Da es immer wieder Fragen zu dem Thema gibt möchte ich hier eine kurze Zusammenfassung der wichtisten Grundlagen erstellen.
Wichtig: Ich bin kein Elektriker, ich bin ein ambitionierter Hobbybastler und lasse hier meine persönlichen Erfahrungen und Meinungen einfliessen. Ich übernehme keine Garantie für ein Gelingen eurer Nachbasteleien oder für die Qualität der Produkte die ich zeige. Diese sind als Beispiel zu sehen die bei mir gut oder schlecht funktioniert haben. Auch meine Erklärungen mögen für die 100% Fachleute zu oberflächlich sein, vom Prinzip her sollte aber alles passen, auch wenn ich es manchmal etwas ungenau oder nur von der Idee her beschreibe.
Mindestaufbau
Solarpanel
Solarladeregler
Batterie (Akku)
230 V Wechselrichter
Optimalere Variante
Solarpanel
Solarladeregler
230 V Ladegerät
Batterie (Akku)
230 V Wechselrichter
Sicherungen
Schalter
Gehäuse
12 V Anschluss
USB Anschluss
Kontrollmöglichkeit
Solarpanel
Beim Solarpanel schauen alle auf die Wattangaben, je mehr desto besser. Aber das ist nur ein Kriterium von vielen.
Bauform
- Starre Panele: Die haben einen Metallrahmen, meistens Aluminium, und sind für dauerhafte Installationen gedacht. Gewicht: Je nach Größe 8 Kilo oder mehr. Für das Geld bekommt man hier die meiste Leistung je Fläche und preislich sind sie auch am günstigsten.
- Flexible Panele: Die kann man etwas biegen, sie werden gerne für Autodächer oder Boote genutzt da sie nicht so starr sind. Gewicht: Ab 2 Kilo. Deutlich teurer als starre Panele und meistens auch weniger Leistung je Fläche. Dafür dünn, leicht und transportabel
- Faltbare Panele; Das ist die transportabelste und auch zugleich teuerste Lösung. Entweder starre oder flexible Kleinstpanele werden so verbunden das man sie zusammenfalten kann. Meistens gibt es einen Griff, die gefaltete Größe liegt knapp über A4 und die Teile haben auch Elektronik eingebaut die direkt 19 V (Laptop), 12 V oder 5 V (USB) liefert.
Bauart
- Polykristalline Module: Farbe: Blau, Effizienz: zwischen 15% und 20%, billiger als monokristalline Module
- Monokristalline Module: Farbe: Dunkelblau bis Schwarz, Effizienz: bis zu 22%, teurer als polykristalline Module
Hier sei aber zu erwähnen das sich diese Werte dauernd ändern, momentan werden viele monokristalline Module verkauft, dadurch sind die im Preis fast auf das Niveau von polykristallinen Modulen gesunken. Andererseits hat sich die Leistung der polykristallinen Module die letzten Jahre auch deutlich vebessert und liegt oftmals im Bereich von monokristallinen Modulen.
Elektrische Parameter
- Optimale Leistung (max): Ist die Leistungsangabe in Watt und errechnet sich aus Arbeitsspannung * Arbeitsstrom.
- Arbeitsspannung (Vmp): Ist die Spannung (V) die das Modul maximal hergibt wenn es einen Verbraucher gibt, d.h. wenn eine Solarladeregler mit einer nicht vollen Batterie angeschlossen wird, Diese Spannung ist immer gleich sobald etwas Licht darauf scheint.
- Leerlaufspannung (Voc): Ist die Spannung (V) wenn kein Verbraucher angeschlossen ist oder der Verbraucher (Solarladeregler mit Batterie) beits voll ist. Diese Wert ist der wichtigere für die Planung der Einzelteile denn er ist immer höher als die Arbeitsspannung. Kann mit einem normalen Multimeter (auch in der Wohnung) selbst gemessen werden. Einfach die beiden Messfühler in jeweils einen Stecker des Solarmoduls halten und der Wert eures Moduls wird angezeigt.
- Arbeitsstrom (lmp): Ist der maximale Strom (A) den das Modul unter optimalen Bedingungen hergibt wenn es einen Verbraucher gibt.
- Kurzschlussstrim (lsc): Normalerweise ist ein Kurzschluss etwas Böses, hier aber nicht. Das ist der maximale Strom den das Panel erzeugt wenn es keinen Verbraucher gibt. Auch das ist der wichtiger Wert für die Planung. Normalerweise ist eine Strommessung ohne Verbraucher ein Problem, hier kann mit einem Multimeter die Leistung zwischen den beiden Anschlüssen des Moduls gemessen werden. In der Wohnung meistens nur ein paar Milliampere.
Verwendung von Modulen
- Serienschaltung: Wenn Module in Serie geschaltet werden, dann bleibt der Strom gleich, aber die Spannung erhöt sich. Beispiel: 3 Module mit 32 V und 10 A => 96 V und 10 A
- Parallelschaltung: Wenn Module in Serie geschaltet werden, dann bleibt die Spannung gleich, aber der Strom erhöt sich. Beispiel: 3 Module mit 32 V und 10 A => 32 V und 30 A
Wozu ist das wichtig: Je höher der Strom desto dicker müssen die Kabel sein. Wenn die Kabel nicht dick genug sind, dann werden sie heiß und können (im schlimmsten Fall) schmelzen oder zu brennen beginnen. Höhere Spannungen sind da eher unproblematisch. Daher werden meistens immer mehrere Module in Serie geschaltet um die Spannung auf das maximal sinnvolle zu erhöhen bzw. auf das was der Solarladeregler verträgt.
Und welches Modul soll ich jetzt nehmen?
- Für fixe Anlagen sind starre Panele die bessere Lösung, für alles andere sind flexible oder faltbare Panele besser.
- Polykristallin oder Monokristallin ist fast egal, die verfügbare Fläche und der Preis sind entscheidend
Solarladeregler
Arbeitsweise
- PWM (Pulse Wide Modulation): Hier wird die Spannung der Solarzellen ungefähr auf die Spannung der Batterie reduziert, der Strom bleibt aber gleich. Beispiel: Ein Modul liefert bei 18 V genau 5 A, das sind dann 90 Watt. Die 12 V Batterie wird mit ca. 13.5 V und 5 A geladen, d.h. es kommen nur 67,5 Watt an.
- MPPT (Maximum Powerpoint Tracking): Der Regler sucht den optimalen Leistungsbereich des Moduls und reduziert dann die Spannung passend für die Batterie, erhöht aber den Strom: Beispiel: Ein Modul liefert bei 18 V genau 5 A, das sind dann 90 Watt. Die 12 V Batterie wird mit ca. 13.5 V und 6.66 A geladen, d.h. es kommen genau 90 Watt an.
In der Praxis ist bei uns in Mitteleuropa ein MPPT Laderedler ca. 20% effizienter als ein PWM Laderegler, dafür aber auch etwas teurer.
Elektrische Parameter
- Eingang Solar: Ein Solarladeregler hat eine maximale Eingangsspannung, das ist die Spannung welche die Solarpanele maximal liefern dürfen (Leerlaufspannung (Voc)). Wenn der Regler 75 V und 10 A verträgt und 3 Module zu 23 V Leerlaufspannung und 5 A (Kurzschlussstrim (lsc)) in Serie angeschlossen sind so ergibt das 69 V und ist damit im passenden Bereich. Auch der maximale Eingangsstrom ist definiert. Meistens ist der Strom deutlich niedriger als die Spanung, d.h. eine Parallelschaltung ist nicht immer möglich. Beim obigen Beispiel würde eineParallelschaltung 15 A erzeugen.
- Ausgang Batterie: Jeder Laderegler ist für eine oder mehrere Batteriespannungen ausgelegt. Diese sind normalerweise 12 V, 24 V oder 48 V. Jetzt wird eine 12 V Batterie nicht mit 12 V sondern mit mehr (z.B. 14.5 V für LiFePo4) geladen. Und dieser Wert multipliziert mit dem maximalen Eingangsstrom ist die Leistung die in die Batterie geschickt werden kann.
- Ausgang Verbraucher: Sowas hat nicht jeder Laderegler, aber falls vorhanden kann er nur für "kleine" Lasten genutzt werden. Bei einem 12 V System wird mit dem maximalen Eingangsstrom multipliziert um die maximale Leistung zu erhalten. In unserem Beispiel wären das 12 V * 10 A => 120 Watt. Und das ist die Maximalleistung, Anlaufstrom oer ähnliches vertragen die wenigsten. Der Verbraucher Ausgang wird meistens für 12 V Beleuchtung oder USB Anschlüsse genutzt, alles was mehr Energie benötigt muss anders angeschlossen werden.
Konfiguration
- Je nach Batterietyp kann die Batterie mit mehr oder weniger Spannung geladen werden.
- Auch die Entladung der Batterie (über den Verbraucherausgang) bis zu einer gewissen Grenze ist möglich,
- Billige Laderegler sind manchmal auf einen Batterietyp eingestellt und haben fixe Wert für maximale und minimale Spannung fest eingebaut.
- Bleiakkus verlieren schnell an Energie und müssen deswegen immer etwas nachgeladen werden (float loading).
- Bei teureren Geräten kann alles mögliche über Bluetooth, eine eingebaute Anzeige oder ein PC USB Kabel eingestellt werden. Gerade das ist ein Punkt bei dem man nicht sparen sollte. Bsp: LiFePo4 Zellen können ca. 4000 mal geladen/entladen werden um dann "nur" noch 80% ihr ursprünglichen Kapazität zu besitzen. Und damit meine ich von 100% auf 0% und wieder retour. Wenn man den Laderegler jetzt so einstellt das nur zwischen 5% und 95% geladen wird, so kann sich die Haltbarkeit auf 8000 Zyklen oder mehr verlängern. Details dazu aber im Batterieteil.
Was für einen Laderegler brauche ich jetzt? Das kommt auf das System an. Wenn man mit 12 V beginnt und dann später auf 24 V oder 48 V erweitern möchte, dann wäre ein Laderegler sinnvoll der alle 3 Spannungen beherrscht. Oder wenn ich mit 3 Solarpanelen anfange und bereits weiß auf was ich erweitern möchte wäre zu Beginn ein größerer Laderegler auch sinnvoll.
Batterie (Akku)
Bauarten: Es gibt dutzende Batteriearten, die für uns interessanten sind Blei Akkus und Lithium Akkus
Blei Akkus
- Blei Akku
- Die klassische, seit knapp 170 Jahren existierende Technologie, Bleiplatten in Schwefelsäure (Elektrolyt)
- nominale Zellspannung: 2,1 V, minimale Zellspannung (entladen): 1,75 V, maximale Zellspannung (laden): 2,4 V
- Energiedichte: 30 Wh/Kg
- Ladewirkungsgrad: 60 - 70%
- Zyklenfestigkeit: Zwischen 200 (100% Entladung) und 1200 (30% Entladung), dannach ist der Akku tot
- Nachteil: Die Flüssigkeit verdunstet, es muss destiliertes Wasser nachgefüllt werden
- Gel Akku (EFB Akku = Enhanced Flooded Battery)
- Im Prinzip wie ein klassischer Bleiplatten Akku, nur wird hier Kieselsäure zur Schwefelsäure dazugegeben, dadurch entsteht ein Gel (Elektrolyt)
- nominale Zellspannung: 2,1 V, minimale Zellspannung (entladen): 1,75 V, maximale Zellspannung (laden): 2,4 V
- Energiedichte: 30 Wh/Kg
- Ladewirkungsgrad: 60 - 70%
- Zyklenfestigkeit: Ca. doppelt so hoch wie Blei Akku, dannach ist der Akku tot
- Vorteil: Verliert keine Flüssigkeit mehr da als Gel gebunden
- AGM Akku (Absorbant Glass Matt)
- Hier gibt es keine Flüssigkeit mehr, das Material zwischen den Bleiplatten ist in einer Art Glasfasermatte (Elektrolyt)
- nominale Zellspannung: 2,1 V, minimale Zellspannung (entladen): 1,75 V, maximale Zellspannung (laden): 2,4 V
- Energiedichte: 30 Wh/Kg, manchmal etwas höher
- Ladewirkungsgrad: 60 - 70%
- Zyklenfestigkeit: Ca. dreimal so hoch wie Blei Akku, dannach ist der Akku tot
- Vorteil: Keine Flüssigkeit da als Matte
Lithium Akkus
- LiIPo (Lithium-Polymer)
- Das was in den meisten Handys oder Laptops drinnen ist, oftmals in der Bauform 18650er. Auch die meisten Elektroautos verwenden diese Akkus.
- nominale Zellspannung: 3,7 V, minimale Zellspannung: 3,3 V, maximale Zellspannung: 4,2 V
- Energiedichte: 140 - 260 Wh/Kg
- Ladewirkungsgrad: 90%
- Zyklenfestigkeit: 2000 (100% Entladung), 4000 (80% Entladung), dannach noch 80% der Kapazität
- Verwendbarkeit:
- Gefährlichkeit: Das sind die Teile die explodieren können. Oder sie zischen und rauchen und brennen wenn man mit dem Messer hineinsticht
- Vorteil: Hohe Energiedichte zum günstigsten Preis, viele Bauformen möglich, schnellade und entladefähig (1C (manche Akkus bis 6C) = 3,2A Ladung oder Entladung bei 3,2 Ah), aber nur in kleinen Kapazitäteten
- Nachteil: Explosionsgefahr, geringste Zyklenfestigkeit, nur kleine Kapazitäteten
- LiFePo4 (Lithium-Eisenphosphat)
- Hat eine geringere Energiedichte als LiPo Akkus, ist aber bedeutend sicherer
- nominale Zellspannung: 3,2 V, minimale Zellspannung: 2,5 V, maximale Zellspannung: 3,65 V
- Energiedichte: 80 - 140 Wh/Kg
- Ladewirkungsgrad: 94%
- Zyklenfestigkeit: 4000 (100% Entladung), 8000 (80% Entladung), dannach noch 80% der Kapazität
- Gefährlichkeit: Es passiert nichts, keine Explosions- oder Brandgefahr
- Vorteil: Hohe Zyklenfestigkeit, sehr sicher, schnellade und entladefähig (1C = 280A Ladung oder Entladung bei 280 Ah)
- Nachteil: Geringere Energiedichte
- LiTa (Lithiumtitanat)
- nominale Zellspannung: 2,4 V
- Energiedichte: 70 - 90 Wh/Kg
- Ladewirkungsgrad: 90 - 95%
- Zyklenfestigkeit: 20.000 (100% Entladung), 40.000 (80% Entladung), dannach noch 80% der Kapazität
- Gefährlichkeit: Es passiert nichts, keine Explosions- oder Brandgefahr
- Vorteil: Höchste Zyklenfestigkeit, sehr sicher, schnellade und entladefähig (4C = 1120 A Ladung oder Entladung bei 280 Ah)
- Nachteil: Geringere Energiedichte, die teuerste Variante, wenige Hersteller, momentan nur in rund erhältlich
230 V Wechselrichter
- Ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um
- Es gibt Wechselrichter für 12 V, 24 V und 48 V (Akkuspannung)
- Zielspannung ist meistens 110 V oder 230 V, mit 50Hz oder 60 Hz
- Jeder Wechselrichter hat einen Maximalwert für Dauerbelastung und einen Maximalwert für Anlaufströme
- Normalerweise saugt ein Wechselrichter den Akku leer, manche haben aber definierte Abschaltspannungen
- Teure Wechselrichter können konfiguriert werden
- Ein Wechselrichter sollte einen Sinusförmigen Strom ausgeben
Analog zur Argumentation bei den Paneelen, müsste man ja auch