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Solarenergie: Technik überblick

Solarenergie
1. Solarenergie: Technik überblick
2. Solarenergie: Strom vom Balkon

Ich habe mich in den letzten Wochen intensiv mit dem Thema Solarenergie beschäftigt.

Erstmal habe ich eine ganze Menge an Informationen zum Thema zusammengetragen.

Die Ergebnisse habe ich für euch in diesem Beitrag zusammengefasst.

Folgende Fragen hatte ich:

  • Welches Solarpanel bringt die beste Leistung?
  • Welchen Laderegler brauche ich?
  • Welcher Batterie-Typ passt für mich?

Wie ich diese Fragen für mich beantwortet habe, könnt Ihr am Ende dieses Beitrags nachlesen.

Welches Solarpanel bringt die beste Leistung?

Polykristallin oder Monokristallin?

Monokristalline Solarmodule haben mehr Leistung auf gleicher Fläche als polykristalline Module, dafür sind Polykristalline Module etwas günstiger. Polykristalline Module verlieren über die Lebenszeit weniger Leistung als monokristalline Module. An warmen Tagen fällt der Leistungsverlust bei polykristallinen Modulen geringer aus, da sich monokristalline Zellen durch ihre schwarze Farbe stärker erhitzen und die Leistung von Solarmodulen bei zunehmender Temperatur abnimmt. Monokristalline Module hingegen erzielen bei schlechtem Wetter einen deutlich höheren Ertrag.

Was bedeutet Back Contact?

Bei Back Contact Solarzellen werden die Leiterbahnen auf der Rückseite verlegt, dadurch kann mehr Licht auf die Zellen treffen und es wird mehr Energie erzeugt (ca. 2%).

Was bedeutet Schindeltechnik?

Beim Schindeln werden die einzelnen Solarzellen im Inneren wie Dachziegel übereinander gelegt und verbunden. Hierdurch kann die vorhande Fläche effektiver genutzt werden und die Leistung des Solarmoduls wird gesteigert. Ausserdem erhöht sich die Leistung des Solarpanels, wenn Teile im Schatten liegen (Verschattung). Bei Schindelmodulen bleiben die nicht verschatteten Zellen weiter aktiv!

Welchen Laderegler brauche ich?

PWM oder MPPT?

Bei PWM (Pulsweitenmodulation) wird im Prinzip eine direkte Verbindung zwischen Solarmodul und Batterie hergestellt. Dabei bricht die Spannung des Solarmoduls fast auf die Spannung der Batterie ein. Wenn die Batterie voll ist, trennt der Regler Solarmodul und Batterie voneinander. Wenn die Batteriespannung absinkt, wird das Solarmodul wieder zugeschaltet. Dieser Vorgang kann mehrere male pro Sekunde stattfinden.

PWM-Regler sind deutlich günstiger als MPPT-Regler.

Bei MPPT (Maximum Power Point Tracking) sucht der Regler den höchsten Leistungspunkt in der Leistungskurve des Solarmoduls, dann wird die Spannung des Solarmoduls auf die Batteriespannung umgeformt. Dies ist so effektiv, dass trotz Verlusten durch die Spannungsumformung noch deutlich mehr Energie in der Batterie ankommt als mit einem PWM-Regler.

In unseren Breitengraden mit mäßigen Temperaturen und Schwankungen in der Lichtintensität bringt ein MPPT-Regler bis zu 30% mehr Energie in die Batterie. Für LiFePo4 Batterien sollten in jedem Fall MPPT-Regler verwendet werden.

Soll ich mehrere Solarpanels Parallel oder in Reihe schalten?

Vorteile der Reihenschaltung: Bei Bewölkung oder Schatten kann die Spannung (V) eines Solarmoduls soweit absinken, dass sie nicht mehr ausreicht um damit eine Batterie zu laden. Hier kann eine Reihenschaltung mehrerer Module helfen die Spannung (V) zu erhöhen, damit das Laden wieder möglich ist.
Es muss eine Bypass-Diode installiert werden um verschattete Bereiche zu überbrücken. Ausserdem wird ein MPPT-Regler benötigt um die schwankende Spannung (V) für die Batterie anzupassen.

Vorteile der Parallelschaltung: Bei ausreichender Sonne liefern die Solarmodule in einer Parallelschaltung mehr Strom (A) und können die Batterie dadurch schneller aufladen. Zu beachten ist aber wie hoch der maximale Ladestrom der Batterien tatsächlich sein darf. Dieser ist bei AGM deutlich geringer als bei LiFePo4 Batterien.

Welcher Batterie-Typ passt für mich?

Gel, AGM oder LiFePo4?

Gel-Batterie

Bei einer Gel-Batterie sind die positiven und negativen Elektroden wie bei einer konventionellen Nassbatterie (z.B. Autobatterie) von Elektrolyt umgeben. Der Elektrolyt liegt aber nicht in flüssiger Form vor, sondern wurde in einen gelartigen Zustand versetzt. Dadurch sind Gel-Baterien sicherer und unempfindlicher. Gel-Batterien können in jeder beliebigen Position eingebaut werden und sind relativ unempfindlich gegenüber Erschütterungen. Bei unbeschädigtem Zustand der Batterie ist kein Auslaufen von Flüssigkeit zu befürchten. Eine Gel-Batterie wird daher oft als wartungsfreie Batterie bezeichnet.

Stärken von Gel-Batterien:

  • Gel-Batterien sind resistenter gegenüber hohen Temperaturen als AGM-Batterien
  • Lebensdauer nicht ganz so lange wie eine LiFePo4-Batterie, aber länger als eine AGM-Batterie

Nachteile von Gel-Batterien:

  • Niedrige Temperaturen vertragen Gel-Batterien nicht gut
  • Gel-Batterien müssen in regelmässigen Abständen vollständig aufgeladen werden

AGM-Batterie

AGM steht für „Absorbent Glass Mat“ (Absorbierende Glasfaser-Matte). Bei diesen Batterien wird der Elektrolyt vollständig in einer Glasfasermatte gebunden. Auch die AGM-Batterie ist auslaufsicher und kann ebenfalls in beliebiger Position eingebaut werden. Die AGM-Batterie ist ebenfalls geschlossen und gilt ebenfalls als wartungsfrei. Der größte Vorteil der AGM-Batterie gegenüber der Gel-Batterie ist die höhere Startleistung und Kältestabilität.

Warungsfrei bedeutet bei Gel- und AGM-Batterien vor allem, dass das Nachfüllen von destilliertem Wasser entfällt.

Vorteile von AGM-Batterien:

  • Auch bei geringeren Temperaturen funktioniert die AGM-Batterie zuverlässig
  • Geringere Selbstentladung als bei Gel-Batterien
  • Anwendungen mit hohen Strömen möglich (z.B. Starter Batterie im Auto, Notstromversorgung (USV))

Nachteile AGM-Batterien:

  • Hohe Temperaturen = hoher Kapazitätsverlust
  • Der Leistungsverlust einer AGM-Batterie bei einer Tiefentladung ist noch größer als bei einer Gel-Batterie

Besonderheiten von Gel- und AGM-Batterien:

  • Batterie möglichst nicht mehr als 30% entladen (sonst sinkt die Lebenserwartung stark)
  • AGM-Batterien haben eine geringere Kapazität, wenn sie schnell (mit hohem Strom (A)) entladen werden
  • Bei Gel- und AGM-Batterien sollte der Mindest-Ladestrom etwa 10% der Batteriekapazität betragen
  • Maximaler Ladestrom zwischen 10% und 30% der Batteriekapazität
  • Die Batterietemperatur steigt, wenn der Ladestrom 20% übersteigt. Stichwort: Temperaturkompensation

Die Angaben unterschiedlicher Hersteller variieren zu diesen Parametern. Schaut euch auf jeden Fall vor dem Kauf das Datenblatt des Herstellers an.

LiFePo4-Batterie

Lithium-Eisenphosphat-Batterien, auch als LiFePo4-Batterien bekannt, sind sehr effizient. Positive Elektroden (Lithium-Eisenphosphat) und negative Elektroden (Graphit mit eingelagertem Lithium) sorgen mithilfe des leitenden Elektrolyts durch Ladungsänderung für Energie. Oft werden LiFePo4-Batterien auch als Lithium-Ionen-Akku bezeichnet, dies ist jedoch falsch.

LiFePO4-Batterien besitzen gegenüber Gel- und AGM-Batterien deutliche Vorteile was Zyklenfestigkeit, Baugröße, Kapazität und Gewicht anbelangt. Nachteil ist der höhere Anschaffungspreis von LiFePO4-Batterien.

Auch LiFePo4-Batterien können in belibiger Position eingebaut werden und sind wartungsfrei. Sie gelten als extrem sicher, da sie nicht überhitzen, und selbst bei einer Beschädigung des Gehäuses kein Feuer auslösen.

Zu berücksichtigen ist bei dieser Aussage bezüglich der Sicherheit allerdings die Qualität der Fertigung, also aller Komponenten aus denen eine LiFePo4-Batterie zusammengesetzt wird. Und dazu gehören bei LiFePo4-Batterien nicht nur die Zellen sondern eben auch Verbindungsmaterial, Batterie-Management-System (BMS) und weitere Komponenten mit denen eine Batterie schließlich als fertiges Produkt auf den Markt gebracht wird.

Lithium Batterien müssen beim Versand übrigens als Gefahrengut gekennzeichnet werden. Ob dies nur für Lithium-Ionen-Akkus gilt die z.B. in Smartphone und Tablets enthalten sind oder auch für die als besonders sicher geltenden LiFePo4-Batterien, konnte ich nicht klar in Erfahrung bringen.

Für LiFePo4-Batterien wird ein BMS (Batterie-Management-System) benötigt, dieses ist in den meisten Batterien bereits eingebaut. Das BMS ist eine elektronische Steuerung, die den Zustand der Batterie überwacht und regelt. Es verhindert einen Kurzschluss und sorgt für ein sicheres Laden und Entladen der Batterie. Ausserdem überwacht das BMS die einzelnen Zellen und die Temperatur. Einige Batterien haben sogar eine Blutooth Schnittstelle, womit der Zustand der Batterie mittels App auf dem Smartphone abgefragt werden kann.

Normalerweise schützt das Batterie-Management-System die LiFePo4-Batterien vor Tiefentladung. Wenn die Batterie allerdings lange Zeit nicht genutzt und geladen wird, kann es vorkommen, dass sich das Batterie-Management aufgrund einer Unterspannung abschaltet. Bei einigen Batterien kann das Batterie-Management-System durch den Anschluss eines Ladegerätes wieder reaktiviert werden, in manchen Fällen wird zur reaktivierung aber die Unterstützung des Herstellers oder einer Fachwerkstatt benötigt.

Stärken von LiFePo4-Batterien:

  • Hohe Lade- und Entladeströme
  • Hohe Anzahl von Ladezyklen (ca. 2000)
  • Deutlich geringeres Gewicht als Gel- / AGM-Batterien
  • Kein Memoryeffekt; Teilladung möglich

Nachteile von LiFePo4-Batterien:

  • Hoher Preis
  • Bei niedrigen Temperaturen nicht aufladbar. (Es gibt allerdings LeFePo4-Batterien mit eingebauter Heizung)

Die Angaben unterschiedlicher Hersteller variieren auch bei LiFePo4-Batterien. Schaut euch auf jeden Fall vor dem Kauf das Datenblatt des Herstellers an.

Meine Kaufentscheidung

(Dieser Abschnitt kann Spuren von Werbung enthalten.)

Ich wollte eine transportable Ausrüstung für Camping und Bootsausflüge haben, die zum „Rumspielen“ auch mal auf dem Balkon stehen kann.

Solarpanel

Ich habe mich für ein faltbares Solarmodul* der Firma Offgridtec* entschieden. Ich habe die Variante FSP-2 mit 120 Watt* gewählt.

Die Solartasche hat einen praktischen Tragegriff und bietet auch Stauraum für Kabel. Sie wiegt knapp 5 Kg und liefert maximal 5,97 A.

Laut Herstellerangaben werden Solarzellen der Firma SunPower verwendet. Der Wirkungsgrad ist mit 22% angegeben.

Das Modul wird gleich mit Kabelsatz geliefert. 6,0m Anschlussleitung, die am Ende mit einem Anderson Steckverbinder versehen ist. Passend dazu, wird ein zweites 0,5m Verbindungskabel mitgeliefert, das direkt am Solareingang des Ladereglers verschraubt wird, und auf der anderen Seite ebenfalls mit einem Anderson Stecker ausgestattet ist. So können Sie den Regler jederzeit schnell über die Anderson-Verbinder koppeln oder trennen ohne die Kabel extra vom Laderegler abschrauben zu müssen.

 

Laderegler

Ich habe mich für ein MPPT Modell von Victron Energy* entschieden. Die Laderegler gibt es für verschiedene Stromstärken (A), sowohl für 12 Volt als auch für 24 Volt. Optional gibt es die Laderegler auch mit Bluetooth-Schnittstelle, so können Werte per App (Android und iOS) abgelesen und Einstellungen geändert werden.

Ich habe die Variante SmartSolar MPPT 75V/15A mit Bluetooth* gewählt.


Zahlreiche Produkte von Victron Energy* verfügen über ein Bus-System (VE.Bus) worüber Komponenten miteinander vernetzt werden können.

Auch die Integration eines Raspberry Pi ist möglich, hierfür bietet Victron Energy ein eigenes Image an (GitHub: victron-energy/venus – raspberrypi-install-venus-image).

Auch für die Heimautomatisierungs Software FHEM gibt es ein Modul für Victron MPPT-Laderegler (GitHub: Askie666 / VE.Direct – FHEM modul for Victron VE.Direct-devices).

 

Batterie

Ich habe mich für eine 12 Ah LiFePo4-Batterie entschieden.

Da ich meine Batterie nicht regelmässig voll auflade, schien mir LiFePo4 besser geeignet. Auch das Gewicht ist deutlich angenehmer.

Zum Vergleich: 12Ah AGM wiegen 3,9 Kg, 12Ah LiFePo4 wiegen 1,7 Kg.

Ein weiterer Grund für meine Kaufentscheidung liegt bei Kapazität und Ladestrom:

Bei AGM-Batterien kann ich nur 30-50% der Kapazität nutzen. Also hätte ich „gefühlt“ nur eine 6Ah Batterie.
Bei einem Entladestrom von 2A würde die Kapazität schon auf ca. 10,8 Ah (gefühlt 5,4 Ah) sinken.
Wenn ich die AGM-Batterie mit den empfohlenen 10%-20% Ladestrom laden würde, bräuchte ich 5-10 Stunden um die Batterie zu laden, bzw. 2,5-5 Stunden wenn ich die AGM-Batterie, wie empfohlen, nur halb leer mache.

Die LiFePo4-Batterie kann ich hingegen bis zu 80% entladen (gefühlt 9,6 Ah) und mit bis zu 10A wiederaufladen (wobei hier ca. 7A empfohlen wurden). Mein 120 Watt Solarpanel liefert max. 5,97A – passt also. Bei voller Sonne sollte ich es also in knapp 1,5 Stunde schaffen (wenn ich 80% = 9,6 Ah nutze). Das ist fast das Doppelte an Kapazität bei etwa der Hälfte an Gewicht und geringerer Ladezeit. Ein weiter Vorteil ist, dass ich die LiFePo4-Batterie mit stärkerem Strom (A) entlalden kann, ohne einen Kapazitätsverlust befürchten zu müssen.

Ich habe mich erneut für ein Produkt der Firma Offgridtec entschieden: Die Offgridtec LiFePo4 Basic-Pro 12/12 Akku 12Ah 12,8V 128Wh Lithium-Batterie*

Ich habe bislang keine Erfahrungen mit der Firma Offgridtec* gemacht. Mir hat die übersichtliche Webseite (www.offgridtec.com) gut gefallen. Ausserdem waren bei allen Artikel die über Amazon angeboten wurden die technischen Daten übersichtlich eingetragen, so dass die Produkte für mich einfach zu vergleichen waren. Irritiert hat mich, dass die Solartaschen von Offgridtec scheinbar identisch auch bei der Firma WATTSTUNDE* angeboten werden – nur eben mit einem anderen Namen. Die Preise waren bei WATTSTUNDE zum Zeitpunkt meiner Recherche oftmals höher.

Wie sich das Ganze in der Praxis macht, erfahrt ihr in den nächsten Wochen…

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