Industrielle Fertigung
Industrielles Internet der Dinge | Industrielle Materialien | Gerätewartung und Reparatur | Industrielle Programmierung |
home  MfgRobots >> Industrielle Fertigung >  >> Manufacturing Technology >> Industrietechnik

Berechnung der idealen Größe für Ihren Solar-Laderegler: Praktischer Leitfaden

Was ist ein Solar-Laderegler? Typen, Dimensionierung und Auswahl von PWM- & MPPT-Ladereglern

Solar-Laderegler sind ein wesentlicher Bestandteil jeder Solaranlage. Sie schützen Ihre Batteriespeicher und gewährleisten einen reibungslosen, zuverlässigen Betrieb über die Lebensdauer der Anlage. Im folgenden Artikel besprechen wir DC-DC-Wandler, Laderegler und MPPT in einem Solar-PV-System.

Was sind Solar-Laderegler?

Der Laderegler in Ihrer Solaranlage sitzt zwischen der Energiequelle (Solarmodule) und dem Speicher (Batterien). Laderegler verhindern Überladung der Batterien, indem sie Strommenge und Ladeintensität begrenzen. Sie verhindern oft Tiefentladung, indem sie das System abschalten, wenn die Speicherkapazität unter 50 % fällt. Die Batterien werden mit der richtigen Spannung geladen, was Lebensdauer und Gesundheit der Batterien schützt.

DC-DC-Wandler:

DC-DC-Wandler werden häufig eingesetzt, um ungeregelte oder unkontrollierte Gleichspannung in geregelte, kontrollierte Gleichspannung umzuwandeln (Abbildung 1).

Berechnung der idealen Größe für Ihren Solar-Laderegler: Praktischer Leitfaden

Neben der Umwandlung von unkontrollierter in kontrollierte Spannung wandeln diese Wandler die Spannung von einem Niveau auf ein anderes (höher oder niedriger). Beispiel: Eine PV-Anlage liefert 24 V DC, aber der Wechselrichter benötigt 230 V AC, was eine höhere DC-Eingangsspannung am Wechselrichtereingang erfordert. Dazu schaltet man einen DC-DC-Wandler zwischen PV-Array und Wechselrichter. Diese Wandler spielen eine sehr bedeutende Rolle in PV-Systemen: Sie dienen als Laderegler, Maximum-Power-Point-Tracker und als Schnittstelle zwischen PV-Quelle und verschiedenen Lasttypen. Anwendungen umfassen auch Strombus-Regelung, Stromverstärkung und Rauschunterdrückung.

Im DC-DC-Wandler haben sowohl Eingangs- als auch Ausgangsseite Gleichstrom. Kennt man Eingangsspannung und -strom, lässt sich die Eingangsleistung bestimmen; kennt man Ausgangsspannung und -strom, die Ausgangsleistung. Aus Ein- und Ausgangsleistung lässt sich der Wirkungsgrad leicht ermitteln.

Beispiel: Ein DC-DC-Wandler mit 50-V-Batterie am Eingang, 8 A Eingangsstrom. Am Ausgang misst man 100 V und 3,6 A. Eingangsleistung, Ausgangsleistung, Verlust und Wirkungsgrad bestimmen.

Eingangsleistung = Eingangsspannung × Eingangsstrom

Eingangsleistung = 50 × 8 = 400 W

Ausgangsleistung = Ausgangsspannung × Ausgangsstrom

Ausgangsleistung = 100 × 3,6 = 360 W

Leistungsverlust = Eingangsleistung – Ausgangsleistung

Leistungsverlust = 400 – 360 = 40 W

Wirkungsgrad = (Ausgangsleistung / Eingangsleistung) × 100

Wirkungsgrad = (360 / 400) × 100 = 90 %

Berechnung der idealen Größe für Ihren Solar-Laderegler: Praktischer Leitfaden

Funktionsweise & Aufgaben von Ladereglern:

Einfach ausgedrückt: Ein Solar-Laderegler ist ein Regler, der die Lebensdauer von Solarbatterien verlängert. In den meisten Ladereglern fließt der Strom durch einen Halbleiter, der als Ventil den Strom regelt.

Laderegler verhindern Überladung, indem sie den Batteriestrom begrenzen, sobald eine bestimmte Spannung überschritten wird. Überladung ist besonders schädlich für die Batterie, daher sind Laderegler kritisch.

Der Regler steuert den Ladefluss zur und von der Batterie. Er erhält lange Lebensdauer und Leistung, indem er Tiefentladung und Überladung verhindert. Wenn ein PV-Modul über einen Laderegler an eine Batterie angeschlossen ist, trennt der Regler das PV-Modul von der Batterie bei Überladung.

Ebenso, wenn eine Batterie über einen Laderegler an eine Last angeschlossen ist, trennt der Regler die Last bei Tiefentladung von der Batterie. Diese Fähigkeit verlängert Lebensdauer und Leistung der Batterie.

Überladung und Tiefentladung werden durch Messung der Batteriespannung erkannt. Bei Überladung steigt die Spannung über ein bestimmtes Niveau, bei Tiefentladung fällt sie darunter.

Der Laderegler kann die Batterie in beiden Fällen trennen. Er verbindet die Batterie wieder, sobald die Spannung in den normalen Betriebsbereich zurückkehrt.

Bei Überladung steigt die Batteriespannung an, der Regler trennt die Batterie vom PV-Modul (oder der Ladequelle). Fällt die Spannung durch Lastnutzung, erkennt der Regler den Spannungsabfall und verbindet das PV-Modul wieder zum Laden.

Ähnlich bei Tiefentladung: Batterie wird bei Spannungsabfall unter ein Niveau von der Last getrennt (Abschaltung). Wenn die Batterie nun lädt, steigt die Klemmenspannung nach einiger Zeit. Erreicht sie einen Wert über der Tiefentladeschwelle, verbindet der Regler die Batterie wieder mit der Last.

Solar-Laderegler bieten weitere wichtige Funktionen: Überlastschutz, Tiefentladeschutz (Low Voltage Disconnect) und Sperrung von Rückströmen.

Überlastschutz: Laderegler schützen essenziell vor Überlast. Wenn der in die Batterie fließende Strom weit über das liegt, was der Stromkreis verkraftet, kann das Gerät überlasten – Überhitzung oder Explosion drohen. Laderegler verhindern dies. In größeren Systemen ist doppelter Schutz durch Leistungsschalter oder Sicherungen ebenfalls essenziell.

Tiefentladeschutz (Low Voltage Disconnect): Dies trennt nicht-kritische Lasten automatisch von der Batterie, wenn die Spannung unter einen definierten Schwellenwert fällt. Bei Wiederaufladung wird sofort wieder verbunden. Verhindert Tiefentladung.

Rückstromblockierung: Solarmodule leiten Strom nur in eine Richtung in die Batterie. Nachts können Module jedoch etwas Ladung rückwärts übertragen – eine geringe Entladung der Batterie. Laderegler verhindern dies als Ventil.

Typen von Ladereglern:

Zwei weit verbreitete Laderegler-Typen:

  1. Maximum Power Point Tracking (MPPT) Laderegler
  2. Pulsweitenmodulation (PWM) Laderegler

Bei MPPT-Ladereglern ist die Spannung über dem Batterieblock und dem PV-Array unterschiedlich. Dieser Reglertyp arbeitet am Maximum Power Point des PV-Arrays, um die maximal verfügbare Leistung aus der Einstrahlung zu liefern.

Diese Regler ermöglichen, dass die PV-Array-Spannung höher ist als die Batterieblock-Spannung. Vorteil: Je höher die Spannung, desto geringer der Strom für dieselbe Leistung – dünnere Kabel, geringere Kosten.

Bei PWM-Ladereglern (Pulsweitenmodulation) ist die Spannung über PV-Array und Batterieblock identisch.

Verschiedene Eigenschaften des Ladereglers:

Die verschiedenen Spannungs- und Stromwerte des Ladereglers lassen sich wie folgt definieren:

  1. Nennsystemspannung: Spannung, bei der Laderegler und Batterie im PV-System arbeiten.
  2. Nennlaststrom: Maximaler Laststrom, den der Laderegler handhaben kann.
  3. Nenn-PV-Array-Strom: Maximaler PV-Array-Strom, den der Laderegler handhaben kann. Dies ist der Kurzschlussstrom des gesamten PV-Arrays. Bei der Auslegung wird ein Sicherheitsfaktor von 1,25 für Schwankungen des Kurzschlussstroms unter Nicht-STC-Bedingungen berücksichtigt.
  4. Laderegler-Einstellpunkte (Setpoints): Der Regler lädt und entlädt die Batterie, erfasst die Klemmenspannung (State of Charge, SOC) und entscheidet, ob Last oder PV-Quelle getrennt werden muss, um Tiefentladung oder Überladung zu vermeiden. Der Regler hat Einstellpunkte für diese Entscheidungen.
Berechnung der idealen Größe für Ihren Solar-Laderegler: Praktischer Leitfaden
  1. Spannungsregel-Einstellpunkt (VR): Maximale Spannung, bis zu der eine Batterie ohne Überladung geladen werden kann. Wird dieser erreicht, trennt der Regler den Batterieblock vom PV-Array oder regelt den Ladestrom.
  2. Spannungsregel-Hysterese (VRH): Differenz zwischen VR und der Spannung, bei der der Regler die Batterie wieder zum Laden an das PV-Array anschließt. Zu kleine Differenz führt zu oszillierendem Verhalten (häufiges Ein-/Ausschalten), was Leistung und Lebensdauer verschlechtert. Zu große Differenz kann in jedem Zyklus zu Überladung führen. Ein Gleichgewicht ist nötig. VRH zeigt auch, wie effektiv der Regler lädt.
  3. Tiefentladeschutz-Einstellpunkt (LVD): Minimale Spannung, bis zu der Entladung ohne Tiefentladung zulässig ist. Auch als Entladetiefe (Depth of Discharge, DOD) bekannt. Entladung unter diesem Wert vermeiden, um Lebensdauer und Leistung nicht zu gefährden. Der Regler trennt die Batterie bei Erreichen der LVD von der Last.
  4. Tiefentladeschutz-Hysterese (LVDH): Differenz zwischen LVD und der Spannung, bei der die Batterie wieder an die Last angeschlossen werden darf. Nicht zu klein wählen, um häufiges Ein-/Ausschalten zu vermeiden, was die Batterielebensdauer weiter reduzieren würde.

Wie wählt man einen passend dimensionierten Solar-Laderegler?

Die folgenden zwei Beispiele zeigen, wie man einen richtig dimensionierten Solar-Laderegler für Solarmodul- und Array-Systeme mit passendem Nennstrom in Ampere bei gegebener Nennspannung und Last in Watt auswählt.

Beispiel 1:

Ein Wohnzimmer hat folgende DC-Lasten, ausgelegt für 24 V:

  1. Drei 20-W-Lampen
  2. Ein 25-W-Ventilator

Alle Lasten werden von zwei parallel geschalteten PV-Modulen versorgt, jedes mit IMP = 5 A und ISC = 7 A. Welche Nennsystemspannung, Nenn-PV-Array-Strom und Nennlaststrom hat der Laderegler?

Gesamt-DC-Last = (Anzahl Lampen × Leistung pro Lampe) + (Anzahl Ventilatoren × Leistung pro Ventilator)

Gesamt-DC-Last = (3 × 20) + (1 × 25) = 60 + 25 = 85 W

Nennsystemspannung des Ladereglers = Nennspannung der Last und des PV-Arrays = 24 V

Nenn-PV-Array-Strom = 2 × 7 A (Kurzschlussstrom jedes PV-Moduls = 7 A, parallel geschaltet) = 14 A

Sicherheitsfaktor 1,25 für Kurzschlussstrom-Schwankungen unter Nicht-STC-Bedingungen.

Mit Sicherheitsfaktor: Nenn-PV-Array-Strom = 1,25 × 14 = 17,5 A

Nennlaststrom = Gesamt-DC-Last / Nennsystemspannung = 85 / 24 = 3,54 A

Der Laderegler muss also ca. 3,54 A auf der Ausgangsseite handhaben können.

Beispiel 2:

Ein Auditorium hat folgende DC-Lasten für 12 V:

  1. Drei 30-W-Lampen
  2. Ein 20-W-Ventilator

Versorgt von zwei parallel geschalteten PV-Modulen, jedes mit IMP = 3 A und ISC = 5 A. Nennsystemspannung, Nenn-PV-Array-Strom, Nennlaststrom?

Gesamt-DC-Last = (3 × 30) + (1 × 20) = 90 + 20 = 110 W

Nennsystemspannung = 12 V

Nenn-PV-Array-Strom = 2 × 5 A = 10 A

Mit Sicherheitsfaktor 1,25: 1,25 × 10 A = 12,5 A

Nennlaststrom = 110 W / 12 V = 9,17 A

Der Laderegler muss ca. 9,17 A auf der Ausgangsseite handhaben können.

Maximum Power Point Tracking (MPPT):

Die an ein PV-Modul angeschlossene Last bestimmt die abgegebene Leistung – siehe I-V- und P-V-Kennlinie in Abbildung 3.

Berechnung der idealen Größe für Ihren Solar-Laderegler: Praktischer Leitfaden

Bei Kurzschluss (V = 0) liefert das Modul maximalen Strom – Kurzschlussstrom ISC. Erhöht man die Lastspannung schrittweise, steigt die abgegebene Leistung bis zu einem Punkt, ab dem weitere Spannungserhöhung die Leistung senkt – der Maximum Power Point (MPP). Die I-V-Kennlinie eines PV-Moduls hat also einen Punkt maximaler Leistung (MPP).

Die Last sollte an einer Spannung und einem Strom betrieben werden, die diesem MPP entsprechen, um maximale Leistung zu erhalten. Der Arbeitspunkt ist der Schnittpunkt der I-V-Kennlinie des PV-Moduls mit der Lastkennlinie.

Hersteller geben PV-Module für Spitzenleistung an. Die Ausgangsleistung hängt aber nicht nur von der Einstrahlung ab, sondern auch von der Spannung-Strom-Kombination. Beispiel: Mittags bei hoher Sonne liefert das Modul im Leerlauf oder Kurzschluss keine Leistung.

Es gibt einen Arbeitspunkt auf der I-V-Kurve, wo das Produkt aus Spannung und Strom maximal ist. Dieser maximale Arbeitspunkt verschiebt sich mit wechselnder Einstrahlungsintensität. Um stets maximale Leistung zu erhalten, gibt es elektronische Geräte, die sicherstellen, dass PV-Module bei allen Einstrahlungsniveaus am MPP arbeiten – Maximum Power Point Tracking (MPPT).

Praktisch ändert sich die I-V-Kurve durch wechselnde Einstrahlung. Ein fester Lastwiderstand kann nicht dauerhaft am MPP halten. Morgens um 9 Uhr ist Einstrahlung geringer, sie steigt bis mittags. Dieser Anstieg verschiebt die I-V-Kurve (Abbildung 4).

Berechnung der idealen Größe für Ihren Solar-Laderegler: Praktischer Leitfaden

Daraus resultiert eine Verschiebung des Arbeitspunkts für eine gegebene Last. Arbeitspunkte für 13, 11, 9 Uhr sind A, B, C. Die maximalen Arbeitspunkte sind A', B', C'. Um maximale Leistung zu erhalten, müssen A, B, C zu A', B', C' gebracht werden – das erledigt ein MPPT-Gerät. Es bringt den Arbeitspunkt bei wechselnder Einstrahlung näher an den MPP.

Es extrahiert die maximal verfügbare Leistung unter jeder Einstrahlung und Temperatur. Es nutzt einen MPPT-Algorithmus und eine Elektronikschaltung. Das Prinzip basiert auf Impedanzanpassung zwischen PV-Modul und Last – essenziell für maximale Leistungsübertragung.

Stimmt das Verhältnis von Modulspannung am MPP zu Modulstrom am MPP mit der Lastimpedanz überein, erfolgt maximale Leistungsübertragung. Praktisch ist diese Anpassung nicht statisch möglich – der MPPT-Regler übernimmt die dynamische Impedanzanpassung für maximale Leistung bei gegebener Einstrahlung und Temperatur. Hersteller kombinieren Laderegler- und MPPT-Funktionen in einem Gerät – dem MPPT-Laderegler. Beide sind unterschiedliche, unabhängige Funktionen, werden aber oft als Einbaugerät für zwei Zwecke genutzt.

Verwandte Beiträge:

Sonnennachführung und MPPT zur Maximierung der Leistung:

Sonnennachführung (Sun-Tracking) ist nicht dasselbe wie MPPT-Tracking. Es ist eine mechanische Nachführung des PV-Moduls, sodass Sonnenstrahlen stets senkrecht auf das Modul treffen. Das Modul muss mechanisch der Sonne folgen, um zu gegebener Tageszeit maximale Leistung zu erzielen.

Stehen Module nicht senkrecht zur Sonne, wird Großteil des Lichts reflektiert. Maximale Leistung bei gegebener Einstrahlung erreicht das Modul, wenn Lichtwinkel und Modul senkrecht zueinander stehen (90°) – siehe Abbildung 5.

Bei Einfallswinkeln ungleich 90° (Abbildung 5) wird geringere Leistung erzeugt. Fällt Licht unter einem Winkel ≠ 90°, wird ein Teil reflektiert, das Modul nutzt weniger Licht als einfällt.

Dies reduziert die Ausgangsleistung. Deshalb ist mechanische Sonnennachführung nötig, um maximal möglichen Strom zu erzeugen.

Berechnung der idealen Größe für Ihren Solar-Laderegler: Praktischer Leitfaden

Spezifikationen des MPPT-Ladereglers:

PV-Eingang

DC-Ausgang zur Batterie

DC-Laststeuerung

Wie wählt man den richtigen MPPT-Laderegler?

Einige Beispiele zum Verständnis der Spezifikationen:

Beispiel 3:

Eine 500-W-PV-Array arbeitet bei 24 V DC mit einem 12-V-DC-Batterieblock. MPPT-Laderegler-Dimensionierung für dieses System bestimmen.

Eingangsleistung am MPPT-Regler = 500 W. PV-Array am Eingang, Batterie am Ausgang. Batterie wirkt als Last. Ausgangsspannung bekannt. Bei 100 % Wirkungsgrad lässt sich Ausgangsstrom bestimmen:

Leistung = Spannung × Strom

Strom = Leistung / Spannung = 500 W / 12 V = 41,66 A

Benötigt: 12 V, 41,66 A MPPT. Strom um 25 % erhöhen für Bedingungen, die mehr Leistung erzeugen können → ca. 52 A. 12 V, 52 A MPPT-Laderegler geeignet. Wichtig: MPPT-Regler muss Leerlaufspannung und MPP-Spannung des PV-Arrays handhaben können.

Weiteres Beispiel: 140 Wp Solar-Home-System mit PV-Modul 70 W, VOC = 20 V, VM = 16 V. Batterieblock 12 V. Geeigneten MPPT-Laderegler bestimmen.

Verfügbare PV-Module in Reihe schalten:

System-Leerlaufspannung = 2 × 20 = 40 V

System-MPP-Spannung = 2 × 16 = 32 V

System-Spitzenleistung = 2 × 70 = 140 W

Eingangsleistung am MPPT-Regler = 140 W (100 % Wirkungsgrad). Batterie 12 V → Strom zum Batterieblock:

Strom = 140 W / 12 V = 11,66 A

12 V, 11,66 A MPPT erforderlich. Mit 25 % Reserve → ca. 15 A. 12 V, 15 A MPPT-Laderegler geeignet. Wieder: Regler muss VOC und VM des PV-Arrays handhaben können.

Welchen Solar-Laderegler wählen? PWM oder MPPT?

Bei der Reglertypwahl müssen Sie wissen, ob PWM oder MPPT verwendet wird. Wissen Sie, dass eine falsche Wahl des Solar-Ladereglers zu bis zu 50 % Energieverlust der Solaranlage führen kann?

Solarmodul Batterie Solar-Laderegler
12 V12 VPWM oder MPPT
24 V24 VPWM oder MPPT
24 V12 VMPPT (Empfohlen)

Solar-Laderegler werden basierend auf Ihrem PV-Array-Strom und Ihrer Systemspannung dimensioniert. Meist wollen Sie sicherstellen, dass der Regler groß genug ist für die von den Modulen erzeugte Leistung und Strom.

Übliche Nennspannungen: 12, 24, 48 V. Stromwerte: 1 bis 60 A, Spannungswerte: 6 bis 60 V. Falls Sie Ihre Anlage noch nicht dimensioniert oder Ihren Energiebedarf nicht geschätzt haben, empfehlen wir den Solarmodul-Rechner. Er hilft bei der Dimensionierung von Solarmodulen und allen anderen Komponenten.

Beispiel: 12-V-System, 14 A → Laderegler mit mindestens 14 A. Aber 25 % Zuschlag für Umwelteinflüsse → 17,5 A. In der Praxis: 12 V, 20 A Regler wählen.

Weitere Details je nach Reglertyp:

Batteriezustand @ 25 °C (77 °F) Nennbatteriespannung
12 V 24 V 48 V
Batterie während Gleichladung> 15> 30> 60
Batterie nahe Vollladung beim Laden14,4 – 15,028,8 – 30,057,6 – 60,0
Batterie nahe Tiefentladung beim Laden12,3 – 13,224,6 – 26,449,2 – 52,8
Batterie vollgeladen bei Leichtlast12,4 – 12,724,8 – 25,449,6 – 50,8
Batterie vollgeladen bei Schwermlast11,5 – 12,523,0 – 25,046,0 – 50
Kein Laden/Entladen 6 h – 100 % geladen12,725,450,8
Kein Laden/Entladen 6 h – 80 % geladen12,52550
Kein Laden/Entladen 6 h – 60 % geladen12,224,448,8
Kein Laden/Entladen 6 h – 40 % geladen11,923,847,6
Kein Laden/Entladen 6 h – 20 % geladen11,623,246,4
Kein Laden/Entladen 6 h – vollständig entladen11,422,845,6
Batterie nahe Tiefentladung beim Entladen10,2 – 11,220,4 – 22,440,8 – 44,8

FAQ

Braucht man einen Laderegler für Solarladung?

Typischerweise ja. Kein Laderegler nötig für kleine 1- bis 5-Watt-Module. Wenn das Modul 2 Watt oder weniger pro 50 Ah Batteriekapazität liefert, braucht man meist keinen Regler. Bei größeren Anlagen ist er unverzichtbar.

Was beeinflusst die Entscheidung bei der Laderegler-Wahl?

Folgende Punkte prüfen:

Kann man mehr als einen Laderegler verwenden?

Wenn ein einzelner Regler die PV-Array-Leistung nicht handhaben kann, können mehrere Regler an einen Batterieblock angeschlossen werden. MPPT-Regler sind hier am sichersten, da Arrays unterschiedliche MPPs haben können.

Empfehlung: Alle Regler desselben Typs verwenden (alle MPPT oder alle PWM). Alle Regler müssen gleiche Batterieeinstellungen haben.

Was ist die obere Spannungsgrenze?

Beide Reglertypen haben eine maximale Spannungsgrenze – die höchste Spannung, die der Regler sicher handhaben kann. Kennen Sie diese Grenze, sonst riskieren Sie Beschädigung des Reglers oder Sicherheitsgefahren.

Häufige Laderegler-Fehler

Fazit

Ob im Wohnmobil (Off-Grid-Hütte) – Solar-Laderegler sind integraler Bestandteil Ihrer Solaranlage. Recherche und Abwägung der Optionen vor der Investition helfen, den richtigen Regler für Sie und Ihre Anlage zu wählen und Ärger zu vermeiden.

Industrietechnik

  1. Die idealen Nivellierfüße für Möbel und Maschinen auswählen
  2. Die richtigen Schubladenführungen wählen: Ein umfassender Leitfaden
  3. Den richtigen Sackkarren wählen: Praktischer Leitfaden für sicheren, effizienten Schwerlasttransport
  4. Die optimale Größe Ihres Instandhaltungsteams bestimmen
  5. Die perfekte Generatorgröße wählen: Schritt-für-Schritt-Anleitung
  6. Kondensatorbank richtig dimensionieren: µF & kVAR für Leistungsfaktorkorrektur berechnen
  7. Die ideale Hydraulikaggregat-Wahl: Expertenrat für zuverlässige Maschinen
  8. Kondensatoren sicher und effizient laden: Schritt-für-Schritt-Anleitung
  9. Fallstricke nicht-standardmäßiger Materialgrößen vermeiden
  10. Den perfekten Scrollkompressor auswählen: Praktischer Leitfaden