Solarmodule im Notfunk

Solarmodule werden immer billiger und erfreuen sich auch im Amateurfunk großer Beliebtheit. Im Notfunk haben sie das Problem, dass sie nicht immer Strom liefern. Aber mit genug Akku-Kapazität lässt sich dieses Problem deutlich entschärfen.

Preiswerte Quellen für Solarmodule

Die Leistung von Solarmodulen wird in Wp (Watt Spitzenleistung) angegeben. Dieser Wert bezieht sich auf Sonnenlicht mit einer optischen Intensität von 1 kW/m², bei einer Temperatur der Module von 25°C. Vor allem die Temperaturangabe macht den Wert unrealistisch: Elektrisch sind Solarmodule nichts anderes als Siliziumdioden, die in Serie geschaltet und in Durchlassrichtung vorgespannt sind. Mit steigender Temperatur sinkt die Schleusenspannung. Wenn ich meine Experimentalmodule auf dem Balkon bewegen will, geht das im Sommer nur mit Handschuhen.

Umgekehrt: Als ich die beiden 24-V-Module im Sommer kaufte, hatten sie Leerlaufspannungen von gut 30 V. Jetzt im Herbst bekomme ich regelmäßig Fehlermeldungen des Ladereglers, seine Maximalspannung von 75 V sei überschritten worden. Das passierte nach dem Abregeln, weil der Akku voll war. Das zwang mich, die beiden Module parallel zu schalten. Im Normalbetrieb merke ich auch, dass bei einem bestimmten Modulstrom die Modulspannung im Winter um ein paar Volt höher ist. Es kommt also bei kühlem Wetter mehr Saft aus den Solarmodulen. Das kompensiert teilweise die kürzere Sonnenscheindauer, zumal fest montierte Solarmodule sowieso längst nicht den ganzen Tag die Sonnenstrahlung von genau vorne erhalten.

Die billigsten Module kosten mittlerweile deutlich weniger als 1 EUR/Wp. Allerdings sind die ab 1,5 m² groß und wiegen 20 kg oder mehr. Das ist für Notfallzwecke oder Fieldday vielleicht etwas unhandlich. Natürlich gibt es auch kleinere Module, aber die sind vergleichsweise teuer: Ein 10-Wp-Modul kostet kostet knapp 20 EUR. Das sind allerdings Preise für Neuware.

Es gibt zwei Herstellungstechniken für Solarmodule: Verbinden von Siliziumscheiben und Herstellungsprozesse für amorphe Halbleiterschichten (Dünnschicht-Module). Im ersten Fall sieht man die runden bis rechteckigen, blauen Scheiben mit den Leiterbahn-Mustern. Im zweiten Fall hat das Solarmodul eine fast schwarze Fläche, auf der man bei genauem Hinsehen ein Streifenmuster erkennen kann. Monokristalline Module haben grundsätzlich einen höheren Wirkungsgrad, d.h. man kann pro Fläche mehr Strom ernten. Module mit monokristallinen Scheiben haben ein enormes Problem: Sobald sie auch nur in kleinen Teilen abgeschattet werden, sinkt die Ausgangsleistung enorm. Bei einem Modul mit 72 Scheiben reduzierte schon das Abschatten von sechs Scheiben die Ausgangsleistung auf ein Viertel! Amorphe Module sind da nach meiner Erfahrung wesentlich gutmütiger. Wer Solarmodule so aufstellen muss, dass regelmäßig Schatten auf sie fallen, sollte amorphe Module bevorzugen.

Es gibt mittlerweile einen großen Markt für gebrauchte Solarmodule, auf dem man ab 25 ct/Wp zahlt – bezogen auf die ursprüngliche Nennleistung. Es gibt aber Gründe für diese Marktpreise: Größeren Anlagen sind beispielsweise auf möglichst gleichmäßige Daten der Module angewiesen, weil die Solarmodule in vielfältiger Form in Serie und parallel geschaltet werden. Ein teilweiser Austausch ist aus dem gleichen Grund schwierig. Und wenn beispielsweise ein Blitz in die Anlage einschlägt, müssen ziemlich viele Module vom Dach runter. Es gibt durchaus 20 Jahre alte Solarmodule, die nur minimal gealtert sind [1].

Für unsere Notfunk-Zwecke muss das kein großer Nachteil sein: Man misst sich beim Verkäufer und bei möglichst sonnigem Wetter ein paar Module mit möglichst gleichmäßigen Daten heraus. Ein paar 70-Wp-Module kriegt man auch noch in den Kofferraum eines kleineren Autos.

Damit sind wir bei einem wesentlichen Kostenfaktor: Solche Solarmodule sind Sperrgut. Der Versand eines einzelnen Solarmoduls kostet typisch 35 EUR. Da wird der Versand schnell teuerer als das Modul selber. Gerade wer über gebrauchte Module nachdenkt, sollte lokal einkaufen. Bei Käufen von Privatleuten ist das wohl der einzig sinnvolle Weg: Man muss die Module vor dem Kauf vermessen! Wenn man im Internet nach Solarmodul gebraucht sucht, stößt man schnell auf Ebay-Kleinanzeigen, wo man leicht nach Orten selektieren kann.

Solarmodule dimensionieren

Welche Solarleistung soll man eigentlich installieren? Das kann man je nach Bedarf ganz unterschiedlich berechnen:

Wer im Normalfall einmal die Woche für 30 min an der 2m-Ortsrunde teilnimmt, kann sich einfach ein 10-Wp-Modul ins Fenster stellen und einen 7-Ah-Blei-Gel-Akku dranhängen. Dann wird er höchst selten das Netzteil einschalten müssen. Wenn mal der Strom für zwei Tage weg ist, reicht das auch noch für den Betrieb über das Ortsrelais.
Die nächste Schwelle ergibt sich aus dem maximalen Ladestrom des Akkus. Einem 7-Ah-Akku sollte man nicht mehr als 1 A Ladestrom zumuten. Dafür reicht dann ein Solarmodul mit 10 oder 20 Wp.
Wer den reinen Empfangsbetrieb auch bei leicht bedecktem Himmel allein aus dem Solarmodul sicherstellen will, sollte die Leistungsaufnahme mit 10 oder 20 multiplizieren. Bei einem Handfunkgerät ist man dann bei vielleicht 30 Wp und bei einem Mobilgerät bei wenigstens 100 Wp. Dann sollte man aber auch intensiv über einen größeren Akku nachdenken, also z.B. 12 V/26 Ah, die in Blei-Gel-Technik etwa 50 EUR kosten.
Wer bei Stromausfall außer der Funkanlage auch noch die wichtigsten Geräte in Haushalt versorgen will, kann den Aufwand natürlich beliebig steigern – allerdings eher bei den Akkus denn bei den Solarmodulen: Im Zweifelsfall fällt der Strom bei Sauwetter aus. Wer einen Stromausfall über diverse Tage oder gar Wochen auffangen will, braucht einen Notstromgenerator und sollte den Akku so dimensionieren, dass er den Generator nur wenige Stunden pro Tag laufen lassen muss.

Die Nebenkosten

Nur bei ganz provisorischen Installationen fallen die Nebenkosten nicht ins Gewicht: Die weit verbreiteten MC4-Stecker kosten nur wenige Euro pro Stück, ein paar Meter Lautsprecherleitung hat man sowieso in der Bastelkiste. Einfache Laderegler gibt es schon für unter 20 EUR. Ein Blei-Gel-Akku 12 V/7 Ah kostet knapp 20 EUR; damit kann man eine Handfunke leicht 24 h lang betreiben.

Dann aber stößt man schnell auf Kosten, die höher sind als die Kosten der Solarmodule selber:

Eine UV-beständige Solarleitung mit 4 mm² Querschnitt und 10 m Länge kostet über 30 EUR.
Richtig viel Geld kann man für einen festen Unterbau ausgeben.
Ein Laderegler mit Spannungswandler (MPPT – Maximum Power Tracking Point) kostet ab 80 EUR, ist aber gerade für Notfallzwecke und bei gebrauchten Solarmodulen sinnvoll: Der Spannungsregler stellt sich automatisch so ein, dass die maximale Leistung bei der Batterie landet. Außerdem kann man dann mehrere Module in Serie schalten und durch die höhere Spannung, durch die geringeren Ströme, Kupfer in der Leitung sparen. Selbst bei bedecktem Himmel kann man dann oft noch genug Leistung für den Empfangsbetrieb ernten.

Tipps zur Positionierung von Solarmodulen

Gewöhnlich baut man Solarmodule so auf, dass sie möglichst nach Süden und so schräg aufgeständert sind, damit man den maximalen Ertrag hat – wenigstens über das ganze Jahr betrachtet. Für ein Inselnetz gelten andere Regeln. Wer ganz wesentlich Akkus laden will, sollte die Nutzungszeit der Solarmodule maximieren, aus mehreren Gründen:

Die Akkus sind in aller Regel teuerer und weniger dauerhaft als die Solarmodule der Anlage. Man sollte die Anlage also eher unter Gesichtspunkten des Akkus und weniger auf maximalen Solarertrag optimieren.
Hohe Ladeströme strapazieren den Akku. Es ist also sinnvoll, die Ladung über einen möglichst großen Teil des Tages zu verteilen.
Die Akkus sind der Engpass. Man sollte also möglichst über den Tag verteilt jeden Sonnenstrahl nutzen, der zu haben ist. Wenn Mittags ein Regengebiet durchzieht, ist der Tag bei konventioneller Anordnung der Solarmodule für das Laden des Akkus weitgehend verloren, obwohl man, wenigstens im Sommer, diverse Stunden Sonnenschein hätte nutzen können.
Wenn man tagsüber einen Teil des Stroms verbraucht, braucht man den gar nicht erst zu speichern – der Akku muss den Verbraucher höchstens noch puffern oder übernimmt den restlichen Ertrag. Da strapaziert den Akku weniger und stellt insgesamt mehr Energie zur Verfügung: Der Wirkungsgrad eines Akkus ist deutlich unter 100%.

Wer seinen Solarstrom speichern will, sollte also seine Solarmodule nicht alle in die gleiche Richtung zeigen lassen. Manche Module kann man nach Südosten ausrichten, damit sie am Vormittag ihre größte Leistung liefern, und andere nach Südwesten. Man kann die Neigung teilweise für den Sommer und teilweise für den Winter optimieren. Optimierung für den Winter kann auch heißen, dass man sie senkrecht an die Hauswand montiert. Dann bleibt nur bei ganz extremem Winterwetter überhaupt Schnee daran haften, den der Sonnenschein selbst bei Minustemperaturen schnell wegschmilzt.

Auf diesem Weg kann man die maximale Erntezeit im Sommer auf über 12 h ausdehnen und bei Schnee überhaupt noch Solarstrom ernten. Letzteres ist gerade beim Notfunk entscheidend.

Solarmodule aufstellen

Für den reinen Notfallbetrieb kann man eine Anschlussleitung vom Shack auf die Terrasse installieren und die Solarmodule im Keller lagern. Da holt man sie nur für den Fieldday heraus – oder eben wenn das Stromnetz ausfällt. Die einfachsten Möglichkeiten sind, die Module wie die Blumenampeln (oder anstatt der Blumenampeln) mit Haken an die Hauswand zu hängen oder sie auf der Terrasse gegen die Wand zu lehnen. Beim senkrechten Aufhängen veliert man etwa ein Drittel der Ausbeute. Diese Einfachmethode hat im Winter auch Vorteile: Die Sonne steht recht tief und es bleibt kein Schnee auf den Modulen liegen.

Zumindest wer die Solarmodule überdimensioniert, sollte sie unterschiedlich gegen die Sonne ausrichten – teils auf die Vormittagssonne und teils auf die Nachmittagssonne. Das verlängert den Zeitraum mit der größten Ausbeute und erlaubt, mehr Energie mit geringeren Verlusten in den Akku zu laden. Falls man sowieso einen Teil des Stroms gleich verbraucht, reduziert diese Maßnahme die Alterung des Akkus zusätzlich und erhöht die Stromausbeute: Der Ladestrom wird kleiner und mehr Leistung geht von den Solarmodulen direkt zu den Verbrauchern; die Akkus brauchen den Verbraucher nur zu puffern. Auf lange Frist werden sowieso die Akkus teuerer sein als in die Solarmodule.

Durchaus verblüffend ist der Temperaturgang von Solarmodulen. Elektrisch betrachtet bestehen Solarmodule aus in Serie geschalteten Siliziumdioden, die in Durchlassrichtung vorgespannt werden. Bekanntlich steigt der Strom durch eine Diode mit steigender Durchlassspannung exponentiell an, mit einer recht scharf ausgeprägten Schleusenspannung. Diese Schleusenspannung sinkt mit steigender Temperatur um etwa 2 mV/K, was man gelegentlich zur Temperaturmessung nutzt. Wenn die Sonne herunterbrennt, erreichen Solarmodule leicht 60°C, was gegenüber Normbedingungen bei 25°C 80 mV weniger Spannung pro Zelle bedeutet. Auf ein 18-V-Modul bezogen sind das 3 V. Umgekehrt steigt die Spannung im Winter auch mal um 2 V gegenüber dem Nennwert an. Das quittierte mein Solarregler, der den ganzen Sommer über völlig problemlos arbeitete, plötzlich mit Fehlermeldungen und schaltete sich ab.

Laderegler-Technik

Selbst wenn gebrauchte Solarmodule noch fast die ursprünglichen Werte für Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom liefern, kann die Leistung stark verringert sein: Während bei neuen Modulen der Strom erst knapp unterhalb der Leerlaufspannung absinkt, sinkt bei gealterten Modulen die Spannung für die maximale Leistung oft auf 2/3 der Leerlaufspannung ab – vor allem bei nicht optimaler Sonneneinstrahlung. Zugleich liefern sie in diesem Arbeitspunkt deutlich weniger als den Kurzschlussstrom. Zusammen mit einem einfachen Laderegler ohne Spannungswandler kann man damit den Akku unter Umständen nicht mehr vollständig laden – vor allem im Hochsommer, wenn die aufgeheizten Solarzellen weniger Spannung liefern.

Die meiste Leistung bekommt man vor allem aus gebrauchten Modulen mit einem MPPT- (Maximum Power Tracking Point) Solarregler, die es ab etwa 80 EUR gibt. Solche Solarregler variieren ständig die Spannung der Solarmodule, um den Arbeitspunkt abhängig von Lichtintensität, Modultemperatur usw. zu optimieren. Wer das Innenleben seiner Solaranlage in den Griff bekommen will, sollte einen Laderegler mit Messwertausgabe und z.B. ein Bluetooth-Modul dazu kaufen. Dann kann man am Smartphone oder Notebook weitere Parameter einstellen (z.B. Entlade-Schlussspannung) und Messwerte oder Statistiken abfragen. Bluetooth ist hier das Übertragungsmedium der Wahl, weil es deutlich weniger Leistung benötigt als WLAN.

Mit MPPT-Ladereglern kann man die Solarmodul- und Batteriespannungen voneinander entkoppeln: Bei mir hängen zwei gebrauchte 24-V-Module parallel, die einen 12-V-Akku laden. Die Steuerung versucht, den Schaltregler immer im optimalen Arbeitspunkt zu betreiben. Man beachte die Messwerte im Bild rechts. Dabei wurde der Akku mit 3,4 A geladen, während das Notebook 1,8 A zog.

Die Screenshots rechts machte ich übrigens im Sommer. Als es im Herbst dann kühler wurde, streikte der Laderegler wegen zu hoher Modulspannungen. Der sollte zwar bis 75 V aushalten und ich konnte nicht mehr als gut 60 V messen. Aber tief in den technischen Daten stand tatsächlich, dass man keine 36-V-Module in Serie schalten dürfe. Notgedrungen kaufte ich das nötige Montagematerial, um die Module parallelschalten zu können.