Ratgeber
Solarladeregler zählen zu den wichtigsten Komponenten in Insel-Photovoltaikanlagen. Sie regulieren Ladestrom und Ladespannung von Solarakkus bzw. -batterien und schützen sie auf diese Weise vor Über- und Tiefentladung. Wie Solarladeregler aufgebaut sind und worauf beim Kauf zu achten ist, erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Mithilfe von Solarmodulen, auch Solarpanels genannt, wird Sonnenlicht in elektrische Energie umgewandelt. Um Phasen geringer Sonneneinstrahlung überbrücken oder Spitzenbelastungen puffern zu können, kommen Solarakkus bzw. -batterien zum Einsatz. Sie stellen der Solaranlage im Fall einer Unterversorgung Strom bereit, indem sie überschüssige Solarenergie speichern und sie bei Bedarf wieder abgeben.
Ein Solarladeregler, auch Solar-Controller genannt, steuert diesen Vorgang. Er sorgt dafür, dass die Solarbatterie mit dem richtigen Ladestrom versorgt wird und keine Schäden durch zu hohe oder zu niedrige Spannungen davonträgt. Auf diese Weise trägt er zu einer gleichbleibenden Leistung und Kapazität sowie einer längeren Lebensdauer des Akkus bei. Gleichzeitig ist der Laderegler Schaltzentrale und Bindeglied zwischen Solarmodul, Batterie und Endgeräten.
Doch warum werden Laderegler überhaupt eingesetzt? Besteht nicht auch die Möglichkeit, Strom aus dem Solarpanel direkt in die Batterie einzuspeisen? Theoretisch ginge das. Das Problem ist jedoch, dass Solarbatterien eine exakt festgelegte Spannung und einen konstanten Ladestrom benötigen. Beides können Solarmodule nicht liefern. Gerade bei Inselanlagen ist der Einsatz von Solarladegeräten von großer Bedeutung, da sie als Off-Grid-Systeme in sich geschlossen sind und somit autark arbeiten. Eine Überwachung und Regulierung des Stromflusses ist daher besonders wichtig, um sicherzustellen, dass die Solar- oder PV-Anlage störungsfrei und effizient läuft.
Laderegler arbeiten mithilfe unterschiedlicher Ladestrategien und werden dementsprechend in Kategorien eingeteilt. Differenziert werden Serien-, PWM- bzw. Shunt- sowie MPPT-Solarladeregler.
Serienregler
Bei Serienreglern wird der Strom des Solarmoduls mithilfe eines Relais oder Stromleiters unterbrochen, sobald die Ladespannung erreicht ist. In diesem Zustand ist der Stromkreis geöffnet und das Modul befindet sich im Leerlauf. Fällt die Spannung ab, schaltet der Laderegler den Strom wieder frei. Ein Nachteil von Serienreglern ist, dass sie einen hohen Bedarf an Eigenstrom haben und nicht abgeführter Strom in Wärme umgewandelt wird.
Shunt-Regler
Shunt-Laderegler erzeugen einen Kurzschluss, um Solarmodul und Batterie bei Erreichen der Ladespannung voneinander zu trennen. Sobald die Spannung sinkt, wird das Modul wieder zugeschaltet. Dieser Vorgang findet mehrere Male pro Sekunde statt und wird fachsprachlich als Pulsweitenmodulation (engl. Pulse-Width Modulation, kurz: PWM) bezeichnet, weswegen Shunt-Regler auch PWM-Laderegler genannt werden. Die Kurzschluss-Strategie ist keinesfalls so rabiat wie man denken mag, sondern schonend zum Akku, da der Zustrom nicht abrupt, sondern kontinuierlich sinkt.
MPPT-Regler
Ein MPPT-Laderegler (MPPT = Maximum Power Point Tracking) passt sein Ladeverhalten an die Spannung des Solarmoduls an. Zu diesem Zweck analysiert er den Punkt dessen höchstmöglicher Leistung, den sogenannten Maximum Power Point. Dieser verändert sich ständig und hängt von Betriebstemperatur und Einstrahlungsstärke ab. Ein MPPT-Laderegler überwacht den Betriebspunkt daher permanent, um seine Eingangsspannung daraufhin anpassen zu können. Die Spannung des Solarmoduls wird dann in die erforderliche Batteriespannung umgewandelt.
MPPT-Laderegler sind teurer als Regler, die das PWM-Verfahren nutzen. Vergleicht man beide Techniken, wird schnell klar, warum das so ist. Ein großer Vorzug der MPPT-Strategie besteht darin, dass überschüssige Spannung in Ladestrom umgewandelt und die Solar- bzw. PV-Leistung insgesamt nicht gedrosselt wird. Es findet nahezu kein Energieverlust statt, wodurch der Wirkungsgrad von MPPT-Ladereglern ausgesprochen hoch ist (98%).
Bei PWM-Reglern ist das nicht der Fall. Sie reduzieren die Eingangsspannung im Gesamten, ohne dass eine Umwandlung stattfindet. Der Wirkungsgrad ist daher geringer. Das mag bei Solarmodulen mit kleiner Nennspannung nicht so sehr ins Gewicht fallen. Anders verhält es sich jedoch, wenn die Module eine hohe Nennspannung haben. Hier ist der Einsatz von PWM-Technik ineffizient, da der Energieverlust beim Herunterregeln der Spannung auf das Niveau der Batterie entsprechend hoch ausfällt. MPPT-Regler können derlei Verluste begrenzen, so dass sich die teureren Anschaffungskosten im Lauf der Zeit amortisieren.
Beim Kauf eines Solarladereglers sind einige wichtige Punkte zu beachten. Zunächst einmal müssen der maximale Ladestrom, die Nennspannung der Batterie (12V, 24V etc.) und die maximale Leistung der Solarmodule bekannt sein. Grundsätzlich sollte ein Solarladeregler mindestens die maximal mögliche Modulleistung verarbeiten können. Besser ist es, wenn er 10 bis 20% mehr Stromstärke verträgt als errechnet. Dadurch schaffen Sie sich einen Puffer und können Ihre Solaranlage später gegebenenfalls erweitern, ohne einen neuen Laderegler kaufen zu müssen.
Des Weiteren muss der Laderegler für den jeweiligen Batterie- beziehungsweise Akkutyp (Blei-Gel, Blei-Säure, Lithium etc.) geeignet sein. Überlegen Sie, welche Regelungsart für Ihre Zwecke am besten geeignet ist. Zwar überzeugen MPPT-Solarladeregler mit einer besseren Leistung, PWM- bzw. Shunt-Regler sind jedoch günstiger und können je nach Anwendungsfall (vor allem bei kleinen Solaranlagen) durchaus ausreichend sein. Zu beachten ist, dass ein PWM-Solarladeregler nur dann effizient arbeiten kann, wenn die Akkuspannung der Solarmodulspannung entspricht. Liegt beispielsweise eine 12V-Batterie vor, ergibt der Anschluss eines PWM-Ladereglers nur Sinn, wenn Sie ein 12V-Solarmodul verwenden.
Die Ausstattung eines Solarladereglers gilt es ebenfalls zu berücksichtigen. Einfache Modelle zeigen den Ladezustand der Batterie mithilfe von LEDs an. Hochwertigere Ausführungen verfügen dagegen meist über ein LC-Display. In der Regel ist ein LCD besser ablesbar und liefert genauere Werte als eine LED-Anzeige. Da die Ladekennlinie eines Akkus von der Temperatur abhängt, sind gute Laderegler mit Temperatursensoren ausgestattet, um die Ladekurve daraufhin anpassen zu können. Bei Modellen mit automatischer Temperaturkompensation wird die Ladespannung bei niedrigeren Temperaturen leicht erhöht und bei höheren Temperaturen leicht gesenkt.
In jedem Fall sinnvoll sind Laderegler mit integriertem Tiefentladeschutz. Sie schalten Verbraucher vom Akku ab, sobald die Spannung einen bestimmten Wert unterschreitet, damit es zu keiner Tiefentladung kommt. Sollte ein Solarladeregler keinen Tiefentladeschutz haben, empfiehlt es sich, diesen separat zu erwerben und zu ergänzen. Ebenfalls praktisch sind Solarladeregler mit Rückstromsperre, die verhindern, dass das Solarmodul zum Verbraucher wird und beispielsweise bei Nacht den Akku entlädt. Es ist nicht verkehrt, auch zusätzliche Features eines Solar-Controllers in den Blick zu nehmen, die die Anwendung perspektivisch komfortabler gestalten. Das können beispielsweise Anbindungsmöglichkeiten wie eine USB-Schnittstelle oder ein integriertes Bluetooth-Modul sein.
Um die benötigte Stromstärke eines Ladereglers zu berechnen, teilen Sie die Leistung Ihrer Solaranlage (angegeben in Watt Peak) durch die Batteriespannung. Auf den Wert schlagen Sie dann mindestens 10% auf. Unser Solaranlagen-Rechner hilft Ihnen dabei, die Leistung einer 12V-Solaranlage zu ermitteln.
Was sind die Vorteile von Solar-Ladereglern mit USB oder Bluetooth im Vergleich zu herkömmlichen Solar-Reglern?
Moderne Solar-Laderegler mit Bluetooth-Funktion oder USB-Anschluss bieten einen besonders hohen Anwendungskomfort. Sie können beispielsweise mit einem PC oder Tablet verbunden werden, um Auswertungen oder Protokollierungen vorzunehmen. Bluetooth-fähige Regler lassen sich zudem über das Smartphone bequem steuern, überwachen und aktualisieren. Darüber hinaus können Solar-Laderegler mit USB-Port als Ladegeräte für Handys oder Tablets genutzt werden.
Reicht ein Solar-Laderegler für Photovoltaik-Systeme mit Wechselstromanbindung aus?
Photovoltaik-Anlagen können unterschiedlich aufgebaut sein. Es gibt kleinere PV-Systeme mit Gleichstromanbindung und größere PV-Systeme mit Wechselstromanbindung. Bei Gleichstromanbindungen reicht ein Solar-Laderegler fürs Batteriemanagement aus, bei Wechselstromanbindungen ist das nicht Fall. Da der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt werden muss, müssen zwei Solar-Laderegler integriert werden.
Wann lohnt sich ein Solar-Regler mit MPPT-Technik?
Ein MPPT-Solar-Laderegler lohnt sich im Grunde genommen immer dann, wenn die Nennspannung der Solaranlage weitaus höher ist als die Spannung der Batterie. Darüber hinaus kann sich ein MPPT-Ladegerät als sinnvoll erweisen, wenn mit der Solaranlage große Mengen an Strom generiert werden. Grund dafür ist der im Vergleich zu anderen Regler-Typen höhere Wirkungsgrad, der sich dann umso mehr auszahlt. Aus technischen Gesichtspunkten ist ein MPPT-Laderegler auch bei schwankender Lichtintensität eine gute Wahl, da er dafür sorgt, dass das Solar-Panel immer an seinem optimalen Leistungspunkt arbeitet.
Was für Typen von Solarbatterien gibt es?
Solarbatterien sind hauptsächlich als Blei-Batterien (Blei-Säure-/Blei-Gel/AGM) oder Lithium-Ionen-Batterien ausgeführt. Blei-Säure-Batterien sind der älteste der genannten Batterietypen und für kleine bis mittlere Belastungen gut geeignet. Da es sich um offene Nass-Batterien mit flüssiger Schwefelsäure als Elektrolyten handelt, können sie nicht lageunabhängig verwendet werden. Zudem sind sie relativ wartungsintensiv, weil ihnen regelmäßig destilliertes Wasser zugeführt werden muss. Bei Blei-Gel- und AGM-Batterien ist die enthaltene Schwefelsäure zu einem Gel bzw. in einem Glasfaservlies gebunden. Sie haben eine geschlossene Bauweise, sind wartungsfrei und lageunabhängig einsetzbar. Lithium-Ionen-Batterien sind die Batterien mit der modernsten Technik. Sie arbeiten effizienter als Blei-Batterien, müssen nicht gewartet werden und haben eine längere Lebensdauer. Dafür sind sie teurer und können sich bei unsachgemäßer Nutzung entzünden.
Was ist die PV-Leerspannung bei Solar-Modulen?
Die Leerspannung oder Leerlaufspannung ist die maximale Spannung, die ein Solarpanel zu erzeugen imstande ist, wenn kein Strom aus dem Modul entnommen wird. Das ist der Fall, wenn keine Last angeschlossen ist. Der Wert ist relevant, um die Leistungsfähigkeit des Moduls zu beurteilen, muss jedoch in Beziehung mit weiteren Parametern wie dem Wirkungsgrad, der Nennleistung und dem Temperaturkoeffizienten gesetzt werden.