Aufbau und Funktionsweise von Balkonkraftwerken

Den Aufbau und die Funktionsweise von Balkonkraftwerken kann man schnell in drei Punkten zusammenfassen:

1. Ein Balkonkraftwerk besteht aus einem oder aus zwei PV-Modulen und einem Wechselrichter. Außerdem gibt es noch eine Verbindung vom Wechselrichter zur Haussteckdose. Von dieser Steckdose aus werden dann Verbraucher im Haushalt mit Strom versorgt.
2. Das Anschließen des Balkonkraftwerkes ist eigentlich recht einfach, die Module werden mit dem Wechselrichter über einen verpolungssicheren Stecker und ein vorkonfiguriertes Anschlusskabel verbunden. Außerdem gibt es noch eine Endkappe für den Verbindungsstrang zu weiteren Modulwechselrichtern, die einfach aufgesteckt wird.
3. Auch die Funktionsweise einer Mini-PV-Anlage ist nicht schwer zu verstehen. Die Sonnenstrahlen treffen auf die Solarflächen, wo die Energie in Gleichstrom umgewandelt wird. Im nachgeschalteten Wechselrichter wird dann dieser Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom umgewandelt und schließlich in das Hausnetz eingespeist.

 

Das hört ich soweit alles ganz einfach an… Es gibt aber einige Punkte, die man wissen und beachten sollte. Daher wird auf den nachfolgenden Seiten noch einmal detailliert erklärt, welche Bestandteile ein Balkonkraftwerk hat, wie diese Komponenten ineinandergreifen und was es beim Anschließen zu beachten gibt. 

Bestandteile eines Balkonkraftwerkes

Ein Balkonkraftwerk besteht nur aus wenigen Einzelkomponenten. Mit einem oder zwei Solarmodulen, einem Wechselrichter, entsprechenden Kabeln und Steckern ist das Kraftwerk eigentlich schon vollständig.

 

Zum notwendigen Zubehör gehören Befestigungsmöglichkeiten, um der gesamten Anlage einen sicheren Halt zu geben.

 

Daneben sind auch optionale Bestandteile erhältlich. Dazu gehört das Monitoring, meistens über einen kleinen Stromzähler realisiert und ein Speicher, damit nicht genutzter Strom zwischengelagert werden kann.

 

Nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die Bestandteile und deren Aufgaben.

Bestandteil	Eigenschaften	Aufgaben
PV-Modul (meistens eins oder zwei)	monokristallin (höherer Wirkungsgrad) oder polykristallin	Aufnehmen der Sonnenenergie
Wechselrichter	auch Inverter genannt	wandelt aufgenommenen Gleichstrom in nutzbaren Wechselstrom um
Kabel und Einspeisestecker	für einen normkonformen Betrieb werden eine spezielle Einspeisesteckdose und ein spezieller Einspeisestecker benötigt   gemäß Norm: Wieland-Stecker und Wieland-Steckdose   handelsübliche Schukostecker auch möglich, wenn am Wechselrichter eine Schutzeinrichtung vorhanden ist, die ggf. abschaltet	Weiterleitung Wechselstrom ins Hausnetz, zur Steckdose
Balkon-Befestigung	Befestigungsmaterial – je nach Ort der Installation, zum Beispiel: Aufsteller Rahmen Wechselrichterbefestigung Schienen Schrauben	sichere Befestigung der Komponenten der Anlage   Befestigung möglich am Balkongeländer, auf der Terrasse, auf dem Dach, an der Fassade
Monitoring (optional)	Stromzähler, der zwischen Inverter und Steckdose installiert wird	genaue Menge an erzeugtem Strom kann gemessen und so die Amortisationszeit genau berechnet werden
Stromspeicher (optional)	Balkonkraftwerke werden so gut wie nur für die Selbstversorgung betrieben   überschüssiger Strom wird verschenkt   mit einem Stromspeicher kann der mehr produzierte Strom gespeichert werden   Nachteil: Speichertechnologie ist noch sehr teuer	Speicherung des selbst erzeugten Stroms, der nicht gleich verbraucht wird   Abgabe des gespeicherten Stromes bei Bedarf

 

Lieferumfang beim Kauf eines Balkonkraftwerkes

Da ein Balkonkraftwerk nicht sehr viele einzelne Komponenten hat, ist auch der Lieferumfang nach einem Kauf schnell und leicht zu überblicken. Um das Kraftwerk betreiben zu können, müssen auf jeden Fall das/die Solarmodul/e geliefert werden, ebenso wie ein Wechselrichter, die Anschlusskabel und Stecker. Darüber hinaus sind Befestigungsmöglichkeiten notwendig. Sie dienen der sicheren Aufstellung der Anlage und damit dem störungsfreien Betrieb und sind meistens im Lieferumfang nicht enthalten. Kabel und Stecker für den Anschluss des Balkonkraftwerkes gibt es in verschiedenen Ausführungen und Längen, hier sollte man sich vorher entscheiden. Nicht im Lieferumfang enthalten sind außerdem optionale Komponenten, wie Monitoring- und Speichermöglichkeiten. 

 

Nachfolgend noch einmal eine Übersicht über notwenige, veränderbare und optionale Komponenten des Lieferumfangs.

 

Der generelle Lieferumfang im Einzelnen:

• ein oder mehrere Solarmodule
• bei mehreren Modulen entsprechende Verbindungsleitungen und -adapter
• Wechselrichter
• zertifizierte Solarkabel mit Solarmodul-Anschlüssen für die Verbindung von Modul mit Wechselrichter
• Anschlusskabel für die Verbindung des Wechselrichters mit der Hausanschlusssteckdose
• ganz wichtig ist auch eine Aufbauanleitung – hier sollte darauf geachtet werden, dass eine Anleitung mit dabei ist 

Notwendiges Zubehör:

• Befestigungsmaterial, wie Schienen, Bänder, Schrauben, Rahmen, Aufsteller…

Veränderbare Teile im Lieferumfang

• Anschlusskabel wahlweise als Schukokabel oder als Wieland-Set
• Anschlusskabel in wählbaren Längen

Optionale Komponenten für das Balkonkraftwerk – nicht im normalen Lieferumfang enthalten:

• Energiemesser / Monitoring mit Anschlussmöglichkeiten
• Stromspeicher mit entsprechenden Anschlusskabeln

Zusammenspiel der Komponenten / Funktionsweise eines Balkonkraftwerks

Vielen ist das Balkonkraftwerk auch unter anderem Namen bekannt, wie zum Beispiel Stecker-Solaranlage oder auch Plug-and-Play-Solaranlage. Im Prinzip ist das Balkonkraftwerk eine Photovoltaik-Anlage, die nur kleiner ist als die Freifeld- und Dachanlagen, die man so aus dem Umfeld kennt. Und weil sie kleiner ist, ist sie auch günstiger und schneller aufzubauen.

 

Installiert werden diese kleinen Anlagen – wie der Name schon vermuten lässt – oftmals auf dem Balkon. Möglich sind aber auch andere Orte, wie die Terrasse, die Fassade, ein Schuppen- oder Garagendach oder auch der Garten. 

Wichtig ist: Das Balkonkraft ist ein innovatives System, das eine effiziente Möglichkeit der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien bietet.

 

Speziell für den Einsatz auf Balkonen konzipiert, kann fast jeder mit einem derartigen kleinen Kraftwerk eigenen Strom produzieren, der dabei hilft:

• die Umwelt zu schonen und
• die Stromrechnung zu reduzieren

 

Die Funktionsweise eines Balkonkraftwerkes ist recht einfach und gut vergleichbar mit jeder anderen PV-Anlage. Mit der Hilfe von Photovoltaik-Paneelen wird zunächst das Sonnenlicht in Strom umgewandelt. In den einzelnen Modulen sind mehrere Solarzellen miteinander verschaltet. Ein oder zwei der Module bilden damit die Basis / das Herzstück des Balkonkraftwerks.

 

Die einzelnen Solarzellen innerhalb eines Moduls bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien, meistens handelt es sich um Silizium.

Zur Erklärung: Ein Halbleiter ist ein Stoff, der bei Zufuhr von Wärme oder Licht, wie bei einer PV-Anlage elektrisch leitfähig wird. Ist es zu dunkel oder zu kalt, wirken die Halbleiter außerdem isolierend.

 

In das Halbleitermaterial / Silizium werden außerdem weitere chemische Elemente wie Phosphor und Bor eingebracht. Das hat zur Folge, dass ein Elektronenüberschuss in der Solarzelle entsteht. Scheint nun die Sonne und Licht fällt auf die Solarzellen, dann werden diese leitfähig und es entsteht eine elektrische Spannung, die über entsprechende Metallkontakte abgeleitet wird. 

 

Die PV-Module haben also durch die Sonneneinstrahlung Gleichstrom erzeugt und dieser wird über eine passende Leistung zur nächsten Komponente, dem Wechselrichter geleitet.

 

Die Aufgabe des Wechselrichters ist es nun, den entstandenen Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, weil im Haushalt nur Wechselstrom genutzt werden kann. Für den nun erzeugten Wechselstrom ergeben sich drei weiterführende Wege:

1. der Strom wird direkt genutzt
2. der Strom wird in Akkus gespeichert für den späteren Gebrauch
3. der Strom wird über einen Zähler in das öffentliche Stromnetz eingespeist

Im Falle eines Balkonkraftwerkes ist es in aller Regel so, dass der Strom direkt selbst genutzt wird, also Haushaltsgeräte speist, um die regulären Stromkosten zu senken. Einen großen Überschuss an nicht genutztem Strom gibt es in den meisten Fällen nicht. 

 

Auf jeden Fall werden für das Weiterleiten des Stromes Kabel und Stecker benötigt. Um den Betrieb sicher zu gewährleisten, lohnt hier ein Blick in die Normen des Vereins „VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik“. Hier wird empfohlen, einen Wielandstecker zu nutzen. Eine Einspeisung in das eigene Hausnetz ist aber ebenso via Standard Schuko Stecker möglich.  

Anforderungen an die einzelnen notwendigen Komponenten

Damit die PV-Anlage auf dem Balkon auch ertragreich und sicher läuft und das Zusammenspiel der Einzelkomponenten nicht gestört ist, sollte man ganz genau hinschauen, welche Komponenten man verbaut und einige grundlegende Dinge beherzigen. Nachfolgend sind die wichtigsten Punkte einmal dargestellt.

Anforderungen an PV-Module:

• elektrische und mechanische Sicherheit muss gegeben sein, da sich die Module im Außenbereich befinden
• Module müssen also für den Betrieb an nicht witterungsgeschützten Orten im Freien geeignet sein, direkte und indirekte Sonneneinstrahlung standhalten, Umgebungstemperaturen von mindestens -40 °C bis +40°C aushalten und eine erhöhte mechanische Stabilität aufweisen, um Schnee- und Windlasten entgegen zu wirken
• die Module müssen – wie gesetzlich vorgeschrieben - eine Garantie für die Tauglichkeit für zwei Jahre ab Kaufvertrag haben
• längere Garantien der Hersteller auf Produktmängel wären gut
• die Leistung der Module spielt eine große Rolle: bei der Leistungsgarantie wird normalerweise eine Abweichung von 3% mehr oder weniger angegeben
• wichtig ist auch die maximale Leistungsminderung: hier garantiert der Hersteller, welche Leistung die Module nach einer bestimmten Zeit noch erbringen müssen

Anforderungen an Wechselrichter:

• Aufgrund der verbauten Elektronik ist eine Unterbringung in einem trockenen, kühlen Raum empfehlenswert
• genügend Abstand zu anderen Gegenständen und Wänden wegen der entstehenden Abwärme muss gewährleistet sein
• mit entsprechender Schutzklasse (IP65 oder IP67) können Wechselrichter auch im Außenbereich installiert werden – trotzdem: zu viel Wärme und zu große Kälte vermeiden
• Wechselrichter müssen eine CE-Zertifizierung haben und mit Stecker verkauft werden
• die aktuelle Leistungsgrenze für Balkonkraftwerke liegt bei 600 Watt Einspeiseleistung – demnach darf auch der Wechselrichter maximal 600 Watt ins Hausnetz einspeisen
• Wechselrichter sollten nach VDE-Norm VDE AR-N 4105:2018-11 zertifiziert sein
• sie sollten über einen Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz) verfügen, dessen Aufgabe es ist, das Balkonkraftwerk im Falle einer Netzstörung vom Stromnetz zu trennen 

Anforderungen an Kabel und Stecker:

• grundsätzlich besteht die Wahl zwischen Schuko- und Wieland-Steckern und Steckdosen
• Wieland-Stecker bestehen aus einem robusteren Plastik als die Schuko-Stecker und verfügen zudem über einen Berührungsschutz, sie dürfen außerdem nur durch autorisiertes Fachpersonal verbaut werden
• Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik empfiehlt die Verwendung einer Energiesteckdose verbunden mit dem sogenannten Wieland-Stecker, es handelt sich aber nicht um eine gesetzliche Vorgabe
• Betrieb eines Balkonkraftwerks ist auch mit einer gewöhnlichen Schuko-Steckdose problemlos möglich
• an einer Steckdose darf nur eine einzige Stecker-Solaranlage angeschlossen werden
• spezielle Verbindungskabel vom Wechselrichter zur Steckdose gibt es in verschiedenen Längen, so dass kein Verlängerungskabel nötig ist, welches auf einer Kabeltrommel zu ungewollten Hitzeentwicklungen führen kann

Optimaler Standort und Befestigungsmöglichkeiten

Um möglichst viel Strom zu erzeugen und damit das Balkonkraftwerk optimal nutzen zu können, spielt natürlich der richtige Standort eine große Rolle. Außerdem müssen alle Teile vernünftig befestigt werden, um Schäden zu vermeiden und eine notwendige Sicherheit zu gewährleisten.

Himmelsrichtung:

Um den richtigen Standort festzulegen, ist zunächst die Himmelsrichtung wichtig. Eine Südausrichtung ist immer die erste Wahl, weil die Lichtausbeute dann am größten ist. Möglich ist aber auch eine Ausrichtung in andere Richtungen, nur muss man dann mit weniger Ertrag rechnen. Auf Balkon und Terrasse ist die Wahl der Himmelsrichtung oft nur begrenzt gegeben, hier muss man die baulichen Gegebenheiten berücksichtigen. Ähnlich sieht es bei einem Schrägdach aus, auch hier ist die Ausrichtung nach der Himmelsrichtung bereits vorgegeben. Auf einem Flachdach dagegen kann man mit Rahmengestellen die Module gen Süden ausrichten.

Neigungswinkel:

Der Neigungswinkel der Solarmodule sollte im optimalen Fall zwischen 30 und 35 Grad liegen. Als Tipp kann man hier beherzigen, dass die Sonne möglichst senkrecht auf das Solarpanel einstrahlen kann. Auf einem Flachdach beispielsweise kann das mit einem Aufsteller schnell und einfach realisiert werden.

Ort:

Was im Sprachgebrauch „Balkonkraftwerk“ genannt wird, muss nicht notwendigerweise auf dem Balkon seinen Platz finden, auch möglich sind Terrassen, Hausfassaden, Schuppen- oder Garagendächer und sogar Rasenflächen.

Standort Balkon:

Wer seine Mini-PV-Anlage auf dem Balkon installieren möchte, der hat zwei Möglichkeiten. Zum einen werden die Module außen am Balkon befestigt und zum anderen werden die Module auf einem Rahmen / Gerüst installiert. Bei einem Aufbau in einem Rahmen empfiehlt sich zusätzlich eine Beschwerung oder eine Verankerung im Boden, damit die Einzelkomponenten auch starken Stürmen standhalten können.

Standort Terrasse:

Zur Befestigung empfehlen sich hier wetterweste Aluschienen. Eine Installation erfolgt damit ähnlich wie auf dem Balkon. Wichtig ist eine sichere Bodenverankerung, damit Winde keinen Schaden anrichten. Wechselrichter, Stecker und Kabel sollten so weit wie möglich vor Umwelteinflüssen geschützt installiert werden.

Standort Dach:

Auch auf einem Dach kann ein Balkonkraftwerk seinen Platz finden. In den meisten Fällen kann man dafür die gleichen Befestigungsprofile und Leisten nutzen, wie sie bei großen PV-Anlagen zum Einsatz kommen. Ist das Dach flach, dann können aufstellbare Rahmen verwendet werden. Hier ergibt sich der Vorteil, dass diese in die optimale Richtung mit dem optimalen Winkel gebracht werden können. Äußerst wichtig ist natürlich, dass alle Teile absturzsicher befestigt werden.

Tipps:

1. Möglichst einen sonnigen Platz mit wenig Schatten für das Balkonkraftwerk aussuchen.
2. Herabfallendes Laub und Verschmutzungen auf den Modulen vermeiden.
3. Befestigung immer so aussuchen, dass alle Komponenten vor zu starken Umwelteinflüssen geschützt sind.
4. Sicherheit geht vor: Windgeschützt und absturzsicher installieren.

Unterschiede zu normalen PV-Anlagen

Das Balkonkraftwerk oder auch die Mini-PV-Anlage funktioniert genauso wie eine herkömmliche größere PV-Anlage, wie sie heute auf vielen Dächern und Flächen zu sehen ist. Der durch die Sonneneinstrahlung generierte Strom fließt über einen Wechselrichter ins Stromnetz des Hauses. In Sachen Funktionsweise gibt es also keine Unterschiede zwischen Balkonkraftwerken und anderen PV-Anlagen. Dennoch gibt es Unterschiede, die nachfolgend einmal aufgezählt sind.

Unterschied	Herkömmliche PV-Anlage	Balkonkraftwerk
bauliche Größe	eine 10-kWp-PV-Anlage auf einem durchschnittlichen Einfamilienhaus benötigt eine Dachfläche von ca. 60 - 80 m²	ein 300-Watt-Solarmodul für den Balkon hat Abmessungen von ca.  1 x 1,70 m, was eine Fläche von 1,7 m² ergibt   oft sind nur zwei dieser Module in der Anlage enthalten
Leistungsgröße	auf normalen Einfamilienhäusern sind PV-Anlagen mit 10 Kilowattpeak weit verbreitet, das entspricht einer Leistung von 10.000 Watt	ein einfaches Balkonkraftwerk hat oft nur eine Leistung von 300 Watt
Eigenverbrauch des Stroms	für eine normale PV-Anlage beträgt der Eigenverbrauch in der Regel 20 bis 30 Prozent   optimierbar ist der Eigenverbrauch mit einem Speicher auf bis zu 70 Prozent	schon ein einzelnes angeschlossenes Haushaltsgerät und einige Verbraucher im Standby-Betrieb können für einen Eigenverbrauch von 100 Prozent sorgen
Einspeisung von Strom in das öffentliche Netz	Hausbesitzer bekommen für die Einspeisung des nicht verbrauchten Stroms eine Einspeisevergütung	der selbst erzeugt Strom wird in den meisten Fällen auch selbst verbraucht   eventuelle Überschüsse an Strom wären extrem gering
Anschluss an das Stromnetz	Bei einer normalen PV-Anlage erfolgt der Netzanschluss mittels einer Klemmleiste im Zählerschrank	das Balkonkraftwerk wird wahlweise mit einem Schuko- oder einem Wieland-Stecker angeschlossen
Mobilität	Dach- oder Freiflächen-PV-Anlagen sind fest montiert	Balkonkraftwerke sind mobil und können problemlos auch woanders installiert werden