Solar-Energie an Bord

Das Solarmodul, der Laderegler und die Batterie sind letztlich die drei Bestandteile, aus denen sich eine Solaranlage zusammensetzt. Je nach Dimensionierung der Solaranlage kann sie nur die Selbstentladung der Batterie kompensieren, oder eine autarke Stromversorgung ermöglichen. Wichtig ist natürlich die Intensität der Lichteinstrahlung. Eine Solaranlage an Bord einer Yacht im Mittelmeer wird voraussichtlich mehr leisten als die gleiche Anlage an Bord eines Schiffes in der Ostsee.

Die optimale Leistung erreichen Solarmodule, wenn die Sonnenstrahlen im rechten Winkel auf die Zellen treffen. Solarmodule können fest an Deck befestigt oder an speziellen Haltern montiert werden, die ein- oder zweiachsig nachführen, sodass das Paneel immer bestmöglich zur Sonne ausgerichtet werden kann. Schon durch die einachsige Nachführung am Heckkorb oder auf dem Kajütdach kann der tägliche Energieertrag gesteigert werden. Durch zweiachsiges manuelles Nachführen eines Solarmoduls, orientiert am Sonnenstand, kann der Leistungsertrag sogar um ungefähr 30 Prozent erhöht werden. Das ist aber mit einigem Aufwand verbunden, sodass i.d.R. eher ein gewisser Leistungsverlust in Kauf genommen wird.

Auf vielen Motoryachten bieten sich zudem Dachflächen zur Installation an, wo hohe Leistungsausbeuten erzielt werden können. Sobald jedoch ein Schatten auf die Zellen fällt, sinkt die Leistung rapide. Selbst ein achtlos abgelegter Tampen kann den Ertrag bei Sonnenschein auf einen Bruchteil senken. Um die Selbstentladung der Batterie zu verhindern, reicht schon ein kleines Solarmodul von etwa zehn Watt.

Solarmodule für den Bordeinsatz

Semiflexible Solarmodule sind im Gegensatz zu starren, gerahmten Modulen besonders gut für den Bordeinsatz auf geeignet, da sie z.B. gut auf leicht gewölbten Dachflächen montiert werden können und begehbar sind. Sie tragen nur wenige Millimeter auf. Bei diesen speziell für den maritimen Einsatz entwickelten Solarmodulen wird meist monokristallines Silizium verwendet. Diese Module sind nur für die vollflächig verklebte oder verschraubte Montage geeignet. Vibrationen durch Befestigung am Seezaun zerstören die elektrischen Verbindungen im Solarmodul. Durch die vollflächige Montage werden semiflexible Solarmodule allerdings nicht hinterlüftet, was zu deutlich höheren Modultemperaturen führt. Um Spannungsverluste durch Erwärmung zu vermeiden, sind bei hochwertigen semiflexiblen Solarmodulen 40 oder 42 Zellen in Reihe geschaltet. Semiflexible Solarmodule sind bei flächiger Montage voll begehbar. Die Oberfläche aus besonders licht- durchlässigem Kunststoff schützt die Solarzellen und ist durch ihre Beschaffenheit besonders rutschfest, auch bei Nässe. Hochflexible Dünnschicht-Solarmodule, die praktisch jeder Form an Deck angepasst werden können, sind praktisch, allerdings ist der Wirkungsgrad niedriger. Doch geht die Entwicklung hier schnell voran. Neue Bauformen und Techniken können die Vorteile dieser Technologie noch besser im mobilen Bereich nutzen. Aufwendiger gestaltet sich die Montage starrer, gerahmter Module und erfordert speziell angepasste Halterungen und Träger, die idealerweise klappbar sind, so dass sie z.B. am Anker dem Sonnenstand nachgeführt werden können.

Lebenserwartung und Pflege

Aluminium gerahmte Solarmodule können an Bord über 20 Jahre Leistung liefern. Die Hersteller geben inzwischen in etwa 25 Jahre Leistungsgarantie auf 80 Prozent der Nennleistung. Nach dem Törn sollte das Solarmodul mit Süßwasser gespült werden. Schmutzablagerungen an den Rändern der Glasfläche zum Alurahmen, Salzablagerungen und Vogelkot sollten schnell entfernt werden. Die Lebenserwartung bei semiflexiblen Modulen könnte ggf. je mach Einsatzort etwas geringer sein. Hochflexible, amorphe Dünnschichtmodule werden wegen der hohen mechanischen Belastung durch ständiges Aufrollen eine geringere Lebensdauer haben. Bis auf das regelmäßige Reinigen der Solarmodul-Oberfläche ist kein Wartungsaufwand notwendig. Glasabgedeckte Aluminium-gerahmte Solarmodule sind schlagempfindlich. Dringt Feuchtigkeit unter die geborstene Glasfläche wird das Modul elektrisch zerstört.

Laderegler

Der Solar-Laderegler muss in der Leistung zur vorhandenen Solarmodulleistung passen. Kann am Laderegler ein Temperatursensor angeschlossen werden (empfohlen), wird die Ladespannung der Batterietemperatur angepasst.

Auch für eine sehr kleine Solarleistung ist die Nutzung eines Ladereglers empfehlenswert, da sonst die Gefahr der Überladung und Gasung der Batterie besteht. Laderegler haben zudem eine Rückstromsperre, sodass nachts keine Energie verbraucht wird. Verschiedene LEDs geben Auskunft über Aktivität und Ladezustand. Besser ausgestattete Regler haben ein integriertes LCD-Display oder bieten die Möglichkeit der Vernetzung oder den Anschluss einer Fernanzeige. Dort kann der Ladestrom und die Batteriespannung abgelesen werden. Einige Hersteller bieten am Regler auch einen Ausgang zum Laden der Starter-Batterie. Ist die Service-Batterie geladen, wird automatisch auf Ladung der Starter-Batterie umgeschaltet. Dieser Lade-Ausgang ist strom-begrenzt und orientiert sich an den spezifischen Ladeparametern von Starter-Batterien. Bei der Installation muss in Batterienähe eine passende Sicherung vorgesehen werden.

Wie funktioniert eigentlich eine Solarzelle?

Energie kann nicht erzeugt, nur umgewandelt werden. Im Fall der Solarzelle heißt das, die Strahlungsenergie der Sonne wird direkt in elektrische Energie umgewandelt. Die direkte Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie ist die Photovoltaik. Die Solarzelle ermöglicht diese Umwandlung technisch und wird zusammengeschaltete zum Solarmodul oder -paneel. Ein nachgeschalteter Laderegler schützt die angeschlossene Batterie vor Überladung und Tiefenentladung. Zudem sorgt er nachts dafür, dass kein Strom in die Solarzellen zurückfließen kann.

Halbleiter: Silizium

Die meisten Solarzellen werden aus dem Halbleiter-Metall Silizium hergestellt. Ein Silizium-Atom ist in der kristallinen Struktur immer von vier anderen Silizium-Atomen umgeben. Die Bindung zwischen den Atomen entsteht, weil jedes Silizium-Atom vier Elektronen auf der Außenschale trägt, die sie sich jeweils mit dem Nachbaratom teilen. Man spricht von Elektronenpaarbindungen. Diese Bindung ist stabil, es bildet sich das typische Kristallgitter und die Ladung ist elektrisch neutral. Hier kommt eine Besonderheit der Halbleiter zum Tragen: Dies gilt nur bei niedrigen Temperaturen. Steigt die Temperatur, werden bereits bei Zimmertemperatur Elektronen-Bindungen aufgebrochen und Elektronen frei. Es kann ein schwacher Stromfluss gemessen werden.

Dotieren

Eine Solarzelle besteht im Groben aus zwei Schichten unterschiedlich behandeltem Silizium. Die dem Licht zugewandte Schicht hat ungefähr eine Stärke von 0,2 Mikrometern. Darunter liegt die zweite Schicht, die mit circa 300 Mikrometern wesentlich dicker ist. Das besondere an den beiden Schichten ist, dass sie dotiert sind. Das bedeutet, dass in die bestehende Silizium-Struktur Fremd-Atome eingebracht werden. Diese verändern die elektrische Leitfähigkeit vom Silizium erheblich. In der oberen, dünneren Schicht werden Silizium-Atome durch Phosphor-Atome ersetzt. Da Phosphor aber fünf Elektronen auf der Außenschale besitzt, anstatt der vier Elektronen des Siliziums, und Elektronen negativ geladene Teilchen sind, entsteht ein Elektronen-Überschuss, also eine negative Ladung. Man spricht von der n-dotierten Schicht.

Die untere Schicht wird ähnlich behandelt. Hier werden allerdings Bor-Atome ins Silizium eingebracht. Bor besitzt nur drei Elektronen auf der Außenschale, die mit drei der vier benachbarten Silizium-Elektronen eine Bindung eingehen können. Es bleibt also ein an das Bor angrenzende Silizium-Elektron frei, welches mit dem Bor keine Bindung eingehen kann. Diese Stelle wird auch als Fehlstelle oder Elektronenloch bezeichnet. Da das Silizium aber bestrebt ist, auch an dieser Stelle eine stabile Elektronenbindung einzugehen, springt ein benachbartes Silizium-Elektron an die Stelle des Lochs, wodurch das Loch scheinbar wandert. Die so behandelte Schicht wird als p-dotiert (positiv geladen) bezeichnet.

Zwischen den beiden Schichten liegt der p-n-Übergang, auch Grenzschicht genannt. Um den Aufbau der Solarzelle zu vervollständigen, werden noch elektrische Kontakte benötigt. Die Unterseite der Zelle besteht aus einer durchgehenden Metallschicht und bildet als Rückseitenkontakt den Pluspol, die Vorderseite aus schmalen fingerförmigen Metallkontakten bildet den Minuspol.

Es werde Strom

Lichtteilchen, die Photonen, die auf die Solarzelle treffen, durchdringen die sehr dünne obere Schicht der Solarzelle und schaffen es bis in die Grenzschicht. Dabei lösen sie immer wieder Elektronen aus ihrer Bindung und erzeugen neue Elektronenlöcher. Die n-dotierte Schicht wird immer negativer, die p-dotierte-Schicht wird immer positiver geladen. Wird der Stromkreis nun geschlossen, kommt es über den Leiter zu einem Ladungsausgleich, also einem Stromfluss. Solange die Sonneneinstrahlung anhält, kann elektrischer Strom abgenommen werden.