Sonnenkollektoren 3/4 Regler

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Veröffentlicht: Montag, 28. Januar 2013 11:02

Geschrieben von Martin Erger

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