Teil 4/4: Off-Grid mit 18650 Zellen

Um den Akkupack von der Sonne aufzuladen und dann eine konstante Spannung abzugeben, werden die folgenden Komponenten benötigt:

Solarstrom

Solarzelle ist nicht gleich Solarzelle. Man unterscheidet grundlegend zwischen Monokristallin und Polykristallin. Zudem macht es in den wenigsten Fällen Sinn, eine Zelle einzeln zu kaufen. Meistens wird ein ganzes Panel angeboten, in dem mehrere Zellen in Reihe bzw. parallel verbaut sind. Es kommt also auf die Typ und die Anordnung der Zellen an.

Monokristallin-Panels (meist schwarz) haben im Vergleich zu Polykristallin-Panels (meist blau) einen höheren Wirkungsgrad (14-20% zu 12-16%), sind aber in der Herstellung teurer. Allerdings altern Polykristallin-Panels nicht so schnell, da sie nicht so heiß werden. Monokristallin-Panels hingegen erzeugen auch bei schlechten Lichtverhältnissen noch Strom und sind deshalb bei schlechtem Wetter effektiver.

Es ist also eine Frage des Anwendungszwecks, für was man sich entscheidet. Hat man viel Fläche und plant die Solarzelle für die nächsten Jahrzehnte einzusetzen, ist man wohl mit Polykristallin-Panels besser bedient. Will man mehr Leistung auf kleinerem Raum und zahlt gerne einen kleinen Aufpreis dafür, sind Monokristallin-Panels die bessere Wahl. Ich habe mich bei meinem Projekt für ein Monokristallin-Panel entschieden.

Dann ist die Anzahl und die Anordnung der einzelnen Zellen entscheidend. Sie bestimmen, wie viel Spannung und wie viel Watt in Spitze erreicht werden können. Im normalen Betrieb sind die beiden Kennzahlen natürlich die meiste Zeit niedriger. Doch wie viel niedriger? Laut dem deutschen Wetterdienst gibt es im Schnitt 1640 Stunden Sonne im Jahr. Eine Beispielrechnung für ein 10 Watt Solarpanel mit 12V:

1640 Stunden * (10 Watt / 12 Volt) = 1366 Ah im Jahr (~3700mAh am Tag)

Im Idealfall können wir also ca. 3700mAh am Tag aus dem Akku entnehmen, ohne dass wir Gefahr laufen ihn leer zu machen. Im Umkehrschluss dauert dann eine komplette Ladung eines 40Ah Akkupacks ca. 11 Tage. In der Praxis scheint natürlich nicht jeden Tag die Sonne und im Winter gibt es weniger Tageslicht als im Sommer. Der Wert dient eher als Richtwert für die Dimensionierung des Solarpanels.

Den Akku laden

Haben wir die Stromquelle (Solarpanel), müssen wir zunächst dafür sorgen, dass wir eine konstante Spannung haben, mit der wir den Akku laden können. Dies können wir mit einem Boost-Converter erreichen. Besser geht es allerdings mit einer MPPT-Schaltung. Der Wikipedia-Artikel dazu ist so gut, dass ich mir hier die Erklärung spare.

Natürlich gibt es hierfür schon fertige Schaltungen, die man zwischen Solarpanel und Akkupack anschließt. Beim Kauf sollte man allerdings darauf achten, dass die Schaltung zum Solarpanel (Ladestrom, Spannung) und zum Akkupack (Typ, Spannung) passt.

Die Ladeplatine sorgt dafür, dass der Akku zur richtigen Zeit mit dem richtigen Strom/Spannung geladen wird. Die von mir verwendete Platine hat sogar zwei Status-LEDs, die den aktuellen Zustand anzeigen.

Konstante Stromquelle

Ist der Akku geladen, können wir damit etwas betreiben. In den meisten Fällen benötigt man allerdings eine konstante Spannung, egal wie voll/leer der Akku ist. Hierfür kann man einen Buck/Boost-Konverter (auch Auf-/Abwärtswandler genannt) verwenden. Dieser regelt die Spannung auf einen definierten Wert.

Angeschlossen wird er zwischen Akkupack und Verbraucher. Über ein Potentiometer (meist ein kleiner blauer Klotz mit einer Schraube) lässt sich dann die gewünschte Spannung einstellen. Bei mir genau 12V.

Wichtig dabei ist allerdings, dass der Wandler nur dann am Akkupack hängt, wenn er auch benötigt wird. Da er selbst im Leerlauf Strom verbraucht, kann er den Akkupack auch ohne einen angeschlossenen Verbraucher leer machen. Deshalb lohnt es sich, einen Schalter einzubauen -- speziell dann, wenn nur ein recht kleines Solarpanel verwendet wird.

Mechanischer Schutz

Jetzt stellt sich nur noch eine Frage: Wohin mit all dem? Da der Akkupack trotz Vorkehrungsmaßnahmen wie Sicherungsdraht, BMS und MPPT-Schaltung weiterhin eine Brandgefahr darstellt, sollte man sich zwei mal überlegen, wo man ihn unterbringt. Auf jeden Fall sollte man den Akku und die Elektronik vor mechanischen Einflüssen sowie vor Wasser/Feuchtigkeit schützen. Eine Holzkiste ist hier ungeeignet. Idealerweise eine Metallbox, die sich Wasserdicht verschließen lässt. Im Elektrobereich gibt es hier einiges zur Auswahl: Schwer entflammbare Plastikboxen oder gleich eine Aluminium-Box, welche sich Wasserdicht verschließen lässt. Suchbegriffe für eBay wären projektbox oder elektronik gehäuse.

Fazit

Wir haben Zellen aus alten Akkus geschält, aufwändig recycled und daraus einen Akkupack gelötet. Mit dem Akkupack können wir nun alles Mögliche betreiben. Hat sich der Aufwand gelohnt? Ich meine ja. Auch wenn der Recycling-Prozess sehr zeitaufwändig ist, kann man so nicht nur viel Geld sparen, sondern auch der Umwelt etwas gutes tun. Bei der Herstellung von Akkus werden viele seltene Rohstoffe benötigt, die dann beim Recycling aufwändig wieder zurückgewonnen werden müssen. Einem Akku also ein zweites Leben schenken, macht also nicht nur finanziell Sinn.