Solar für Boote

Solaranlage Boot

- Grüne Energie an Bord - 

Viele nutzen Solarmodule auf ihrem Boot. Mal ist es nur eines, mal sind es mehrere. Mal sind die Module direkt auf das Deck montiert, mal auf einem stabilen Geräteträger oder sie werden mobil genutzt und bei Bedarf an einer freien Stelle an Deck oder aufs Bimini in die Sonne gelegt. Auch im Caravan-Bereich nutzen etliche Leute die Energie der Sonne mit den unterschiedlichsten Modulen.

Wo wird eine Solaranlage fürs Boot eingesetzt?

Eine Boot Solaranlage wird auch als Photovoltaik Boot oder PV-Anlage Boot bzw. -Generatoren bezeichnet. Sie werden nicht nur zur Stromversorgung von Booten oder Wohnmobilen eingesetzt, sondern auch für Ferienhäuser oder Garten- und Berghütten genutzt, also überall dort, wo kein öffentliches Stromversorgungsnetz verfügbar ist. Das so genutzte Boot Solar System erzeugt eine 12- oder 24 Volt (Solaranlage Boot 12v oder Solaranlage Boot 24v) Gleichspannung (DC) und wird als Insel- oder Off-Grid-Anlage bezeichnet.

Wie funktioniert eine Solaranlage für Boote?

Das Solarmodul wandelt das Sonnenlicht in elektrische Energie um, in Gleichspannung und Gleichstrom (DC). Der Laderegler konditioniert die vom Solarmodul generierten Spannungen und Ströme bedarfsgerecht zum Laden einer Batterie und zur Versorgung der Verbraucher. Die Bordbatterie speichert die elektrische Energie, sodass sie auch dann genutzt werden kann, wenn keine Solarenergie zur Verfügung steht, z. B. bei Nacht. Die DC-Verbraucher können direkt von der Boot Solaranlage bzw. der Batterie versorgt werden. Bei Bedarf kann mit einem Wechselrichter (Inverter) aus der Batterie-Gleichpannung eine Wechselspannung (AC) erzeugt und zum Betrieb von 230 V Verbrauchern genutzt werden.

Wie kann ich eine Solaranlage Boot nachrüsten? 

Die Installation von Solar auf Boot gehört zu den einfachsten Do-It-Yourself Projekten. Nach nur 3 überschaubaren Arbeitsschritten haben Sie eine zusätzliche Energiequelle, mit der Sie ohne weiteres Zutun ganz automatisch mit der Energie der Sonne Ihre Batterie mit Boot Solar laden können oder die Energie ins Bordnetz leiten.

1. Wählen Sie einen unbeschatteten Montageort und fixieren (kleben/schrauben) Sie das Solarmodul an der dafür vorgesehenen Position.

2. Montieren Sie den Laderegler, schließen Sie die PLUS- und MINUS-Leitungen an den Regler-Ausgang (Batteriesymbol) und an die Batterie an. Angaben zum erforderlichen Leitungsquerschnitt finden Sie in den Montage-/Bedienungsanleitungen der meisten Hersteller. Stellen Sie den Regler auf den Batterietyp ein und vergessen Sie nicht, batterienah in die PLUS-Leitung eine Sicherung zu montieren.

3. Verlegen Sie die PLUS- und MINUS-Leitungen vom Modul zum Laderegler-Eingang (Modulsymbol). Wenn Sie das Modul bei den Anschlussarbeiten abdecken, können Sie mögliche Funkenbildung an Steckverbindungen oder an den Klemmen des Reglers vermeiden.

Der dritte Punkt wird häufig unterschätzt. Er könnte der einzig schwierige Teil des ganzen Projekts sein und ist deshalb eine besondere Überlegung wert. Denn die vom Boot Solarantrieb ausgehenden Leitungen müssen von außen zuverlässig abgedichtet und mit ausreichender Zugentlastung zum Regler unter Deck geführt werden. Dabei sind manchmal enge Platzverhältnisse oder schwer zugängliche Stellen eine besondere Herausforderung.

Unser Tipp: Bereits während Sie sich nach einem geeigneten Montageort für das Modul umschauen, sollten Sie auch über den Verlauf der Anschlussleitungen nachdenken! Viele Module werden mit ausreichend langen Anschlussleitungen geliefert. Falls die Leitungslänge nicht ausreicht oder wenn mehrere Module parallel geschaltet werden sollen, muss auf ausreichend große Leitungsquerschnitte geachtet werden. Ziel ist es, den Spannungsverlust auf dem Leitungsweg zum Regler möglichst gering zu halten, idealerweise unter 2% der Modulspannung.

Was ist bei der Planung der Installation von Photovoltaik für Boote zu bedenken?

Wichtig ist, dass man die Eigenschaften und Betriebsbedingungen der Solarmodule und Laderegler kennt und bei der Anlagenplanung und Montage berücksichtigt. Ziel dabei ist es, möglichst über den gesamten Tag optimale Lichtverhältnisse für die Solarzellen zu erzielen. Ideal ist eine direkte, senkrecht auftreffende Sonnenbestrahlung ohne irgendwelche Verschattungen. Aufgrund des Sonnenverlaufs im Laufe eines Tages ist die Ausgangsleistung einer PV-Anlage nicht konstant. Sie ist in den Mittagsstunden (wenn die Sonne im Zenith steht) am höchsten. Auch bei tiefer stehender Sonne in den Morgen- und Abendstunden und bei bei diffusem Licht, wie bei bedecktem Himmel, erzeugen Solarmodule Energie. Dabei ist die Modulausgangsspannung nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig, während sich der Ausgangsstrom proportional zur Bestrahlungsstärke verhält. (Maximale Bestrahlung = maximaler Strom, halbe Bestrahlungsstärke = 50% Strom, etc.).

Wer Photovoltaik über das ganze Jahr nutzen will, sollte auch berücksichtigen, dass sich der Lichteinfallswinkel nicht nur im Laufe eines Tages verändert, sondern auch im Verlauf der Jahreszeiten. Aufgrund der hoch stehenden Sonne gibt es im Sommer mehr effektive Sonnenstunden pro Tag als bei tiefer stehender Wintersonne.

Welche Solar-Leistung benötige ich?

Die Antwort ist nicht ganz einfach. Es kommt darauf an, was Sie von Ihrer Solaranlage Boot erwarten:

1. Soll die kostenlose Energie Ihrer mobilen Solaranlage die Verbraucherbatterie im Laufe des Tages entlasten und beispielsweise nur den Strom für eine Kühlbox oder einen Kühlschrank liefern?

2. Wollen Sie die Batterien mit dem Solarantrieb Boot aufladen weil kein Landanschluss verfügbar ist?

3. Suchen Sie nur nach einer Möglichkeit den Ladezustand der Batterien zu erhalten?

4. Wollen Sie durch Solarenergie 24 Stunden oder länger autark sein? Dann muss die Boot Solaranlage ausreichend Strom für alle Verbraucher im Bordnetz generieren und darüber hinaus auch die Verbraucherbatterie laden können.

Um die Frage beantworten zu können, müssen Sie den Energiebedarf Ihrer Verbraucher kennen und wissen, wie lange diese in Betrieb sind. Das heißt, Sie müssen wissen, wie viel Amperestunden (Ah) oder Wattstunden (Wh) der oder die Verbraucher über einen definierten Zeitraum benötigen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, Ihren individuellen Energiebedarf zu ermitteln:

1. Das Erstellen eines Energiekonzeptes
2. Die Bedarfsermittlung mit Hilfe eines Batteriemonitors
3. Die Recherche nach verlässlichen Informationen im Internet

Wo sollte ich eine Solaranlage an Bord installieren? 

Die Solaranlage für Segelboot sollten möglichst lange und direkt von der Sonne beschienen werden. Die höchste Leistung erzielen Sie, wenn das Sonnenlicht senkrecht auf das Modul trifft. Wer sich bereits etwas mit dem Thema Solar Sportboot beschäftigt hat, weiß, dass Module mit höherer Leistung auch größere Abmessungen haben. Beispiel: Für 50 Watt benötigen Sie eine Montagefläche von ca. 0,4 m², für 100 W sind etwa 0,7 m² erforderlich. Letztendlich bestimmen aber die Modulabmessungen (Länge und Breite), ob ein Modul (oder mehrere) auf die vorgesehene Montagefläche an Bord passt und wie viel Solarertrag durch dieses Modul auf der Montagefläche erwirtschaftet werden kann. Falls Sie keine ausreichend große Fläche zur festen Montage eines Solarmoduls haben, sollten Sie über eine mobile Solaranlage Boot nachdenken. Diese können Sie an jeder beliebigen Stelle auslegen, aufstellen, anbinden, oder, wenn die Module mit TENAX- oder LOXX-Druckknöpfen ausgerüstet sind, bequem und solide auf dem Bimini oder anderen textilen Unterlagen befestigen.

Solar Boot kaufen:

Rahmen-Module werden häufig dort montiert, wo die Nutzung des Bootes oder Fahrzeugs nicht durch die Höhe des Modulrahmens oder des Befestigungsmaterials beeinträchtigt wird und wo eine ausreichende Hinterlüftung gegeben ist, z. B. auf einem Geräteträger oder auf großen und freien Dachflächen. Für die Montage direkt aufs Deck oder auf leicht abgerundete Flächen sind semiflexible Module die ideale Lösung. Gegebenenfalls erfordert der Montageort auch die Begehbarkeit des Moduls. Auch über die Modulanschlussbox und die Anschlussleitungen sollten Sie nachdenken.

Wie und wo kann ich die Anschlussleitungen für Solarmodule verlegen und wie bekomme ich die Leitungen unter Deck?

Falls Sie mehrere Module parallel schalten wollen, könnte das bereits an Deck erfolgen. Eine Ausnahme sind Module mit separatem Zellprotektor. Bei diesen darf die Parallelschaltung erst auf der Ausgangsseite der Zellprotektoren erfolgen.
Es ist selbstverständlich auch möglich, die Anschlussleitungen jedes Moduls bis zum Laderegler zu führen und dort parallel zu schalten. Das Verlegen einer einzelnen mehradrigen Modulanschlussleitung ist einfacher als das Verlegen von zwei einzelnen PLUS- und MINUS-Leitungen.

Wenn Sie eine mobile Solaranlage Boot einsetzen wollen und keine langen Leitungen als Stolperfallen an Bord herrumliegen sollen, könnten Sie an geeigneten Stellen Steckdosen montieren. Die Steckdosen könnten auch als Decktrennstelle für die Solarleitungen zum Laderegler genutzt werden. Sie können mehrere Steckdosen parallel schalten (PLUS mit PLUS und MINUS mit MINUS verbinden). Vielleicht wollen Sie zuerst mit einem Modul Erfahrungen sammeln und die Anlage später erweitern. Das ist möglich, jedoch sollten Sie das bereits jetzt in Ihre Überlegungen einbeziehen, damit Sie später mit Ihren Planungen nicht wieder ganz von vorne anfangen müssen.

Welche Solarmodul-Typen gibt es für Boote?

- Im Überblick -

Zelltechnologien

Ein Solarmodul oder Photovoltaikmodul (PV-Modul) wandelt das Licht der Sonne in elektrische Energie um. Überall, wo keine großen Montageflächen für eine PV-Anlagen zur Verfügung stehen, werden bevorzugt Module mit einem hohen Wirkungsgrad eingesetzt. Meistens sind es Module mit mono- oder polykristallinen Zellen. Monokristallin bestückte Module erreichen mittlerweile Wirkungsgrade, die über 20% liegen. Module mit polykristalliner Zellbestückung lieben mit bis zu 20% etwas darunter. Der Wirkungsgrad anderer Zelltechnologien (Dünnschicht, CIS/CIGS) ist geringer. Trotzdem haben diese Technologien ihre Berechtigung, denn gegenüber den mono- und polykristallinen Zellen haben sie Vorteile, wie geringes Gewicht, geringere Einbußen bei Streulicht oder Teilverschattung sowie bei hohen Temperaturen. Aber um die gleiche Leistung wie mono- oder polykristallin bestückte Module zu erzielen, sind wesentlich größere Montageflächen erforderlich.

Modul-Wirkungsgrad

Der Modul-Wirkungsgrad gibt an, wie viel Prozent der Sonneneinstrahlung ein Solarmodul in Strom umwandeln kann. Er ist nicht mit dem Wirkungsgrad der im Modul verwendeten Solarzellen gleich zu setzen, denn auch die Größe und der Gesamtaufbau haben Einfluss auf den Wirkungsgrad des gesamten Moduls. Das Grundelement der meisten Module ist die Photovoltaik-Zelle, die in der Regel aus dem Halbleitermaterial Silizium besteht. Aufgrund der unterschiedlichen Aufbereitung des Siliziums unterscheidet man zwischen monokristallinen und polykristallinen Zellen.

Monokristalline Zellen

Zur Produktion von monokristallinen Zellen benötigt man hochreines geschmolzenes Silizium. Aus der Siliziumschmelze werden stabförmige Einzelkristalle gezogen und anschließend in dünne Scheiben gesägt. Die so hergestellten monochkristallinen Zellen garantieren hohe Wirkungsgrade von über 20 %. Das heißt, sie sind in der Lage, rund 1/5 der Sonnenstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln

Monokristalline Rückkontakt-Zellen

Durch ständige Weiterentwicklung erreicht dieser Zelltyp Wirkungsgrade über 25 %. Monokristalline Rückkontakt-Zellen sind einseitig kontaktiert und daran zu erkennen, dass es auf ihrer sehr dunkelblauen Oberseite keine silberfarbigen Kontaktierungen gibt. Dadurch steht dem Sonnenlicht eine größere freie Oberfläche zur Verfügung, was die Zellen effizienter macht.

Polykristalline Zellen

Das Fertigungsverfahren von polykristallinen, häufig auch als multikristalline Zellen bezeichnet, ist einfacher. Hier wird flüssiges Silizium in Blöcke gegossen und die Blöcke werden anschließend in Scheiben gesägt. Beim Erstarren des Materials bildet sich kein Einzelkristall, sondern eine vielfältige Kristallstruktur. Polykristalline Module schimmern meist bläulich. Aufgrund der ungleichmäßigen Kristallstruktur wird auftreffendes Licht unterschiedlich reflektiert, wodurch die Zelloberfläche glitzert. Die Produktion von polykristallinen Zellen ist günstiger, allerdings haben sie im Vergleich zu monokristallinen Zellen einen etwas geringeren Wirkungsgrad.

Dünnschicht-Zellen

Bei der Herstellung von Dünnschicht-Zellen wird amorphes Silizium hauchdünn auf eine Glasplatte oder einer Folie abgeschieden. Amorphe Siliziumzellen haben einen geringeren Wirkungsgrad als kristalline Zellen, allerdings reagieren Sie kaum auf Temperaturänderungen und sind besonders für den Einsatz unter schwierigen Lichtbedingungen geeignet, wie Teilverschattungen oder bei diffuser Einstrahlung (Streulicht).

CIS/CIGS-Zellen

Diese Zellen bestehen nicht aus Silizium und ihre Bezeichnung  Zellen bezieht sich auf die verwendeten chemischen Elemente Kupfer, Indium, Gallium und Selen. Die häufigst verwendeten Kombinationen sind Kupfer-Indium-Disulfid CuInS2 und Kupfer-Indium/Gallium-Diselenid Cu(In,Ga)Se2. Wie bei den Dünnschichtzellen wird das CIS/CIGS Absorbermaterial auf Glas- oder Kunststoffträger aufgebracht. Da sie von den Dünnschichtzellen die höchste Spektralempfindlichkeit besitzen, erzielen CIS/CIGS Zellen hohe Wirkungsgrade. Die Technologie wird in der Regel bei flexiblen Solarmodulen angewandt. 

Aufbau von Photovoltaik Yacht

Die meisten Solarmodule bestehen aus einer bestimmten Anzahl von einzelnen, auf Silizium basierten Photovoltaik-Zellen. Eine einzelne Solarzelle erzeugt in der Regel eine elektrische Spannung (Ump) von 0,5 V bis 0,6 V. Das ist viel zu wenig, um damit z. B. eine 12 V Batterie laden zu können. Dazu wäre eine Spannung von mehr als 15 Volt erforderlich. Um eine höhere Spannung zu erreichen, werden so viele Zellen auf einer Trägerschicht fixiert und in Reihe geschaltet, bis die erforderliche Spannung erreicht wird. Die Verbindungen zwischen den Zellen und dem Modulanschlüssen erfolgt mit flachen Metallfolien innerhalb des Moduls. Dabei wird auch berücksichtigt, dass mono- und polykristalline Zellen bei hohen Temperaturen eine geringere Ausgangsspannung haben.
Beispiel: Ein 12 V Modul besteht aus einer Reihenschaltung von 36 Zellen*. Dadurch ergibt sich eine Leerlaufspannung (Uoc) von etwa 21V und die Spannung bei maximaler Leistung (Ump) liegt bei etwa 17 bis 18V. Ein 24 V Modul besteht aus der doppelten Anzahl von in Reihe geschalteten Zellen, nämlich 72 Stück und dadurch ergeben sich auch die doppelten Spannungswerte.
* Je nach Modulaufbau und Zelltyp kann ein 12 V Modul aus einer Reihenschaltung von 32 bis 40 Zellen bestehen. Eine Reihenschaltung von Solarzellen oder Modulen wird als Strang (engl. String) bezeichnet.

Wie viel Strom liefert Solar für Boot?

Der Strom vom Modul hängt in erster Linie von der Größe der Solarzellen ab. So liefert z. B. eine kommerzielle Solarzelle bei optimalen Betriebsbedingungen einen Strom von 30 bis 36 mA pro cm². Eine monokristalline Solarzelle mit einer Fläche von 15,6 x 15,6 cm (=243 cm²) würde demnach einen Strom zwischen 7 und 9 A liefern. Mit dem Wissen ist man geneigt, sich für Module mit großen Zellen zu entscheiden. Das mag für große Solaranlagen zutreffen, deren Module weitestgehend ohne Verschattung gut in der Sonne liegen. Marine- oder Caravan-PV-Anlagen bestehen häufig nur aus einem Solarmodul und es ist nicht ausgeschlossen, dass dieses Modul im Laufe des Tages auch beschattet wird, was dann zu einem deutlichen Leistungsverlust führen kann. Deshalb optimieren einige Hersteller ihre Module. Statt eines Strangs mit großen Zellen werden 2 oder mehr Stränge mit kleineren Zellen verwendet und parallel geschaltet. Bei guten Lichtverhältnissen generieren diese Module nahezu den gleichen Strom, wie die mit großen Zellen bestückten, aber trotz der Verschattung einzelner Zellen oder eines Zellstranges liefern sie die Leistung der restlichen Zellstränge! 

Was sind Bypass-Dioden und wozu wird eine Hotspot-Protection benötigt?

Fassen wir noch einmal zusammen: Solarzellen werden in Reihe und parallel zu einem Solarmodul zusammengeschaltet. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Zellen ergibt die Spannung des Moduls, während die Anzahl der parallel geschalteten Zellstränge den Strom bestimmt.
Wenn viele Zellen in Reihe geschaltet sind, kann die Abschattung einzelner Zellen zur Überhitzung und Zerstörung der abgeschatteten Zelle oder des Laminiermaterials führen, sodass das Modul im Bereich der abgeschatteten Zelle Blasen werfen und platzen kann. Ein derartiger Schaden wird in Fachkreisen als Hotspot (auf Deutsch = heiße Stelle) bezeichnet. Um Hotspots zu vermeiden, werden Bypass-Dioden antiparallel zu den Solarzellen geschaltet. In der Praxis wird für 15-20 in Reihe geschaltete Zellen eine Bypass-Diode verwendet. Dabei wird die die Anode der Diode wird mit dem negativen Anschlus der zu schützenden Zellen verbunden und die Kathode mit dem positiven. Die Dioden verursachen keine Verluste, da im Normalbetrieb kein Strom durch sie fließt. Bypass-Dioden ermöglichen es auch, dass Strom durch das PV-Modul fließen kannt, wenn es teilweise verschattet ist.

Solarmodule mit Alu-Rahmen

Hier sind die Zellen samt Zellträger in einen Aluminium-Rahmen montiert, mit gehärtetem Glas abgedeckt, einer wasserdichten Rückseite ausgestattet und rundum versiegelt. Auf der Rückseite des Moduls befindet sich eine wasserdichte Anschlussdose, in der sich häufig auch Sperr- bzw. Bypass-Dioden befinden. Viele Module sind bereits mit zwei Solaranschlusskabeln (PLUS und MINUS) sowie Steckverbindungen ausgestattet. Die Anschlussdose sollte nicht ohne zwingenden Grund bzw. nur nach Rücksprache mit dem Modulhersteller/-Lieferanten geöffnet werden, denn es muss gewährleistet sein, dass sie stets zuverlässig dicht ist.

Weitere Rubriken: Laderegler, Batterien und Montagezubehör

Falls Sie sich dafür entscheiden Solar Boot zu kaufen, sollten Sie beachten, dass Sie das passende Zubehör für Ihre Solaranlage benötigen. Dazu gehört in erster Linie ein Laderegler sowie die passende Bootsbatterie. Ohne diesen wichtigen Komponenten könnne Sie Ihre neu angeschafften Solarmodule nicht verwenden und die gewonnene Energie nicht speichern. In unserer Kategorie Montagezubehör, Kabel & Abapter für Solartechnik finden Sie alle wichtigen Zubehörteile, die Sie für den korrekten Anschluss Ihrer neuen Solaranlage für Boote brauchen. Benötigen Sie weitere Hilfe zu Solar Boot? Der SVB Ratgeber "Grüne Energie an Bord" hilft Ihnen bei allen offenen Fragen rund um das Thema Photovoltaik Yacht.