• teak pan 1000
 

Mai 2011

Wenn man gern längere Seestrecken segelt oder wie wir eine Schwäche für einsame Ankerbuchten hat, kommt irgendwann der Wunsch nach einer alternativen Stromversorgung auf, um für das Nachladen der Bordbatterie nicht immer auf den Motor angewiesen zu sein. Im Mittelmeer, wo wir uns derzeit herumtreiben, liegt es nahe dafür Solarzellen (Photovoltaik) einzusetzen. Mit den Überlegungen, die ich dazu angestellt und wie ich sie letztlich umgesetzt habe, soll sich dieses Kapitel für meine Homepage beschäftigen.

Da wir seit Jahren einen Batteriecontroller verwenden, kennen wir unseren Bedarf an elektrischer Energie recht genau und können uns überschlägige Rechnungen, wie sie in vielen Büchern zur Bordelektrik empfohlen werden, sparen. Während wir in unserer Zeit in NL mit gut 40 Ah am Tag auskamen, brauchen wir jetzt im Mittelmeer ca. 60-70 Ah. Dies ist vor allem auf den Verbrauch der Kühlbox bei einer deutlich höheren Umgebungstemperatur zurückzuführen. Bei Nachtfahrten können es durch die Benutzung von Radar auch mehr als 80 Ah werden. Da man Batterien nur bis zu 50% entladen soll, sichert uns unser Bordakku mit nominal 286 Ah (2 mal 143 Ah parallel) eine Unabhängigkeit von externer Ladung für 1-2 Tage. Da wir doch immer mal wieder einen Hafen anlaufen oder den Motor anlassen ist eine vollständig autarke Versorgung nicht erforderlich. Die Zeit dazwischen sollte aber durch die Solarmodule deutlich gestreckt werden.

Die vier Solarmodule auf dem Bimini sind in wenigen Minuten aufgebaut. Witterungsbedingten Verschleiß (Sturm, Hagel, etc.) gibt es dadurch nicht.
 
Zur Befestigung werden die bei Sprayhoods und Perseningen bewährten Minax-Verschlüsse verwendet. Die Montage geht damit ruck zuck.
 

Die Kabel werden "fliegend" verlegt. Zur elektrischen Verbindung der Module untereinander verwende ich kaskadierbare Laborstecker, die in der Rohrtasche des Biminis verschwinden.

Auswahl und Montage des Solarmoduls
Soweit die Aufgabenstellung und der Ausgangspunkt meiner Überlegungen. Auf Grund dieser Daten ein geeignetes Modul zu finden ist gar nicht so einfach, wie es auf den ersten Blick scheint. Die in Datenblättern von Solarmodulen angegebene Leistung beziehen sich durchweg auf einen Spitzenwert, der unter standardisierten Laborbedingungen ermittelt wird. In der Praxis würde dazu die Mittelmeersonne im Hochsommer ausreichen. Geichzeitig das Modul exakt zur Sonne auszurichten, auf 25° C zu kühlen und immer im optimalen Arbeitspunkt zu belasten ist dagegen völlig unrealistisch. In Applikationshinweisen für Solarmodule auf Booten und Wohnmobilen findet man deshalb immer wieder Anhaltswerte, die für ein liegendes nicht nachgeführtes Modul von einem durchschnittlichen täglichen Ertrag vom vierfachen der Nennleistung ausgehen. Bei einem 100W-Modul darf man deshalb von einem täglichen Energieertrag von 400 Wh (Wenn man diesen Wert durch die Spannung -also etwa 13 V- teilt erhält man die Ah.) ausgehen. Nach M. Herrmann (Autark durch Energie aus Sonne und Wind, Palstek Verlag) darf man darauf für die Mittelmeerregion sogar einen Zuschlag von 50-80% vornehmen. Ganz grob gerechnet wäre demnach, um den Strombedarf der MERGER einigermaßen zu decken, ein 150 W-Modul ausreichend. Ob in dieser Kalkulation Temperatureffekte und Einflüsse des Reglers berücksichtigt sind, bleibt bei allen mir bekannten Quellen unklar. Inwieweit solche Angaben der Realität entsprechen, wird sich demnach zeigen müssen.

Nicht unwichtig für die Auswahl des Moduls ist der Montageplatz an Bord. Auf einem 10 m Boot wie meinem ist es gar nicht so einfach eine passende Stelle zu finden. Da ich aus ästhetischen Gründen keinen Geräteträger am Heck wollte blieb letztlich nur das Bimini, welches wir, seit dem wir im Mittelmeer sind, sowieso ständig aufgeklappt haben. Für die praktische Realisierung konnte ich auf eine von meinem Segelfreund Armin ausgetüftelte Lösung zurückgreifen, die sich auf seinem Boot bereits sehr bewährt hat.

Ich verwende insgesamt vier Module SM 45 L der Firma Sunset mit einer nominalen Gesamtleistung von 180 W. Bei diesem Modul ist das Trägermaterial für die PV-Zellen ein 2 mm Aluminiumblech. Ein Modul wiegt dadurch nur 2,2 kg. Bei leistungsmäßig vergleichbaren anderer Hersteller auf einem Edelstahlträger wäre es etwa das doppelte. Die Module werden direkt auf dem Stoff des Biminis mit Minax-Schnellverschlüssen befestigt. Die elektrische Verbindung an das Kabel und untereinander erfolgt ganz simpel mit kaskadierbaren Bananensteckern, die in der Rohrtasche des Biminis verschwinden. Durch diese ebenso einfache wie schnelle Montage (Danke Armin!) lassen sich die Module in wenigen Minuten auf- bzw. abbauen und unter Deck verstauen, wenn das Bimini zusammengeklappt wird.

Die Zeichnung soll die Verhältnisse an einem typischen PV-Modul verdeutlichen. Die blaue Kurve ist die sogenannte Arbeitskennlinie. Sie stellt die Abhängkeit von Strom und Spannung dar und ist durch drei wesentliche Punkte gekennzeichnet: Die max. Spannung (UL) wenn kein Strom fließt, den max. Strom (IK) im Kurzschlussfall und den Punkt (MPP) an dem das Modul die max. Leistung liefert. Für definierte Werte unter Testbedingungen findet man diese Angaben in jedem Datenblatt. In der Praxis ändert sich vor allem die Beleuchtung ständig. Damit verschiebt sich auch die Kennlinie mit dem MPP. Die in Watt gemessene Leistung (P) ist das Produkt aus Spannung (U) und Strom (I). P=U*I Damit stellt die Fläche des violett eingerahmten Rechtecks die maximal vom Modul abgebbare Leistung dar, während das Rechteck mit grünem Rahmen der Leistung entspricht, die ohne
bzw. mit einem der üblichen Parallelregler erzeugt würde. Das rot gepunktete Rechteck oben symbolisiert die Summe aus Leitungsverlusten, Temperatureffekten und Wirkungsgrad des Reglers . Das MPPT-Verfahren hat also immer dann Vorteile , wenn das hellblaue Rechteck eine größere Fläche als das gelbe aufweist. Mit anderen Worten: Der MPPT-Regler kann seine Vorteile umso mehr ausspielen je kühler die
Module sind und je weniger die Batterie geladen ist. Da die meisten intern mit einem Spannungswandler und Pulsweitenmodulation (PWM) arbeiten, laden sie darüber hinaus noch, wenn die vom PV-Modul abgegebene Spannung geringer als die der Batterie ist. Dies ist normalerweise nur bei bedecktem Himmel der Fall, weshalb diese Eigenschaft eher eine untergeordnete Rolle spielt.

Regler
Einem Akku ist es egal wie der Strom erzeugt wurde, mit dem er geladen wird. Es ist lediglich wichtig die in der Spezifikation vorgegebenen Werte einzuhalten. Bei Ladung über Photovoltaik ist dies Aufgabe des Reglers, der aus Sicht der Batterie idealerweise über eine IUoU-Kennlinie verfügen sollte. Darüber hinaus ist es natürlich wünschenswert, die von den Solarmodulen teuer erzeugt Energie möglichst verlustarm zu nutzen. Nicht alle Reglerkonzepte machen dies unter allen Bedingungen gleich gut, so dass es lohnt sich damit zu beschäftigen und nicht gleich den nächstbesten aus dem Regal des Händlers zu nehmen.

Reglerkonzepte sind eine Sache, die individuell an Bord vorhandenen Umgebungsbedingungen eine andere. Diese bestimmen letztlich die Eingangsbedingungen für den Regler und damit auch dessen optimale Konzeption. Die Problematik besteht darin, dass die Daten des Solarmoduls stark von der aktuellen Bestrahlung durch die Sonne abhängen und man mit einigen angenommenen Werten rechnen muss. Ob das Ergebnis stimmt, hängt davon ab, wie realistisch diese Annahmen sind.

Für meine Überlegungen bin ich davon ausgegangen, dass die Module im optimalen Arbeitspunkt betrieben werden aber wegen der horizontalen Montage nur etwa 50% der Leistung abgeben. Das entspricht einer Stromquelle mit 17,6 V und 5 A (88 W). Durch die Montage auf dem Stoff des Biminis werden die Module recht gut hinterlüftet und sicher nicht so warm, als wenn sie auf das Deck aufgeklebt wären. Eine weitere Annahme ist daher, dass sich eine Betriebstemperatur von 45°C einstellt. Die vom Modul abgegebene Spannung verringert sich mit 30 mV/°C auf damit 17 V (85 W). Als Verbindung zwischen Modul und Regler verwende ich ein 8 m langes 2*2,5 mm2 Kabel, welches einen Widerstand von 57 mΩ aufweist, was bei 5 A für weitere 285 mV Spannungsabfall verantwortlich ist. Am Regler stehen somit noch 16,7 V an. Die maximale Ladespannung der Bordbatterie beträgt 14,1 V was einen Spannungsabfall über dem Regler von 2,6 V entspricht, der letztlich zu einem weiteren Leistungsverlust von 13 W führen würde.

Wenn man davon ausgeht, dass die Batterie tendenziell eher weniger geladen ist, muss der Arbeitspunkt des Moduls durch einen üblichen Shuntregler noch deutlich weiter nach unten verlegt werden, was die Verluste weiter steigen lässt. Ein aufwendigerer Maximum-Power-Point-Tracking-Regler (MPPT) begrenzt dagegen die Verluste durch die Regelung auf ein Minimum. Er belastet das Solarmodul so, dass es im optimalen Arbeitspunkt betrieben wird und transformiert dessen abgegebene Leistung wie ein Schaltnetzteil mit hohem Wirkungsgrad auf die benötigte Ausgangsspannung. Solche Funktionen lassen sich nur durch einen Mikroprozessor mit entsprechender Rechenleistung realisieren. Ob sich die dadurch entstehenden Mehrkosten (in meinem Fall war der MPPT- etwa 50 € teurer als ein passender Parallelregler) lohnen, hängt im Wesentlichen davon ab, wie weit die Ausgangsspannung des Solarmoduls im Mittel von der des zu ladenden Akkus abweicht. So teuer sind MPPT-Regler inzwischen nicht mehr, so dass auf diese Art Energie zu sparen oft billiger ist, als zusätzliche Kollektorfläche zu installieren um dadurch die Verluste wieder zu kompensieren.

Nachdem ich mich durch solche Überlegungen der Problematik genähert hatte, habe ich mich mich nach Prüfung des Angebotes für einen 20 A MPPT-Regler der Firma IVT entschieden. Die zusätzlich erhältliche "Fernbedienung" ist zum Betrieb nicht unbedingt notwendig, weil es nichts zu bedienen gibt. Sie ermöglicht jedoch ständig die aktuellen Betriebsdaten mitzuloggen. Diese Daten wiederum sind Voraussetzung um annähernd objektiv die nächste Frage beantworten zu können: Was hat es gebracht?

   
Der MPPT-Regler wird wie das Ladegerät für Landstrom in der Nähe der Batterie montiert um den Spannungsabfall auf der Leitung gering zu halten.

Die Fernbedienung ist nicht zwingend notwendig. Bei mir wird sie bei Bedarf fliegend angeschlossen. Sie zeigt nicht nur die wichtigsten Daten sondern erstellt auch ein Protokoll auf einer SD-Speicherkarte.

Erste Erfahrungen
Nach diesen Vorüberlegungen war die Montage der Anlage problemlos und alles funktionierte auf Anhieb. Um einen ersten Eindruck von der Leistungsfähigkeit zu bekommen, habe ich mich gleich von der kostenlosen Stromversorgung im Hafen abgekoppelt und nur noch mit Strom aus der Bordbatterie gelebt. Obwohl das Wetter in Sardinien im April noch sehr gemischt war, waren die jeweils über Nacht entnommenen ca. 30 Ah zusätzlich zu der tagsüber benötigten Energie am Abend nur aus Sonnenenergie wieder aufgefüllt. Wenn es wegen zu starker Bewölkung mal nicht ganz gereicht hat, zeigte der Batteriecontroller spätestens am nächsten Abend wieder Voll an. Dies stimmt mich zuversichtlich, dass wir auch im Sommer bei erhöhten Temperaturen genügend Strom haben werden. Dann braucht erfahrungsgemäß die Kühlbox mehr, die höher stehende Sonne lässt aber auch eine größere Ausbeute erwarten.

Dieser Ausschnitt zeigt den Aufbau der von der Fernbedienung auf einer SD-Karte abgelegten Textatei mit geloggten Daten.

Da während des Ladens der Batterie immer auch Strom verbraucht wird, lässt sich mit einer solch überschläglichen Betrachtung natürlich nicht beurteilen welche Leistung die Module wirklich abgeben. Diese Information, -zumindest als Augenblickswert- bekommt man über die Fernbedienung , die Batterie- und Moduldaten (Spannung und Strom) anzeigen kann. An seine Grenzen stößt auch diese Möglichkeit, wenn die Batterie vollständig geladen ist. Dann macht der Regler dicht, unbahängig davon ob vom PV-Modul noch mehr geleistet werden könnte.

Der eigentliche Vorteil der Fernbedienung ist, dass sie die aktuellen Betriebsdaten alle 10 bis 15 Sekunden in ein Log-File auf einer SD-Speicherkarte schreibt. Diese Daten, die als simpler Text (SOLARLOG.TXT) vorliegen, lassen sich in alle möglichen Richtungen auswerten. So ist nicht nur eine Berechnung von erzeugter Leistung, Wirkungsgrad der Anlage, etc. denkbar sondern auch die Verteilung über den Tagesablauf. Solche Informationen können wiederum Grundlage für eine weitere Optimierung der Anlage sein.

Der Vorschlag von IVT, eine solche Auswertung über ein Tabellenkalkulationsprogramm wie Excel vorzunehmen, ist bei den anfallenden Datenmengen (ca. 3000 Zeilen/Tag) m.E. völlig unrealistisch. Da es nach Auskunft von IVT keine fertigen Programme gibt, bleibt nur selbst eines zu schreiben. Also >> Fortsetzung folgt.... ( Wenn ich dann mal Zeit habe.)

Vielleicht hat ja auch einer der Leser so etwas schon gemacht oder hat -mit mehr Übung im Programmieren als ich- Lust, das mal "eben" zu machen. Über eine Kontaktaufnahme würde ich mich in einem solchen Fall sehr freuen. Ein Datenfile zum Testen stelle ich gern zur Verfügung.

1

Nachtrag (November 2013)

Inzwischen habe ich 3 Jahre Erfahrung mit diesem Aufbau. Allen Zweiflern, die mich vor der Biminimontage warnten, kann ich mitteilen, dass sich alles bestens bewährt hat. Das System hat auch heftige Stürme mit bis zu 50 kn Wind klaglos überstanden. Auch an den Modulen gibt es nichts zu beanstanden. Da ich sie, wenn ich nicht auf dem Boot bin, abbaue, sehen sie noch immer aus wie neu.  Trotzdem gibt es etwas Wesentliches zu berichten.

Vor einigen Wochen meldete sich ein Leser bei mir und bot an, ein Auswerteprogramm für die vom Regler erzeugten Logfiles zu schreiben. Natürlich nahm ich sein Angebot sehr gern an und schon nach wenigen Tagen schickte mir Johannes eine Testversion, deren leichte Bedienbarkeit bei gleichzeitig übersichtlicher Darstellung mich äußerst positiv überraschte.

In der linken Spalte findet man die erzeugten Ah für jeden einzelnen Tag. Die Grafik zeigt den Stromertrag über die ganze Datei.

Der Stromverlauf über den Tag lässt sich für jedes beliebige Datum anzeigen. Man sieht gut, wenn sich die Erzeugung wegen eines durchziehenden Wolkenfeldes verringert.

Nach ein paar kleinen Korrekturen liegt inzwischen eine Version vor, die alle meine Wünsche erfüllt, ja sogar meine kühnsten Erwartungen übertrifft. Man kann ein Logfile einlesen und nach verschiedenen Kriterien direkt auswerten. Es werden sowohl die täglich erzeugten Ah über den Erfassungszeitraum als auch die Stromverteilung über einen beliebigen Tag aus diesem Zeitraum dargestellt und auch noch einiges mehr. Aus meinen Daten geht bspw. hervor, dass ich an guten Tagen mit meinen 180 W Kollektorfläche knapp 70 Ah erzeuge. Da ich aber an solch sonnigen Tagen bei gleichzeitigen Mittelmeertemperaturen etwa 80 Ah verbrauche, reicht das für eine vollständige Autarkie noch nicht aus. Wie oben beschrieben, bin ich davon auch nicht ausgegangen. Trotzdem werde ich über eine weitere Isolierung der Kühlbox, die bei mir der größte Verbraucher ist, noch einmal nachdenken.

Mit freundlicher Erlaubnis des Autors, gebe ich das Programm gerne an Leser weiter, die auch einen Regler aus der MPPT-Serie von IVT (Art. Nr. 200026 - .. 28) mit Fernbedienung verwenden. Völlig gratis soll das allerdings nicht sein. Johannes möchte als Gegenleistung gerne weitere Logfiles, mit denen er sein Programm weiter testen kann und ich würde mich über einen Eintrag in das Gästebuch auf dieser Seite freuen.