Solar Inselanlage

Durch einen glücklichen Zufall erhielt ich 95 gebrauchte Solarzellen aus Restbeständen. Die Zellen befanden sich in einem guten Zustand, abgesehen von einigen Kleberresten / Lotresten an den Lötpunkten. Jedes Solarpad besitzt eine wirksame Fläche von 67x160mm (Außenmaße 72x175mm).  Jedes Pad hat eine Leerlaufspannung von 2,3V und liefert einen Kurzschlussstrom von knapp 380mA bei optimaler Sonneneinstrahlung.

einzelne Solarzelle
Wiederum für einen anderen Bekannten sollte ich eine kleine Solar-Inselanlage für sein Gartenhaus planen und aufbauen, da diese Gartenanlage über keine Stromversorgung verfügt. Wünschenswert wäre dort die Beleuchtung des Häuschens sowie der Betrieb eines Radios. Da diese Lasten nicht täglich, sondern eher 1-2 mal die Woche benötigt werden, kann die Dimensionierung des Solarmoduls etwas kleiner ausfallen. Der Akku kann sich während der Tage an denen niemand im Garten ist wieder voll aufladen.

Aufbau Solarmodul:

Da jedes Solarpad in eine Art Silikon-Matte eingegossen war welche an jeder Kante mindestens 5mm mehr Platz als die eigentliche Solarzelle bedurfte, wurden die Solarpads ein wenig zurechtgeschnitten. Um sicherzugehen, dass die Solarzellen nicht beschädigt werden, wurden trotzdem noch 1-2mm Silikon an den Rändern stehen gelassen (Endmaße: 70mm x 170mm je Pad).

Vergleich zwischen getrimmter und normaler Zelle

Kennlinie:

Interessehalber wurde die Kennlinie eines Solarpads aufgenommen. Dies geschah an einem verregneten Sonntagmorgen unter Einstrahlung einer 40W Glühbirne statt. Dabei wurde die Solarzelle mit einem 470 Ohm Potentiometer belastet und Strom sowie Spannung unter verschiedenen Belastungen aufgenommen. Aus diesen Messwerten lassen sich sehr gut die Strom-Spannungs-Kennlinie sowie die Leistungskennlinie ermitteln. Schön zu sehen ist der MPP (Maximum Power Point) bei einer Spannung von ca. 1,75V.

Kennlinie bei 40W Beleuchtung
Daraus ergibt sich eine Reihenschaltung von 7 Solarpads um bei 12,25V Panelspannung den maximalen Strom liefern zu können. Da sich noch eine Reverse-Diode in Reihe zu dem Panel befindet, und das Panel auch bei bewölktem Himmel den Akku etwas Laden soll, werden zur Sicherheit je 8 Solapads in Reihe geschalten. Damit ergibt sich eine Leerlaufspannung von 17,6V (17,2V abzüglich Diodenspannung).

An einem sehr sonnigen Samstagmittag wurde die Messung wiederholt. Der Unterschied bezüglich der Leistung von der Sonne zu einer 40W Glühbirne ist extrem deutlich. So kann ein einziges Solarpad einen Strom von bis zu 380mA liefern (Vergleich Kennlinie).

Kennlinie bei voller Sonneneinstrahlung

Die Leerlaufspannung bei voller Beleuchtung ist nahezu gleich der Leerlaufspannung bei geringerer Beleuchtung. Der Unterschied zeigt sich vor allem im erzeugten Stromfluss. Hier wird auch deutlich, dass eine Solarzelle in erster Linie eine Stromquelle ist. So steigt der Strom bei höherer Belastung kaum weiter an, jedoch sinkt die Spannung ab. Der MPP liegt in etwa an der gleichen Stelle wie bei dem Versuch unter der 40W Glühbirne (bei 1,7V). Also werden je 8 Solarpads in Reihe und das vier Mal Parallel geschalten. So könnte das Solarmodul unter idealen Bedingungen eine Spannung von 8*1,7V = 13,6V und einen Strom von 4*300mA = 1,2A liefern. Das ergibt eine Leistung von 13,6V*1,2A = 16,32W.

Ausrichtung des Panels:

Da zum Entwicklungszeitpunkt der Anlage noch unklar ist, wo genau das Solarpanel installiert werden soll (ob auf Dach oder freistehend o.ä.), wurde das Modul so konzipiert, dass es der Sonne nachlaufen könnte. Zumindest der horizontale Stellwinkel (Azimut) soll angepasst werden können, damit eine größtmöglicher Ertrag erzielt werden kann. Da der optimale vertikale Winkel (Altitude) für Solaranlagen auf Dächern unseres Breitengrades zwischen 30° und 35° liegt (Quelle: Link), wird dieser Winkel fest für die vertikale Ausrichtung eingestellt.

Update: Augrund der sehr geringen Leistung lohnt sich die Nachführung natürlich nicht. Daher wurde das Panel "as it is" auf ein Holzvordach geschraubt...

Einstrahlungsscheibe SonnenstrahlungQuelle: http://www.salwa.de/photovoltaik/photovoltaik8.htm
Hellgrün eingezeichnet: optimale Winkelkorrekturlinie
Türkis gezeichnet: fester vertikaler Winkel (hier 37°)

Inselanlage:

Prinzipiell soll keine große Last an der Anlage hängen. Da es sich um ein Gartenhäuschen handelt, soll vielmehr nur ein Halogenstrahler zur Außenbeleuchtung, eine Lichtquelle im Häuschen für die Dämmerung sowie eine kleine Musikanlage angeschlossen werden um während der Gartenarbeit etwas Unterhaltung zu finden. Des Weiteren sind nebst Laderegelung für den Akku auch zwei Schaltausgänge vom Controller vorgesehen, die z.B. in Abhängigkeit eines Analogeingangs geschalten werden können (optional für Bewegungsmelder, Tageslichterkennung etc.).

Inselanlage Schema
Das Prinzipschaltbild lässt erkennen, dass die Anlage universell Einsetzbar ist. Das Solarpanel Marke Eigenbau liefert unter günstigsten Bedingungen knapp 18V Leerlaufspannung. Der Ladestrom wird durch den Innenwiderstand des Akkus sowie des Solarpanels begrenzt.

Solar-Laderegler:

Der Mikrocontroller regelt im Prinzip die Akkuspannung. Wenn der Akkumulator voll geladen ist, wird das Solarpanel kurzgeschlossen. Das ist völlig ungefährlich für die Solarzellen, da der Kurzschlussstrom nur unwesentlich mehr als der Laststrom beträgt, aber die Spannung sehr niedrig ist-> sehr geringe Leistung die in Wärme im Panel umgesetzt wird. Wichtig bei der Beschaltung ist vor allem die Diode zwischen Solarpanel und Ladereglung des Akkus, damit der Akku keinen Strom in das Solarpanel treiben kann und auch nicht mit kurzgeschlossen wird. Um die Schaltung gegen Spannungsspitzen >30V (z.B. Elektrostatische Aufladung des Panels, Spitzen beim Anschluss etc.) zu schützen ist ein Varistor parallel zum Solarpanel geschalten. Weiterhin wichtig ist die Freilaufdiode D2, welche präventiv zum unterdrücken negativer Spannungsspitzen vorgesehen ist. Dies ist vor allem dann notwendig, wenn z.B. Motoren, Relais als induktive Last oder der vorgesehene Halogenscheinwerfer mittels PWM gedimmt angeschlossen werden. Um den Bleigelakku vor zu hohen Lastströmen zu sichern ist eine 10A Träge Sicherung zwischen Laderegler und Akku installiert. Welche Funktionen die LEDs haben wird im Abschnitt "Software" erläutert.
Als Controller eignete sich der ATtiny24 vor allem wegen seiner Vielzahl von Analogen Eingängen, sowie einem integrierten Temperatursensor. Dieser überwacht damit gleichzeitig die Temperatur in dem Gartenhäuschen, welche schon mal Gut und Gern über 45°C im Hochsommer erreicht.

Schaltplan Laderegler

Die Schaltung bzw. der Controller regelt den Ladezyklus des Akkus in Abhängigkeit der Spannung. Außerdem ist ein Tiefentladeschutz integriert. Falls der Akku während des Betriebes zu tief entladen wird, schalten die antiseriellen P-Kanal Mosfet ab und die Rote LED (D6) beginnt als Meldeleuchte zu leuchten. Die Antiparallelschaltung ist nötig, da ansonsten die interne Body-Diode bei nur einem Mosfet bei Tiefentladung öffnen und den Akku somit noch weiter entladen würde. Natürlich besteht folgendes Problem: Wenn der Akku abgeschalten wird, steigt die Leerlaufspannung vom Solarpanel. Dies hat zur Folge, dass das Panel vom µC kurzgeschlossen wird und damit der Controller ausgeht. Dadurch wird das Solarpanel wieder freigegeben und der µC startet neu, schaltet den Akku zu und dieser wird dadurch geladen. Wird der Akku nun wieder belastet und die Spannung sinkt unter die Mindestgrenze von 11V schalten die Mosfets den Akku ab. So kann es zum "Flattern" der Mosfets kommen. Dem Nutzer wird dies jedoch schnell bewusst, da die Last nicht voll funktionsfähig sein wird. Sobald die Sonne wieder scheint und keine Last angeschlossen ist wird der Akku wieder geladen.

Platine Bestückungsseite

Da es bei Reichelt auch noch andere P-Kanal Mosfets gibt, aber ich den IRF7240 noch vorrätig hatte, können hier auch andere eingesetzt werden. Damit umgeht man diesen SMD/THT Mix. Außerdem besitzen diese Mosfets einen sehr geringen RDS(on) für einen P-Kanal Transistor. Somit ergibt sich in Summe nur ein Widertsand von weniger 30mΩ in Serie zum Akku. Das ergibt bei höster Belastung (10A) trotzdem noch in Summe 3W Verlustleistung über die beiden Mosfets. Dieser Belastungsfall tritt jedoch nur sehr selten als Leistungsspitzen auf.

Platine Lötseite

Die Mosfets habe ich im Nachhinein in das Layout integriert. Die erste Idee mit Relais ist bei diesen geringen Leistungen (es scheint ja nicht immer die Sonne) nicht sehr effizient.

Platine in ein Gehäuse integriert

Damit die Schaltung auch allen Wetter-Bedingungen ausgesetzt werden kann, wird die Leiterplatte in ein kleines Gehäuse gesetzt.

Software:

Das Programm auf dem kleinen Controller ist kein Hexenwerk. Der Programmablaufplan sollte alle Fragen klären. In meiner Verwendung nutze ich die beiden Eingänge für den Lichtschalter und den anderen für die 12V-Teichpumpe. Der Controller fragt diese Eingänge einfach durch polling ab und schaltet dann den dazugehörigen Ausgang durch. Der Akku wird sowohl vor Tiefentladung als auch vor Überladung geschützt.

Programmablaufplan

Den Quellcode samt AVR-Studio Projekt gibt es natürlich auch bei diesem kleinen Projekt für "umme" samt Schaltplan und Programmablaufplan. Zu finden am Ende des Artikels als Anhang.

Installation:

Solar-Controller Inbstallation

Rentabilität:

Durch den Tiefentladungsschutz mit dem Relais benötigt die Laderegelung einen relativ hohen Versorgungsstrom (ca. 20mA). Der Selbstentladestrom (eigentlich die Selbstentladekapazität) eines Bleigelakkus liegt laut Datenblatt bei unter 0,3% der Kapazität pro Monat (also hier 7,2Ah*0,3% = 21,6mAh wenn Akku voll). Damit liegt der Verbrauch der Schaltung deutlich über dem Selbstentladestrom und gilt zu optimieren (mittels Sleep-Funktion des µC, sparsameren P-Mosfet, Low-Current LEDs). Das Solarpanel liefert einen maximalen Strom von 1,2A. Ausgehend von optimistischen 8 Stunden Sonne pro Tag ergäbe das eine Ladekapazität von 9,6Ah. Abzüglich der Selbstentladung bei Nacht (sagen wir 10*21,6mAh = 216mAh) und der Versorgung der Laderegelung (24h*20mA = 480mAh) ergibt das eine grob überschlägige Ladekapazität von 9Ah, also sogar etwas mehr der Akku-Kapazität. Die fehlenden Stunden werden so angesehen, dass das Solapanel den Eigenstrombedarf der Anlage abdeckt. Das bedeutet, falls der Akku wirklich leer gesaugt sein sollte, sind weniger 8 Stunden pralle Sonne nötig, um den Akku wieder voll zu laden. Da der Akku aber nie völlig entladen wird, verkürzt sich auch die Ladezeit.
Es empfiehlt sich sogar einen größeren Akku einzusetzen (oder 2x den oben angegebenen parallel), da der Ladestrom ca. 1/10 der Akkukapazität betragen sollte. Das bedeutet in diesem Falle sollte ein Akku mit einer Kapazität von mindestens 12Ah eingesetzt werden (Ladestrom = 1,2A unter idealen Bedingungen).

Dieses Ergebnis ist bisher nur rein rechnerisch überschlagen worden. Welche Werte sich in der Praxis zeigen werden, wird hier im laufe der Zeit weiter dokumentiert...

Update August 2014:

Das Solarpanel Marke Eigenbau war vielmehr eine Machbarkeitsstudie. Für den Garten des Bekannten genügte das kleine Panel gerade mal um den Akku am Leben zu erhalten, selbst wenn nur wenige Male das Radiuo lief und das Licht eingeschaltet wurde.
Da dieses Jahr eine kleine Teichpumpe in unser Feuchtbiotop installiert wurde, soll die Insel-Solaranlage auch im eigenen Garten diese Aufgabe mit übernehmen. Die kleine Pumpe zieht einen Strom von bis zu 1,5A bei 12V. Dafür wäre ein Eigenbau-Panel wie für den Bekannten gebaut viel zu klein. Bei ebay habe ich mir daher ein 60W-Panel für kleines Geld geschossen.

neues 60W Solar Panel

Das Panel misst mit 900x500mm sogar weniger als mein Eigenbau-Panel - so viel zum Flächen-Wirkungsgrad der kleinen Solar-Pads die ich erst verwendet hatte. Das neue Panel hat ordentlich Power. Der kleine 7,2Ah Akku würde damit viel zu hoch bestromt bei ordentlichen Sonnenschein. Da ich im Frühjahr des Jahres mein geliebten Suzuki Alto in den Schrott geben musste ( was für ein Raumwunder er doch war... ), hatte ich noch eine fast neue Starter-Batterie rumstehen. Starter-Batterien sind eigentlich weniger für hohe Ladezyklen geeignet, sondern vielmehr für kurze, hohe Stromstöße. Aber nun hatte ich diesen Akku einmal da...

übrig gebliebene Autobatterie

Das 60W-Panel hat eine Leerlaufspannung von 22V und liefert einen Kurzschlussstrom von bis zu 4,03A. Der MPP läge bei dem Panel um die 17V bei 3,53A, was die 60W elektrische Leistung ergeben würde. Da der größere Akku einiges mehr an Ladestrom (und Entladestrom) ab kann, wird auch diesmal das Panel eiskalt direkt (über Diode) an den Akku gehängt, da ich die gleiche, einfache Controller-Platine ein weiteres Mal aufgebaut habe.

Solar Panel Daten

Die dem Panel maximal entnehmbare Leistung liegt damit bei ca. 55W ( 3,75A bei 14,5V). Bei leerem Akku beträgt die Leistung aus dem Panel nur knapp 45W, da der Innenwiderstand des Akkus die Spannung begrenzt. Irgendwie ist das natürlich auch ein wenig ärgerlich, im Schnitt doch nur 50W aus einem 60W-Panel zu erzielen, jedoch müsste dafür die kleine Platine zu sehr abgeändert werden. Eine neue Steuerung ist ohnehin in Planung, da immer mehr 12V-Geräte in unseren Garten landen (Radio, Licht, Gartenpumpe, Mini-Kühlschrank für 3-4 Bier etc.).

Letztes Update: 28.08.2013 - Fortsetzung folgt

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