Laderegler für Solaranlagen auf Yachten: MPPT oder PWM?

Von Julian Schüren

Diplom-Ingenieur Julian Schüren ist Gründer und Inhaber der Firma SunWare Solartechnik und beschäftigt sich seit über 30 Jahren mit der Konstruktion und Fertigung von Solarmodulen und Solar-Ladereglern für Salz- und Seewasseranwendungen.

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Solaranlagen auf Yachten – die Ausgangssituation

Die stabile Energieversorgung auf Yachten ist für viele Bootsbesitzer zu einem zentralen Thema geworden. Der Grund ist einfach: Immer mehr Aufgaben an Bord werden von elektronischen Geräten, Pumpen und anderen Helfern übernommen und längst wollen viele Segler nicht mehr auf den Komfort, der damit einhergeht, verzichten. Und sei es nur, dass die Getränke im – energiehungrigen – Bordkühlschrank schön kalt sind :-).

Blauwassersegler, die gerne autark sein wollen, verbringen oft Wochen oder gar Monate abseits einer Hafensteckdose. Aber auch bei Fahrtenseglern, die regelmäßig Marinas aufsuchen, reicht das gelegentliche Laden im Hafen bei der Vielzahl an Verbrauchern oft nicht mehr aus, um eine konstante Energieversorgung zu gewährleisten. Dann bleibt der Dieselmotor mit Lichtmaschine. Doch, mal abgesehen von der unnötigen Belastung von Umwelt und Bordkasse, welcher Segler motort schon gern, wenn es nicht unbedingt sein muss?

Mit Solarmodulen kann eine Stromversorgung ohne lästige Motorgeräusche erreicht werden. ©SunWare

Im Zuge dieser Entwicklung hat sich die Versorgung durch Solarenergie an die Spitze der alternativen Energieversorgung auf Yachten emporgearbeitet, nicht zuletzt auch dadurch, dass die dafür benötigten Komponenten immer erschwinglicher geworden sind.

Bei der Planung einer Solaranlage liegt das Hauptaugenmerk der Anwender oft auf der Dimensionierung der Solarmodule, die die Energie liefern oder auf der Batteriebank, die die Energie speichert. Oftmals vernachlässigt wird der dazwischenliegende Laderegler. Er ist jedoch von zentraler Bedeutung für eine sichere, zuverlässige und vor allem auch effizient arbeitende Solaranlage. Nur wenn alle Komponenten der Solaranlage richtig aufeinander abgestimmt sind, kann auch das Maximum der zur Verfügung stehenden Sonnenergie genutzt werden. Grund genug, einen genaueren Blick auf die Komponente „Laderegler für Solaranlagen“ zu werfen.

Aufbau und elektrischer Anschluss eines Solarsystems an Bord einer Yacht ©SunWare

Zu jedem Solarmodul gehört eine Leistungskurve

Die Sonne scheint und je nachdem, in welchem Winkel und mit welcher Intensität die von ihr ausgehenden Photonen auf ein Solarmodul treffen, werden sie in mehr oder weniger Strom umgewandelt. Je größer das Solarmodul ist, je kälter die Umgebungstemperatur ist und so günstiger die Einstrahlung ist, umso mehr Strom wird für die Batterien erzeugt.

©BLAUWASSER.DE

Die Grafik zeigt die Leistungskurve für ein exemplarisches Solarmodul. Jedes Solarmodul-Modell hat eine andere Leistungskurve! Der Punkt der optimalen Leistung und damit auch der optimalen Ladung (Pmax Idealbetrieb) ist an der Stelle zu finden, an dem die Leistungskurve des Beispiel-Moduls eine Steigung von 45 Grad aufweist. Die graue Fläche unter der Kurve stellt die Leistung dar. Sie ist am Punkt (Pmax Idealbetrieb) maximal groß. Die maximale nutzbare Spannung UPmax liegt bei 19,6 Volt und der maximal nutzbare Ladestrom IPmax bei etwa 4,9 Ampere. Das sind theoretische Laborwerte (deswegen auch der Zusatz „Idealbetrieb“). Die Praxis sieht oft anders aus.

Der grüne Bereich in der Grafik zeigt den nutzbaren Spannungsbereich an, in dem sich eine bleibasierte Batterie für gewöhnlich bewegt. Klassische bleibasierte Batterien sind: Bleisäure-Batterien, Gel-Batterien und AGM-Batterien. Lithium-Batterien verhalten sich anders. Hier werden zunächst erst einmal nur bleibasierte Batterien betrachtet.

Für bleibasierte Batterien gelten spezielle Laderichtlinien, die beachtet werden müssen. ©Sönke Roever

Da die UPmax in der Beispielgrafik mit 17,5 Volt höher ist als die typische Spannung einer bleibasierten Batterie, könnte man auf die Idee kommen, das Solarmodul direkt mit der Batterie zu verbinden. Das ergibt allerdings keinen Sinn, da die zu hohe Spannung zu ernsthaften Batterie- oder gar Gesundheitsschäden durch Gasung der Batterie bis hin zum Ersticken führen kann. Hinzu kommt, wenn der Batteriezustand nicht dauerhaft beobachtet wird, kann das auch richtig gefährlich werden!

Der „Füllstand“ der Batterie hat Einfluss auf die Ladung

Für die Ladung einer Batterie ist es generell wichtig, ihren „Füllstand“ zu kennen. Er kann annähernd über die Spannung der Batterie im Ruhezustand – also ohne Last – ermittelt werden, wenn es sich um bleibasierte Batterien handelt. Wie gesagt: Lithiumbatterien verhalten sich anders. Lithiumbatterien können sehr lange eine Spannung halten und schalten je nach Batteriemanagement-System früher oder später ab.

Je voller die Batterie, umso höher ist auch die an den Polen anliegende Spannung bei einer Batterie ohne Last (die nicht geladen wird) – im Ruhezustand. ©BLAUWASSER.DE

Ein Beispiel: Angenommen, eine typische bleibasierte 12-Volt-Batterie ist zu 70 Prozent geladen, im gesamten System würden demzufolge im Ruhezustand ungefähr 12,3 Volt Spannung anliegen. Wird die Batterie weiter geladen, steigt auch die Spannung bei 80 Prozent auf ungefähr 12,4 Volt, bei 90 Prozent auf 12,5 Volt, bis sie bei 12,7 Volt im Ruhezustand als vollgeladen gilt.

Die Spannung der Batterie ist für die Regelung der Ladung maßgeblich. Hier werden 12,6 Volt angezeigt. ©SunWare

Im Optimalfall werden die verschiedenen bleibasierten Batterietypen dann noch mit einer speziell auf den Typ abgestimmten Ladekurve weitergeladen. Typischerweise geschieht das, indem bestimmte Intervalle durchlaufen werden.

Die Ladung einer bleibasierten Batterie durchläuft idealerweise mehrere Phasen. Die entsprechende Kennlinie heißt IU0U-Kennlinie. ©BLAUWASSER.DE

Tipp: Jeder bleibasierte Batterietyp hat genau genommen eine eigene optimale Ladekurve, die an vielen Reglern eingestellt werden kann. Dadurch werden unter anderen die Maximalspannung und Spannung der Erhaltungsladung festgelegt. Eine korrekte Einstellung verbessert maßgeblich die Lebensdauer der angeschlossenen Batteriebank.

Bei diesem kompakten Laderegler kann der Batterie-Typ über DIP-Schalter eingestellt werden. ©SunWare

Die Arbeitsweise des Solar-Ladereglers

Egal ob ein Laderegler in der Lichtmaschine des Motors, im Windgenerator, im Landstromanschluss oder eben in der Solaranlage sitzt, misst der Regler, wie hoch die Spannung der Batterie ist und wann die Batteriebank vollgeladen ist. Wird ein festgelegter Wert erreicht, wird die Stromzufuhr abgeschaltet beziehungsweise auf die für Batterien unbedenkliche Batterieerhaltungsladung heruntergeregelt (letzte Phase der IU0U-Kennlinie).

Die Grundfunktion eines jeden Reglers ist der Überspannungsschutz und in der Folge auch der Überladungsschutz. Alle weiteren Funktionen dienen der Effizienz des Ladevorgangs oder dem Schutz der Batteriebank vor unnötigem Verschleiß. Ein Solarregler macht genau dasselbe wie die anderen Regler auch. Man könnte ihn als einen Schalter verstehen. Sind die beiden vom Solarmodul kommenden Kabel verbunden, fließt Strom, sind sie getrennt, ist das Modul im Leerlauf.

Wichtig zu verstehen ist, dass die Spannung der angeschlossenen Batteriebank die Spannung im gesamten System bestimmt (also auch an den Solarmodulen). Diese „Batteriespannung“ überwacht der Solar-Laderegler. Überschreitet die Ladung durch die Sonne eine Spannungsgrenze, trennt der Regler den Stromfluss, indem er das Solarmodul von der Batterie „abklemmt“ und in den Leerlauf schaltet. Wird die Batterie entladen, sinkt damit auch die Spannung. Folglich verbindet der Solar-Laderegler das Solarmodul wieder mit der Batterie.

Moderne Solar-Laderegler können noch mehr als dieses simple „An- und Ausschalten“. Sie können beispielsweise mit der Art und Weise, wie sie ein- und ausschalten, die Lebensdauer der Batterien erhöhen. Dazu gleich noch mehr.

Regelmäßige Wolken-Sonne-Wechsel lassen die Spannung am Solarmodul schwanken. ©Cobalt/stock.adobe.com

Natürlich wird auch versucht, die Effizienz der Ladung zu optimieren. Das ist gerade bei Solaranlagen eine Herausforderung. Denn im Gegensatz zu einer Energiequelle, wie beispielsweise einem Landstromanschluss oder einer Lichtmaschine, ist die Leistung eines Solarmoduls alles andere als konstant. Es gibt ständige Schwankungen, weil die Stromproduktion bei einem Solarmodul von sehr vielen Einflüssen abhängt. Das können Temperaturschwankungen sein, aber auch eine Wolke, die sich vorübergehend vor die Sonne schiebt. Ganz zu schweigen von der ständigen Winkelveränderung zur Sonne, die beim Segeln unweigerlich auftritt – beispielsweise beim Schwojen am Ankerplatz oder durch Seegang. Ein guter Solar-Laderegler berücksichtigt diese Leistungsschwankungen.

Der Laderegler ist die Schnittstelle zwischen dem Solarmodul und der Batterie. ©SunWare

Einfluss der Einstrahlungsintensität auf die Leistung des Solarmoduls

Die folgende Grafik zeigt, wie sich die Leistungskurve eine Solarmoduls verändert, wenn die Einstrahlungsintensität abnimmt. Das passiert, wenn es zu einer Verschattung kommt – beispielsweise durch Wolken – oder das Sonnenlicht in einem ungünstigen Winkel auf das Modul trifft – beispielsweise durch Krängung. In beiden Fällen bleibt die Spannung davon unberührt, die Stromstärke hingegen sinkt linear-abhängig von der Abnahme der Einstrahlungsintensität (IPmax nimmt ab).

Dieses Beispiel zeigt, wie eine Verschattung oder ein ungünstiger Winkel den Ladestrom senken können. ©BLAUWASSER.DE

Einfluss der Temperatur auf die Leistung des Solarmoduls

Außerdem lässt sich die Arbeitsweise eine Solar-Ladereglers besser verstehen, wenn man weiß, dass die Temperatur im Solarmodul eine sehr große Auswirkung auf die Spannung hat. Dazu sei erklärt, dass die Spannung des Solarmoduls für eine Temperatur von 25 Grad Celsius angegeben wird. Sie heißt UPmax und wird normalerweise unter Laborbedingungen gemessen. Gemeint ist die Temperatur im Kern des Siliziums, also nicht die Temperatur an der Glasoberfläche des Solarmoduls.

Ein Solarmodul besteht aus einzelnen Solarzellen. Die Temperatur im Kern der Zelle spielt eine gewichtige Rolle. ©SunWare

Im Betrieb, beispielsweise im Mittelmeer oder der Karibik, können die Temperaturen in den Zellen durchaus auf 70 bis 75 Grad Celsius steigen. 50 Grad Temperatur-Differenz haben einen Spannungsverlust der UPmax von etwa drei Volt zur Folge!

Zur Verdeutlichung: Schon ein wenig Sonne reicht aus, um die Temperatur im Kern der Solarzelle signifikant anzuheben. Das gilt auch beim Segeln durch die vermeintlich kalte Nordwestpassage. Deshalb ist eine Hinterlüftung der Solarmodule wichtig, sie fehlt jedoch oftmals – beispielsweise, wenn Module auf dem Kajütdach verklebt werden.

Beispiel dafür, wie Temperaturerhöhungen die Ladespannung senken können. ©BLAUWASSER.DE

Die vorstehende Grafik zeigt, wie sich die Leistungskurve eine Solarmoduls verändert, wenn es zu einer Erwärmung der Solarzellen kommt, was in der Praxis, wie gesagt, üblich ist, da die Sonne auf das Modul scheint und dieses dadurch erwärmt. Die Stromstärke bleibt von der Temperaturänderung nahezu unberührt, die Spannung hingegen sinkt linear zum Temperaturanstieg (UPmax nimmt ab).

Mehr noch: Die Spannung UPmax rückt dichter an die Batteriespannung heran. Steigt die Temperatur weiter an, kann es passieren, dass die Spannung so weit sinkt, dass die Batterie nicht mehr vollständig geladen wird.

Solarmodule auf Yachten unterliegen vielen Einflussfaktoren. ©AlexTihonov/stock.adobe.com

Der Einsatz von Solarmodulen auf Yachten bringt Herausforderungen mit sich

Auf einer typischen Yacht treten alle genannten Effekte auf: Es kommen Verschattungen, ungünstige Winkel und Temperaturschwankungen vor. Die nächste Grafik zeigt daher typische Leistungskurven, die auf Yachten entstehen können. Je nach Bedingungen weicht die tatsächliche Leistung mitunter deutlich vom Idealbetrieb ab. In der Grafik sind exemplarische Betriebszustände mit ihren Leistungskurven und unterschiedlichen Punkten Pmax zu finden (grauer Kreis, roter Rand).

Im Praxisbetrieb auf einer Yacht entstehen abhängig von den Rahmenbedingungen unterschiedliche Punkte Pmax. ©BLAUWASSER.DE

Die genannten Schwankungen müssen beim Laden berücksichtigt werden. Dafür gibt es den Solar-Laderegler, der, vereinfacht dargestellt, wesentlich häufiger als andere Regler-Typen ein- und ausschaltet. Das ist auch der Grund, warum Regler anderer Ladequellen an Bord mit Solarmodulen nicht kompatibel sind und diese „anderen“ Regler nur für den vorgesehenen Zweck benutzt werden sollen.

Tipp: Mehrere verschiedene Regler-Typen, beispielsweise Solar, Lichtmaschine, Windgenerator, gleichzeitig auf einer Yacht zu betreiben ist kein Problem. Eine gegenseitige Beeinflussung der Regler findet nicht statt. Jeder Regler überwacht die Spannung, die im Gesamtsystem anliegt, für sich und reagiert analog zu seiner Ladequelle.

Sonderfall: Lithiumbatterien und Solaranlagen

Die Technologie von Lithiumbatterien unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Bleibatterien. Lithiumbatterien verfügen über eine Art internen Regler, das so genannte Batteriemanagementsystem (BMS). Das BMS ist ein System mit Ladezustandserkennung, Tiefenentladungs- und Überspannungsschutz. Zur optimalen Ladung und zum Schutz der Lithiumbatterie ist jedoch auch hier zwingend ein Solarregler zwischen Solarmodul und Batterie notwendig. Dieser muss jedoch auf Lithiumbatterien ausgerichtet oder zumindest auf Lithiumladefunktion umschaltbar sein.

Dieser Laderegler ist für Lithiumbatterien geeignet, wie der Zusatz „LiFe(Y)PO4“ verrät. ©SunWare

PWM (Pulse Width Modulation) – Pulsbreiten-Solar-Laderegler

Ein PWN-Laderegler ist die technisch einfachere, dafür aber auch robustere und langlebigere Lösung unter den Solarreglern. Er entspricht am ehesten dem zuvor beschriebenen Bild des Schalters, der die Verbindung vom Solarmodul zur Batterie an- und abschaltet, um die Spannung auf die Batterie einzustellen. Es gibt dabei zwei zuverlässig funktionierende Herangehensweisen, die beide zum selben Ergebnis führen. Serien-Regler öffnen die Leitung und schalten damit sozusagen in den Leerlauf. Shunt-Regler schließen die Leitung kurz (Die Plus- und Minusleitung des Solarmoduls werden verbunden). In beiden Fällen sind die Batterien nicht mehr mit dem Solarmodul verbunden und können somit nicht überladen werden.

Beispiel für einen typischen PWM-Regler. ©SunWare

Um optimal auf den schnellveränderlichen Ladestrom von Solarmodulen zu reagieren, wird in PWM-Solarreglern der Schaltvorgang moduliert. Dabei wird mit einer Frequenz von bis zu 500 Hertz, das heißt 500 Schaltvorgängen pro Sekunde, die Verbindung zwischen Batterie und Solarpanel an- und abgeschaltet. Moduliert wird die, über die Zeit gesehene, Länge der An- und Abschaltimpulse. Längere Abschaltimpulse verringern den Stromfluss und kürzere erhöhen den Ladestrom. Daraus ergibt sich der technische Begriff: Puls-Breiten-Modulation, oder in Englisch „Pulse Width Modulation (PWN)“ – es wird die Breite des Puls variiert.

Das Prinzip der PWM-Regelung (Puls-Weiten-Modulation). ©SunWare

Tipp: Es entsteht bei jedem Schaltvorgang des Solarreglers minimal Wärme, daher gibt es bei seriösen Herstellern Kühlkörper an den Gehäusen.

Über die Kühlrippen auf der Gehäuserückseite dieses Reglers wird Wärme abgeführt, die beim „Regeln“ entsteht. ©SunWare

MPPT-Solar-Laderegler (Maximum Power Point Tracker)

Die technisch aufwendigere Variante des Solar-Ladereglers ist ein MPPT-Laderegler. Wie das Wort „Maximum“ schon andeutet, wird hier versucht, das Optimum an Leistung aus den Solarmodulen herauszuholen, was über eine ausgeklügelte Technik erreicht wird.

Vereinfacht betrachtet besteht ein MPPT-Solarregler intern aus drei Komponenten: einem Tracker, dem eigentlichen Regler und einem Wandler. Diese drei Komponenten wollen wir einmal näher betrachten.

MPPT-Laderegler an Bord einer Fahrtenyacht. ©Sönke Roever

Der MPPT (Maximum Power Point Tracker)

Die erste Komponente ist ein Tracker. Wie bereits beschrieben, gibt es Einflüsse von außen, die dafür sorgen, dass der Strom oder die Spannung und damit automatisch auch die Leistung des Solarmoduls variieren. Um dem gerecht zu werden, sucht der „Tracker“ ständig nach dem optimalen Verhältnis zwischen Strom und Spannung, verschiebt also permanent den Arbeitspunkt, der vom Solarmodul zur Verfügung stehenden Leistung dorthin, wo eine maximale Ladung der Batterie möglich ist – das ist der Schnittpunkt (Pmax), den IPmax und UPmax bilden.

Der MPPT-Laderegler versucht, das Modul so zu belasten (Stromentnahme), dass das Modul auf der Kennlinie im optimalen Arbeitspunkt arbeitet und so die maximale Leistung abgibt. Das Maximum entspricht der größtmöglichen Fläche unter der Kurve. ©BLAUWASSER.DE

Die Suche nach dem optimalen Punkt klingt nach einem einfachen Vorgang. Tatsächlich ist dies jedoch ein hochkomplexer Prozess. Hierbei kommt maßgeblich die Qualität der Regler ins Spiel. Ein hochwertiger Regler kann sich direkt auf Schwachstellen, wie beispielsweise verschattete Zellen, einstellen und in der Folge die maximal mögliche Leistung bereitstellen.

Der DC/DC-Wandler im MPPT-Solar-Laderegler

Die zweite Komponente ist ein Gleichspannungswandler, der in der Fachsprache auch DC/DC-Wandler genannt wird. Die Abkürzung DC steht dabei für „direct current“, dem englischen Begriff für „Gleichstrom“. Der DC/DC-Wandler passt die variable Eingangsspannung des Solarmoduls auf die von der Batterie vorgegebene Spannung an.

Zur Erinnerung: Die Spannung der Batterie bestimmt im Normalfall auch die Spannung am Solarmodul. Der MPPT-Regler kann die Arbeitsspannung des Moduls allerdings nur dann optimal justieren, und damit auch den daraus resultierenden Stromfluss regulieren, wenn er von der Batteriespannung abgekoppelt wird.

Die Abkopplung erlaubt eine höhere Spannung am Solarmodul, als sie batterieseitig ohne Schädigung der Batterie möglich wäre. In der Folge steigt der Ladestrom. Den Grund dafür finden wir in einer Formel aus der Physik:

P = U * I

P steht für die elektrische Leistung, also die Energie, die uns gerade zum Laden der Batterie Verfügung steht. U ist die Spannung, I der Strom, den das Solarmodul in diesem Moment liefert. Ohne die Abkopplung würde die Batteriespannung die Spannung des gesamten Systems vorgeben.

Trotzdem benötigen wir eine Verbindung zwischen den beiden Spannungen, schließlich sind da die Spannung der Batterie auf der einen und die Spannung des Solarmoduls auf der anderen Seite. Diese Verbindung wird mit dem DC/DC-Wandler hergestellt.

Dazu ein Beispiel: Die Batterie und das Solarmodul sind nicht voneinander abgekoppelt. Die Batterie hat eine Spannung von 12,4 Volt und das Solarmodul in der Folge auch. Wenn jetzt das Solarmodul 5,0 Ampere Strom liefert, entsteht laut Formel U (12,4 Volt) mal I (5 Ampere) eine Ladeleistung von 62 Watt. Wenn die Batterie und das Solarmodul voneinander getrennt sind, könnte das Solarmodul mit einer höheren Spannung arbeiten – beispielswiese 16,0 Volt. Wenn jetzt das Solarmodul 5,0 Ampere Strom liefert, entsteht laut Formel U (16,0 Volt) mal I (5,0 Ampere) eine Ladeleistung von 80 Watt. Die Abkopplung führt in dem Fall also zu einer Leistungssteigerung um 18 Watt.

Der DC/DC-Wandler transformiert dabei die erhöhte Spannung des Solarmoduls (16,0 Volt) auf die niedrigere Spannung der Batterie (12,4 Volt). Da die Leistung dabei erhalten bleibt, fließt nun auf der Batterieseite ein Ladestrom von circa 6,5 Ampere (80 Watt / 12,4 Volt = 6,5 Ampere). In der Realität entsteht ein kleiner Verlust beim Wandeln, aber das kann bei der Modellrechnung vernachlässigt werden.

Beispiel für einen MPPT-Regler. ©Mastervolt

Die Reglereinheit im MPPT-Solar-Laderegler

Die dritte Komponente bei einem MPPT-Regler ist die Regler-Einheit selbst. Sie entspricht einem klassischen Laderegler, der die beschriebene Aufgabe hat, die Batterie vor einer Überladung zu schützen. Zur Erinnerung: Der Regler misst die Spannung und entscheidet, wie viel Strom durchgelassen wird.

Besonderheiten von MPPT-Solar-Ladereglern

Damit ein MPPT-Solar-Laderegler gute Ergebnisse liefert, muss solarseitig eine Spannung zur Verfügung stehen, die eine klare Differenz zur Batterie hat. Ein bis zwei Volt Spannungsunterschied helfen hier nicht weiter, da es bei Solarmodulen Spannungsschwankungen geben kann, die größer sind. Das ist deshalb von Bedeutung, da der DC/DC-Wandler im Solarmodul nur arbeitet, wenn die Spannung auf der Modulseite höher als auf der Batterieseite ist. Unterschreitet die Modulspannung die Batteriespannung schaltet der Wandler ab.

Detailangaben zu Solarmodulen sind in den technischen Datenblättern der Hersteller zu finden. ©SunWare

Auch dazu ein Beispiel: Ein Solarmodul, für das im technischen Datenblatt eine UPmax von 17,0 Volt steht, kommt durch einen temperaturbedingten Verlust von drei Volt nur noch auf 14,0 Volt. Hinzu kommen noch die typischen Verluste durch Kabel. Und auch die Wandlungen im Laderegler reduzieren die Spannung. Schlussendlich wird die maximale zur Verfügung stehende Modulspannung irgendwo zwischen 12,5 und 13,5 Volt liegen und das auch nur, wenn die Leistung des Solarpanels nicht auch noch durch weitere Faktoren, wie Wolken oder einen schlechten Einstrahlwinkel der Sonne, beeinflusst wird. Eine effiziente Ladung der Batterie ist somit nicht mehr möglich. Hier nähern wir uns also dem Bereich, in dem der MPPT-Regler abschaltet.

Achtung: Bei vielen Herstellern ist eine Spannungsdifferenz zwischen Input und Output vorgegeben. Sie ist erforderlich, damit der Wandler im Regler überhaupt einschaltet. Es lohnt sich also, genau in die Datenblätter der Hersteller zu schauen. Das ist jedoch kein unlösbares Problem, da es durchaus Hersteller gibt, die Solarmodule anbieten, die mehr Zellen und damit auch eine höhere UPmax haben. Solche Module haben beispielsweise 40 statt 36 Zellen. Wenn eine Zelle im Leerlauf etwa 0,6 Volt hat, bedeutet dies 2,4 Volt mehr Puffer bei Temperaturschwankungen. Für Blauwassersegler, die in die Tropen segeln wollen, ist dies ein sehr wichtiger Punkt!

Je nach Anzahl der Zellen variiert die Modulspannung. Hier ist die Anzahl der Zellen von Beispielmodul 2 (Pmax 2 blau) höher als die von Beispielmodul 1 (Pmax 1 – braun). ©BLAUWASSER.DE

Vor dem Hintergrund sollte mit marketinggetriebenen Angaben aufgepasst werden. Aussagen wie „Ein MPPT-Regler liefert 30 Prozent mehr Leistung als ein klassischer Regler“ stimmen nur dann, wenn die Leerlaufspannung des Moduls auch eine entsprechend hohe Spannung liefert.

Alternativ besteht die Möglichkeit, die Spannung durch Reihenschaltung verschiedener Module zu erhöhen. Doch Achtung: In einer salzigen und feuchten Umgebung birgt eine hohe Gleichstrom-Spannung ein nicht zu unterschätzendes Unfallrisiko. Im Gegensatz zum im Haushalt gebräuchlichen Wechselstrom erzeugt Gleichstrom bei einem Kontakt kein Herzflimmern, sondern einen Herzstillstand!

In der CE-Norm ist die maximal zulässige Spannung für Gleichstrom-Systeme auf 80 Volt begrenzt! Wichtig: Bei der Kalkulation wird nicht der Wert UPmax, sondern die Leerlaufspannung (UOC) addiert (open Circuit). Die Leerlaufspannung ist ebenfalls im technischen Datenblatt des Solarmoduls zu finden. Sie beschreibt die maximale Spannung, die ein Modul abgeben kann, und ist deutlich höher als UPmax.

Pro Solarmodul sollte ein eigener MPPT-Regler zum Einsatz kommen. ©SunWare

Ein weiterer Punkt bei der MPPT-Regelung ist, dass das Tracking eigentlich nur optimal in einem System funktioniert, das aus nur einem Solarmodul und einem Solar-Laderegler besteht. Nur dann kann das Tracking richtig auf die Bedingungen am Solarmodul reagieren. Bei zwei oder mehr parallel geschalteten Solarmodulen funktioniert das MPP-Tracking nur, wenn alle Module immer derselben Sonneneinstrahlung oder umgekehrt Beschattung ausgesetzt sind. Auf einer Yacht ist das eher selten der Fall. Hier helfen nur Reihenschaltung (registriert der Regler als ein Modul), ein ausreichend dimensioniertes Einzelmodul oder eben pro Solarmodul ein eigener MPPT-Solar-Laderegler.

Ein weiterer häufiger Fehler in der Anschaffung eines MPPT-Solar-Ladereglers ist die falsche Dimensionierung. Viele Yachtbesitzer kaufen auf „Zuwachs“, sprich, es wird ein Regler gekauft, der hohe Ladeströme vom Solarpanel vertragen kann, um später das System durch weitere Solarmodule erweitern zu können, ohne den Regler tauschen zu müssen. Auch das geht leider zu Lasten der Effizienz, wie folgende Grafik verdeutlicht.

Der Wirkungsgrad bestimmt das Verhältnis der möglichen Leistung im Verhältnis zur Energie, die schlussendlich bei der Batterie ankommt. ©BLAUWASSER.DE

Die vorstehende Grafik zeigt, dass DC/DC-Wandler gute und schlechte Arbeitsbereiche haben. Liefert das Solarmodul weniger als 50 Prozent der Ladeströme, auf die der MPPT-Regler ausgerichtet ist, wird keine optimale Leistung mehr ausgegeben. Im Beispiel ist der MPPT-Regler für einen Strom von 12 Ampere ausgelegt. Bei 10 Ampere liegt der Wirkungsgrad bei etwa 95 Prozent (Arbeitspunkt 1/grün). Bei 4 Ampere hingegen liegt der Wirkungsgrad nur noch bei etwa 83 Prozent (Arbeitspunkt 2/blau).

Bei der MPPT-Solar-Laderegler-Dimensionierung ist auch zu beachten, dass, wie weiter oben ausführlich aufgezeigt wurde, eine Verschattung oder ein schlechter Einstrahlwinkel die Ströme am Paneel noch weiter reduzieren. Der Wirkungsgrad nimmt dann noch weiter ab (im Beispiel auf 1 Ampere beziehungsweise 65 Prozent (Arbeitspunkt 3/rot).

Umgekehrt bedeutet dies, dass bei der Anschaffung/Planung einer Solaranlage der MPPT-Solar-Laderegler auf keinen Fall zu groß dimensioniert werden sollte! Oder anders formuliert: Die Dimensionierung muss zum System passen!

Solarmodul an Bord einer Yacht. ©SunWare

Fazit

Um bei einer Solaranlage an Bord einer Yacht die maximal mögliche Effizienz zu erreichen, muss sie gut durchdacht sein. Die Thematik ist komplex und der Teufel steckt wie so häufig im Detail. Die Folgen eines falschen Ladereglers sind unzureichende Ladeströme, Schäden an der Batteriebank oder im schlimmsten Fall gar Personenschäden.

Auch die Entscheidung zwischen einem grundsoliden und dadurch vermutlich auch langlebigeren PWN-Regler und einem modernen, technisch anspruchsvolleren und dadurch eventuell auch störungsanfälligeren MPPT-Solar-Laderegler ist keine Frage, die pauschal beantwortet werden kann. Zu viele äußere Faktoren wie Temperatur und Sonneneinstrahlung im Fahrtgebiet oder Spannung und Leistung der verwendeten Module müssen in die Planung mit einbezogen werden.

Schlussendlich ist auch der Grad der gewünschten Autarkie ein Aspekt. Planen wir beispielsweise ein Blauwasserreise in abgelegene Regionen ist vielleicht ein technisch einfacherer und dadurch ausfallsicherer PWN-Regler die bessere Wahl, auch wenn wir dadurch eventuell Abstriche in der Effizienz machen müssen.

Und nicht zuletzt ist Regler nicht gleich Regler. Die Qualität hat Einfluss auf die Performance. Eine Rolle spielen beispielsweise die Größe und Ausführung der Anschlussklemmen, der Aufbau des passiven Kühlkörpers oder die angesprochene Qualität des Trackers bei MPPT. Da bei der Yachtausrüstung ein Solarregler ein preiswertes Bauteil ist, sollte hier nicht am falschen Ende gespart werden!

Wer also eine möglichst effiziente, langlebige und genau auf seine Bedürfnisse zugeschnittene Solaranlage auf seiner Yacht installieren möchte, muss auch den Kauf des passenden Solar-Ladereglers sorgfältig planen – vermeintlich einfaches Plug and Play führt nicht unbedingt zu besten Ergebnissen. Wer unsicher ist, sollte sich auf jeden Fall von einem fachkundigen Berater unterstützen lassen!

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SunWare

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