Stromversorgung durch Sonnenkollektoren 2

Seit dem ich einige Artikel über die Stromerzeugung mit Sonnenkollektoren auf Booten veröffentlicht habe, erreichen mich auch immer wieder Mails mit Fragen zu diesem Thema. Erst durch solche Zuschriften wird mir nach und nach klar, was man alles falsch machen kann.

Sonnenkollektoren 3/4 Regler

Zwischen Sonnenkollektor und Batterie ist immer ein Regler notwendig. Er hat die Aufgabe die Eigenschaften des Kollektors an die Bedürfnisse der Batterie anzupassen, die man dafür natürlich kennen muss (Bordbatterie). Viele Regler (vor allem die billigen!) machen es sich leicht und begrenzen die Ladespannung auf etwa 13,8 V. Der Wert entspricht in etwa der zulässigen Dauerladespannung der meisten Bleibatterien. Damit ist er ein Kompromiss, denn optimal geladen werden die Batterien damit nicht. Hauptgrund ist wohl, dass eine richtige Ladekurve IUoU, die zunächst mit maximaler Spannung lädt und erst nach vollständiger Ladung auf den Erhaltungswert absenkt mit einer unzuverlässigen Primärquelle, wie dem Sonnenlicht nur mit erheblichem Aufwand zu realisieren ist. Deshalb findet man sie wohl eher bei teureren Geräten.

Auch in Richtung zum Kollektor gibt es verschiede Verfahren, die alle ihre Vor- und Nachteile haben. Guten Gewissens einen Regler zu empfehlen ist deshalb nur möglich, wenn man die jeweiligen individuellen Randbedingungen kennt. Dazu kommt, dass das Angebot schon aufgrund der Vielzahl der Modelle vor allem für elektrotechnische Laien sehr unübersichtlich ist. Im Folgenden möchte ich mich deshalb auf eine Vorstellung der Grundtypen beschränken und nenne auch mindestens ein konkretes Beispiel dafür. Selbstverständlich gibt es in allen Kategorien eine Vielzahl weiterer, die sich ähnlich verhalten.

Zweipunktregler
Ein Zweipunktregler ist vermutlich die einfachste Möglichkeit die Batterien vor Überladung zu schützen. Wohl deshalb findet man solche Regler häufig in Selbstbauprojekten, sie werden aber auch kommerziell angeboten (z.B. Kemo).

   
 Prinzipschaltbild Zweipunktregler  Ladespannung und -strom beim Zweipunktregler

Die Funktion ist denkbar einfach: Es handelt sich um einen elektronischen Schalter mit einer Steuerung, die die Spannung der Batterie misst. Unterschreitet diese einen voreingestellten Wert von z.B. 13,5 V wird der Schalter geschlossen und vom Kollektor fließt Strom in die Batterie, wodurch deren Spannung ansteigt. Wird ein Maximalwert von z.B. 14 V erreicht öffnet der Schalter. Da jetzt kein Strom mehr fließt, sinkt die Spannung der Batterie langsam wieder ab. Wird der untere Schaltwert unterschritten, schließt der Schalter und das Spiel geht von neuem los. Vorteil dieser Schaltung ist ihr einfacher, kostengünstiger Aufbau, der aber auf der elektrischen Seite mehrfach bezahlt werden muss. Zur Erinnerung: Im Kapitel Batterieladung wurde gezeigt, dass eine Batterie bei erreichen der Maximalspannung keineswegs "voll" ist, sondern diese Spannung für eine vollständige Ladung noch eine Weile gehalten werden muss. Besonders nachteilig ist deshalb, dass während des Absinkens der Spannung überhaupt kein Strom fließt obwohl die Batterie diesen noch gut gebrauchen könnte und der auch vom Panel zur Verfügung steht. Darüber hinaus wird der Arbeitspunkt des Kollektors auf Batterieniveau gezwungen, was wie gezeigt wurde, zu einer Leistung deutlich unter dessen Möglichkeiten führt.

 
 Prinzipschaltung Längsregler

Längsregler
Etwas eleganter machen das sogenannte Längsregler, die es sowohl als reine Gleichstromvariante (bspw. dieser) als auch mit Pulsweitenmodulation PWM (bspw. dieser) gibt. Beiden ist gemeinsam, dass auch bei Erreichen der eingestellten Maximalspannung der Strom weiter fließt. Um vernünftig arbeiten zu können, braucht der Gleichstromregler auf der Eingangsseite mindestens eine um etwa 3 V höhere Spannung gegenüber der Batterieseite, was man bei der Anlagendimensionierung berücksichtigen muss. Würde diese Spannung unterschritten, würde auch die Batterie nicht mehr geladen. Der PWM-Regler vermeidet diese Nachteile weitgehend, da auch er mit einem Schalter arbeitet. Beiden Varianten gemeinsam ist allerdings auch der Nachteil, dass sie auf den optimalen Arbeitspunkt des Kollektors keine Rücksicht nehmen.

 
 Prinzipschaltung Parallelregler

Shuntregler (Parallelregler)
Wohl wegen des Widerstandes (Shunt), der überschüssige Leistung "verbrät" werden Parallelregler meistens als Shuntregler (bspw. dieser) bezeichnet. Auch hier misst die Steuerungselektronik die Batteriespannung. Erreicht diese den zulässigen Maximalwert wird ein parallel zum Kollektor geschalteter Leistungswiderstand so gesteuert, dass der die jetzt überschüssige Leistung aufnimmt und in Wärme umwandelt. Wegen der stufenlosen Steuerung ist dieser Widerstand in der Praxis meistens ein auf einem großen Kühlkörper montierter Leistungstransistor.  Hauptvorteil dieser Schaltung ist, dass über der Regelelektronik normalerweise keine Spannung abfällt. Dies ist dann der Fall, wenn man die im Bild eingezeichnete Diode weglassen würde. Das könnte man ohne weiteres tun, wenn die Batterie nur über den Kollektor und nicht auch aus anderen Stromquellen geladen würde. Ohne Diode würde der Regler auch auf solche Ladungsquellen ansprechen. Ausschließliche Ladung über Sonnenkollektoren ist auf unseren Booten die absolute Ausnahme, man sollte deshalb bei Einsatz eines solches Regler prüfen, ob der bereits eine Diode als Rückspeisungssperre enthält. Nachteilig ist auch bei diesem Reglertyp, dass er keine Rücksicht auf einen optimalen Betrieb des Sonnenkollektors nimmt.

 
 MPPT-Regler auf dem Boot des Autors

MPPT
Wegen des hohen Schaltungsaufwandes noch vor wenigen Jahren eine Ausnahme sind MPPT-Regler (Maximum Power Point Tracking) inzwischen weit verbreitet, da sie das Maximum aus dem Kollektor herausholen und gleichzeitig die Batterie bestmöglich laden. Im Grunde handelt es sich um eine einem Schaltwandler nachgeschaltete Batterieladeeinrichtung, wie wir das auch von Landladegeräten kennen. Statt des 230 V AC-Eingangsteiles wird beim MPPT-Regler (bspw. IVT, STECA) eine Elektronik vorgeschaltet die den Eingangsstrom aufbereitet und den Kollektor dabei so belastet, dass er immer in dem Arbeitspunkt seiner Kennlinie betrieben wird, an dem ein Maximum an Leistung zur Verfügung steht. Da sich dieser Wert mit Beleuchtung und Temperatur ständig ändert, ist für die Nachführung ein erheblicher Rechenaufwand notwendig. Ohne Mikroprozessor geht das nicht und es ist einzusehen, dass solche Regler teurer als die bisher genannten sind. Andererseits ist der Preis in den letzten Jahren deutlich gefallen, so dass das Rechenexempel mehr Kollektorfläche oder ein MPPT-Regler immer häufiger zu dessen Gunsten ausgeht. Gleichzeitig ist es der einzige Reglertyp, der auch aus Eingangsspannungen noch etwas macht, bei denen andere schon längst abschalten. Diese an sich positive Eigenschaft verleitet leider häufig zu Schlampereien bei der Installation aber das darf man ehrlicherweise dem Regler nicht anlasten.

Was man sonst noch wissen sollte ...
Alle vorgenannten Reglertypen gibt es in unzähligen Varianten, die das jeweilige Arbeitsprinzip mehr oder weniger verfeinern. Besonders an der Schnittstelle zu Batterie gilt es ein wenig aufzupassen und den ins Auge gefassten Regler auf Eignung für den eigenen Anwendungsfall zu prüfen. Wie oft hilft die vorab aus dem Internet herunter geladene Betriebsanleitung dabei sehr.

Eine erste Vorauswahl trifft man meistens nach dem zulässigen Reglerstrom, der sich nach der Maximalleistung der Kollektoren richtet. Die Summe des Maximalstromes aller parallel geschalteten Module darf den max. zulässigen Reglerstrom keinesfalls überschreiten. Nächstes Kriterium ist sicher, ob die Spannung auf der Sekundärseite zu den verwendeten Batterien passt bzw. entsprechend einstellbar ist. Welche Anforderungen das sind, habe ich an anderer Stelle bereits ausführlich beschrieben.

Um keine weiteren Spannungsverluste auf der Leitung zu haben, wird der Regler immer in der Nähe der Batterien montiert. In diese Leitung gehört auch eine Sicherung, wobei zu beachten ist, dass diese vor allem die Batterie als Stromquelle absichert. Oft ist diese Sicherung schon im Regler vorhanden, wenn nicht, muss sie unbedingt zusätzlich montiert werden.

Manche Regler können mit einem Fühler die Temperatur der Batterie erfassen und korrigieren die Ausgangsspannung entsprechend. Das macht in jedem Fall Sinn. Überflüssig sind dagegen Vorrichtungen gegen Tiefentladung der Batterie, da dies auf einem Boot normalerweise mit anderen Mitteln (Batteriecontroller, etc.) verhindert wird. Ebenfalls entbehrlich sind Ausgänge für mehrere Batterieblöcke, zumal sie oft nicht wirklich unabhängig voneinander sind. Wie ebenfalls an anderer Stelle mehrfach ausgeführt und begründet ist es völlig ausreichend ausschließlich die Bordbatterie mit Sonnenkollektoren zu laden. Last not least spielt auch der Eigenverbrauch des Reglers eine Rolle, er sollte im Ruhezustand wenige mA nicht überschreiten.

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Sonnenkollektoren 4/4 Praxis

Sonnenkollektoren 4/4 Praxis

Wenn sie sich entschlossen haben ihre Stromversorgung um Solarkollektoren zu erweitern, beginnen die meisten Segler sich zunächst Gedanken über einen geeigneten Montageort zu machen und suchen danach den Kollektor aus. Wenn man dabei gleichzeitig im Hinterkopf konkrete Vorstellungen über den Leistungsbedarf hat, ist diese Vorgehensweise grundsätzlich richtig. Eine gängige Faustregel besagt, das man in Nordeuropa bei horizontaler Montage etwa die vierfachen Wh/d der Spitzenleistung eines Moduls erwarten darf. Ein 100 W-Modul erzeugt demnach 400 Wh (≈ 30 Ah) am Tag. Am Mittelmeer darf man diesen Wert mit 1,5 in den Tropen sogar mit 1,8 multiplizieren. Bei einem eigenen Bedarf von 100 Ah, was in etwa dem normalen Tagesverbrauch einer 10 -12 m Segelyacht im Mittelmeer entspricht, braucht man demzufolge einen 220 W (Mittelmeer) Kollektor, was einer Fläche von etwa 2 m2 entspricht. Diese Fläche gilt es unterzubringen, was in der Praxis zumindest schattenlos gar nicht so einfach ist.

   

In diesem Heckträger ist oben der Kollektor und

unten Kockpitbeleuchtung und eine Dusche ein-

gebaut.

Vier flexible Module mit einer Gesamtleistung von

180 W auf dem Bimini, der einzigen freien Fläche

auf dem Boot des Autors.

Oft sieht man die Kollektoren auf einem Heckträger montiert. Der Vorteil damit billige Rahmenmodule verwenden zu können, wird, zumindest dann, wenn man den Träger nicht auch noch für andere Dinge benutzt, leider schnell durch  dessen Kosten wieder aufgefressen. Außerdem ist solch ein monströses Ding selten eine Zierde für das Boot. Wohl deshalb gehen andere hin und pflastern jede freie Stelle an Deck mit kleinen, biegsamen, begehbaren, auf einer dünnen Metallplatte aufgebrachten Zellen, die wiederum deutlich teuer sind. Eine Standardlösung gibt es nicht und man muss sich für jedes Boot etwas neues einfallen lassen.

Wie auch immer, wenn man nicht gerade einen Katamaran oder sonst ein Boot mit großem Deck hat, kommt sehr schnell die Erkenntnis, dass man die Fläche, die man eigentlich brauchte, gar nicht unterbringen kann. Dies wird spätestens dann klar, wenn einem der Batteriemonitor unerbittlich das Ergebnis seiner Bemühungen vor Augen hält. Dann findet man sich entweder damit ab, sucht nach anderen Quellen z.B. einem Windgenerator und/oder beginnt darüber nachzudenken wie man das System tunen kann, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Damit wird auch klar, warum ich mich in den vorangegangenen Kapiteln so langatmig über die technischen Hintergründe ausgelassen habe.

Erste und einfachste Maßnahme ist, soweit man sich nicht gleich dafür entschieden hatte, den vorhandenen Regler gegen einen MPPT auszutauschen. Der wiederum braucht um wirklich etwas zu bringen eine möglichst hohe Spannung am Eingang. Logischer nächster Schritt ist deshalb nach "Spannungsfressern" im System zu suchen, die man schnell in hoher Betriebstemperatur und Leitungswiderständen ausmacht. Die Kollektortemperatur zu senken ist unter der sengenden Sonne des Mittelmeeres schwer. Da der geringste Schatten schon kontraproduktiv ist, bleibt nur mit einer möglichst guten Lüftung für Kühlung zu sorgen. In den meisten Fällen wird man sich wohl damit abfinden müssen, nicht viel tun zu können. Dagegen sind Leitungswiderstände leicht zu reduzieren. Wie viel ein größerer Drahtdurchmesser bringt, habe ich ausführlich erläutert. Im Zweifel gilt so groß wie möglich!

 
 Parallelschaltung

 Reihenschaltung

Oft wird man mehr als ein Modul brauchen. Module kann man parallel aber, wenn der Regler wie die meisten MPPT das kann, auch in Reihe schalten. Beide Varianten haben Vor- und Nachteile aber auch ihre Tücken.

Bei parallel geschalteten Modulen addieren sich deren Ströme, was bei den Leitungswiderständen beachtet werden muss. Für optimale Arbeit müssen nicht alle Module  gleich sein aber der Spannungsverlauf der Kennlinien. Dies ist normalerweise dann der Fall, wenn die Leerlaufspannung (VOC) gleich ist. Wird ein einzelnes Modul teilw. abgeschattet, ist dieses normalerweise nicht mehr an der Stromerzeugung beteiligt.  Anders bei seriell in Reihe geschalteten Modulen, dann addieren sich die Spannungen, während der Strom dagegen gleich bleibt. Von daher macht das nur Sinn, wenn auch der Regler (normalerweise ein MPPT) dafür ausgelegt ist. Vorteil ist, dass im Gegensatz zur Parallelschaltung an der Leitung kein höherer Spannungsabfall entsteht, was den Wirkungsgrad der Gesamtschaltung deutlich verbessern kann. Voraussetzung für eine Reihenschaltung ist, dass der Stromverlauf der Kennlinien gleich ist. Das ist dann der Fall, wenn der im Datenblatt angegebene Kurzschlussstrom gleich ist. Ist das nicht der Fall, reduziert sich der Strom auf den des kleinsten Moduls. Bei einer auch nur stellenweise Abschattung fällt deshalb meistens die ganze Erzeugung aus. Wer sich nicht ganz sicher ist zu wissen was er tut sollte deshalb sowohl bei Parallel- als auch bei Reihenschaltung und erst recht bei Kombinationen aus beiden nur gleiche Module verwenden.

 

Solarmodul zum Einklappen an der Reling.

(gesehen auf der Boot 2013)

Oft reicht auch mit diesen Tricks die Kollektorfläche nicht aus um autark zu werden. Segler sind kreative Leute und so fehlt es nicht an Ideen die Kollektorfläche zu vergrößern. Eine dieser Möglichkeiten ist bspw. zusätzliche Kollektoren an der Reling zu befestigen um diese bei Bedarf auszuklappen. Mich haben solche Lösungen bisher nicht überzeugen können. Auf See klappern diese Module an der Reling und Hafen sind sie extrem gefährdet, wenn ein Boot auf dem Nachbarplatz anlegt.

Eine andere Möglichkeit sind extrem flexible, ausrollbare Module, die man z. B. über das aufgetuchte Segel auf den Baum legt. Solche Module sind derzeit nicht nur sehr teuer sondern oft auch noch anfällig gegen mechanische Beschädigungen. Möglicherweise ist das aber der Weg in die Zukunft und in einigen Jahren haben wir Module, die wie Farbe auf Deck oder die Segel aufgespritzt wird. Schau'n wir mal, was die Zukunft bringt.

Stromversorgung durch Sonnenkollektoren

Stromerzeugung durch Photovoltaik ist eine der Möglichkeiten unabhängig von Landstrom oder Lichtmaschine die Bordbatterien wieder zu laden. Im Beitrag wird erläutert, was dabei zu beachten ist und Möglichkeiten zur Optimierung einer Solaranlage diskutiert.