Stromversorgung durch Sonnenkollektoren 2

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Veröffentlicht: Donnerstag, 26. Dezember 2013 10:50

Geschrieben von Martin Erger

Seit dem ich einige Artikel [1], [2] über die Stromerzeugung mit Sonnenkollektoren auf Booten veröffentlicht habe, erreichen mich auch immer wieder Mails mit Fragen zu diesem Thema. Erst durch solche Zuschriften wurde und wird mir nach und nach klar, was man alles falsch machen kann.

Häufig wird z. B. beklagt, dass die Kollektoren nicht die erwartete Leistung abgeben. Als Ursache dafür wird oft „chinesische Billigproduktion“ vermutet. Solche Aussagen sind bei genauerem Hinschauen regelmäßig nicht haltbar. Alle Kollektoren sollten die in den jeweiligen Datenblättern angegebenen Leistungswerte erreichen. Wenn nicht, ist das ein Reklamationsgrund. Für eine seriöse Beurteilung ist ein Datenblatt unverzichtbar.

Wenn ein Kollektor die spezifizierten Leistungsdaten nicht erreicht, liegt das fast immer an falscher Installation und manchmal auch an überzogenen Erwartungen. Erfahrungsgemäß kann man mit der bekannten „Faktor 4 Regel“ den zu erwartenden Ertrag relativ realistisch bestimmen. Bei wesentlichen Abweichungen ist deshalb eine kritische Analyse der Installation angezeigt.

Um auf Fehler aufmerksam zu werden, bedarf es einer sorgfältigen Beobachtung des erzeugten Stromes (Amperemeter bzw. Batteriecontroller) und einer kritischen Überprüfung auf Plausibilität. Bei voller Mittagssonne, sollte ein 100 W Modul bei abgeschalteten Verbrauchern etwa 5 A (Datenblatt) in die Batterie laden. Ist das nicht der Fall muss man überlegen, warum das so ist.

Durch das aufgeklappte Fenster liegt dieses Modul im Schatten und ist völlig wirkungslos.

Abschattung
Innerhalb eines Moduls sind alle Zellen in Reihe geschaltet. Deshalb fällt schon bei Abschattung nur einer einzigen Zelle das ganze Modul aus. Um dies zu vermeiden haben manche Module sogenannte Bypassdioden. Diese sind einer Gruppe von z.B. 8 Zellen parallel geschaltet. Wenn eine dieser Zellen durch Abschattung hochohmig wird, wird über die Diode der Strom an dieser Gruppe vorbei geleitet. Dadurch fällt nicht das ganze Modul aus, hat aber eine entsprechend niedrigere Spannung. Auch ein oder mehrere parallel geschaltete Module werden dann auf diesen Level herabgezogen. Oft reicht die Spannung dann wegen weiterer Verluste im System nicht mehr aus um nennenswerten Strom in die Batterie zu laden. Ein Mövenschiss an der falschen Stelle kann damit sehr weitreichende Folgen haben. Fazit: Auch kleine Abschattungen müssen unbedingt vermieden werden und die Module sind sauber zu halten.

Spannungen beim Laden von Batterien

Spannungen im System
Das Bild zeigt die Spannungen in einer typischen Ladeschaltung. Manche Spannungsabfälle z.B. über dem Regler sind gewollt. Andere, wie die auf den Leitungen, dagegen nicht. Werden sie in der Summe zu groß, ist das die Ursache für die nicht zufriedenstellende Funktion des Systems. Will man den Grund finden, muss man sich deshalb detailliert mit den einzelnen Spannungsabfällen beschäftigen.

Arbeitskennlinie eines  Sonnenkollektors

Kollektorspannung
Die Bedeutung des Arbeitspunktes habe ich an anderer Stelle ausführlich beschrieben, so dass ich mir hier eine erneute Beschreibung sparen kann. Im Zusammenhang mit Spannungen im System ist zu beachten, dass mit zunehmenden Spannungsabfällen der Arbeitspunkt auf der Kennlinie immer weiter nach oben wandert. Oberhalb des MPP nimmt dabei der Strom immer mehr ab. Dadurch nehmen auch die Spannungsabfälle auf den Leitungen ab, so dass sich eine Spannung oberhalb des MPP einstellt. Wird am Kollektor ohne nennenswerte Temperatureinflüsse eine Spannung oberhalb des MPP gemessen, kann man in den meisten Fällen davon ausgehen, dass die Leitungen zu schwach dimensioniert sind.

Spannungen unterhalb des MPP schaden nicht, sind aber ein Hinweis auf nicht optimale Auslegung des Systems. Der Kollektor könnte mehr leisten, wird aber durch ungünstige Dimensionierung der Last daran gehindert.

Spannungsverluste des Kollektors durch Temperatureinflüsse
Die Spannung eines Sonnenkollektors nimmt mit zunehmender Temperatur um etwa 0,4%/Grad (genaueres steht im Datenblatt) ab. Bezogen auf ein typisches für 12 V Systeme gedachtes Modul mit etwa 20 V Ausgangsspannung sind das ca. 0,08 V/Grad. Das sieht erst einmal nicht nach viel aus, summiert sich aber wenn man davon ausgeht, dass der Kollektor nicht bei 25 sondern bspw. bei 60°C betrieben wird. Im Mittelmeergebiet ist das eher Regel als Ausnahme. Allein dadurch gehen 2,8 V verloren, was nicht mehr zu vernachlässigen ist. Außer für gute Belüftung zu sorgen, kann man dagegen nicht viel machen. Es ist deshalb darauf zu achten, diese Verluste an anderer Stelle wieder einzusparen.

Batteriespannung
Mit zunehmender Ladung nimmt die Spannung an der Batterie immer mehr zu. Diese Zunahme muss man wie Spannungsverluste betrachten, da auch dadurch die ursprünglich zur Verfügung stehende Spannungsdifferenz kleiner wird. Es kann deshalb sein, dass ein System zunächst völlig normal arbeitet und erst bei steigender Batteriespannung die Leistung zurückfährt. Als Folge davon wird die Batterie nicht richtig geladen. Dieser Fehler wird häufig nicht richtig diagnostiziert, da der Rückgang des Stromes nicht nur vom falsch dimensionierten Kollektorsystem sondern auch von der zunehmenden Ladung der Batterie herrühren kann. Geht der Strom schon vor Erreichen der max. Ladespannung zurück, ist es immer das Kollektorsystem.

Leitungswiderstände

Spannungsverluste auf der Leitung zwischen Kollektor und Regler
An dieser Stelle werden am häufigsten Fehler gemacht, in dem eine Leitung mit zu geringem Querschnitt gewählt wird. Der Spannungsabfall ist dann zu hoch. Das nebenstehende Bild zeigt die Widerstände gängiger Leitungen für jeweils 1 m Länge. (Die Rückleitung ist bereits berücksichtigt.) Aus der Gesamtlänge der Leitung und dem Maximalstrom läßt sich leicht der Spannungsabfall errechnen (U=R*I). Ist der zu groß, hilft nur ein größerer Leitungsquerschnitt. Dem sind eigentlich nur ökonomische Grenzen gesetzt, da irgendwann eine weitere Vergößerung nicht mehr lohnt.

In diesem Zusammenhang möchte ich auch nochmal auf die Möglichkeit hinweisen Module nicht parallel sondern in Reihe zu schalten. Was dabei zu beachten ist, habe ich an anderer Stelle ausführlich beschrieben. Dadurch wird der Strom auf der Leitung drastisch (bei 2 Modulen halbiert) gesenkt, was den Spannungsabfall entsprechend reduziert. Wegen der bei gleicher Leistung entsprechend höheren Eingangsspannung setzt diese Möglichkeit geeignete Regler voraus, was normalerweise nur bei MPP-Reglern der Fall ist. Auch dann muss man genau prüfen, ob deren max. zulässige Eingangsspannung nicht überschritten wird.

Spannungsverluste auf der Leitung zwischen Regler und Batterie
Da der Regler die Batteriespannung normalerweise nicht direkt an der Batterie sondern intern misst, sollte an dieser Stelle überhaupt kein Leitungswiderstand sein. Deshalb montiert man den Regler so dicht wie möglich an der Batterie und wählt auch dann noch einen möglichst großen Querschnitt.

MPP-Regler auf dem Boot des Autors

Spannungsverluste am Regler
Über Regler habe ich mich ebenfalls an anderer Stelle ausführlich ausgelassen, weshalb ich mich hier kurz fassen kann. Über jedem Regler - gleich welcher Bauart - fällt immer auch eine mehr oder weniger große Mindestspannung ab. Am günstigsten in dieser Hinsicht sind Parallelregler, die aber andere Nachteile haben. Da die Preise für MPP-Regler in den letzten Jahren kontinuierlich gefallen sind, spricht eigentlich nichts mehr gegen deren Verwendung, da sie mit Abstand den höchsten Wirkungsgrad haben. Zu beachten ist allerdings, dass sie häufig auch noch mit Eingangsspannungen unterhalb der der Batterie klar kommen. Das kann dazu führen, dass Fehler, wie sie hier diskutiert werden, nicht so deutlich auftreten, wie das bei anderen der Fall wäre. Im Sinne eines möglichst optimal funktionierenden Systems sollten sie trotzdem behoben werden.