Flexible solare Notstromversorgung


Dieser Beitrag beschreibt eine solar gespeiste Notstromversorgung mit 12 V Systemspannung, die bei einem Ausfall der öffentlichen Stromversorgung einige grundlegende Funktionen wie Licht, Radioempfang und Funkbetrieb sicherstellen soll. Der Anspruch bei der Planung des Systems war, es auch im Alltag vielseitig nutzen zu können, damit die Investitionen kein weitgehend totes Kapital sind. Auswahl des Solarmoduls Die Basis der Notstromversorgung bilden ein monokristallines Solarmodul mit 10 W Leistung, ein Solarladeregler mit Tiefentladeschutz sowie zwei parallelgeschaltete Bleigel-Akkus von 9 bzw. 15 Ah Kapazität und 12 V Spannung. Das Solarmodul befindet sich auf dem Balkon und ist über seinen Alurahmen mittels zweier Spannbänder an einem Regenfallrohr befestigt. Wer nicht über einen solchen oder ähnlich praktischen Befestigungspunkt verfügt, kann dafür beispielsweise einen Sonnenschirmständer verwenden. Generell sollte man das Solarmodul so ausrichten, dass es optimal von der Sonne beschienen wird. Die Wahl fiel deswegen auf ein 10-Watt-Modul, weil dieses aus meiner Sicht einen vernünftigen Kompromiss zwischen Abmessungen und Leistungsfähigkeit darstellt. Eine größere Ausführung würde nicht nur mehr Platz erfordern, sondern unter Umständen auch eine aufwändigere Befestigung, ganz abgesehen von der gesteigerten optischen Beeinträchtigung. Das nächst kleinere im Handel verfügbare Modul bietet dagegen nur 5 Watt Leistung und damit nur die Hälfe des Ladestroms im Vergleich zum 10-Watt-Modul. Aber genau der Ladestrom ist ein wichtiger Faktor, weil er die Ladedauer bestimmt. Das 10-Watt-Modul mit etwa 0,7 A Höchststrom würde die beiden Bleigel-Akkus mit zusammen 24 Ah Kapazität theoretisch in 24 Ah/0,7 A = 34 Stunden bei optimaler Einstrahlung komplett laden. Das 5-Watt-Modul benötigt dagegen wegen des halbierten Ladestroms die doppelte Zeit. Insbesondere im Winter mit seiner geringen Anzahl täglicher Sonnenstunden sowie des oft trüben Wetters ist dies ein großer Nachteil. Und ausgerechnet im Winter ist ja durch die häufigeren und teilweise stürmischen Schlechtwetterphasen die Wahrscheinlichkeit von Stromausfällen am höchsten. Als Konsequenz daraus ergibt sich, die Dimensionierung des Solarmoduls optimalerweise an den winterlichen Einstrahlbedingungen auszurichten, um auch unter schlechten Wetterverhältnissen durchschnittlich genügend Ladestrom für die geplanten Verbraucher generieren zu können. Aus diesem Grund sind größere Module wegen des höheren möglichen Ladestroms und der damit kürzeren Ladezeit prinzipiell vorteilhafter, Beschränkungen bestehen aber wie gesagt im zur Verfügung stehenden Platz und dem Befestigungsaufwand. Bei der Auswahl eines Solarmoduls hat man zudem eine Entscheidung darüber zu treffen, ob es sich um einen polykristallinen, monokristallinen oder amorphen Typen handeln soll. Letztere sind wohl etwas preiswerter, haben dafür aber einen geringeren Wirkungsgrad. Das bedeutet: Amorphe Module benötigen für die gleiche Leistung eine größere Modulfläche als mono- oder polykristalline Typen. Auswahl geeigneter Stromspeicher Zur Speicherung des erzeugten Stroms wurden – wie schon erwähnt – zwei Bleigel-Akkus zu einem Block zusammengeschaltet. Dies dürfte der Lebensdauer beider Akkus zu Gute kommen, weil die Lebensdauer – gemessen als durchschnittlich erreichbare Anzahl an Ladezyklen – wesentlich von der Entladetiefe abhängt. So halten Bleiakkus bei jeweils vollständiger Entladung und anschließendem Aufladen wesentlich weniger Ladezyklen durch als bei nur teilweiser Entladung und anschließender Wiederaufladung. Im Prinzip sind als Speicher für Solarstrom alle Blei-Akkus geeignet, denn diese Typen kommen mit dem in der Regel ungleichmäßigen Ladestrom (z. B. wegen wechselnder Bewölkung oder sich ändernder Einstrahlbedingungen durch Veränderung des Sonnenstands) gut zurecht. Lithium-Ionen-Akkus etwa erfordern dagegen unbedingt einen konstanten Ladestrom. Diesen kann aber ein Solarmodul aus den erwähnten Gründen in der Praxis in der Regel nicht über längere Zeiträume liefern. Im Bereich der Blei-Akkus gibt es wiederum unterschiedliche Bauarten, die man grob in wartungsfreie und nicht wartungsfreie einteilt. Zu den wartungsfreien zählen Bleigel-Akkus sowie Vlies-Akkus (AGM-Technologie). Die wartungsfreien Typen sind auslaufsicher sowie gasdicht ausgeführt und daher für den Einsatz in Wohnräumen geeignet. Bei nicht wartungsfreien Ausführungen kommt es dagegen während der Ladevorgänge zur Gasentwicklung, weshalb sie keinesfalls in Wohnräumen aufgestellt werden sollten. Außerdem sind sie nicht auslaufsicher. Weiterhin ist bei der Akku-Auswahl auf Typen mit einer geringen Selbstentladung zu achten, damit der einmal gewonnene Strom sich nicht so schnell ungenutzt wieder verflüchtigen kann. Solarladeregler Beim Entladen sollte unbedingt eine so genannte Tiefentladung der Akkus vermieden werden, weil dies deren Lebensdauer verkürzen oder sie gar unbrauchbar machen kann. Da die Möglichkeit einer solchen Tiefentladung aber bei längeren Zeitabschnitten ohne Nachladen aufgrund fehlenden Sonnenscheins in Abhängigkeit vom Stromverbrauch nicht auszuschließen ist, verwende ich einen Solarladeregler mit integriertem Tiefentladeschutz. Dieser schaltet alle Stromverbraucher dann ab, wenn eine solche Tiefentladung droht. Achtung: Nicht alle im Handel angebotenen Solarladeregler integrieren diese Funktion! Daher sollte beim Kauf explizit darauf geachtet werden. Da es mittlerweile auch Blei-Akkus gibt, die tiefentladefest sein sollen, könnte man vielleicht auch auf die Funktion des Tiefentladeschutzes im Solarladeregler verzichten. Inwieweit dieser Akku-integrierte Tiefentladeschutz funktioniert, entzieht sich meiner Kenntnis. Deshalb verwende ich sicherheitshalber einen Solarladeregler mit Tiefentladeschutz. Angeschlossene Verbraucher Im Moment sind an diese Notstromversorgung bis zu drei verschiedene Verbraucher angeschlossen: zwei Nachttischlampen, ein Ladegerät für NiCd- bzw. NiMH-Akkus sowie ein Portabel-Funkgerät des Typs FT 817 ND. Bei den Nachttischlampen handelt es sich eigentlich um kleine Schreibtischlampen mit G4-Fassung (z. B. [1]). Bei ihnen lässt sich das standardmäßig vorhandene 20-Watt-Halogen-Leuchtmittel problemlos gegen verschiedene 12-V-LEDs mit G4-Sockel austauschen. Im Zusammenhang mit der Lampenmodifikation wurde auch der eingebaute Trafo abgeklemmt, aber trotzdem im Lampenfuß belassen, weil sein Gewicht erst der Lampe die nötige Standfestigkeit verleiht. Bei dem Ladegerät für NiCd- bzw. NiMH-Akkus handelt es sich um das Modell UFC-8 von Voltcraft, das mit Hilfe eines 12-V-Steckernetzteils an 230 V betrieben wird. Es lässt sich aber ohne Modifikationen über seinen 12-V-Eingang direkt an die solare Notstromversorgung anschließen. Dafür muss lediglich ein passendes Anschlusskabel hergestellt werden, was dank der im Handel erhältlichen Adaptersets kein Problem darstellt. Mit Hilfe dieses Ladegeräts lassen sich Mignon- und Micro-Akkus bequem mittels Solarstrom aufladen. Diese Akkus können flexibel z. B. in Fernbedienungen, Rasierapparat, Taschenlampen, Funk-Thermometern, Weltempfängern usw. eingesetzt werden. Weiterhin ist noch der FT 817 ND an die solare Notstromversorgung angeschlossen. Da das System über insgesamt 24 Ah Kapazität verfügt, sind genügend Reserven auch für einen längeren netzunabhängigen Funkbetrieb vorhanden. Sicherung Das wohl wichtigste Bauteil der ganzen Anlage muss natürlich auch noch erwähnt werden: die Sicherung! Denn bei der erwähnten Akku-Gesamtkapazität von 24 Ah fließt im Kurzschlussfall ein entsprechend hoher Strom, der dann durchaus einen Brand auslösen kann. Die Sicherung sollte – leitungsmäßig gesehen – so nah wie möglich an den Akkus angebracht sein. Denn eine Sicherung kann ja immer nur den nachfolgenden Leitungsweg schützen, nicht aber die Zuleitung. Aus diesem Grund muss die Zuleitung zur Sicherung – also der Abschnitt von den Akkus zur Sicherung – möglichst kurz gehalten werden. In der hier beschriebenen Anlage wird eine 10-A-Kfz-Flachsicherung mit passender Fassung inklusive kurzem Anschlusskabel verwendet. Man kann natürlich auch andere Arten von Sicherungen einsetzen, sollte aber bei der Dimensionierung auf jeden Fall genügend Reserve berücksichtigen, damit die Sicherung nicht im normalen Betrieb anspricht. Eine 1-A-Sicherung beispielsweise wäre mit Sicherheit nicht geeignet, weil allein der FT 817 ND im Sendebetrieb laut Datenblatt bis zu 2 A zieht. Und das Voltcraft-Ladegerät braucht bei bis zu 700 mA Ladestrom pro Ladeschacht bei voller Belegung mindestens 5,6 Ampere – hier wäre also sogar eine 5-A-Sicherung zu schwach! Selbstverständlich muss auch die Leitungsdimensionierung des gesamten Systems auf diesen Maximalstrom ausgelegt sein! Andernfalls könnten die Leitungen bei längerer Überlastung im schlimmsten Fall zu glühen beginnen und dann einen Brand auslösen.