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Strom aus der Sonne


Camping, Cars & Caravans - epaper ⋅ Ausgabe 10/2021 vom 16.09.2021

Batterietechnik Teil 5

Artikelbild für den Artikel "Strom aus der Sonne" aus der Ausgabe 10/2021 von Camping, Cars & Caravans. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Wie zu Hause, führt auch beim Caravaning eigentlich kein Weg an der Sonnenenergie vorbei. Etwas sperrig, aber bewährt und umweltfreundlich ist sie die beste Art Energie zu erzeugen, wenn die Sonne scheint. Es gibt zwei Arten von Solarmodulen: zur Erwärmung von Wasser und zur Erzeugung von Strom. Erstere sind fürs Camping eher ungeeignet, da bleischwer. Bei der Photovoltaik-Technologie unterscheidet man dann zwei Modularten: die monokristallinen und die polykristallinen. Polykristalline Module haben einen geringeren Wirkungsgrad als monokristalline, sind jedoch deutlich preiswerter. Deswegen sind es die am häufigsten installierten PV-Module im Haushaltsbereich. Charakteristisch ist die bläuliche Kristallstruktur, welche die polykristallinen Solarmodule der Photovoltaik-Anlage bei Sonneneinstrahlung stark reflektieren lässt.

Monokristalline Solarzellen wurden für die Raumfahrt ...

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... entwickelt. Später wurden sie auch für erdgebundene Photovoltaik- Anlagen genutzt und sind für ihren hohen Wirkungsgrad bekannt. Monokristalline Module sind teurer als polykristalline Varianten, dafür weisen diese Solarzellen weitaus höhere Wirkungsgrade auf, was beim Camping von Vorteil ist.

Ein weiterer wichtiger Unterschied ist die Stärke. Dünnschichtmodule sind aufgrund ihrer extrem geringen Dicke leicht und preisgünstig herzustellen. Dies stellt den größten Vorteil der Dünnschichtmodule dar: Durch ihre Flexibilität und ihr geringes Gewicht lassen sich diese Solarzellen sehr vielseitig verwenden, von Taschenrechnern bis hin zu Anlagen auf dem Caravandach. Dünnschichtmodule haben allerdings einen geringeren Wirkungsgrad als andere Solarzellen und benötigen deshalb mehr Fläche.

SO FUNKTIONIEREN SOLARZELLEN

Solarzellen bestehen meist aus Silizium – einem Halbleiter. Diese werden unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig. Zur Herstellung einer Solarzelle werden zwei unterschiedlich „dotierte“ Halbleiter-schichten genutzt. Eine Schicht hat einen positiven Ladungsträgerüberschuss, die andere einen negativen Ladungsträgerüberschuss. An der Grenzschicht entsteht ein sogenannter pn-Übergang. An diesem baut sich ein inneres elektrisches Feld auf.

MONOKRISTALLINE UND POLYKRISTALLINE MODULE

Bei Lichteinfall werden Ladungsträger freigesetzt. Durch das elektrische Feld kommt es zur Ladungstrennung. Mit Hilfe von Metallkontakten kann hier eine elektrische Spannung abgegriffen werden. Sobald sich der äußere Kreis schließt, indem ein elektrischer Verbraucher angeschlossen wird, fließt ein Gleichstrom.

EIGENSCHAFTEN DER SOLARZELLE

Bei Solarzellen, welche Silizium als Halbleitermaterial verwenden, beträgt die erzeugte Spannung je nach Betriebstemperatur zwischen 0,5 und 0,7 Volt. Bei Zellen von 156 x 156 mm kann so unter Bestrahlung von 1.000 W/m² eine maximale Stromstärke von 5,5 A erreicht werden. Die Leistung bei Silizium-Solarzellen ist temperaturabhängig, denn sie haben einen negativen Temperaturkoeffizienten. Also sinkt mit steigender Temperatur der Wirkungsgrad, was auf dem Caravandach schnell passieren kann.

DIE SILIZIUM-ZELLTYPEN

Wie bereits gesagt, unterscheidet man zwischen polykristallinen und monokristallinen Zellen. Für erstere wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen. Anschließend werden die Siliziumblöcke in dünne Scheiben (Wafer) gesägt. Bei der Erstarrung bilden sich aber unterschiedlich große Kristallstrukturen. An deren Grenzen treten Defekte auf. Aufgrund dieser Kristalldefekte haben polykristalline Solarzellen einen geringeren Wirkungsgrad. Bei der Herstellung monokristalliner Siliziumzellen werden aus einer Siliziumschmelze einkristalline Stäbe gezogen, welche anschließend in Wafer gesägt werden. Bei diesem Herstellungsverfahren werden die höchsten Wirkungsgrade erreicht. Um Material und damit Kosten zu sparen, werden die Wafer so dünn wie möglich gesägt. Sie sind in der Regel nur noch 0,18 mm (180 µm) dick, also kaum dicker als ein menschliches Haar (50 bis 100 µm).

Es gibt auch amorphes Silizium. Dieses entsteht, wenn Silizium aus der Gasphase auf ein Trägermaterial abgeschieden wird. Hierbei entstehen extrem dünne Schichten, welche auch einen entsprechend niedrigen Wirkungsgrad haben und daher im Kleinleistungsbereich genutzt werden.

VON DER ZELLE ZUM MODUL

Da Silizium-Solarzellen einzeln nur eine Spannung von maximal 0,7 Volt erreichen, wird eine große Anzahl elektrisch in Reihe verschaltet und zu einem Modul vereinigt. Handelsübliche Module mit 72 Zellen liefern dann eine maximale Spannung von 46 Volt und einen maximalen Strom von 5,2 A. Bei 36 Volt und 4,5 A, also am Arbeitspunkt, erreichen diese Module eine Spitzenleistung (Peak-Leistung) von 165 Watt-peak (Wp). Um bei überschatteten Zellen einem Lawinendurchbruch vorzubeugen, müssen parallel zu den Zellen Bypass-Dioden vorgesehen werden. Diese überbrücken abgeschattete Zellen. Die Zellen werden in Kunststoff eingebet- tet und frontseitig mit Glas abgedeckt. Auf der Rückseite wird meist witterungsfeste Kunststoffverbundfolie genutzt. Auf der Rückseite werden die elektrischen Leiterbahnen zusammengeführt.

HART ODER FLEXIBEL

Der Rand der starren Module ist mit einem Aluminiumrahmen geschützt. Er sorgt für eine hohe Stabilität. Die Module werden dann mit Montagehalterung verschraubt und auf dem Caravandach befestigt. Dabei gilt zu beachten, dass genug Abstand zum Dach verbleibt, damit sich keine Stauwärme bildet. Bei starker Sonneneinstrahlung kann dies zu übermäßiger Erwärmung und damit einem Leistungseinbruch führen.

BERGER SOLAR SET

Spoiler sind Bestandteil bei diesem Set und so entfällt lästiges Schrauben zur Befestigung des Rahmens, weil es geklebt werden kann. Das monokristalline Solarmodul bietet eine kompakte Bauform und will auch bei ungünstigen Wetterverhältnissen für optimale Ladeleistung sorgen. Im Lieferumfang enthalten ist alles, was benötigt wird, um gleich loszulegen: Solarmodul, Kabelsatz, Laderegler, Kabeldurchführung. Das Solarset gibt es in den Ausführungen 100, 160 und 200 Watt zu Preisen von 359, 439 bzw. 499 Euro.

SCHINDELTECHNIK

Die neuen LightAir Solarpanels von GreenAkku sind glasfrei in Schindelform überlappend gefertigt. Dadurch können auf gleicher Fläche deutlich mehr Solarzellen untergebracht werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Solarmoduls erhöht. Sie sollen die gleiche Stabilität haben, wie ein gerahmtes Glasmodul, bei wesentlich geringerem Gewicht. Die Solarzellen sind durch eine solide ETFE-Beschichtung geschützt. Es gibt sie in Nennleistung von 60 bis 160 Wp. Die LightAir Solarpanels können mit herkömmlichen Montagesets für gerahmte Module befestigt werden und haben so einen höheren Wirkungsgrad. Die leichten Panels sind ab 119 Euro zu haben. www.greenakku.de/lightair

KLEBEN ODER SCHRAUBEN

Das alles sorgt natürlich für viel Gewicht, was nicht jeder Caravaner bedingungslos auf sein Dach kleben möchte oder kann. Die Alternative ist ein flexibles Modul. Das besteht aus Kunststoff und wiegt bei 140 Watt um drei Kilogramm – ein starres oft das dreifache. Bei den flexiblen Solarmodulen gab es am Anfang viele Qualitätsprobleme, da die Kunststoffe nicht UV-beständig waren und schnell brachen, was zu Leistungsminderungen führte. Das hat sich geändert.

Flexible Solarmodule werden auf das Fahrzeugdach aufgeklebt und sind danach nicht mehr zu entfernen. Sollte ein flexibles Solarmodul mal beschädigt sein, was durch Äste geschieht, muss das alte Solarmodul einfach überklebt werden. Die flexiblen Module haben eine schlechtere Wärmeabführung, übertragen die Wärme aufs Dach und liefern an heißen Tagen weniger Leistung als mit Abstand montierte Module.

Sofern die flexiblen Solarmodule auf einer stabilen Oberfläche aufgeklebt sind, können sie sogar mit weichen Schuhen oder barfuß begangen werden. Wird der Kunststoff aber beschädigt, kann Wasser eindringen und es kommt zu Verlusten. Diese sind jedoch geringer als bei gebrochenen starren Solarmodulen. Auch starre Module werden heutzutage verklebt. Verschrauben ist aber nur dann nicht notwendig, wenn eine saubere Verklebung möglich ist, wie der Einbau rechts zeigt.

FEST ODER MOBIL

Es gibt aber nicht nur Solaranlagen, die fest aufs Dach kommen. Mobile Solaranlagen und Solarkoffer sind eine echte Alternative geworden. Bei fest installierten Solaranlagen braucht man sich zwar um nichts mehr zu kümmern. Der große Nachteil ist aber, dass ein Solarmodul nun mal nur die maximale Leistung erbringen kann, wenn es im perfekten Winkel zur Sonne steht. Das ist bei fest installierten Solarpanels nur zur Mittagszeit gegeben und genau hier kommen die mobilen Solaranlagen ins Spiel.

GEBOGEN AUFS DACH

Das Büttner Flat light kann direkt aufs Caravandach geklebt werden. Der Biegeradius von 3 cm in Längsrichtung ermöglicht die Montage im Bugbereich. Die Solarzellen sind auf einer hochfesten Trägerplatte aufgebracht und an der Oberfläche durch eine selbstreinigende und hochtransparente Deckschicht vor extremen Witterungseinflüssen geschützt. Ein witterungsbeständiges Anschlusskabel ist am Solarmodul angebracht und kann mit der beiliegenden Dachdurchführung an geeigneter Stelle in den Innenraum geführt werden. Es sind Module in den Varianten 110, 140, 220 und 280 Wp erhältlich. Der Einstiegspreis für das 110-Wp-Komplettset liegt bei 949 Euro. www.buettner.de

Bei richtiger Platzierung deutlich höhere Leistungsausbeute als bei fest installierten Solarmodulen. Der Caravan steht im Schatten, die Solaranlage in der Sonne. Es ist keine Dachdurchführung und somit kein Loch im Dach nötig. Wenn der Wohnwagen getauscht wird, kann das Modul ins neue Fahrzeug wechseln. Nun lässt aber niemand gerne teure Technik neben seinem Caravan alleine stehen, wenn er selbst zum Wandern oder in die Stadt geht. Auch Wind kann ein Problem werden, da die Solarkoffer dann ohne zusätzliche Bodenverankerung nicht mehr sicher stehen können.

TASCHE ODER KOFFER

Während Solartaschen meist aus einem Dreier-Panel-Set bestehen und somit sehr leicht und kompakt sind, ist ein Solarkoffer ein Monokristall-Panel, das in der Mitte mittels Scharnier gefaltet werden kann. Durch den Rahmen und die Glasplatte sind Solarkoffer schwerer und größer als mobile flexible Solaranlagen. Nicht nur die Größe und das Gewicht unterscheidet Solartaschen von Solarkoffern, auch die Empfindlichkeit bei Stürzen. Gerade bei geringem Wind zeigt sich das höhere Gewicht des Solarkoffers dann aber doch als Vorteil, da er etwas standhafter ist.

EINBAU EINER SOLARANLAGE

WAS MAN NOCH SO BRAUCHT: LADEREGLER UND WECHSELRICHTER

CARBEST MPPT-SOLARLADEREGLER

Bluetooth-fähiger MPPT-Laderegler mit Datenanzeige per App. Der Batterietyp ist einstellbar (Gel, Blei-Säure, AGM, LiFePO4) und es gibt zwei Batterieausgänge. Die maximale Eingangsspannung beträgt 50 Volt. Der Preis: 70 Euro. www.reimo.de

SCHAUDT MPP-SOLARREGLER LRM 1218

Der MPP-Solarregler LRM 1218 von Schaudt ist ein getakteter Wandler, der dafür sorgt, dass die angeschlossenen Solarmodule unabhängig von Sonneneinstrahlung, Batteriespannung und Modultemperatur immer optimal betrieben werden, während sich die Batterie in der Hauptladephase befindet. Ladespannungen werden mittels optionalem Temperaturfühler und den Einstellmöglichkeiten perfekt an die Wohnraumbatterie angepasst. Der LRM 1218 ist SDTBUS-fähig. Lieferung inkl.

Anschlussmaterial und Temperaturfühler.

Preis: 199 Euro. www.schaudt.gmbh

VICTRON MPPT 75/15

Der Victron MPPT 75/15 ist ein smarter Solarregler mit einer Erkennung bei Teilverschattung und erreicht daher einen hervorragenden Wirkungsgrad. Die Batteriespannungserkennung erfolgt automatisch. Die eingebaute Bluetooth-Funktion ermöglicht drahtloses Setup, Überwachen und Aktualisieren des Reglers. Preis: 148 Euro. www.greenakku.de

BÜTTNER WECHSELRICH TER

Die PowerLine Wechselrichter von Büttner liefern reinen Sinusstrom. Im jeweiligen Leistungsfenster lassen sich somit auch empfindliche Verbraucher ohne Einschrän- kungen betreiben. Sämtliche Sicherheits- und Überwachungsfunktionen sind integriert und sorgen wie die temperaturgesteuerten Lüfter für einen störungsfreien Betrieb. Die 300-Watt-Version steigt mit einem Preis von 249 Euro ein. www.buettner-elektronik.de

SOLARGENERATOR VON REVOLT

Aufklappen, aufstellen, anschließen – die drei A versorgen Camper überall mit Sonnenenergie. Dank eingebautem Laderegler verbindet man den Stromerzeuger direkt mit der Batterie. Ist diese angeschlossen, können über den integrierten USB-Ladeport Smartphones, Tablets oder Digitalkameras schnell mit Energie versorgt werden. Die monokristallinen Solar-Module besitzen einen hohen Wirkungsgrad und sitzen in einem festen Rahmen mit Klappscharnier. Die Maße betragen gefaltet 67 x 76 x 3,5 cm, geöffnet 134 x 76 x 8 cm. Er wiegt 13,4 kg und liefert 160 Watt bei einem Nennstrom von maximal 9,19 Ampere. Preis: 400 Euro. www.pearl.de

WARUM EIN LADEREGLER?

Ein Solarmodul wandelt Sonnenlicht in Gleichstrom um. Somit könnte man den Strom aus dem Solarmodul direkt in die Batterie einspeisen, die den Strom ja ebenfalls als Gleichstrom speichert und dann die Verbraucher bedient. Die Spannung der Solarmodule liegt jedoch über der Spannung einer vollgeladenen Batterie und kann somit eine Batterie bei Direktladung schädigen. Weiterhin kann die Tiefentladung der Batterie durch zu anspruchsvolle Nutzung der Verbraucher die Lebensdauer einer Batterie erheblich senken. Der Laderegler hat auch die Funktion, die Batterie vor Tief- und Überladung sowie vor einem Kurzschluss zu schützen. Er verlängert die Lebensdauer der Batterien erheblich und sollte grundsätzlich bei autarken Solarsystemen verwendet werden.

Es gibt unterschiedliche Arten von Regler. Der Serienregler unterbricht den Modulstrom mit Hilfe eines Relais oder Stromleiters und schaltet ihn bei einem definierten Spannungsabfall wieder ein, sobald die Lade-Endspannung erreicht ist. Sind die Batterien vollgeladen, verhindert der Serienregler so einen weiteren Stromfluss in die Batterien. Der MPPT Solarladeregler ermöglicht den Betrieb von Solarmodulen bei optimaler Ausgangsspannung. Der Strom wird über die Batteriespannung reguliert, daher lässt das System hohe Eingangsspannungen der Solaranlage zu.

FÜR ALLES

Wer nun dem Ganzen die Krone aufsetzen will, wandelt den Batteriestrom wieder in Wechselstrom um. Dazu gibt es Wechselrichter oder Inverter. Diese sollten reinen Sinusstrom liefern. Aber warum aus 12 Volt 230 Volt machen? Ganz einfach. Heute arbeiten viele elektronischen Geräte mit Netzgeräten zwischen 5 und 36 Volt. 5 Volt regelt die USB-Steckdose im Caravan, falls vorhanden, 12 Volt das Bordnetz. Aber alle anderen Stärken spannen Netzgeräte um. Und diese Netzgeräte arbeiten mit 230 Volt. Also ist erst runter und dann wieder rauf gar nicht so schlecht.