Sonnenbatterie: die Basics

PV-Batterie-System bestehend aus einem 30 W PV-Modul, einer 7,2 Ah Batterie und dem Steca Laderegler PR1010

Nachdem unser Camper nun fahrtüchtig ist und die erste Probefahrt absolviert hat, geht es ans Eingemachte: Die Photovoltaikanlage mit Batterie. Um die Sonnenenergie zu ernten verwende ich ein 30 Wp Modul aus polykristallinen Silizium Solarzellen, das ich noch bei mir rumfliegen habe. Dieses wird an einen Solar-Laderegler PR1010 von Steca angeschlossen, der wiederum dafür sorgt, dass die 7,2 Ah Blei-Gel Batterie geladen wird. Außerdem stellt er einen Lastausgang zur Verfügung, an dem alle Verbraucher im Camper angeschlossen werden. Wenn also die Sonne mal nicht scheint, werden die Geräte automatisch aus der Batterie versorgt, ansonsten vom PV Modul. Damit die Batterie nicht zu tief entladen wird, schaltet der Laderegler außerdem alle angeschlossenen Verbraucher ab, wenn die Batteriespannung unter einen kritischen Spannungs-Wert fällt. Das gesamte System hat eine Nennspannung von 12 V, wie es im KFZ üblich ist. So können auch die bekannten 12 V Geräte aus dem Auto, wie USB Ladeadapter für Smartphones oder Kühlboxen, angeschlossen werden.

Soweit zur verbauten Technik, doch wie wählt man die einzelnen Komponenten eigentlich aus? Dies hängt von verschiedenen Parametern ab, die ich hier kurz zusammenfassen möchte:

Wie groß muss die Batterie sein?

Fun Fact: Die abgebildete 7,2 Ah Batterie bietet mit Ihrer nutzbaren Kapazität von ca. 60 Wh nicht einmal doppelt soviel, wie der Akku des iPad Air daneben mit 32 Wh. Dennoch wiegt sie mit 2500g etwa 5 mal soviel wie das iPad mit ca. 500g. Der Unterschied liegt in der Batterietechnologie (Blei-Gel vs. Li-Ionen) Es kann also durchaus Sinn machen, sein Tablet bei Sonne zu laden und als weiteren Speicher zu verwenden um somit mehr aus der PV-Anlage herauszuholen.

Dies hängt stark davon ab, welche Geräte man betreiben möchte und wann man diese betrieben möchte – also wenn die Sonne scheint oder nicht. Wenn wir z.B. eine 2 Watt LED Lampe (entspricht knapp einer 20 W Glühbirne) für die Innenbeleuchtung des  BikeCampers verwenden, und diese täglich ca. 4 Stunden Licht spenden soll, entspricht dies einer Energie von 2 W * 4h = 8Wh. Das Smartphone einmal voll zu laden, benötigt je nach Akku des Smartphones ca. 5-10 Wh. Bei Tablets können es schon 30 Wh sein. Eine elektrische Kühlbox zieht ca. 35 W – bei einer Stunde Laufzeit also 35 Wh. Ein Lüfter, wie er für die Klimaregelung zum Einsatz kommt, benötigt ca. 2 W.

Wenn wir also an einem Tag einmal unser Smartphone laden (7 Wh), 4 Stunden Licht an haben (8 Wh) und 5 Stunden die Lüftung betreiben (10 Wh), benötigen wir mindestens 25 Wh. Bei einer Nennspannung von 12 V entspricht dies einer Batteriekapazität von ca. 2 Ah – denn 12 V x 2 Ah = 24 Wh.

Leider reicht es allerdings nicht, jetzt eine 2 Ah Blei-Gel Batterie zu kaufen. Blei Batterien haben die Eigenschaft, weniger Lade- und Entladezyklen zu überleben, je tiefer diese entladen werden. Daher sollte man für eine lange Batterielebensdauer, die Batterie nur auf 30%, besser 50% ihrer Kapazität entladen. Der verwendete Laderegler trennt z.B. angehängte Lasten, sobald die Kapazität auf unter 30% gefallen ist. Für die Wahl der Batterie bedeutet dies, dass die Kapazität der Batterie entsprechend größer sein muss, da wir sie nicht vollständig nutzen können. In unserem Fall sind 2 Ah also 70% der Kapazität. Die Batterie muss dann eine Kapazität von ca. 2,9 Ah (entspricht 100%). Wenn wir nur 50% nutzen, benötigen wir 4 Ah. Weitere Informationen zur Zyklenfestigkeit der Batterie können dem Datenblatt entnommen werden.

Wenn wir nun mehrere Tage damit überbrücken möchte, in denen z.B. die Sonne nicht scheint, muss die berechnete Kapazität noch mit der Anzahl der Tage multipliziert werden.

Für den BikeCamper verwende ich zunächst eine 7,2 Ah Blei-Gel Batterie mit einer nutzbaren Kapazität von ca. 60 Wh. Diese hat bei einem Preis von 15 EUR und einem Gewicht von 2,5 kg gerade noch so ins Budget gepasst.

Welche Leistung muss die Photovoltaik-Anlage haben?

Die PV-Anlage sollte in Durchschnitt täglich mindestens so viel Energie liefern, wie nötig ist, um die Batterie wieder voll aufzuladen. Wie viel Energie mit einer PV-Anlage geerntet werden kann, hängt dabei zum einen vom Standort und der Ausrichtung der Anlage ab, zum anderen auch von Kenndaten der Anlage selbst.

Standort und Ausrichtung des Moduls

Um die verfügbare Sonnenenergie an einem Standort zu bestimmten, kann man Solarstrahlungskarten verwenden. Oder man verwendet einen Rechner, wie diesen http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php. Nach Einstellen der relevanten Parameter erhält man dann die Energie, die durchschnittlich pro Tag von der PV-Anlage zu erwarten ist. Neben dem Standort ist auch die Ausrichtung des PV-Moduls ist wichtig, also ob es nach Süden, Osten Westen oder gar Norden zeigt und wie schräg das Modul aufgestellt ist. In unserem Fall ist dies einfach: Das PV-Modul liegt flach auf dem Dach des BikeCampers, also beträgt die Neigung 0° – dies tragen wir im Rechner unter „slope“ ein. In diesem Fall ist es auch egal, in welcher Himmelsrichtung das Modul ausgerichtet ist. Wir können also bei Azimuth einen beliebigen Winkel einstellen (wir nehmen 0° für Süden).

Leistung und Systemverluste

Kennwerte des PV Moduls

Ein weiterer Parameter zur Berechnung der Energie, die unsere Anlage liefern kann, ist die Leistung des Moduls. Diese ist meist direkt auf den Modulen zu finden und wird häufig mit „peak power“ oder „maximum power“ bezeichnet. In unserem Fall sind es 30 W. Verwendet man zwei Module, wären es entsprechend 60 W. Dieser Wert entspricht der Leistung, die das Modul unter optimalen Bedingungen erbringen kann. Bei einer üblichen Hausdachanlage sorgt der Wechselrichter dafür, dass das Modul am sog. Maximum Power Point (MPP) arbeitet, d.h. an dem Punkt, an dem die größte mögliche Leistung erbracht werden kann. Der verwendete Laderegler hat aber keinen solchen MPP-Tracker verbaut. Vielmehr bestimmt in diesem Fall die Spannung der Batterie, an welchem Punkt das PV-Modul arbeitet.

Wir können aber auch in diesem Fall selbst relativ einfach abschätzen, welche maximale Leistung das Modul in unserem System erbringen kann. Als Nennspannung legen wir die Batteriespannung von 12 V zu Grunde (bei voll geladener Batterie beträgt die Spannung sogar 14 V). Als Strom nehmen wir den Strom am MPP an – bei unserem Modul sind das 1,67 A, wie auf dem Foto der Kenndaten unter „Maximum Power Current“ zu sehen ist. Daraus ergibt sich dann eine maximale Leistung von 12 V * 1,67 A = 20 W. Diesen Wert können wir dann bei „peak PV power“ im Rechner eintragen. Bei der Wahl des Moduls ist also entweder darauf zu achten, dass die Nennspannung des Moduls – hier „Maximum Power Vortage“ – nahe bei, aber oberhalb der Batteriespannung liegt oder man einen Laderegler mit MPP-Tracking verwendet, um zusätzliche Leistungsverluste zu vermeiden.

Die übrigen Systemverluste belaufen sich in unserem Fall nur auf Verluste durch Verkabelung und die Laderegelung, eine Spannungsumwandlung, wie in großen PV Anlagen, findet bei uns ja nicht statt. Wir nehmen einfach 10% Verlust an und tragen diesen bei „estimated system losses“ ein.

Solarertrag der PV-Anlage
Quelle: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

Füttern wir den Rechner nun mit all unseren Daten, sehen wir, dass unsere PV-Anlage in den Sommer-Monaten von April bis August im durchschnitt täglich einen Ertrag von 70 – 90 Wh Stunden erbringen kann. Unsere Batterie mit ihrer nutzbaren Kapazität von 60 Wh können wir also an einem Tag unter optimalen Bedingungen wieder voll aufladen. Da wir mit dem Camper tagsüber aber i.d.R. unterwegs sind, lässt sich eine zusätzliche Abschattung durch Baume, Gebäude etc. nicht immer vermeiden. Nach Möglichkeit sollte also ein etwas größeres Modul verwendet werden. Ich habe hier zwar noch ein zweites Modul liegen, verzichte aber auf Grund des hohen zusätzlichen Gewichts von ca. 3,7 kg pro Modul auf ein weiteres.

Laderegler

Steca PR1010 Solar-Laderegler

Zu guter Letzt bliebt noch die Wahl des Ladereglers. Günstige Laderegler für 12 V Systeme ohne MPP-Tracker gibt es bereits ab 15 EUR. Zu achten ist zum einen auf den maximal zulässigen Strom am Moduleingang. In unserem Fall sind dies 1,9 A – das ist der Kurzschlussstrom, engl. „Short Circuit Current“ unseres Moduls.  Zum anderen muss der maximal zulässige Strom am Lastausgang beachtet werden. Wenn wir z.B. eine elektrische Kühlbox mit 35 W anschließen möchten, benötigt diese einen Strom von 3 A – beim starten häufig auch mehr. Der Steca PR1010 bietet mit 10 A Modulstrom und 10 A Laststrom also ausreichend Spielraum.

Soweit zur Theorie – was die Praxis bringt, wird sich in einem der nächsten Beiträge zeigen…