Hinweis: Wir übernehmen keinerlei Garantie für eure Geräte. Ihr seid selbst dafür verantwortlich, alles zu überprüfen und gängige Sicherheitsregeln für den Umgang mit elektrischem Strom einzuhalten!
Es gibt Solarladestationen bereits fertig zu kaufen. Aber wo bleibt da der Spaß, wenn wir nicht selbst tüfteln und ausprobieren können 😉 Außerdem kann man im Selbstbau das Gerät so auslegen, wie man es braucht.
Standort-Prüfung
Erstmal prüfen wir, ob sich eine Solar-Box für unseren Standort überhaupt eignet. Dafür nutzen wir diesen Rechner: https://www.solarserver.de/pv-anlage-online-berechnen/
Als Beispiel nehmen wir an, dass es keine Verschattung gibt und wollen die Anlage mit Süd-West-Ausrichtung mit 30° Neigung am Gartenhäuschen-Dach festmachen.
- 30 Watt / 1000 = 0,03 kWp
- 225° SW
- Das Dach hat eine Neigung von 30°
- Als Standort klicken wir einfach auf Gießen in der Karte.
Als Ergebnis kommen wir auf 32 kWh. Das macht bei einem Strompreis von 0,40 € pro kWh 12,80 € pro Jahr. Vorausgesetzt aber wir verbrauchen allen Strom (was schwierig ist, so viel Handys lädt man kaum). Das ganze ist aus wirtschaftlicher Sicht also eher unsinnig, macht aber trotzdem viel Spaß und vielleicht ist euer Anwendungsfall ja auch, eine abgelegene Gartenhütte mit Strom zu versorgen oder beim Campen eine kleine SolarBox mitzunehmen.
Kleiner Einschub: Solltet ihr wirklich darauf aus sein, Strom im Haushalt zu sparen, schaut euch lieber mal das Thema Balkon-Kraftwerke an. Bis 600 Watt darf man genehmigungsfrei ein Solarmodul mit Mini-Wechselrichter in den eigenen Stromkreis einbinden (aber man muss es beim Stromversorger anmelden!). Mehr Infos hier.
Material
Also jetzt aber schnell die richtigen Teile für unsere Solar-Ladestation besorgt! Aber dafür müssen wir erstmal wissen, was denn geladen werden soll: Wir wollen 12V-Geräte nutzen (also solche wie man sie aus dem Auto-Zigarttenanzünder kennt oder aus dem Camping-Bereich). Außerdem wollen wir USB-Geräte laden können (Smartphone, Bluetooth-Musikbox, Tablet usw.).
Heißt konkret: Wir werden ein 12 Volt System bauen. Dabei ist wichtig zu wissen, dass die Solaranlage auch gerne mal um die 18 Volt liefert. Der Akku hat dann meist 13 bis 14 Volt. Verwirrend? Ja, finden wir auch. Deswegen eine kurze Erklärung:
Die Spannung (in Volt gemessen) muss für das Solarmodul so hoch sein, damit der Akku auch wirklich geladen werden kann. Denn Strom fließt immer nur von der höheren Spannung zur niedrigeren Spannung (alle Physiker:innen bitte Zähne zusammenbeißen). Die Ladung des Akkus übernimmt ein sogenannter Solar-Laderegler. Er nimmt die 18 Volt des Solarmoduls und baut sie zu einer Akku-verträglichen Spannung um. Ohne diesen Laderegler würde unser Akku schon nach kürzester Zeit überladen und kaputt gehen, was auch gefährlich sein kann. Ein guter Laderegler ist also das A und O einer jeden Solar-Box.
Als Akku verwenden wir einen wartungsfreien Blei-Akku. Diese sind zwar schwer aber dafür günstig und recht belastbar. Je nachdem welchen Laderegler man hat, muss man streng nach Anleitung vorgehen. Dort wird dann auch eingestellt, welche Art von Akku angeschlossen ist: Blei-Säure, Blei-Gel oder AGM. Wir wollen eine AGM-Batterie verwenden, da diese am einfachsten zu verwenden ist.
Mehr zu Akkus: https://campofant.com/wohnmobil-batterie/
Wir wollen das ganze frei von Wasser halten, also nutzen wir am besten das Solarmodul als Decke der Box. Die Box selbst sollte wasserabweisend gebaut sein und mit einem Schutzlack/-lasur versehen werden. Spalten solltet ihr mit Silikon füllen. Damit es nicht zu heiß in der Box wird (das mögen weder Laderegler noch Akku), könnt ihr Lüftungsschlitze anbringen, die aber auf jeden Fall vor Regeneintritt zu sichern sind.
Strom nutzbar machen
Und jetzt brauchen wir noch die Bauteile, die unseren Strom vom Akku für die USB-Geräte (5 Volt) „runtertransformieren“. Das geht am einfachsten mit Teilen für den Auto-Bereich, da dort die gleichen Spannungen zum Einsatz kommen. Achtet für eure Sicherheit darauf Teile zu kaufen, die z.B. ein GS-Siegel haben (Geprüfte Sicherheit).
Ein sehr stabiles Teil, das wir auch für unsere Box verwendet haben ist von ProCar, die „Einbausteckdose mit USB-C/A Doppelsteckdose schaltbar + 1 Powersteckdose“. Diese hat eine 12V-Steckdose (wie der Zigarettenanzünder im Auto), einen normalen USB-Port und eine USB-C Buchse, was heute immer mehr verbaut wird. Diese Ausführung kostet aber auch knapp 45€.
Etwas einfacher sind da „USB Spannungswandler“, die man in jedem Elektronikshop z.B. makershop.de oder bei ebay findet: https://www.makershop.de/module/step-downup/6-24v-usb-spannungswandler/
Dabei findet ihr vielleicht auch die 230V Spannungswandler, denn man kann aus unserem 12 Volt-System auch normale Wechselspannung machen. Das lohnt sich aber kaum, da diese Wechselrichter teuer sind und recht hohe Verlustleistungen haben, also nicht sehr effizient arbeiten. Dann lieber den Strom direkt auf 12V-Niveau verbrauchen.
Verkabelung
Zum Verkabeln brauchen wir ausreichend dicke Kabel, sonst schmilzt irgendwann die Isolierung und wir haben einen Kurzschluss oder einen Brand. Der Durchmesser des „Metallkerns“ des Kabels sollte entsprechend unserer maximalen Leistung dimensioniert sein. Wenn wir ein Solarmodul mit 30 Watt haben, legen wir die Kabel hierfür aus. Wenn an die Batterie ein Verbraucher mit 50 Watt soll, dann ist das für die Kabel zur Batterie und zum Verbraucher der entscheidende Wert.
Wir haben folgenden Rechner genutzt (weiter unten auf der Seite, aber auch die Herleitung ist sehr schön verständlich): https://campingtech.de/elektronik/kabelquerschnitt-berechnen-12v-wohnmobil-van/
Erstmal die Stromstärke berechnen: 50 Watt bei 12 V -> 50 Watt / 12 V = 4,17 Ampere
Bei z.B. 1 Meter Kabel mit 4,17 Ampere (4,17 A * 12 V = 24 Watt) und 2 % Spannungsabfall spuckt dieser Rechner 0,61 mm² als Mindest-Kabelquerschnitt aus. Man nimmt dann einfach das nächst größere Kabel und landet dann z.B. bei 1 mm² Querschnitt. Auch hier wird man bei Conrad, Reichelt, Pollin oder ebay fündig.
Die Enden der Kabel crimpt man im besten Fall und schiebt die Kabelschuhe nur noch auf die Batterie, die Solarzelle und den Akku verkabelt man entsprechend dem Schaltplan des Solar-Ladereglers. Die Welt ist nicht perfekt und wir alle wissen, dass man nicht immer eine Crimpzange und passende Crimps zur Hand hat. Solltet ihr die Kabel festlöten, achtet auf saubere Lötstellen, einen guten Lötmittel-Fluss und lötet nicht mit zu niedriger Temperatur. Achtet darauf, dass auf den Kabeln kein Zug lastet, sorgt ansonsten für Entlastung.
Die Verschaltung unserer Solar-Ladebox ist sehr simpel. Wir haben uns dabei strikt an das Handbuch des Solarladereglers gehalten. Die Batterie muss bei unserem Regler zuerst angeschlossen werden, daher gehen von dort je ein Plus- und Minus-Kabel in die Plus- und Minus-Terminals am Laderegler mit dem Batterie-Symbol. Auch einmal Plus- und Minus-Kabel kommen vom Solarpanel und werden dort angelötet. Lötfahnen waren schon vorhanden. Diese gehen in die Plus- und Minus-Pole am Laderegler mit dem kleinen Solarzellen-Symbol darüber. Zuletzt schließt man seine Last an den Laderegler an (nicht direkt an die Batterie!). Wieder Plus und Minus mit den Schraub-Klemmen am Regler mit dem Spannungswandler verbinden – oder was man sonst so anschließen möchte. Das war auch schon die elektronische Seite des ganzen, jetzt zur Umhausung!
Die Box
Wenn ihr die Anlage als Demonstrationsobjekt oder freistehend bauen wollt, braucht ihr noch eine Box für die Elektronik und das Modul. Um das Solarpanel an einem geeigneten Standort platzieren zu können, muss daher ein passendes Gestell gebaut werden. Ausschlaggebend hierfür sind Ausrichtung (Azimut- Winkel) und Neigungswinkel (Tilt- Winkel) der Photovoltaikmodule.
Anhand einer mathematischen Formel und der Breitengrade in Deutschland können die optimalen Neigungswinkel für sowohl Sommer- als auch Winterzeiten berechnet werden. Die PV-Module arbeiten am produktivsten, wenn die Sonnenstrahlen senkrecht zu ihren Oberflächen stehen. Daher sollte die Ausrichtung direkt nach Süden erfolgen mit einem Azimut-Winkel von 180°. Werden die Solarmodule aus der Südrichtung bis zu einem Maximum von 45° nach Südosten oder Südwesten ausgerichtet, kann es zu einer jährlichen Verringerung der Produktion von 1-3% kommen. Eine weitere Ausrichtung von > 45° vermindert die Produktion erheblich.
Bsp.: Eine Ausrichtung 90° von der Südrichtung entfernt (direkte Ost – oder Westausrichtung) kann zu einem Produktionsrückgang von bis zu 30 % führen, da die Module mit schwächeren und nicht senkrechten Sonnenstrahlen getroffen werden.
Um durch den Neigungswinkel die höchste Effizienz der Energieerzeugung zu erreichen sollten sowohl die geografischen Breitengrade des Ortes und die Jahreszeit ermittelt werden, an dem die meiste Energie benötigt wird. Je nach Sommer- und Wintersonnenwende ändert sich die Höhe der Sonne am Mittag und somit gleichzeitig auch der effizienteste Neigungswinkel während den Jahreszeiten.
Berechnung des Neigungswinkels während der Sommersonnenwende
Höhepunkt der Sonne = 90 – (Breitengrad – Neigungswinkel_Erde)
Neigungswinkel Solarmodul = Breitengrad – Neigungswinkel_Erde
Der aktuelle Neigungswinkel der Erde liegt bei 23° und die Stadt Gießen liegt ungefähr auf dem 51. Breitengrad. Die Sonne erreicht bei 62° am Standort Gießen ihren Höhepunkt. Damit ergibt sich ein Neigungswinkel von 28° um während der Sommersonnenwende (bis 21. Juni) die maximale Energieausbeute zu erreichen. Die Module würden mittags perfekt senkrecht zu den Sonnenstrahlen stehen.
Berechnung des Neigungswinkels während der Wintersonnenwende
Höhepunkt der Sonne = 90 – (Breitengrad + Neigungswinkel_Erde)
Neigungswinkel Solarmodul = Breitengrad + Neigungswinkel_Erde
Die höchste Energieausbeute während der Wintersonnenwende wird somit bei einer Neigung um 16° erreicht.
Quelle: https://www.mpptsolar.com/de/optimale-ausrichtung-dachneigung-solaranlage.html
Katrin hat das ganze für euch schon soweit vorbereitet, dass ihr nur noch die Dateien runterladen und an euer jeweiliges Projekt anpassen müsst. Die Klemmen für das Solarmodul sind 3D-gedruckt und Plexiglas sowie Holzkiste sind mit dem Lasercutter zurechtgeschnitten. Die Seitenteile müsst ihr miteinander über eine Leiste verschrauben, da die Zinken das Gewicht des Akkus nicht so gut abstützen.
Download der Fusion 360-Projektdateien und 3D-Druck-Klemmen [nur für private Verwendung, nicht zur kommerziellen Nutzung]
Solltet ihr die Box nachbauen, freuen wir uns über Bilder und eine Erwähnung 🙂
