Unterbrechungsfreie Stromversorgung als Wechselrichter nutzen?

Kann als Wechselrichter für Solarstrom auch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung dienen? Strom wird immer teurer, eine Solaranlage kann die Stromkosten senken helfen.

Gerade in den letzten Jahren sind die Strompreise enorm angestiegen. Immer mehr Leute entscheiden sich dazu, eine Solaranlage mit mehreren Solarpanels am Haus anzubringen. Entweder kommen die Solarzellen auf das Dach oder sogar an oder auf den Balkon. Da die Solarzellen nur bei Sonneneinstrahlung Strom erzeugen und dieser später in Wechselstrom umgewandelt werden muss, werden Wechselrichter eingesetzt. Diese wandeln den Gleichstrom zum einen in Wechselstrom um, zum anderen sorgen sie dafür, eine Spannung in Höhe von 230 Volt zu erzeugen. Die meisten Insel-Solaranlagen erzeugen Spannungen von 12 oder 24 Volt. Dann gibt es die unterbrechsungfreie Stromversorgung, kurz USV. Lassen sich diese Geräte auch als Wechselrichter zur Stromversorgung von Computern an der Solaranlage „missbrauchen“?

Solaranlagen in unterschiedlichen Ausführungen

Zunächst soll an dieser Stelle etwas ausgeholt werden. Solaranlagen gibt es in verschiedenen Ausführungen. Zum einen ist da die Rede von so genannten Fotovoltaik-Inselanlagen. Wie der Name schon vermuten lässt, arbeiten diese Anlagen unabhängig vom öffentlichen Stromnetz. Der Strom gelangt von den Solarzellen über einen Laderegler zu den Akkus, in denen er zwischengespeichert wird. Der Laderegler schützt die Batterie vor zu hoher Spannung und Tiefentladung. Eine zu hohe Ladespannung ist für den Akku schädlich, ebenso eine zu niedrige Akkuspannung durch Tiefentladung. Die Akkus dienen gleichzeitig dazu, eine ausreichend hohe Stromstärke zur Verfügung zu stellen, wenn beispielsweise kurzzeitige Leistungsspitzen durch Geräte mit hohem Stromverbrauch erzeugt werden. So können beispielsweise einzelne Solarzellen in der Regel keinen Wechselrichter und einen daran angeschlossenen Verbraucher mit einer Leistung von mehreren 100 Watt mit Strom speisen und benötigen dazu einen Zwischenspeicher in Form des Akkus. Wäre dieser nicht vorhanden, könnte die Anlage auch bei fehlender Sonneneinstrahlung keinen Strom liefern. Diese Anlagen werden gerne zuhause, im Gartenhäuschen oder in Wohnmobilen bzw. Wohnwagen eingesetzt, also überall dort, eine eigenständige Stromversorgung ohne öffentlichen Netzstrom gewünscht ist.

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Kleiner Wechselrichter 12 Volt zu 230 Volt mit 300 Watt geöffnet
Kleiner Wechselrichter 12 Volt zu 230 Volt mit 300 Watt geöffnet

Den Gegensatz zu den Inselanlagen bilden die netzgebundenen Anlagen oder netzgekoppelten Fotovoltaikanlagen. Diese teilen den erzeugten Strom in Eigenverbrauch und Einspeisung in das öffentliche Stromnetz auf. In der Regel ist es so, dass der durch die Solaranlage erzeugte Strom zunächst im eigenen Haushalt verbraucht wird. Was übrig bleibt, landet im öffentlichen Stromnetz. Es gibt ein Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG), nachdem dieser Strom den Inhaber der Anlage vergütet wird. In der Regel erfolgt dann eine Verrechnung mit dem verbrauchten Strom aus dem öffentlichen Stromnetz. Die Solaranlage ist also in diesem Fall mit dem Stromnetz gekoppelt. Man unterscheidet dabei zwischen Systemen, die den Verbraucher parallel zum öffentlichen Netz mit Strom versorgen oder Anlagen, bei denen der Verbraucher alternativ zum öffentlichen Netz mit Strom versorgt wird. Bei Letzteren werden die Überschüsse zunächst in einem Energiespeicher gespeichert, ehe der Strom schließlich in das öffentliche Netz eingespeist wird.

Zurück zum Thema USV als Wechselrichter

Im vorliegenden Fall ging es um die Klärung der Frage, ob eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) die Aufgabe des Wechselrichters einer Inselanlage übernehmen kann. Der Grund: USVs sind vor inzwischen gebraucht sehr günstig zu haben und eignen sich sehr gut dazu, EDV-Anlagen und andere empfindliche elektronische Geräte mit Strom zu versorgen. Außerdem sind die angeschlossenen Elektrogeräte vor Überspannungen geschützt. Die Idee dahinter ist die, statt der kleinen 12-Volt-Batterie in der USV die große Batterie der Solaranlage anzuschließen und als Stromversorgung zu nutzen. Ein weiterer Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass die USV bei Bedarf auch mit Strom aus dem öffentlichen Netz versorgt werden kann, sodass die EDV-Anlage oder andere angeschlossene Geräte jederzeit auf Netzstrom umgeschaltet werden können. Das Gerät hätte also gleich mehrere Vorteile gegenüber einem Wechselrichter, wie dieser normalerweise an Solaranlagen eingesetzt wird. Außerdem wäre die ursprüngliche Funktion einer unterbrechungsfreien Stromversorgung auch hier gegeben, da bei einem Stromausfall der Computer nicht einfach abgeschaltet würde und eine manuelle Umschaltung auf den Wechselrichter und ein neues Hochfahren des Rechners mit einem eventuellen Datenverlust vermeidbar wäre. Im Prinzip sollte es funktionieren, und das tut es auch tatsächlich. Vor dem Experiment aber einige Sicherheitshinweise:

Wichtige Sicherheitshinweise:

Der hier gezeigte Umbau war lediglich ein Experiment, um herauszufinden, ob die unterbrechungsfreie Stromversorgung tatsächlich als Wechselrichter genutzt werden konnte. Allerdings sind solche Experimente nicht ganz ungefährlich, da sie einen Eingriff in das Gerät erforderlich machen und die Herstellung der Stromversorgung nur mit entsprechender Absicherung auf der Seite der Batterie erfolgen sollte. Im schlimmsten Fall kann der Akku, der Laderegler und natürlich die USV beschädigt werden. Es kann gegebenenfalls sogar zu einem Brand kommen, wenn eine solche Anlage unbeaufsichtigt betrieben wird. Daher der Hinweis: Bitte nicht nachmachen! Wie schon geschrieben, handelt es sich hier lediglich um ein Experiment, bei dem die Anlage während des Betriebs unter dauernder Beaufsichtigung war.

Experiment: APC Back-UPS als Wechselrichter an der Solaranlage

Im vorliegenden Fall sollte eine USV von APC des Typs Back-UPS CS 650 mit dem im Experiment vorgesehenen Zweck eingesetzt werden. Ein solches Gerät war noch verfügbar. Außerdem war der dort eingesetzte Akku mit 12 Volt und 7 Amperestunden ohnehin nicht mehr brauchbar. Im einfachsten Fall brauchte nur der Akkuanschluss im Gerät mit der Batterie der Solaranlage verbunden werden. Der Akku sitzt bei der USV von APC des Typs Back-UPS CS 650 in einem kleinen Fach im Gerät. Die elektrische Verbindung zur Elektronik der USV wird über zwei Kabel mit Flachsteckern dargestellt. Um die Verbindung der Batterie von der Fotovoltaikanlage zu USV herstellen zu können, wurden separate Kabel verwendet, sodass ein Rückbau ohne Probleme möglich war. Das Gerät wurde dazu geöffnet, wobei sich schon ein Mangel zeigte. Einer der Elektrolytkondensatoren im Gerät war deutlich ausgebeult und musste unbedingt ausgewechselt werden. Nach der Reparatur und der Verkabelung mit der Batterie der Solaranlage konnte der erste Testbetrieb stattfinden.

APC Back-UPS CS 650 geöffnet
APC Back-UPS CS 650 geöffnet

Der Vorteil bei der Unterbrechung freien Stromversorgung Back-UPS CS 650 ist der, dass das Gerät problemlos auch ohne angeschlossenes Netzkabel und somit ohne den Anschluss an das öffentliche Stromnetz aktiviert werden kann. Wird das Gerät eingeschaltet, liefert es sofort die Wechselspannung am Ausgang. Um die Temperatur im Inneren des Gerätes im Auge zu behalten, wurde es im geöffneten Zustand betrieben. Nach einer Weile (etwa 30 Minuten) schaltete sich das Gerät ab, außerdem war der Transformator im Inneren sehr warm geworden. Dies deutete bereits darauf hin, dass das Gerät nicht für die Stromentnahme über Akku im Dauerbetrieb ausgelegt ist. Ein mehrstündiger Betrieb, dazu noch im geschlossenen Zustand mit entsprechender Hitzeentwicklung, würde wahrscheinlich problematisch werden. Zwar heizte sich die übrige Elektronik mitsamt der Leistungstransistoren nicht sonderlich stark auf, dennoch würde im Inneren des Gerätes bei geschlossenem Gehäuse eine sehr hohe Temperatur entstehen. Inwieweit sich das auf die Funktion der Elektronik im Gehäuse auswirkt, ist kaum absehbar. Es hat sich das Gerät abschaltet, blieb zunächst unklar. Es wurde zwar noch ein weiterer Elektrolytkondensator ausgewechselt, wonach die Laufzeit sich etwas verlängerte (auf etwa 45 Minuten), ehe sich das Gerät erneut abschaltete. Allerdings kann nicht ausgeschlossen werden, dass eine Schutzschaltung im Gerät nach einiger Zeit anspricht, um größeren Schaden zu verhindern. Der Trafo wurde während des Tests übrigens durch einen Lüfter gekühlt.

Back UPS CS 650 mit defekten Elektrolytkondensatoren
Back UPS CS 650 mit defekten Elektrolytkondensatoren

Unterschied USV und Spannungswandler bzw. Wechselrichter

Eine unterbrechungsfreie Stromversorgung dient zu einer kurzfristigen Überbrückung zwangsweise Sicherstellung der Stromversorgung einer elektrischen Anlage (beispielsweise einer EDV) bei einem plötzlichen Stromausfall. Sie dient in diesem Fall dazu, dass auf dem Rechner noch Daten gesichert werden können und dass der Rechner ohne Datenverlust vernünftig heruntergefahren werden kann. In der Regel reicht die Stromversorgung über einen Zeitraum von 10 bis 15 Minuten, abhängig von der Stromaufnahme der angeschlossenen Verbraucher und der Kapazität der in der USV verbauten Akkus. Das hier gezeigte Modell hat einen relativ kleinen Akku (12V/7Ah) und auch eine begrenzte Ausgangsleistung. Zur Stromversorgung eines Computers mit Bildschirm reicht es aus, aber nur für wenige Minuten. Und genau dafür sind solche Geräte ausgelegt. Die verwendeten Bauteile (beispielsweise der für die Umwandlung notwendige Transformator) sind leistungsmäßig so ausgelegt, dass sie eine gewisse elektrische Leistung für eine gewisse Zeit verarbeiten können und nicht mehr. Beim Dauerbetrieb können verschiedene Bauteile im Inneren des Gerätes überlastet werden, gegebenenfalls kann der Dauerbetrieb sogar gefährlich werden. Bei einer Überhitzung kann im schlimmsten Fall sogar ein Brand entstehen, wenn das Gerät keine entsprechende Schutzschaltung besitzt bzw. diese durch irgendwelche Mittel außer Kraft gesetzt wird. Es kann natürlich sein, dass unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs) anderen Typs oder von anderen Herstellern auch im Dauerbetrieb problemlos arbeiten, allerdings muss das immer im Einzelfall überprüft werden. Außerdem gibt es keine Garantie dafür, dass der Dauerbetrieb in dem Fall auch sicher erfolgen kann.

Unterbrechungsfreie Stromversorgung Back-UPS während des Tests
Unterbrechungsfreie Stromversorgung Back-UPS während des Tests
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