Solar

Unser Alltag ist durch die Benutzung zahlreicher, mobiler elektronische Geräte geprägt. Während Haushaltgeräte wie Kühlschrank, E-Herd, Fernseher oder Waschmaschine stationär an das Lichtnetz angeschlossen sind, benötig man für die mobilen Geräte eine wie auch immer geartete Stromversorgung.

Der Begriff mobil sei hier etwas weiter gefasst und wir wollen auch Geräte betrachten, die fernab von einer Steckdose permanent mit Strom versorgt werden müssen. So besitzen viele Gartenlauben, Geräteschuppen oder Garagen keinen Stromanschluss. Ebenso müssen z.B. Wasserpumpen oft an entlegenen Stellen zum Einsatz kommen. Die Anzahl „mobiler“ Anwendungen ließe sich beliebig weiter aufzählen z.B.:

2 Solartechnologie kommt zur Hilfe

Die Entwicklung von E-Bikes und Balkonkraftwerken hat zur Entwicklung zahlreicher Elektronikkomponenten und Energiespeicher geführt, die den Aufbau leistungsfähiger, mobiler Stromversorgungen kostengünstig ermöglichen. Abbildung 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau. Ein Solarpanel liefert tagsüber Energie. Über einen Ladereger werden damit Lithiumionen Akkus aufgeladen. Preiswerte Step-Down Wandler erzeugen daraus verlustfrei die benötigen Endverbraucher Spannungen z.B: 3.3V, 5V oder 12V. Nachts und and trüben Tagen übernehmen die Akkus die Versorgung. Entscheidend ist hier die korrekte Dimensionierung, um auch in längeren Schlechtwetterphasen genügend Akku-Reserve zu haben.

Je nach Leistungsbedarf kann zwischen verschieden großen Solarmodulen gewählt werden. Die Spanne reicht von kleinen 5W Modulen bis zu großen 300W Paneelen. Als Energiespeicher haben sich Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) und Lithium-Eisen -Phosphat Akkus (LiFePo) durchgesetzt. Im Vergleich zu anderen Energieträgern

wie z. B. Blei Akkus, Nickel-Cadmium-(NiCd) oder Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) haben sie zahlreiche Vorteile:

Für einen größeren Leistungsbedarf stehen fertige 12V oder 24V LiFePo Akkus mit einer Kapazität von 100Ah, 200Ah oder 300Ah zur Verfügung. Damit können dann ganze Campingwagen versorgt werden.

3 Wieviel Leistung benötige ich?

Für die permanente Stromversorgung elektronischer Geräte muss im ersten Schritt die Leistungsaufnahme betrachtet werden. Kleinstverbraucher wie Quarzuhren oder IR-Fernbedienungen benötigen nur wenige mW, so dass handelsüblicher R6 Zellen oder NCMH Akkus für einen Betrieb über 12 Monate ausreichend sind. Bereits beim Dauerbetrieb eines Mikrocontrollers (Arduino, ESP32, Raspberry Pi Pico) oder Mikrorechners wie dem Raspberry Pi5 liegt die Stromaufnahme um ein Vielfaches höher. Die folgende Tabelle zeigt eine kleine Übersicht:

Gerät	Spannung	Stromaufnahme	Leistung
Arduino Mega	5V	70mA	0.350 W
ESP32	3.3V	180mA	0.594 W
Raspberry Pi Pico	5V	20mA	0.1 W
Raspberry Pi 3	5V	1600mA	8 W
Raspberry Pi 5	5V	2400mA	12W
AVM Fritz! WLAN Mesh Repeater 3000	12V	500mA	6.4 W
LED Kette	12V	100mA	1.2 W

In all diesen Fällen benötigen wir elektrische Leistungen im Bereich 0.5W … 12W permanent. Normale R6 Zellen wären innerhalb weniger Stunden entladen.

Eine einfache Stromstärkemessung liefert im konkreten Anwendungsfall eine Aussage über den Leistungsbedarf. Der Energiebedarf für einen Tag berechnet sich dann aus dem Produkt E = U * A * 24h . Als Beispiel sei eine mobile Wetterstation mit dem Arduino Mega betrachtet:

Eine handelsübliche Li-Ionen Zelle der Bauform 18650 hat eine Kapazität von 3000mAh bei einer Zellspannung von 3.7V. Sie kann im Maximum eine Energie von:

abgeben. Sie würde also theoretisch für den Dauerbetrieb an einem Tag ausreichen. In Praxis würde man wenigstens zwei besser drei Zellen vorsehen, um ausreichend Reserve zu haben. Der berechnete Energiebedarf entscheidet dann über die Akkukapazität und Größe der Solarmodule. In allen Fällen sollte man immer eine Reserve einrechnen, da die wechselhafte Wetterlage in Nordeuropa nicht optimal für Solarmodule ist. Hinzu kommt in der Herbst- Winterzeit die deutliche Abnahme der Tageslänge.

4 Li-Ion und LiFePo4 Akkus als Energiespeicher

Als Energiespeicher haben sich Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) und Lithium-Eisen-Phosphat Akkus (LiFePo) etabliert. Beide Arten zeichnen sich durch eine hohe Anzahl von Ladezyklen aus, was eine lange Lebensdauer garantiert.

Kenngröße	Li-Ion Akku	LiFePo Akkus
Betriebsspannung	3,7V	3,2V
Ladeendspannung	4,1V	3,8V
Tiefendladung bis	2,5V	2,0V
Max. Ladezyklen	1000	3000
Energiedichte	140-180 Wh/kg	90-110 Wh/kg
Betriebstemperaturbereich	-20°C bis + 50°C	-20°C bis + 60°C
Ladetemperatur	nicht unter 0 Grad!	nicht unter 0 Grad!

Lithium-Ionen Akkus besitzen eine höhere Energiedichte im Vergleich zu LiFePo Akkus. Im Internet findet man weitere Details zu den Unterschieden der beiden Akkutypen. Die am weitesten verbreitete Zellenbauform trägt die Bezeichnung 18650, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Die Bezeichnung 18650 wird für Lithium-Ionen-Akkus (kurz: Li-Ion-Akkus) verwendet. Im Vergleich zu anderen Energieträgern wie z. B. den Nickel-Cadmium-(NiCd) und den Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) zeichnen sich Li-Ion-Akkus durch die hohe Energiedichte und die hohe Zellspannung aus. Zudem sind Li-Ion-Akkus länger langerfähig, ohne sich selbst zu entladen. Die Zahl 18650 gibt Informationen zu den Abmessungen: Der Durchmesser beträgt 18 Millimeter, worauf die ersten beiden Ziffern schließen lassen. Die folgenden zwei Ziffern informieren über die Länge des Speichers bzw. die Höhe des Akkus, die 65 Millimeter beträgt. Die Null als letzte Ziffer gibt die Zylinderform an.

Eine einzelne 18650-Zelle hat eine Nennspannung von 3,7 Volt. Diese Nennspannung wird beim Normalbetrieb eines Geräts im Entladeprozess erzielt. Sowohl im aufgeladenen Zustand als auch im Entladeprozess sind die tatsächlichen Spannungen anders.

Die vollgeladene Zelle hat 4,2 V (Ladeschlussspannung). Beim Entladen ist bei 2,5 V Schluss. Wird eine Zelle unter 2,5 V entladen, dann ist sie danach meist defekt; die Tiefentladung ist eingetreten. Um eine lange Lebensdauer zu erreichen, sollten die Zellen nur bis 2,8V entladen werden, d.h. es sollte unbedingt eine Endladeschutz-schaltung vorgesehen werden.

Die Bauform 18650 gibt es mit Kapazitäten im Bereich 2700mAh … 3500mAh. Auf Ali-Express findet man verschiedene Anbieter. Meist ist es günstiger gleich ein 10er Pack zu bestellen. Ebenso findet man dort passende Batteriehalter.

Lithium-Eisen-Phosphat Akkus haben eine noch höhere Zyklenzahl (> 3000). Ihr Nennspannung beträgt 3.2 Volt und die Ladeschlussspannung ist 3.65Volt. Sie können bis 2.2V entladen werden.

LiFePo Zellen sind in der Bauform 18650 verfügbar mit einer Kapazität von 1800mAh. Darüber hinaus gibt es die Bauformen 26700 mit einer Kapazität von 4000mAh, die Bauform 32700 mit einer Kapazität von 6500mAh und neuerdings auch 20Ah Zellen. Verbindet man 4 Zellen in Reihe entsteht ein 12V Akku. Es gibt dazu passende Akku-Boxen mit Balancer Modul als Bausatz, siehe Abbildung 3.

Das Solarmodul liefert eine Betriebsspannung von 18,8V (im Leerlauf sind es 22,5V). Wenn wir 4 Lithium-Ionen-Akkus in Reihen schalten, benötigen wir eine Ladespannung von 4 x 4.1V = 16. 4V. Mit Hilfe eines Stepp-Down Wandlers lassen sich aus den 18,6V nahezu verlustfrei die 14.4V erzeugen.

Lithium-Ionen-Akkus, die in Reihe geladen werden, benötigen einen Balancer, damit es nicht zur Über- bzw. Unterladung einzelner Zellen kommt. Mehr dazu im Kapitel 7.

Weiterhin müssen die Akkus vor Tiefenentladung geschützt werden. Lithium-Ionen-Akkus sollten je Zelle nicht unter 2,8 Volt entladen werden. Es gibt fertige Elektronikmodule, die bei Unterschreitung einer Sollspannung den Verbraucher vom Akkublock trennen

5 Solarmodule

Bei der Auswahl des Solarmoduls sollte man immer eine Leistungsreserve mit einrechnen. Selbst wenn ein Modul mit 20W ausreichend wäre, sollte, man besser gleich zum 50W Modul greifen, zumal der Preisunterschied nicht so hoch ist.

Modulleistung	Abmessung	Preis
10W	440mm * 190mm	5,32€
20W	410mm * 340mm	23,80€
50W	545mm * 540mm	40,63€
110W	1050mm * 540mm	64,69€

Die Module gibt es wahlweise mit festen ALU-Rahmen (und Glasabdeckung) und flexiblen PVC-Träger. Die Module mit ALU-Rahmen habe ein höheres Gewicht lassen sich dafür aber besser befestigen.

6 Laderegler

Handelsübliche 50W oder 100W Solarmodule haben eine Leerlaufspannung von 22,5V. Bei Normalbelastung geht die Spannung auf 18,6 Volt zurück. Wir betrachten jetzt eine Reihenschaltung aus 4 Lithium-Ionen-Akkus. Als Ladeschlussspannung rechnen wir mit 4,1V je Zelle. Der Laderegler muss damit eine Spannung von 4 x 4.1V = 16.4V aufbringen. Der Ladestrom sollte auf 1A begrenzt werden. Es gibt fertige Step-Down Spannungs-wandler mit einstellbarer Strombegrenzung. Für unsere Zwecke genügen Step-Down Wandler mit einem Maximalstrom von 3A. Wer größerer Verbrauer hat z.B. Server, Wasserpumpe oder Kühlbox kann auf Modelle mit 5A oder 10A zurückgreifen. Wer sich für die Funktionsweise und Dimensionierung der Step-Down Wandler interessiert dem sei die Internetseite http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps/smps.html empfohlen. Im Falle größerer Verbraucher müssen entsprechend größere Akkukapazitäten gewählt werden, z.B. LiFePo Zellen der Bauform 32700 mit einer Kapazität von 6500mAh. Bei Ali Express gibt es preiswert Step-Down Wandler Module unter der Bezeichnung XL4015 oder XL4016.

7 Balancer

Im oben genannten Beispiel wurden 4 Lithium Akkus zu einem 12V Block in Reihe geschaltet. Der Ladezustand der Zellen ist nie exakt gleich groß und damit variiert auch ihr Innenwiderstand. Damit die Aufladung aller Zellen gleichmäßig erfolgt, muss zwischen den Zellen ein Ladungsausgleich stattfinden. Dafür sorgt eine sogenannte Balancer Schaltung. Abbildung 6 zeigt die Verschaltung von 4 Zellen. Die Bezeichnung 4-S besagt, dass der Balancer für 4 Zellen vorgesehen ist.

Die Balancer Module gibt es in verschieden Ausfertigungen und Leistungsklassen. Für die 18650 Zellen genügen kleine Modelle mit 2A Ladestrom. Werden größere Akkus Packs zusammengeschaltet, gibt es aktive Balancer Module mit Kühlung und Kurzschlussschutz. Weiterhin sollte beim Kauf zwischen Li-Ion oder LiFePo Zellen unterschieden werden.

8 Tiefenentladeschutz

Auf der Verbraucherseite benötigen wir einen Tiefenentladeschutz, da Lithium-Ionen-Akkus und LiFePo Zellen auf keinen Fall unter 2.8V bzw. 2.2V entladen werden dürfen. Für den Tiefentladeschutz können wir auf fertige Module zurückgreifen. Die Überwachung der Sollspandung des Akkublocks ist dabei einstellbar. Für en 4 x Li-Ion Akkublöcke wären es 4 x 2,8 Volt = 11,2V. Sobald diese Sollspannung unterschritten wird, trennt ein Relais die Verbraucher vom Akkublock und schützt diese vor einer weiteren Entladung. Bei der Reihenschaltung von 4 LiFePo Zellen dürfen wir bis auf 4 x 2.2V = 8.8V runter gehen.

9 Stepp-Down Wandler für verschiedene Verbraucher

Je nach Verbraucher werden unterschiedliche Versorgungsspannungen benötigt. Typische Werte sind 12V, 5V oder 3,3V. Es gibt Step-Down Wandler die auf diese Spannungswerte fest eingestellt sind oder frei einstellbare Regler. Benötigt man die Versorgung von USB-Geräten greift man am besten auf Wandler zurück die bereits eine USB Buchse als Ausgang besitzen.

Die Step-Down Wandler gibt es in unterschiedlichen Leistungsklassen mit und ohne Kühlkörper. Die hier gezeigten Modelle liefern bis 2A bei 5V bzw. 12V und sind damit ausreichend für übliche Mikrokontroller.

10 Parallelschaltung

In den zurückliegenden Kapiteln haben wir die Reihenschaltung von 4 Zellen betrachtet. Alternativ können LiFePo und Li-Ionen Zellen aber auch parallelgeschaltet werden. Diese Technik trifft man z.B. in Powerbanks für Handys an. Bei der Parallelschaltung entfällt der Balancer, da sich die Zellen automatisch gegenseitig ausbalancieren. Benötig wird aber ein Laderegler der bei 4.1Volt (Li-Ion) bzw. 3.65V (LiFePo) die Ladung beendet, um die Zellen vor Überladung zu schützen. Im unteren Spannungsbereich (2.8V bzw. 2.2V) wird ein Tiefenendladeschutz benötigt. Mit Hilfe von Step-Up Wandlern lassen sich aus den 3.7V (3.2V) verlustfrei höhere Spannungen z.B. 5V oder 12V erzeugen.

11 Mehr Leistung

In einigen Fällen benötig man Leistungen im Bereich > 20W. In diesem Fall ist es besser auf einen fertigen Solarregler, einem 12V oder 24V LiFePo Akku zurückzugreifen. Als PV-Paneele kommen dann 200W oder 300W Module zum Einsatz, ähnlich wie bei einem Balkonkraftwerk. Im folgenden Bild ist ein Ladereger der Marke EPEVER gezeigt, der den Akku exakt bis zur Ladeschlussspannung auflädt und auch vor Tiefenentladung schützt.

12 YouTube Kanäle für Solarstromversorgung und Akkus

Auf YouTube geben Nutzer ihre Erfahrungen mit Solarstromanlagen, Balancer Modulen und Lithium-Ionen / Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus weiter. Dort werden etliche Zubehörteile, Messgeräte und Werkzeuge vorgestellt, die beim Aufbau von Solaranlagen nützlich sind. Zwei ausgezeichnete Kanäle seien hier empfohlen:

13 Komponenten bei Ali Express

Ali Express bietet eine große Auswahl an Komponenten für den Aufbau mobiler Solarstromversorgungen an. Die folgenden Bilder geben nur eine kleine Auswahl.

13 Montagehinweise

Für die Montage und Verschaltung aller Komponenten bieten sich wetterfeste Plastikboxen (IP67) an, wie sie auch bei der Elektroinstallation verwendet werden. Gelochtes Stahlblech und Hutschienen dienen zur Befestigung der Komponenten. Die Verdrahtung wird mittels Schaltlitze und DIN-Rail Klemmen vorgenommen. Diese Art Montage ermöglicht später eine flexible Erweiterung bzw. den Austausch von Komponenten.

Beispiel Dimensionierung Solarstrom für W-LAN Repeater

Abschließend sei ein Beispiel betrachtet, bei dem ein W-LAN Repeater mit 12V über Solarstrom versorgt werden soll. Der Repeater soll 24h x 7 Tage je Woche permanent in Betrieb sein. Seine Stromaufnahm beträgt 0.5A.

Wir beginnen mit der Dimensionierung der Akkus. Für den (Herbst/Winter) muss man mit 18h Nachtzeit rechnen, d.h. in dieser Zeit müssen die Akkus allein die Versorgung realisieren:

Handelsübliche 3.2 V LiFePo Zellen der Bauform 32700 haben eine Kapazität von 6000mAh = 6Ah. Wenn wir 4 Stück in Reihe schalten ergibt sich eine Spannung von 12,8V und einer Kapazität von:

Die 4 LiFePo Zellen reichen nicht für ein lange Winternacht und wir müssen mit 8 Zellen arbeiten (je 2 parallel und dann 4 x in Reihe):

Damit haben wir ausreichend Kapazität für die kurzen Taglängen. Tagsüber müssen die Solarpaneele zwei Aufgaben erfüllen:

Beim Aufladen der Akkus müssen wir einen Zuschlag von 20% einrechnen, da der Ladevorgang mit Verlusten behaftet ist:

Da wir in Nordeuropa nur mit 50% des Ertrages im Durchschnitt rechnen können wird ein 50W Solarmodul zum Einsatz kommen. Wer ausreichend Platz hat sollte besser ein 100W Modul einplanen. Als Akkubausatz kann bei Ali Express die folgende Variante von Fa. Turmera genutzt werden:

Mobile Stromversorgung mit Solar Unterstützung

1 Mobile Stromversorgung wofür?