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Das WASP®-System der Lady Grey:


Schon auf dem Sandfloh 2 sorgten Solarmodule für den notwendigen - und kostenlosen - Strom. Für die Lady Grey habe ich mich ganz besonders ins Zeug gelegt - und ein Energiesystem zusammengestellt, das auch hohe Erwartungen an Autarkie (wie die meinen) befriedigen kann. Herausgekommen ist das WASP-System.

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Fotovoltaikanlage WASP steht für "Wind and Solar Power" und umfasst die gesamte elektrische Energieversorgung der Lady Grey. Inzwischen müsste ich eigentlich das 'WA' streichen, da ich mich nach eingehenden Praxistests gegen eine Windmühle an Bord der Lady Grey entschieden habe. Bleibt genau genommen nur ein SP-System, aber wie klingt denn das? Und der Begriff SPSINFO steht in meinem Umfeld für etwas völlig anderes! Also werde ich den Begriff WASP weiterführen. Die Möglichkeit, einen Windgenerator oder eine Brennstoffzelle an das bestehende System anzubinden, besteht ja weiterhin!

Kernstücke von WASP sind:

  • Effiziente, nachführbare, dabei einfach konstruierte Fotovoltaikanlage,
  • flexible, zyklentaugliche Doppelbatterieanlage,
  • Möglichkeit zum Anschluss eines Windgenerators und einer Brennstoffzelle,
  • intelligentes Batterie- und Lastmanagement.



Das Knattern eines benzin- oder gasbetriebenen Generators gehört damit endgültig der Vergangenheit an!


nach oben Blockschaltbild

Als Erstes will jeder Elektriker ein Blockschaltbild sehen:

Schaltbild E
Im Prinzip ist's ganz einfach: Oben kommt der Strom rein: Solargenerator, Netzladegerät, Motorgenerator, Windgenerator, evtl. Brennstoffzellen. Unten wird er verbraucht: Kühlschrank, Heizung, wichtige Verbraucher und weniger wichtige Verbraucher. Dazwischen ein paar Drähte, Schalter und Kupferbalken (Sammelschienen), über die alles verbunden ist und gesteuert werden kann. Wie gesagt, im Grunde ganz einfach!


nach oben Technische Daten

WASP Grunddaten Elektrik
Nennspannung 12Vdc (10,5V ... 14,3V)
Batteriekapazität 2 x 180 Ah - zyklenfeste Bleibatterie
Leistung Solaranlage 3 x 80Wp nachführbar (3D) bzw. 3x 110Wp aufständerbar (2D)
Haupt- und Unterverteilungen Doppelschienensystem mit industrieüblichen Hochstromautomaten (ABB S271); Eigenbau auf Grund der Sonderanforderungen
Energie-/Verbrauchersteuerung 8 x bistabile Leistungsrelais (auch handbedienbar);
Steuerung über 'BASIC TIGER' der Fa. Wilke, Aachen
Laderegler (Solar und B2B) 2 x VOTRONIC MPP 320 DUO; temperaturgeführt
identische Type für Solargenerator und B2B (Motorgenerator); mit Ladeerhaltung Zweitbatterie
Laderegler (Netz) 1 x MOBILE TECHNOLOGY MT1230 DUO Automatik
12V, 30A, temperaturgeführt; mit Ladeerhaltung Zweitbatterie
(Sinus-)Wechselrichter 1x MOBILE TECHNOLOGY MT-1000-Si; 1000W Dauerleistung
'Landeinspeisung' (Netz) automatische Spannungswahl 110/230Vac; Ringkern-Isoliertransformator (2kW); Einschaltstrombegrenzung; automatische Lastbegrenzung bei 1,0kW ('Loadshedding')

WASP Daten 3D-nachführbare SolaranlageINFO
Abmessungen Drehtisch (B x L x H) 1200mm x 1900mm x 80mm
Aufstellwinkel ca. 15° ... 70° zur Horizontalen
Drehbereich mechanisch / elektrisch +/- 180° / +/- 170°
Drehrichtung cw (im Uhrzeigersinn) und ccw (entgegen Uhrzeigersinn), abhängig von Befehlsgabe bzw. Sonnenlauf
Solargenerator 3 x BP Solar, Typ BP580F, monokristallin,
PN = 80Wp, Ip = 4,4Adc, U0 = 22,0Vdc, m = 7,5kg
Nennspannung Solargenerator 3 x 12 Vdc, Parallelschaltung
Steuerspannung 12 Vdc
Stromaufnahme im eingeklappten Zustand 0mA
Stromaufnahme ohne Drehung 35 .. 50 mA
Stromaufnahme bei Drehung max. 300 mA
Schrittweite Drehung (Tracking Modus) 10°
Befehlsdauer pro Schritt 1,2 s typ.
Zeit für volle Umdrehung 60s typ.
Laufzeit des Stellmotors pro Tag 15 s / 30 s incl. morgendlichem Rückstellen
Energiebedarf für Drehung pro Tag 2,5 mAh typ (12 Schritte Tracking + 12 Schritte Morning Rewind
- Blockschaltbild Steuerung: Schaltbild C
- Detaillierte Beschreibung der Solaranlage mitsamt Theorie und Steuerung: Technische Beschreibung: PDF file     Pflichtenheft Software: PDF file

WASP Daten 2D-aufklappbare SolaranlageINFO
Abmessungen Solarmodule (B x L x H) 1330mm x 1600mm x 80mm
Aufstellwinkel ca. 15° ... 70° zur Horizontalen
Drehbereich mechanisch / elektrisch nicht drehbar; manuell hochklappbar nach beiden Fahrzeugseiten
Solargenerator 3 x BÜTTNER, Typ POWERLINE 110W, monokristallin,
PN = 110Wp, Ip = 5,9Adc, U0 = 25,6Vdc, m = 9,0kg
Nennspannung Solargenerator 3 x 12 Vdc, Parallelschaltung, MPPINFO-Betrieb

nach oben Warum ist eine Nachführung / Aufstellung sinnvoll?

1. Ursachen für geringen Ertrag des Solargenerators

Viele Besitzer moderner Reisemobile statten ihre Fahrzeuge mit Solargeneratoren aus. Meist begnügen sie sich mit einem oder zwei Paneelen, das waagerecht aufs Dach montiert werden. Bei Verwendung der gängigen Halterungen gewährleistet dies eine einfache Montage sowie die wichtige Hinterlüftung der Paneele. Unabhängig davon, in welcher Himmelsrichtung das Fahrzeug unterwegs geparkt wird, garantieren flach liegende Module einen gleich bleibenden Energieertrag. Der ist allerdings oftmals weit von dem entfernt, was im Datenblatt als möglicher Ertrag angegeben ist. Und was der Nutzer damit stillschweigend erwartet EMOTICON.

Grafik Neben äußerst optimistischen, zum Teil auch verwirrenden, Angaben zum möglichen Ertrag eines Solargenerators in den Datenblättern der Hersteller liegt der tatsächliche Ertrag erheblich darunter. Gerade in der kalten Jahreszeit (mit kurzen Tagen) oder bei Reisen in hohe Breitengrade (Nordkapp) scheinen manche Solargenaratoren ihren Dienst fast völlig einzustellen. Die allzu oft leere Batterie - und der Frust der Reisenden ist verständlich. Aber er ist vorprogrammiert und liegt in der Physik der Sache begründet. In Dingen wie 'Einstrahlungswinkel' oder der 'Sonnenbahn'. Die theoretischen Details dazu möchte ich euch ersparen, bei Interesse könnt ihr sie hier links PDF file nachlesen.

Grafik Einfach ausgedrückt: wie wir aus unserer täglichen Beobachtung wissen, beschreibt die Sonne im Tagesverlauf einen großen Bogen (scheinbar) über den Horizont. Einen feststehenden (aufgeständerten und nach SüdenINFO ausgerichteten) Solargenerator treffen ihre Strahlen allenfalls einmal am Tag - gegen Mittag - im optimalen Auftreffwinkel. Zu allen anderen Zeiten treffen die Sonnenstrahlen irgendwie von der Seite auf den Generator - und der kann daraus nicht seine volle Leistung erbringen.

Einen waagerecht liegenden Generator treffen die Sonnenstrahlen allerdings nur dann im optimalen (senkrechten) Auftreffwinkel, wenn wir in den Tropen - und zur richtigen Jahreszeit - unterwegs sind: dort steht die Sonne mittags im Zenith, also direkt über uns - und bestrahlt den Generator optimal. Zu allen anderen Zeiten - und in allen anderen Gegenden der Welt - treffen die Sonnenstrahlen niemals in einem optimalen Winkel auf unseren liegenden Solargenerator! Der 'geringe Energieertrag' ist also völlig natürlich und unabdingbar!

Daher beschäftigen sich schon Generationen von Ingenieuren und Technikern mit Nachführsystemen für stationäre Solargeneratoren - bislang nicht wirklich erfolgreich. Wie wir sehen werden, ist die Lösung für unsere mobile Anwendung jedoch wesentlich einfacher!

2. Nachführung

Dem energetischen Mehrertrag durch die Nachführung steht - bei stationären Anlagen - immer ein deutlicher Mehrpreis für die notwendige Mechanik gegenüber. Für sonnenreiche Regionen (hoher Anteil an Direktstrahlung) wird in der Literatur ein erzielbarer Mehrertrag über's Jahr von 20 bis 40% gegenüber einer fest installierten Anlage angegeben. In mitteleuropäischen Gebieten mit einem hohen Anteil an diffuser Einstrahlung fällt der Mehrertrag dagegen deutlich geringer aus. Die nachfolgende Abbildung zeigt den Vergleich zwischen einer starren und einer nachgeführten Anlage an einem wechselnd bewölkten Tag.

Abb.1.8: Vergleich Energieertrag stationäre/nachgeführte Anlage

2.1. Stationäre Nachführungen

Die bisherigen am Markt erhältlichen Nachführungen für Solargeneratoren sind ausschließlich für den stationären Einsatz bestimmt. Dabei werden überwiegend größere Solargeneratoren von ein bis zwei Kilowatt Spitzenleistung oder mehr ausgerichtet, da sich hierbei der zu treibende mechanische Aufwand am ehesten amortisiert.

Abb.1.9a: Kommerzielles Nachführsystem Abb.1.9b: Kommerzielles Nachführsystem Ein Großteil der Nachführungen arbeitet mit vertikalen, leicht schräg stehenden Achsen, die eine gleichzeitige Änderung des Azimutwinkels und der Elevation mit einer einzigen Drehbewegung erlauben. Bei richtiger Berechnung des Anstellwinkels der Drehachse kann hier eine gute Ausrichtung über den Jahresverlauf erzielt werden, wobei eine vollständig korrekte Ausrichtung nur für wenige Tages des Jahres gegeben ist.

Die Nachführmechanismen arbeiten dabei entweder mit Stellmotoren und Getrieben (diese müssen u.a. der nicht unerheblichen Windlast standhalten) oder mit hydraulischen Nachstelleinrichtungen, die z.T. mit der Wärmeausdehnung eines Öls bei Sonnenbestrahlung operieren.

Bild Nachführung Generell steht bei stationären Anlagen die Forderung nach einer robusten Mechanik und entsprechenden Stellmotoren und -getrieben im Vordergrund. Die Anlagen müssen unbeaufsichtigt betrieben werden können und ausreichend robust sein, um auch Starkwindböen stand zu halten. Übliche Windgeschwindigkeiten zur Auslegung liegen bei 120 km/h mit Böen bis 160 km/h. Auf der Kostenseite müssen sie sich an einfachen Gestellen zur fixen Aufstellung des Solargenerators an einem festgelegten Standort messen lassen. Viele Errichter stationärer Anlagen entscheiden sich daher für eine fixe Aufständerung ohne Nachführung und nehmen den verursachten Minderertag in Kauf.

2.2. Nachführungen für den mobilen Einsatz

Im mobilen Einsatz, also bei der Montage des Solargenerators auf einen Fahrzeug sehen die Randbedingungen deutlich anders aus:

  • Geringes Platzangebot auf dem Fahrzeugdach; dadurch kann die gewünsche Leistung nicht durch Zubau beliebiger weiterer Module erbracht werden;
  • Solargenerator wird bislang überwiegend flach liegend montiert; daraus resultiert ein stark verringerter Energieertrag;
  • höherer Energiebedarf gerade bei schlechtem Wetter bzw. geringer Einstrahlung (Heizung, Licht); Forderung nach optimaler Ausbeute unter ungünstigen Einstrahlungsbedingungen; daraus resultiert wiederum die Forderung, den Generator zumindest aufstellen und grob ausrichten zu können;
  • ein unbeaufsichtigter Betrieb bei allen Wetterlagen ist nicht zwingend gefordert; bei Gefahr von starkem oder böigem Wind kann der Generator problemlos in der horizontalen Lage geparkt werden;

Abb.1.10 Abb.1.11 Wir sehen also, eine Ausrichtung bzw. Nachführung des Solargenerators im mobilen Bereich kann erheblich mehr Vorteile bringen als im stationären Bereich! Die beiden 'Kollegen' links und rechts haben das ganz richtig erkannt.

Wichtig zu erwähnen ist, dass es keine komplexe, zweiachsige Nachführung des Generators sein muss, um seinen Energieertrag merklich zu steigern! Eine einfache 'Aufständerung', d.h. das Hochklappen des/der Module aus der Waagerechten kann schon den wesentlichen Unterschied bringen. An praxisgerechten - und fernreisetauglichen - Aufständerungen für das Reisemobil fehlt es allerdings weiterhin. Eine ganz passable Möglichkeit für einzelne Module bietet www.gmb-mount.de an. Ansonsten sind nach wie vor Eigenbaulösungen gefragt.

3. 3D-Nachführung der Lady Grey

Baustelle Hier folgt in Kürze eine Beschreibung der eingesetzten Geräte und interessanter Details.


4. Neue 2D-Nachführung der Lady Grey

Baustelle Hier folgt in Kürze eine Beschreibung der eingesetzten Geräte und interessanter Details.



nach oben Ladegeräte

Baustelle Hier folgt in Kürze eine Beschreibung der eingesetzten Geräte und interessanter Details.



nach oben Versorgungsbatterien

Beim Thema Versorgungsbatterien stellen sich stets die gleichen Fragen:

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Baustelle Welche Technologie ist die Beste?

Beim Thema 'Beste Batterietechnologie' scheiden sich bereits die Geister. In Kürze werde ich mehr dazu schreiben können...

Trenner Welche Kapazität brauche ich? (Auslegungsberechnung)

Die Frage nach der erforderlichen Batteriekapazität lässt sich hingegen (weitgehend) eindeutig beantworten. Dazu müssen wir drei Überlegungen anstellen:

  • Welche Verbraucher muss ich versorgen und für welchen Zeitraum (pro Tag)?
  • Welche Energie kann die Solaranlage liefern (pro Tag)?
  • Welche Autarkiezeit strebe ich an?

Dabei sind die Werte immer für den 'worst case' zu ermitteln, also für den schlimmsten aller (wahrscheinlichen) Fälle! Ihr wisst ja, Mr.Murphy ist auch hier immer mit von der Partie und die Sonne verschwindet schon mal für eine ganze Woche hinter schwarzen Wolken! Also stets eher pessimistische Annahmen treffen! In der Tabelle nicht berücksichtigt sind die Wirkungsgrade des Solar-Laders (ca. 96% für ein modernes Gerät) sowie der Speicherbatterie (ca. 95% bei handelsüblichen Solarakkus), da unsere Berechnung andere, weit gravierendere Unsicherheiten beinhaltet.

Weitergehende Erläuterungen sowie ausführliche Beispielrechnungen findet ihr u.a. bei www.buettner-electronic.de

Als Eckpunkte der Berechnung für die Lady Grey habe ich Folgendes angenommen:

Auslegungsdaten Wert ED
Betriebs-spannung 12V oder 24V, je nach optimaler Wahl zwischen
- Fahrzeugspannung
- Solargeneratorspannung und
- Verbraucherspannung
>>> Näheres findet ihr hier
12V -
Verbraucher: - Kühlschrank 60W 5h
- Heizung 60W 2h
- Radio 20W 4h
- Laptop 60W 3h
- TV / SAT 60W 1h
- Beleuchtung 25W 2h
- Wasserpumpen 90W 0,5h
- GESAMTVERBRAUCH (pro Tag) 835Wh / 69,6Ah bei 12V
Erzeuger: - 3 Panels à PN=80W
  (bei EN = 1000W/m2 und 25°C)
240W
- Einstrahlung (Schlechtwetter) 100W/m2
- Strahlungsdauer (Schlechtwetter) 6h
- GESAMTERZEUGUNG (pro Tag) 144Wh / 12,1Ah bei 12V
Speicher - Leistungsdefizit (Erzeugung - Verbrauch) 144W/d - 835Wh/d = -691Wh/d
oder -57,6Ah/d
- Gewünschte Autarkie 6d
- NOTWENDIGER SPEICHER: 691Wh/d * 6d = 4150Wh
oder 346Ah
- Gewählter Speicher (Akkukapazität): 4320Wh oder 2 x 180Ah

Erforderlich ist also zunächst eine Kapazität von ca. 360Ah (4320Wh / 12V). Relevant ist dabei die Angabe der Batteriehersteller zur 10h-Kapazität, nicht jene zur Kaltstartkapazität, die lediglich bei Starterbatterien von Interesse ist!

Nachdem die erforderliche Kapazität bekannt ist, sollten wir uns Gedanken zu Gewicht, Unterbringung und 'Handling' machen. Ein 12V/360Ah-Block wiegt (je nach Technologie) zwischen einhundert und einhundertfünfzig Kilogramm. Er muss sicher befestigt werden, muss zugänglich bleiben und - ja - er muss ab und zu ein- und ausgebaut werden! Ist es mit den Muckis nicht so weit her, könnt ihr ausweichen auf 6V-Blöcke (2 Stück in Serie; unterwegs schwer zu beschaffen) oder 2V-Blöcke (6 Stück in Serie; Ersatzteilbeschaffung einfacher, da oft in Golfcarts verwendet).

Foto Ausbau Oder ihr verwendet zwei 12V-Batterien in der (gängigen) Größe von 180Ah. Die sind zwar immer noch heftig schwer, aber immerhin handlebar! Diese Einzelbatterien müssten zur Erreichnung der berechneten Gesamtkapazität parallelgeschaltet werden. Bei den gängigen Technologien (nicht Li-Ion-Technik) ist das allerdings höchst problembehaftet und ich kann nur dringend davon abraten (Erklärung). Zum Glück gibt es im Handel - just für diesen Zweck - passende Umschalter. Die kommen auch mit den erforderlichen dicken Anschlusskabeln (50mm2 und mehr) zurecht.

Dieser Umschaltklapparatismus wurde im übrigen von Spezialisten einer großen Forschungsanstalt für Solarenergie 'erfunden' (nicht nur Ausbauer von Reisemobilen sehen sich mit der Problematik größerer Batteriekapazitäten konfrontiert)! Die Philosophie dahinter ist folgende:

Es wird jeweils nur eine Einzelbatterie auf den Lader bzw. die Verbraucher geschaltet. Die andere ist derweil in 'Standby'. Nach einem Monat - oder so - wird (manuell) gewechselt, die bisherige Standby-Batterie wird zur Hauptbatterie und die erste geht auf «Standby». So werden beide Batterien über die Monate hin gleichmäßig belastet ... und die schädliche Parallelschaltung vermieden.

Moderne Ladegeräte haben häufig einen Ladeausgang für eine zweite Batterie, der eigentlich für die Starterbatterie vorgesehen ist. Im Fall der Doppelbatterie kann dieser Ausgang jedoch prima zur Ladungserhaltung der Standby-Batterie genutzt werden! Ganz moderne Ladegeräte haben sogar zwei Ausgänge zur Ladungserhaltung, einen für die Standby-Batterie und einen für die Starterbatterie (vorausgesetzt ihr habt überall die gleiche Spannung!).

Trenner

Entscheidet ihr euch für eine Bordspannung von 24V, könnt ihr dem Problem der Parallelschaltung weitgehend entgehen, denn hier werden die (12V-)Einzelbatterien in Serie geschaltet, was völlig unproblematisch ist. Zudem können die Anschlusskabel erheblich dünner (Faktor 4) ausfallen. Andererseits werdet ihr für einige Verbraucher sog. Spannungswandler brauchen, da die Verbraucher nicht in 24V-Ausführung erhältlich sind!

Ganz ehrlich: stünde ich noch einmal vor der Entscheidung, die Bordspannung einer neuen Lady Grey zu wählen, würde ich 24 Volt wählen. Alles andere - wie die Anzahl der Solarmodule - müsste sich dann eben daran ausrichten! Die Philosophie der Batterieumschaltung würde ich trotzdem beibehalten, denn es ist einfach ein beruhigendes Gefühl, immer eine vollgeladene Batterie 'in Reserve' zu haben. Aber aufgepasst: die gesamte Elektrik würde bei der 24V-Wahl noch ein bißchen komplexer werden (an mehreren Stellen sind dann DC/DC-Wandler nötig und die wollen sinnvoll, sprich möglichst energieeffizient betrieben werden!) EMOTICON EMOTICON EMOTICON


nach oben DC-Verteilung

Wahl der Bordspannung

Die Wahl der Bordspannung ist eine der grundlegenden Entscheidungen, wenn es um die elektrische Anlage geht.

Die mit Abstand meisten Reisemobile werden mit 12 Volt (12V) ausgestattet, da dies den einfachsten Aufbau gewährleistet. Alle Verbraucher im Reisemobilbereich sind für 12V erhältlich: Kühlschrank, Wasserpumpe, Heizung, Radio, inzwischen auch TV und SAT-Anlagen. Dazu liegt die Spannung der Starterbatterie meist bei 12V, so dass die Versorgungsbatterie einfach parallel geschaltet werden kannINFO.

Bei größeren Fahrzeugen (oft auf LKW-Basis), hat man die Qual der Wahl! 12V oder 24V? Was ist die richtige Spannung? Folgende Punkte solltet ihr bei der Entscheidung berücksichtigen:

  • 1. Spannung Starter-/Versorgungsbatterie
  • 2. Spannung Verbraucher
  • 3. Anzahl Solarmodule
  • 4. Leitungsquerschnitte
  • 5. Leistung Wechselrichter

1. Spannung Starter-/Versorgungsbatterie

Die Spannung der Starterbatterie liegt bei LKWs durchwegs bei 24V. Für einen einfachen Aufbau der Gesamtanlage bieten sich 24V auch für den Wohnteil an.

Die Versorgungsbatterien (ganz gleich, welche Technologie ihr wählt) sind durchwegs für 12V erhältlich. Für 24V Anlagenspannung schaltet ihr eben zwei 12V- Blöcke in Reihe. Bei gleicher Speicherkapazität (gerechnet in Wh, nicht in Ah) sind auch die Kosten nahezu identisch. Kein Grund also, sich für diese oder jene Spannung zu entscheiden!

2. Spannung Verbraucher

Manche Verbraucher sind hingegen ausschließlich für 12V erhältlich, allen voran das Autoradio! Auch TV- und SAT-Anlagen sind - da für den 'Campingplatz-Reisenden' konzipiert - mehrheitlich für 12V ausgelegt. In diesem Fall brauchen wir Umsetzer, sog. DC/DC-Converter, die die 24V Versorgungsspannung in die 12V Verbraucherspannung umsetzen. (Entweder einen Wandler pro Verbraucher oder einen zentralen größeren Wandler, der alle 12V-Verbraucher versorgen kann.) Diese Geräte sind - sofern sie einen akzeptablen Wirkungsgrad aufweisen - kostspielig, brauchen Platz (Wärmeabfuhr!) und können ausfallen! Zudem sind sie immer mit Verlusten verbunden, die unserer Energiebilanz gehörig zusetzen können (Umsetzer laufen bei einfachen Anlagen Tag und Nacht!).

Manch einer mag jetzt auf die Idee kommen und sagen: Meine 24V Versorgungsbatterien bestehen ja eh aus zwei 12V-Blöcken, da kann ich ja in der Mitte abzweigen und damit meine 12V Verbraucher versorgen. Gut gedacht, nur leider sehr schädlich für die Batterien!
Begründung: Durch die 12V-Verbraucher würde eine Batterie (nennen wir sie 'A') deutlich mehr belastet als die andere ('B'). Es kommt zu einem ungleichen Ladezustand der Batterien, was sich in merklich unterschiedlichen Spannungen ausdrücktINFO. Der (Solar-, Wind- oder Netz-)Laderegler jedoch misst nur die Spannung beider Batterien gemeinsam und regelt diese aus! Durch den schlechteren Ladezustand sinkt die Spannung der Batterie 'A' weiter ab, während die andere ('B') zu viel Spannung erhält und überladen wird, was zum Auskochen der Batterie 'B', also ihrer Zerstörung führen kann!
Also bitte Finger weg von solchen Lösungen!

3. Anzahl Solarmodule

Der dritte Punkt, der bei der Festlegung der Versorgungsspannung zu beachten ist, ist die Anzahl der Solarmodule. Die weitaus meisten Solarmodule (unabhängig von der Zelltechnologie) werden mit 12V Nennspannung angeboten. Schalten wir zwei Module in Reihe, haben wir 24V Nennspannung. Für beide Varianten gibt's handelsübliche Solarladeregler (die sind in jedem Fall zwingend erforderlich - unabhängig von der Spannung).

Schalten wir drei Module in Reihe, erhalten wir 36V Nennspannung. Und da hört der Spaß auf, denn wir benötigen einen teuren Spezialregler (Sonderfertigung). Bei vier Modulen geht's dann wieder auf: wir schalten eben wieder zwei Module in Reihe und zwei sogenannte Stränge dann parallel! Macht 24V Nennspannung bei doppelter Leistung. Probleme ähnlich der Parallelschaltung von Batteriebänken treten hierbei nicht auf!

Das mit der Reihenschaltung funktioniert also nur bei zwei, vier, sechs oder acht, eben einer geraden Anzahl von Modulen. Bei ungerader Anzahl bleibt als Alternative nur die Bordspannung 12V, will man keinen teuren Spezialregler einsetzen! Dann werden eben alle Module parallel verschaltet, eine (nennenswerte) Leistungseinbuße ergibt sich damit nicht.

Die Anzahl der Solarmodule bestimmt also indirekt die Bordspannung!

Daher solltet ihr euch frühzeitig Gedanken machen, wie viele Solarmodule und welchen Typ ihr einsetzen wollt bzw. könnt. Die Maße der Kabine, die Positionen von Dachluken, Kaminen etc. werden da die Grenzen setzen. Habt ihr freie Wahl würde ich persönlich eine gerade Anzahl von Modulen vorziehen und die Versorgungsspannung zu 24V wählen (vorausgesetzt, ihr seid auf LKW-Basis unterwegs)!

4. Leitungsquerschnitte

Ein letzter Punkt, der zu beachten ist, folgt direkt aus der Versorgungsspannung: die Querschnitte der Stromleitungen. Für 12V braucht ihr bei gleicher Anschlussleistung den vierfachen Querschnitt im Vergleich zu 24V! (Das folgt aus dem berühmten 'Ohmschen Gesetz'). Bei 12V müsst ihr schnell mal Querschnitte von 50mm2 (insbesondere die Verbindungen von der Batterie zur Hauptverteilung) verlegen! WoMo in Flammen Das ist nicht jedermanns Sache und ihr werdet einen Kumpel mit Spezialwerkzeug brauchen (z.B. zum Crimpen der Kabelschuhe)! Bei so großen Strömen ist es besonders wichtig, die Anschlüsse fachgerecht vorzunehmen! Andernfalls können sich hohe Übergangswiderstände, damit Verluste, sprich hohe Temperaturen ergeben, die schon mal zum Abfackeln des Fahrzeugs führen können! Wenn ihr euch nicht sicher seid, fragt einen Fachmann - auch wenn es nur 12V oder 24V sind!

Das mit den Leitungsquerschnitten ist auch ein Problem, das manch professioneller Ausbauer unterschätzt! Da wird der Kühlschrank eben mal mit 2,5mm2 angeschlossen und der Kunde beschwert sich anschließend (zu Recht), dass der Kühlschrank immer wieder wegen Unterspannung abschaltet, obwohl doch die Sonne scheint und die Batterie voll geladen ist!

5. Leistung Wechselrichter

Sollen Wechselrichter zur Versorgung von 230V-Verbrauchern eingesetzt werden, können diese (indirekt) die Versorgungsspannung bestimmen. Liegt die Leistung der Wechselrichter (oder anderer Großverbraucher) über ca. 1000W, so sollte generell eine 24V Anlage eingesetzt werden! Die großen Ströme erzwingen das. Braucht ein 1000W-Wechselrichter bei 12V noch 84A, was mit 50mm2-Anschlussleitungen, kurzen Leitungswegen sowie direktem Anschluss an den Batteriepolen gerade noch zu bewerkstelligen ist, bräuchte ein 2000W-Wechselrichter knappe 170A, soviel wie ein Anlasser für den Motor, nur eben dauerhaft! Das ist mit unseren Mittel nicht mehr zu stemmen, also bitte 24V wählen!

Wobei die Frage bleibt, welcher 2000W-Verbraucher tatsächlich aus der Batterie gespeist werden muss! Allerdings kenne ich einen 'Kollegen', der meinte, einen handesüblichen 4-Platten-Haushaltsherd mitsamt Backofen in seiner Kombüse zu brauchen, der dann über Wechselrichter aus einer 48V Batterie gespeist wurde, die mindestens 1,5 Tonnen wog und den kompletten Doppelboden der Kabine füllte. Auf dem Dach lagen dann gerade vier Solarmodule! Das ganze war ihm sogar von einem 'Profi' berechnet worden! (Die 'Sinnhaftigkeit' von Kochen, Backen oder Heizen mit Solar-/Batteriestrom könnt ihr hier nachvollziehen)

6. Resümee:

Bei Beachtung dieser fünf Punkte solltet ihr die richtige Wahl treffen können. Daneben gibt's natürlich Sonderfälle, die im Einzelfall zu prüfen wären. Mit dem Aufkommen einer völlig neuen Batteriegeneration für Elektromobile (meist auf 48V-Basis, zum Teil mit Spannungen über 200V) könnten sich künftig auch für unseren Bereich neue und interessante Alternativen auftun! Allerdings sollte dabei die Ersatzteilfrage im Auge behalten werden!

Bei der Lady Grey muss ich auf Grund des (damaligen) Solardrehtisches und den drei Modulen mit einer Bordspannung von 12V auskommen. Abgesehen von einem etwas 'komischen' Anschluss des Wechselrichters (der eh die meiste Zeit ausgeschaltet ist) haben sich - auch in der Praxis - keine spürbaren Nachteile gegenüber 24V Bordspannung ergeben. Müsste ich hingegen nochmals neu entscheiden, würde die Wahl auf 24 Volt fallen; alles andere müsste sich dann daran orientieren! (sh. auch hier)

7. Hinweise:

Foto Elektrik Foto Elektrik Aus persönlichen Erfahrungen mit den eingesetzten Bauteile während der Installation sowie der täglichen Nutzung ergaben sich einige Anmerkungen, die ihr hier nachlesen könnt. Insbesondere auf die Untauglichkeit 'handelsüblicher' KFZ-Sicherungen sowie bestimmter KFZ-Stecker für die Elektroinstallion im Fernreisemobil möchte ich an dieser Stelle explizit hinweisen!


nach oben DC-Verbraucher

Baustelle Hier folgt in Kürze eine Beschreibung der eingesetzten Geräte und interessanter Details.



nach oben Kochen mit Batterie- oder Solarstrom? Nein Danke!

In letzter Zeit höre ich vermehrt von Ausbauern, die völlig auf Gas als Brennstoff verzichten und lieber mit Batteriestrom kochen und backen, ja sogar heizen wollen. Was ist davon zu halten?

Nun, die Abneigung gegen Gas an Bord kann ich - bis zu einem gewissen Grad - nachvollziehen. Erstens braucht es in bestimmten (wenigen) Ländern ein wenig Sucherei, um die Flaschen gefüllt zu bekommen. Zum anderen ist Gas natürlich explosiv und sowohl die Gasflaschen als auch die Installation stellen ein gewisses Sicherheitsrisiko dar, das nicht unter den Tisch gekehrt werden kann. Bei fachgerechter Installation allerdings (und das machen wir ja alle) ist das Restrisiko minimal. In der Tat habe ich von keinem Fernreisemobil gehört, das auf Grund eines Gaslecks abgefackelt ist.

Aber deshalb mit Batteriestrom kochen?

"Für andere Anwendungen wie Radio, Laptop, Kühlschrank oder TV haben wir ja schon recht große Batterien an Bord und - hoffentlich - eine leistungsfähige Solaranlage auf dem Dach. Können wir das nicht nutzen und mit Strom kochen und backen - komfortabel und sicher wie zu Hause?"

Die Frage läßt sich schlüssig und belastbar mit ein wenig Mathematik beantworten! EMOTICON Schauen wir uns kurz die Energien an, die ihr braucht, um - sagen wir - das Wasser für den morgendlichen Kaffee oder Tee zu kochen:

Bezeichnung Sym   Wert Einh Bemerkung
Wassermenge: mH2O = 1,0 kg -
Spezifische Wärmekapazität: cH2O = 4,18 kJ · kg-1 · K physikalische Konstante
Temperatur vor dem Kochen: t1 = 15 °C Wasser frisch aus dem Hahn
Temperatur beim Kochen: t2 = 100 °C auf Meereshöhe und bei normalem Luftdruck
Leistung elektr. Herdplatte: PHerd = 1000 W
Energie zum Erhitzen: QH2O = cH2O · mH2O · (t2 - t1) - nur Topfinhalt betrachtet
= 4,18 · 1,0 · (100 - 15) kJ
= 355,3 kJ
= 98,7 Wh 3600 kJ = 1 kWh = 1000 Wh
Um diese Energie ins Kaffeewasser gelangen zu lassen, müssen wir die Energiewandlungskette Batterie - Umrichter - Herd - Kochtopf und die zugehörigen Wirkungsgrade betrachten:
Wirkungsgrad der Batterie: ηBatt = 100 % Ladewirkungsgrad erst später berücksichtigt!
Wirkungsgrad des Wechselrichters: ηWR = 95 % Gutes, modernes Gerät
Wirkungsgrad der Kochplatte: ηKocher = 90 % Verluste an der Kochplatte
Wirkungsgrad des Kochtopfs: ηTopf = 85 % Abstrahlung des Topfs
Energieentnahme aus Batterie: QBATT = QH2O ⁄ ( ηTopf · ηKocher · ηWR · ηBatt ) -
= 98,7 ⁄ ( 0,85 · 0,90 · 0,95 · 1,0) Wh
= 135,8 Wh
= 11,3 Ah bei 12V-Batterie
= 5,65 Ah bei 24V-Batterie
Noch kurz die überschlägige Berechnung der Kochzeit (Abstrahlverluste des Topfes bei heißem Inhalt nicht berücksichtigt):
Kochzeit (Näherung) tKoch = QH2O ⁄ ( PKocher · ηTopf · ηKocher ) h
= 98,7 ⁄ ( 1000 · 0,85 · 0,9 ) h
= 0,129 h = 7,7 min
Wie lange braucht die Sonne nun, um die Energie fürs Kaffeewasser über den Solargenerator nachzuladen?
Einstrahlung der Sonne: PSolar = 1000 W/m2 wolkenloser Himmel, Mitteleuropa
Fläche Solargenerator (SG): ASG = 0,6035 m2 Maße eines (!) Panels BP85
Wirkungsgrad Solargenerator: ηSG = 14,1 % Beispiel BP85; moderne Hochlseitungspanels ca.19%
Wirkungsgrad Laderegler: ηLR = 90 % Laderegler mit MPP-Regelung
Ladewirkungsgrad Batterie: ηBatt,Lade = 85 % Blei-Säure-Akku
Ladeleistung an Batterie: PBatt,Lade = PSolar · ASG · ηSG · ηLR · ηBatt,Lade W wieder abrufbare Energie aus der Batterie
= 1000 · 0,6035 · 14,1 · 0,90 · 0,85 W
= 65,1 W
Zeit zum Nachladen: tNachladen = QBATT ⁄ PBatt,Lade Wh ⁄ W
= 135,8 ⁄ 65,1 Wh ⁄ W
= 2,08 h
= 125 min
Zum Nachladen der fürs Kaffeewasser in knapp 8 Minuten entnommenen Energie (Arbeit) braucht die Sonne an einem sehr sonnigen Tag in Mitteleuropa ca. 2 Stunden (unter den getroffenen, sehr optimistischen Annahmen)!
Die richtigen Schlüsse aus der überschlägigen Berechnung müsst ihr nun selber ziehen! Aus Sicht eines Energie-Ing. ist es Schwachsinn (um es gelinde auszudrücken.) Selbst bei modernen Li-Ionen-AkkusINFO und neuen Hochleistungs-SolarmodulenINFO wird die Rechnung nicht sinnhafter!
Anmerkung: Bei thermischen Anwendungen (Kochen, Backen, Heizen u.ä.) ist es immer vorteilhafter, die Energie direkt aus einem Primärenergieträger (Öl, Gas, Kohle etc.) zu gewinnen. Die rein thermischen Wirkungsgrade sind zwar ebenfalls alles andere als ideal, liegen aber doch bei fünfzig bis knapp siebzig Prozent (bezogen auf den Energie­inhalt des Brennstoffs). Verglichen mit den maximal zwanzig Prozent eines Fotovoltaikmoduls eine Klasse besser, oder?