Solaranlagen am Womo oder Wowa

  • Grundprinzipien der Solarwandler


    Diese haben die Aufgabe, das Sonnenlicht in elektrisch verwertbare Energie umzuwandeln.
    Alle derzeit zu annehmbaren Preisen verfügbaren Solarzellen sind auf Siliziumbasis aufgebaut. Andere seltene Elemente wie Gallium o.ä. werden hier nicht behandelt, weil erstens die Preise exorbitant sind und zweitens aus ökologischen Gründen eine Verschwendung der extrem selten vorkommenden Elemente vermieden werden soll, wo doch 1/3 der Erdoberfläche aus Silizium besteht. Der höhere Wirkungsgrad ist bestenfalls für die Raumfahrt argumentierbar, aber in keinem Fall für die Verwendung auf einem Wohnmobil.



    Die Gesamtschaltung einer mittelgroßen Solaranlage ist am Ende des Beitrages zu sehen.


    Ein Beispiel für eine Solaranlage mit 2 Panelen. Die Dioden dienen zur Trennung der Panels. Mit weiteren Dioden können so beliebig viele Panels rückwirkungsfrei zusammengeschaltet werden. Auch unterschiedlich leistungsfähige Panels können eingesetzt werden. Es muss nur die Leerlaufspannung (Zellenzahl) aller Panels gleich sein.
    Diese Dioden sollten 10 Amp. Schottkydioden sein wegen des geringen Spannungsabfalls von nur 0.4 Volt.
    Eine Doppeldiode mit gemeinsamer Kathode ist ebenso geeignet, z.B.: SR-1604 oder MBR2045
    Falls nur ein Panel verwendet wird, entfallen die Dioden und die Plusleitung führt direkt zum Regler.


    Die Einzelkomponenten werden auf den Folgeseiten ausführlich beschrieben.



    Welche Solarzellen auf Siliziumbasis stehen uns zur Verfügung?


    • Monokristalline Solarzellen, sind als Einzelkristall aus einer Scheibe aus Reinstsilizium gefertigt. (Wafer) Deshalb sind hier die besten Wirkungsgrade erreichbar, derzeit über 15% sind handelsüblich. Die Preise für monokristalline Zellen sind am höchsten, weil der Herstellungsaufwand enorm ist. Früher wurden Solarzellen aus Siliziumresten der Halbleiterindustrie gefertigt. Inzwischen ist der Verbrauch an Silizium der Solarbranche wesentlich höher als in der Halbleiterindustrie, was die Entwicklung optimaler Stäbe aus Reinstsilizium ermöglicht hat.
    • Polykristalline Solarzellen werden aus Reinsilizium gegossen. Dadurch entstehen viele verschieden ausgerichtete Kristalle. (Eisblumenmuster) Dieser Prozess ist preiswerter in der Herstellung. Derzeit sind Wirkungsgrade um 12% üblich. Fast alle für mobile Zwecke eingesetzten Solarzellen sind in dieser Technologie hergestellt, weil sie sehr robust und relativ preiswert sind.
    • Amorphe Solarzellen haben überhaupt keine kristalline Struktur, sondern eine dünne Halbleiterschicht wird auf fast beliebige Trägermaterialien aufgedampft. Wirkungsgrade um 7% sind derzeit üblich, aber hier besteht das größte Potential für drastische Preisreduktionen. Großflächenanwendungen wie ganze Häuserfronten werden wohl in Zukunft erscheinen. Momentan nur in Kleinstanwendungen wie Uhren, Taschenrechnern, Spielzeug etc… zu finden
    • Neuentwicklungen auf Basis der Nanotechnologie, wie Stäbchenzellen etc… sind wohl noch Zukunftsmusik und für praktische Anwendungen wahrscheinlich erst in 10 Jahren verfügbar. Die theoretisch möglichen Wirkungsgrade klingen jedoch sehr verheißungsvoll.


    Aufbau von Solarpanels

    • Da alle auf Silizium basierenden Zellen eine Leerlaufspannung von 0.50 bis 0.55 Volt abgeben, werden immer viele Zellen in Serie geschaltet, damit eine Spannung verfügbar wird, die zum Laden von 12 Volt Akkus ausreicht. Die Spannung muss wesentlich höher als 12 Volt sein, weil bis zu 15 Volt für die Ladung benötigt werden und die Leerlaufspannung auch einbricht, sobald sie belastet wird.
    • In der Praxis werden 36 bis 44 Solarzellen in Serie zu einem Panel geschaltet und damit 18 bis 22 Volt Leerlaufspannung erreicht. Die verfügbare Leistung hängt dagegen nur vom Zellendurchmesser ab und daraus ergibt sich die Größe eines Panels. Gut geeignet für Womo Dächer sind Panels mit 55, 75 und etwa 100 Watt. Diese Werte sind die Spitzenleistung (Wp) und nur mittags und bei genau senkrechter Einstrahlung erreichbar. In der Praxis muss man mit etwa 30% weniger Spitzenleistung bei flacher Montage am Womo Dach rechnen.
    • Zur Kontaktierung werden flache Leiter entweder aufgedampft oder bei hoher Temperatur eingepresst. Diese Leiter sind auf der Vorderseite deutlich sichtbar. Da man heute um jedes Zehntelprozent Wirkungsgrad kämpft, stellt man durch spezielle Diffusionsverfahren eine leitfähige Zone innerhalb des Moduls her und kann so beide Leiter auf der Rückseite anbringen. (Back contacted)
    • Zur mechanischen Fixierung werden die vielen Solarzellen eines Panels samt Verdrahtung und der Bypassdioden in einen speziellen Kunststoff einlaminiert, der für Feuchtigkeitsschutz sorgt.
    • Eine möglichst reflexionsarme Deckschicht aus Hartglas oder Kunststoff schließt das Panel nach oben ab.
    • Bei der Auswahl eines Panels sollte darauf Wert gelegt werden, dass für jedes Element eine Überbrückungsdiode eingebaut ist. Das vermindert den Effekt der Teilabschattung erheblich und kann in Extremfällen einen Totalausfall verhindern. (Durchbruch eines Halbleiter P-N Übergangs)
    • Die für stationäre Anwendungen vorgesehenen Panele unterscheiden sich in der Regel erheblich von den sogenannten Kleinpanelen. Erstens braucht hier kaum auf das Gewicht geachtet werden, deshalb werden hier preiswertere, aber schwerere Materialien verwendet. Außerdem ist meist die Ausgangsspannung wesentlich höher, nämlich zwischen 40 und 70 Volt. Das erfordert einen sehr teuren Regler.


    Mechanische Ausführungen

    • Solarpanels in Alu Rahmen und Hartglas Abdeckung sind am meisten verbreitet und können mit im Campinghandel erhältlichen Eck- oder Frontwinkeln bequem am Womo verklebt oder verschraubt werden. Durch den Abstand zur Dachhaut ergibt sich ein positiver Effekt der Hinterlüftung, aber natürlich wird die gesamte Aufbauhöhe etwa 60-80 mm betragen.
    • Solarpanels zur direkten Verklebung auf der Dachhaut sind nur 12 bis 18 mm dick. Diese Panels sind ebenfalls mit einer Hartglas Abdeckung versehen, haben aber nach eigenen Messungen gleiche Wirkungsgrade wie die oben erwähnte Konstruktion. Die Rückwärtswärme wird bei einem Alu Dach problemlos abgeführt. Bei einem GFK Dach könnte es hier zu einem Rückgang des Wirkungsgrades kommen, da keine Wärmeableitung vorhanden ist. Es liegen jedoch keine eigenen Erfahrungen vor. Auf jeden Fall muss die Verklebung äußerst präzise erfolgen, da die Anschlüsse perfekt abgedichtet sein müssen, damit keine Korrosion die Anschlussstelle zerstören kann. Die Dachdurchführung muss genau an der Stelle des Kabelaustritts erfolgen. Nach der Verklebung gibt es keinen Zugang zu den Anschlüssen mehr!
    • Biegsame Solarpanels mit UV beständigem Kunststoff als Abdeckung sind wesentlich teurer in der Anschaffung, aber eine Alternative, wenn nur eine gewölbte oder gebogene Fläche zur Anbringung vorhanden ist. Meistens auf Booten eingesetzt. Diese Panels sind auch meist trittfest ausgeführt.


    Montage der Solarpanels

    • Das oder die Panels sollte so montiert werden, dass Abschattungen von Sat Spiegeln, Dachboxen oder sonstigen Lichthindernissen möglichst ausgeschlossen sind. Durch die Serienschaltung kann die Abschattung einer einzigen Zelle Ursache für den Verlust der gesamten Stromlieferung sein. Das hängt davon ab, wie gut das Panel mit Überbrückungs-Dioden ausgerüstet ist. In jedem Fall ergibt sich eine Leistungsminderung.
    • Meist wird noch eine wasserdichte Durchführung durch die Dachhaut benötigt, die ebenfalls beim Camping Ausrüster erhältlich ist. Das sogenannte Solarkabel mit meist 2,5 oder 4 mm2 Querschnitt ist zwar elektrisch auch nicht besser als normale Zwillingslitze, aber in der schraubbaren Dachdurchführung wesentlich einfacher dicht zu bekommen, da dieses Kabel rund ist im Gegensatz zur Zwillingslitze.
    • Günstig ist eine Montage der Panels in der Nähe eines Heki, da so vom Inneren aus bequem mit Wasser und Schwamm die Glasoberfläche gereinigt werden kann. Hier geht viel potentielle Energie verloren, wenn einfach auf den nächsten Regen gewartet wird.


    Solarregler


    Dieses Bauteil ist das zentrale Bauteil jeder Photovoltaik Anlage und trotzdem wird ihr viel zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Es gibt auch vereinzelt Womo Modelle mit einem EBL (Elektroblock), die den Einsatz einer Solaranlage schon eingeplant haben. Hier ist direkt am EBL eine Doppelklemme für ein Solarpanel vorhanden. Bei einigen wenigen Elektroblocks erübrigt sich deshalb ein Solarregler. Aber bitte vorher unbedingt die Betriebsanleitung konsultieren, denn andere EBL´s haben auch diese Klemmen, benötigen aber trotzdem einen Regler.


    Aufgaben des Solarreglers:

    • Möglicht verlustarme Umformung der solaren Leistung in Ladestrom für die Aufbaubatterie und eventuell sogar Pufferung für die Starterbatterie.
    • Überwachung des Ladezustandes der Batterie und bei Volladung Reduzierung auf Erhaltungsladung.
    • Anzeige der wichtigsten Betriebszustände. Mindestens: Led´s für Laden und Batterie voll
    • Im Idealfall Temperaturkompensation der Ladespannung, da zur Vermeidung von Gasbildung die Lade- Schlussspannung in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuert werden sollte. Je höher die Batterietemperatur, desto niedriger muss die Lade Schlussspannung gehalten werden.
    • Oft sind in modernen Reglern direkte Anschlussklemmen für die Verbraucher vorhanden. Die Idee wäre zwar sinnvoll, alle Aufbau Verbraucher von dort zu versorgen, weil meist eine Unterspannungsabschaltung vorhanden ist. Aber leider ist hier der maximale Strom auf 10 oder 15 Ampere beschränkt. Somit im Regelfall im Womo nicht zu gebrauchen. Denn stromintensive Verbraucher wie TV über Wechselrichter, Föhn oder automatische Sat Anlagen brauchen wesentlich mehr Strom. Zusätzlich wäre ein erheblicher Umbau der Aufbau Verdrahtung notwendig.


    Funktionsweise von Solarreglern

    • Serienregler, veraltet und praktisch kaum mehr anzutreffen.
    • Parallelregler (Shunt Regler) die preiswerteste Bauform. Der vorhandene Ladestrom wird direkt der Batterie zugeführt. Bei Erreichen der Volladung wird der überschüssige Solarstrom über einen gesteuerten Leistungstransistor nach Masse abgeleitet. Das bringt zusätzliche Verlustwärme in das ohnehin schon heiße Womo.
    • PWM Regler (Pulse width modulation) Pulsbreitenmodulation. Hier wird die Batterie mit Stromimpulsen unterschiedlicher Breite geladen. Anfangs sind die Ladeimpulse sehr breit und ergeben eine schnelle Ladung. Gegen Vollladung zu werden die Pulse immer kürzer, sodass eine Überladung ausgeschlossen ist. Keine unnötige Hitzeerzeugung im Womo. Zudem soll laut Batterieexperten eine pulsförmige Ladeform einer Sulphatisierung vorbeugen und so die Batterielebensdauer verlängern.
    • PPT Regler (Power point tracking) Die gesamte Batterieladung wird durch einen Mikroprozessor gesteuert. Dieser errechnet das Produkt aus Solarspannung und Solarstrom und setzt es in mittels eines Schaltreglers in eine energieoptimale Batterieladung um. Die in der Werbung angegebene Verbesserung des Wirkungsgrades um bis zu 30% kann eintreten, jedoch meist nur in der Übergangszeit oder bei diffuser Einstrahlung. (Teilabschattung oder Bewölkung) Aber gerade unter diesen ungünstigen Bedingungen ist jede zusätzlich gelieferte Amperestunde wertvoll.
    • PPT Regler mit automatisch aktivierten Aufwärts- und Abwärtswandler sind die momentan modernste Entwicklung. Diese können sogar noch Energie liefern, wenn die Panelspannung bereits unter der momentanen Batteriespannung liegt.


    Die einzelnen Lieferanten streiten momentan sehr heftig, ob PWM oder PPT das bessere Prinzip ist. Jeder macht das Produkt des anderen herunter. Generell bieten beide sehr hochwertige Regelelektronik. Auch der PPT Regler liefert letztendlich einen pulsförmigen Ladestrom. Lediglich der Parallelregler arbeitet sehr simpel und sollte nur noch eingesetzt werden, wo nur der niedrigste Preis zählt.



    Schlusswort


    Dieser Beitrag entstand in dem Bemühen, Photovoltaik know how speziell für uns „fahrendes Volk“ in komprimierter Form zu vermitteln.
    Es wurde bewusst unterlassen, bestimmte Produkte oder Firmennamen zu nennen. Wichtig ist es, Grundlagen firmenneutral zu vermitteln. Die wirkliche Produktsuche, egal ob im Internet oder in Katalogen soll damit erleichtert werden und jeder Mobilist möge so die Komponenten finden, die seine speziellen Anforderungen am besten erfüllen.


    Es ist schlicht unmöglich, diese Materie ohne technische Ausdrücke zu erklären. Sollten Fragen offen bleiben, bitte keine Scheu. Ich beantworte gerne PN Anfragen.


    Herzliche Grüße
    Walter, auch locker genannt

  • Hallo Walter,


    ein großartiger Beitrag.Dem möchte ich meinen Erfahrungsbericht hinzufügen. Ich habe vor 2 Jahren reichlich Solar auf unser Mobil gepackt. Dank der sauberen Dachkonstruktion (ein Dank an den Hersteller) konnte ich 5 m2 Solarpaneele eines Markenherstellers mit einer Nennleistung von 690 W unterbringen. Der Spaß hat bei Selbstmontage etwas über 3000 € gekostet. Zusätzlich haben wir alle Lampen gegen LEDs ausgetauscht.Der Erfolg dieser Maßnahmen ist, dass wir seither an keiner Steckdose mehr waren - ausgenommen im Winterlager. Wir wohnen übrigens seit Mitte Juli komplett im Mobil und stehen momentan in Andalusien, natürlich wie immer ohne Steckdose. Wir lassen morgens unsere Kaffeemaschine laufen und haben den ganzen Tag 2 Laptops an. Fernseher haben wir, wird aber nicht eingeschaltet, wir sind medienresistent :) , dafür aber der 2. Laptop. Skeptikern sei gesagt, dass selbst bei bewölktem Himmel noch Strom vom Solar kommt. Lediglich Regen oder Schatten von z. B. Bäumen und Gebäuden lässt die preisgünstige Stromquelle versiegen. Bei einer längeren Regenperiode müssten wir uns sicherlich im Stromverbrauch einschränken. Dem möchten wir beim nächsten fälligen Akkuwechsel mit Lithium-Ionen-Akkus begegnen.

  • Hallo Walter, :2-winke:


    recht herzlichen Dank für den wirklich sehr aufschlussreichen und interessanten Bericht.
    Es ist so wie Ewald bereits erwähnte, bei dieser Darstellung können sich auch Laien wie wir etwas dabei vorstellen.


    Habe mir vor kurzem zwei Paneele mit 80 Wp montieren lassen, bin neugierig wie sich die Beiden
    bei meinen zwei 90 Amp. Versorgungs-Batterien auswirken.


    :danke:

  • Danke für diesen wunderbaren Erfahrungsbericht. Ich finde eigentlich dass es logisch ist, sich für Solaranlagen und Solarenergie zu entscheiden, sofern es umsetzbar ist. Und ich kann die Skeptiker nur ein wenig verstehen, aber im Großen und Ganzen sehe ich nur Vorteile. Ich habe letztens auf immobilienscout24.at ein wenig geschmökert, wo es viele Häuser mit Solaranlagen gibt! Also es wird immer beliebter in allen Bereichen!

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