der Aufstellposition der Solarpanels im Garten ab (Abschattung durch Gebäude und Gebüsche).

7. Erfahrungen ab dem 16. März 2023

Bisher waren die Solar-Panels im Garten nahe der Hausfassade mit einer Neigung von etwa 65° aufgestellt, was ziemlich optimal für die momentane Jahreszeit war.
In der Nacht auf den 16. März 2023 haben wir die Solarpanels vom Garten auf das Dach verschoben und dort fixiert. Das Dach, auf dem die Solar-Panels nun montiert sind, ist mit einem Azimuth≈180° ziemlich genau gegen Süden ausgerichtet und weist eine Neigung von 35° auf.
Der Neigungswinkel ist nun konstant und somit nur noch Mitte Sommer in etwa optimal, dafür fehlen nun jegliche Abschattungen.

Neuer Standort der beiden Solarpanels auf dem Dach (oben links) und Energieproduktion am 16. März 2023: Trotz suboptimaler Neigung wurde ein neuer Rekord von über 4kWh produziert. Es scheint, als ob eine ganztägige Exposition der Panels zur Sonne ohne Schattenwurf eine grössere Ausbeute an Sonnenenergie ergibt und insgesamt besser ist als eine weniger günstige Position mit optimalem Neigungswinkel. Wir bleiben dran!
Und ja, es bereitet einen riesigen Spass, selbst Elekrizität zu erzeugen, die dann auch noch im eigenen Haushalt genutzt werden kann!

Produzierte Leistungen ab dem 16. März 2023:
   

Produzierte Leistung pro Tagesstunde ab dem 16. März 2023: