Leitfaden zu Akkumulatoren, Ladereglern und Wechselrichtern

Elektrochemische Akkumulatoren

Elektrochemische Akkumulatoren sind für die Speicherung von Energie verantwortlich. Die am häufigsten verwendeten Akkumulatortypen sind Nickel-Cadmium und Blei-Säure. Sie bestehen entweder aus unabhängigen 2V-Zellen oder aus 12V-Monoblöcken (6 Zellen zu je 2V), die in Reihe geschaltet sind.

Blei-Säure-Akkumulatoren

Der Elektrolyt besteht aus mit Wasser verdünnter Schwefelsäure und fungiert als leitendes Element zwischen den Platten der Batterie. Die Dichte (d) liegt zwischen 1,30 g/cm³ (geladen) und 1,1 g/cm³ (entladen). Die Zellenspannung beträgt etwa 2V (geladen ca. 2,6V, entladen ca. 1,7V). Bei einem Monoblock liegen die Werte entsprechend zwischen 15,6V und 10,2V. Die Messung erfolgt über die Elektrolytdichte oder mit einem Multimeter.

Gasungsstadium und Schichtung

Gasungsstadium: Am Ende des Ladevorgangs, wenn die aktiven Materialien fast vollständig umgewandelt sind, zersetzt der verbleibende Strom das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff, welche als Gase aus dem Elektrolyten freigesetzt werden. Schichtung des Elektrolyten: Dies bezeichnet Konzentrationsänderungen, die der Elektrolyt während der Lade- und Entladeprozesse erfährt.

Installation und Sicherheitsmaßnahmen

Platzierung: Die Komponenten sollten so nah wie möglich an den Platten platziert werden. Verwenden Sie geeignete Terminals und Anschlussplatten, um Hotspots und Spannungsabfälle zu vermeiden. Wartung: Batterien sollten bei Bedarf getrennt werden, um sie sicher zu manipulieren.

Sicherheitsmaßnahmen für den Umgang:

• Isolierte Schraubenschlüssel und Multimeter
• Destilliertes Wasser und Reinigungstücher
• Aräometer (Säureheber) und Natronlauge
• Neutrale Vaseline
• Schutzbrille und Handschuhe

Wichtige Akkumulator-Parameter

• Nennkapazität: Die Strommenge (Ah), die der Akku bis zur Erschöpfung abgeben kann (Kapazität = Stromstärke x Zeit).
• Entladetiefe (DoD): Der Prozentsatz der Kapazität, der entnommen wurde. Bei normaler Nutzung liegt dieser zwischen 15 % und 20 %, bei Tiefentladungsbatterien zwischen 40 % und 50 %. Es gibt Typen, die bis zu 80 % entladen werden können, wobei die Routineentladung bei 25-30 % liegt. Tiefentladungen verkürzen die Lebensdauer.
• Lade- und Entladezyklus: Erfolgt in der Regel täglich.
• Selbstentladung: Der interne Kapazitätsverlust der Batterie auf täglicher Basis.
• Temperatureinfluss: Die ideale Betriebstemperatur liegt bei 20 °C (Bereich 15-25 °C). Niedrige Temperaturen verringern die Kapazität, während hohe Temperaturen das Risiko der Gasbildung erhöhen. Bei unter -25 °C kann der Elektrolyt einfrieren.

Nickel-Cadmium-Akkumulatoren

Diese verfügen über eine Zellenspannung von 1,2V und unterstützen eine Entladetiefe von 85 % bis 90 % ohne Schäden. Ein Nachteil ist der Memory-Effekt: Wenn der Ladevorgang beginnt, bevor der Akku vollständig entladen ist, verringert sich mit der Zeit die nutzbare Kapazität. Sie sind bis zu 10 Jahre wartungsfrei, haben jedoch eine höhere Selbstentladung und sind aufgrund des Cadmiums umweltschädlicher als Blei-Säure-Akkus.

Verschaltung von Akkumulatoren

Um höhere Kapazitäten (Ah) oder Spannungen (V) zu erreichen, können Batterien kombiniert werden:

• Parallelschaltung: Zur Erhöhung der Kapazität. Die Verkabelung sollte kreuzweise erfolgen, damit die Entladung homogener ist. Es wird empfohlen, nicht mehr als zwei Batterien parallel zu schalten.
• Reihenschaltung (Serie): Zur Erhöhung der Gesamtspannung.

Laderegler: Funktionen und Parameter

Die Hauptaufgabe besteht in der Kontrolle von Ladung und Entladung. Der Regler muss nah an der Batterie, aber geschützt vor Gasemissionen, an einem belüfteten Ort unter 45 °C installiert werden. Er muss vor Feuchtigkeit geschützt sein.

Reglertypen und Parameter

Es gibt Serien- und Shunt-Regler. Zu den Parametern gehören die Nennspannung (U) und die maximale Stromstärke (I) des Photovoltaik-Feldes sowie der Eigenverbrauch des Geräts. Moderne Regler arbeiten oft in zwei Stufen: 1. Schnellladung (ca. 14,7V) und 2. Erhaltungsladung (Flotation, ca. 13,5V).

Sicherheitsfunktionen: Schutz vor Überlastung, Tiefentladung, Überspannung, Überstrom, Übertemperatur, Kurzschluss und Verpolung.

Wechselrichter (Inverter)

Wechselrichter wandeln Gleichstrom in Wechselstrom um. Es gibt folgende Typen:

• Rechteckwelle: Für TV, PC oder kleine Geräte.
• Modifizierter Sinus: Ideal für Beleuchtung; bietet ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis.
• Reiner Sinus: Erzeugt eine reine Sinuswelle mit einem Wirkungsgrad von über 90 %; ideal für Asynchronmotoren.

Effektivität: Das Verhältnis zwischen abgegebener Leistung (P_out) und aufgenommener Leistung (P_in). Ein hoher Wirkungsgrad ist wichtig, um Leistungsverluste zu minimieren. Schutzfunktionen: Automatischer Neustart nach Überlast, Kurzschlussschutz, Abschaltung bei Eingangs-Überspannung oder zu niedriger Batteriespannung sowie bei hoher Betriebstemperatur.

Klassifizierung nach Verwendungszweck

• Traktionsbatterien: Ermöglichen eine Tiefentladung von 80 % in 8 Stunden. Sie erfordern häufige Wartung und werden für Gabelstapler und Elektrofahrzeuge verwendet.
• Starterbatterien (Arranque): Liefern hohe Ströme für kurze Zeit, um Motoren zu starten.
• Stationäre Batterien: Für den täglichen Zyklusbetrieb mit geringer Selbstentladung. Sie werden in Anlagen mit schwierigem Wartungszugang oder für Notstromsysteme eingesetzt.