Solarmodule Dr.-Ing. Raymond Wicht
Solar-Energieversorgung für Freizeit und Mobilität
Dachmontage

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Der Aufbau einer Solaranlage ist im Prinzip sehr einfach: Solarmodul für die Energiegewinnung, Laderegler zur Spannungsregelung und Akkumulator als Energiespeicher. Für den Einsatz am Fahrzeug gibt es jedoch einiges zu beachten.

 

Solarmodul

Für ein System mit 12V-Bordspannung werden in der Regel Solarmodule eingesetzt, die aus 36 in Reihe geschalteten Solarzellen bestehen. Jede einzelne Solarzelle liefert eine Leerlaufspannung von etwa 0,64V und eine Spannung unter Last von etwa 0,5V bei Leistungsanpassung. Für das Solarmodul ergibt sich damit eine Leerlaufspannung von etwa 23V und eine Lastspannung von etwa 18V. Diese Werte sind abhängig von den Betriebsbedingungen.
Für die Leistung eines Solarmoduls wird üblicherweise die Spitzen-Nennleistung in Watt peak (Wp) angegeben. Diese wird unter Laborbedingungen ermittelt und auch nur hier erreicht, da sich in der Praxis die Betriebsbedingungen wie zum Beispiel Lichtintensität, Lichtfarbe, Einstrahlungswinkel oder Zelltemperatur ständig ändern. Die Leistung ist ein Momentanwert. Interessanter ist die Energie oder auch der Ertrag, das heißt mit welcher Leistung kann im Mittel über einen längeren Zeitraum, z.B. an einem Tag, die Batterie geladen werden. Da auch hier die Jahreszeiten, das aktuelle Wetter und andere Faktoren Einfluss haben, können hierfür nur Schätz- und Erfahrungswerte angegeben werden. Als Schätzwerte gelten: täglich zwischen 0,5 (kurzer grauer Wintertag) und 7 (langer klarer Sommertag) Volllaststunden. Für ein Modul mit 100Wp bedeutet dies einen Ertrag von täglich zwischen 50Wh und 700Wh. Für die Hauptreisezeit von Frühling bis Herbst kann im Mittel mit 4 Volllaststunden kalkuliert werden.
Als Speichervermögen der Batterie wird die Kapazität in Ah angegeben. Werden so mit dem 100Wp Solarmodul 400Wh an Energie am Tag erzeugt, bedeutet dies das hiermit in eine 12V Batterie bei idealisiertem Laderegler eine Kapazität von etwa 33Ah (400Wh/12V) aufgeladen wird.

Das Solarmodul ist in der Regel aus gehärtetem Glas auf der Oberseite, den Solarzellen, und einer Kunststofffolie auf der Rückseite aufgebaut. Für Stabilität sorgt in den meisten Fällen ein umlaufender Aluminiumrahmen. Auf der Rückseite ist eine Anschlussdose aufgeklebt, in der sich die elektrischen Kontakte befinden. Da der Aufbau recht einfach ist, finden sich auf dem Markt einige günstige Produkte. Diese sind aber meist nur für den stationären Einsatz wie zum Beispiel einem Gartenhaus gedacht und würden den Einsatzbedingungen auf einem Fahrzeugdach nicht lange standhalten.
Solarmodule auf dem Fahrzeugdach müssen stabil genug sein um sehr starkem Wind, Vibrationen sowie Stößen standzuhalten. Gleichzeitig muss verstärkt auf Wasserdichtigkeit geachtet werden, da zum Fahrtwind häufig noch Regen dazukommt. Diesen Ansprüchen müssen sowohl Solarmodul als auch Rahmen und Anschlussdose gerecht werden.

 

Laderegler

Der Laderegler oder auch Solarregler wandelt die  Ausgangsspannung des Solarmoduls in die von der Batterie benötigte Eingangsspannung. Er arbeitet damit als Batterieladegerät. Der Laderegler muss die Batterie überwachen und den Ladevorgang rechtzeitig abbrechen um ein Überladen zu verhindern. Ist am Laderregler noch ein weiterer geregelter Ausgang zum Anschluss elektrischer Verbaucher vorhanden müssen diese abgeschaltet werden wenn eine Tiefentladung der Batterie droht.
Im Solarregler arbeiten meist Linearregler oder Regler mit MPP-Tracking. Als Linearregler werden Shuntregler (Querregler) und Serienregler (Längsregler) eingesetzt. Bei den Shuntreglern ist ein Leistungstransistor parallel zum Lastausgang geschaltet über den die nicht benötigte Leistung abgeführt wird. Dieses Verfahren bietet eine hohe Regelgeschwindigkeit, aber bei hohen Verlusten. Beim Serienregler liegt der Leistungstransistor in Serie zur Last. Dadurch bleiben die Verluste gering, die Schaltung arbeitet effizienter. Für die Linearregler gilt, dass bei steigender Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung der Wirkungsgrad sinkt.
MPP steht für Maximum Power Point. Grundlage hierfür ist dass die Leistung die einer Quelle, hier das Solarpanel, entnommen wird dann maximal ist, wenn der Innenwiderstand der Quelle gleich dem Eingangswiderstand der Last, hier der Regler, ist. Dazu werden die Eingangsspannung und der Eingangsstrom des Reglers gemessen und der Innenwiderstand so geregelt dass das Produkt aus beiden maximal wird. Diese Regler benötigen auf Grund der komplexeren Elektronik mehr Energie als die oben genannten Linearregler. Diese Energie muss vom Solarmodul geliefert werden. Ihren Vorteil, dem Solarmodul immer die maximal mögliche Leistung zu entnehmen, können die MPP-Regler bei großen Differenzen zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ausspielen.
Erfahrungswerte zeigen, dass der Mehrertrag mit einem MPP-Regler in Mittel- und Südeuropa bei etwa 5% liegt.

 

Batterie

Im Fahrzeugbereich werden als Akkumulatoren üblicherweise Bleibatterien verwendet. Diese sind als Nassbatterie, AGM- und Gelbatterie ausgeführt. Im Grunde ist es egal welcher Batterietyp an eine Solaranlage angeschlossen ist, der Laderegler liefert solange Strom und Spannung bis die Ladeschlussspannung erreicht ist.
Wichtiger sind die Einsatzbedingungen der Batterie. Eine Starterbatterie soll den für das Anlassen des Motors benötigten hohen Strom liefern. Anschließend wird sie vom Generator wieder geladen. Die Starterbatterie wird dadurch selten stark entladen. Eine Batterie im Campingfahrzeug muss Verbraucher längere Zeit mit Energie versorgen ohne dass sie gleich wieder geladen wird. Sie wird daher öfter stärker entladen. Diese Batterie muss daher zyklenfest sein, das heißt dass sie viele Entlade- und Ladevorgänge durchhalten muss. Für den Motor- und den Wohnbereich gibt es daher verschiedene Batterien. Starterbatterien haben sehr dünne Bleiplatten bzw. -gitter, die in geringem Abstand zueinander angeordnet sind. Aufgrund der dadurch erzeugten großen Oberfläche kann kurzfristig ein hoher Strom abgegeben werden. Zyklenfeste Batterien haben dickere Bleiplatten, dadurch ist eine länger andauernde Stromentnahme möglich. Sie sind aber nicht für eine kurzfristige hohe Stromentnahme ausgelegt.
Bleibatterien altern unter anderem durch eine Ablagerung von Bleisulfat-Kristallen an der Oberfläche der Elektroden. Diese sogenannte Sulfatierung tritt bei entladenen Batterien stärker auf als bei geladenen. Ein rechtzeitiges Aufladen verlangsamt daher die Alterung. Die Solaranlage bewirkt durch das ständige Laden somit eine Lebensdauerverlängerung der Batterie.

 
  wird fortgeführt mit:

 

Kabel

Witterungsbeständig, UV-beständig

 

Installationsmaterial

Rostfrei, Edelstahl

 

Montage

Festaufbau oder Demontierbar, Montagemöglichkeiten