Weiterverwendung alter Solarzellen
von Ulli Kainka
Es
fallen immer mal wieder alte Solarzellen an, die z. B. von
Garten-Solarleuchten stammen. Die Garten- Solarleuchten sind nämlich
oft billig gemacht. Irgendwann kommt Regenwasser ins Innere und die
Geräte streiken. Oder sie werden ausgemustert weil sie unansehnlich
geworden sind. Mit der Zeit hat sich auf diese Weise bei mir eine
Anzahl alter Solarzellen angesammelt. Hier sind drei einfache Beispiele
gezeigt, was man damit noch machen kann.
Beispiel Beleuchtung
Für
mein Gartenhaus, das keinen Netzstrom hat, habe ich mir eine einfache
Beleuchtung gebaut. Dazu musste ich nur das Leuchtelement mit einem
Kabel verlängern und dabei die Polung beibehalten. Der Ausgangsplunkt
war ein Modul von einem Solar Lampignon, das noch gut funktionierte
Ausgangsmaterial, Modul eines ausgedienten Solar Lampignons
Außeninstallation des Moduls, ohne Leuchtelement
Innen
baumelt das Leuchtelement, bestehend aus drei LEDs, am Kabel von der
Decke. Wenn ich abends etwas im Gartenhaus nachsehen möchte, schalte
ich die Innenbeleuchtung an dem Schalter an, der unter dem Modul
angeordnet ist.
So sieht es bei Tag und nachts aus
Beispiel Akkus laden
Aus
einer anderen Gartenleuchte wurde ein Ladegerät für zwei AA Akkuzellen.
Einiges konnte von der alten Gartenleuchte wiederverwendet werden:
Die Solarzelle mit Edelstahleinfassung und die Batteriehalterung für zwei AA- Zellen.
Die
Schaltung ist sehr einfach. Die Diode verhindert, dass sich die Akkus
im Dunkeln wieder „rückwärts“ über die Solarzelle entladen. Die
Solarzelle ist zwar auch eine Art Diode, aber mit zu geringem
Sperrwiderstand. Der Taster stellt zusammen mit dem Lautsprecher ein
kleines Extra dar: Bei Sonnenbestrahlung der Solarzelle kann man damit
prüfen ob die Akkus gut eingelegt sind. Drückt man bei
sonnenbeschienener Solarzelle den Taster, dann ist ein Knacken im
Lautsprecher die Bestätigung, dass die Akkus guten Kontakt in der
Halterung haben. Die Solarzelle gibt bei voller Sonne 5 V
Leerlaufspannung ab und 80 mA Kurzschlussstrom, daraus ergeben sich 62
Ohm Innenwiderstand. Damit erhält man den Ladestrom des Akku- Laders:
I = (5 V – 0,7 V – 2 * 1,2V) / 62 Ohm = 30 mA
Mit 0,7 V: Spannungsabfall an der Diode und 1,2 V Spannung einer Akkuzelle
Man
muss sich also auch im Sommer einige Tage gedulden, bis die Akkus
wieder aufgeladen sind. Natürlich ist es wichtig, dass das Ladegerät im
Freien ist und möglichst viel „senkrechte Sonne“ sieht. Im Haus gibt es
den Nachteil, dass Fensterscheiben einiges von der Sonnenenergie
abschwächen.
Beispiel: UKW Radio
Zwei
von den im Beispiel „Akku- Lader“ verwendeten Solarzellen habe ich an
ein altes Kofferradio angeschlossen, da wo sonst die Batterispannung
anliegt.
Dieses
Beispiel habe ich einfach ausprobiert. Das Radio braucht normal 9 V.
Die beiden Solarzellen in Reihe geschaltet liefern 10 V
Leerlaufspannung. Ich vermute, unter der Belastung durch das Radio
fällt die Spannung ab, vielleicht auf 7 V. Das Radio funktioniert
damit, wenn die Sonne schön auf die Solarzellen scheint. Für den
Kassettenrecorder reicht die Leistung aber nicht aus. Also nur Radio
hören. In meinem Fall geht das ganz gut und man kann sogar ausreichend
laut stellen. Noch besser klappt es mit Kopfhörer, damit macht es
besonders viel Spaß. Wenn mal eine Wolke kommt, ist kurz Pause. In
diesem schönen Sommer (2018) habe ich das Radio mehrmals benutzt, wenn
ich am Sonntag im Garten ausruhen wollte. Noch komfortabler wäre es
wenn man noch eine Diode und einen Akku spendiert (wie beim Beispiel
„Akku- Lader“). Aber so weit bin ich noch nicht. Ich hör lieber direkt
„auf Sonne pur“.
Februar 2021: Solarradio mit Akku
Das Radio kam bisher mit der Leistung der Solarzellen so gerade hin
und spielte nur bei Sonne. Jetzt ist das System um noch eine Solarzelle
und um einen 8,4 V Blockakku mit 250 mAh erweitert worden. Eine Diode
ist auch vorhanden um eine Entladung des Akkus bei zu wenig Licht zu
verhindern. Die Solarzellen sind wohl auch Dioden, aber welche mit
geringem Sperr-Widerstand, darum braucht man eine richtige Diode. Hier
eine einfache 1N4148.
Das Radio ist jetzt dank Akku auch ohne Sonne zu benutzen. Es benötigt
50 mA bei schon ganz vernünftiger Lautstärke. Eigentlich kann ja nicht
viel Power dabei rum kommen, aber meine bessere Hälfte sagt immer "mach
nicht so laut, die ganze Nachbarschaft fühlt sich gestört". Der Akku
hat ja eine Kapazität von 250 mAh. Bei anfangs vollem Akku würde das
Radio also 250 mAh/50 mA = 5h (5 Stunden) spielen, ohne Sonne.
Die Solarzellen habe ich mir mal allein vorgenommen und zwei Werte
gemessen. Die Leerlaufspannung ist 15 V und der Kurzschlussstrom
beträgt 100 mA - immer bei starker Sonneneinstrahlung. Man kann sich
diese Solarzellen vorstellen als eine 15 V Spannungsquelle mit einem
Widerstand in Reihe. Der Reihen- Widerstand beträgt 15 V/100mA = 150
Ohm. Wenn die Sonne den Akku lädt, beträgt der Strom (15 V - 8,4 V
(Akku) - 0,7 V (Diode))/150 Ohm = 39 mA. Wenn man also bei Sonne auch
noch Radio hört, entlädt sich der Akku immer ein wenig, nämlich um 11
mA. Ich muss also das Radio ausgestellt auch immer wieder nur zum Akku-
Laden in die Sonne stellen. Sonst ist irgendwann der Akku leer.
Eine interessante Frage ist: warum hat der erste Versuch, nur mit zwei
Solarzellen und ohne Akku geklappt? Ich vermute es ist so, dass das
Radio auch bei geringerer Spannung schon spielt, vielleicht bei 6 V.
Dann pendelt sich ein Betriebspunkt ein, der irgendwie noch mit Strom
und Spannung so gerade klappt.
So, das Akku- unterstützte Radio funktioniert prima. Aber, ist das auch
wirtschaflich? Ich habe ein Buch über industrielle
Energiespeichersysteme gelesen und darin ist die Wirtschaftlichkeit ein
zentrales Thema. Demnach soll man einen Speicher nur anschaffen, wenn
er sich wirtschaftlich lohnt. Das ist bei meinem Radio mit Akku
vermutlich nicht der Fall! Der Akku hat ca. 3 Euro gekostet, ich fand
das günstig und habe zugeschlagen. Aber für 3 Euro liefert einem der
Energieversorger ca. 9 kWh, wenn man möchte auch Ökostrom. Wenn man
annimmt, das Radio benötigt am Netz doppelt so viel Leistung wie am
Akku, weil das eingebaute Netzteil einen schlechten Wirkungsgrad hat,
dann reichen 9 kWh für sehr viele Stunden Radio hören. 9000 Wh/(2* 8,4
V * 50 mA) = 10700 Stunden. Ein Jahr hat 8760 Stunden. Für das gleiche
Geld kann ich also bei Netzbetrieb etwas mehr als ein Jahr lang
durchgehend Radio hören! Wenn der Akku oder das Radio überhaupt so
lange funktionieren.
Wirtschaftlich lohnt sich der Akku also eher nicht. Aber es macht Spaß.
Die Solarzellen rechne ich übrigens nicht mit ein, denn sie sind aus dem
Schrott gerettet, also kostenlos. Ich möchte es vielleicht nochmal
etwas bescheidener versuchen, mit einem Elko als Speicher. Vielleicht
hilft der Elko über eine Wolke hinweg, das wäre dann schon ganz gut.
Der Elko muss ein alter aus dem Schrott sein, dann kostet er nichts und
die Wirtschaftlichkeits- Rechnung bringt endlich einen Vorteil. Aber es
könnte ein Problem mit den Spannungsänderungen geben. Falls ich die
Elko-Version probiere, kommt bestimmt mal ein neuer Beitrag darüber.
Anmerkung: Du rechnest den Innenwiderstand
der Zellen aus und kommst dann auf 39 mA. Aber die Zellen
verhalten sich eher wie eine Konstantstromquelle. Deshalb müsste
der Strom beim Laden mehr in Richtung 100 mA gehen. Du kannst es
mit meinem Amperemeter parallel zur Diode messen. Das Messgerät
hat einen Spannungsabfall unter ca. 100 mV, da ist die Diode schon
völlig hochohmig. Jedenfalls ist die Bilanz damit vielleicht viel besser. Bei
voller Sonne lädt das Radio vermutlich auch im Betrieb. Aber meist
hat man ja nur halbe Sonne.
Getestet: Gerade ist gute Sonne für eine Strommessung. Mit Akku und parallel zur
Diode: 77 mA. Ohne Akku im Kurzschluss: 85 mA. Es ist in der Tat viel
günstiger als ich angenommen habe!
Eine solar unterstützte Gag-Uhr von Günther Zöppel
Auf meiner Terrasse gibt es eine Uhr, die mich daran
erinnern soll, kein Bier vor 4 zu trinken ;-) Schon oft ist sie wegen entladenem Akku stehen geblieben,
und ich musste deshalb wegen fehlender abschreckender Warnung dann doch ein
Bier trinken. Um diesem Zustand abzuhelfen, habe ich der Uhr ein einfaches
Solarmodul gegönnt, welches den Akku nachlädt. Seither hat sie durchgehalten,
jetzt etwa 2,5 Jahre ohne Ausfall.
Das Solarmodul liefert bei Tageslicht bereits 2mA
Kurzschlussstrom bei etwa 5 V. Die Uhr braucht bei Zeigerbewegung ca. 3
mA (im Sekundentakt, mit oszilloskopischer Messung per Spannungsabfall
an einem Reihenwiderstand festgestellt), ohne Zeigerbewegung gönnt sich
das Uhrwerk nur ca. 10 uA. Der Zeigerstell-Impuls hat eine Länge von
ca. 0,1 s. D.h. der über die Zeit gemittelte Stromverbrauch ist 0,1 x 3
mA + 0,9 x 0,01 mA = 0,3 + 0,009 = 0,309 mA. Dieser Strom wird vom
Solarmodul bereits bei Tageslicht geliefert und lädt den 1,2 V
/NiMh-Akku nach. Sozusagen eine Erhaltungsladung, denn der dem Akku
durch das Uhrwerk entnommene Strom steht ja durch das Solarmodul zum
Nachladen in ausreichender Höhe zur Verfügung, letztlich begrenzt er
sich am Innenwiderstand des Solarmoduls selbst. Damit nachts der Akku
nicht durch das Solarmodul entladen wird, wurde zur Entkopplung noch
eine Diode eingefügt, hier eine Germaniumdiode wegen der geringen
Durchlassspannung (wegen des Fehlens einer entsprechenden
Germaniumdiode in der Bastelkiste wurde dafür die B-E-Strecke eines
Germaniumtransistors genutzt). Das Solarmodul wurde direkt unterhalb
des Uhrengehäuses angebaut und befindet sich stets im Tageslicht.
