E-Bikes sind in aller Munde und haben in den Verkaufszahlen reguläre Fahrräder bereits weit überholt. Nach Aussage eines Fahrradhändlers in Deutschland (Mittelgebirge) werden in seinem Laden bereits 70% E-Bikes verkauft. Der Trend ist unaufhaltsam und eröffnet gänzlich neue Möglichkeiten.

Das E-Bike an der Steckdose zu laden ist einfach. Auf Langstrecke zu gehen, unabhängig zu sein und lange Reichweiten zu erzielen, die über eine übliche Akkuladung hinaus gehen, hier kommt Photovoltaik ins Spiel. Mein Traum von Anfang an war, ein Vehikel zu konstruieren, das möglichst große Reichweite besitzt aus einer Kombination von Muskel- und Sonnenenergie, und hier landet man zwangsläufig bei einer Konstruktion, die auf E-Bike Technologie basiert. Es gibt sogenannte E-Bike Umbausets und mit einem solchen habe ich mich auf Basis von Bafang-Technologie (Hersteller aus Fernost) an den Umbau des ersten Solar Handbikes gewagt (Details in diesem Beitrag hier).

In diesem Beitrag soll es vor allem um die Solartechnologie gehen, der Bereich Eigenbau Akku aus recycelten 18650er Li-Ion Zellen wurde bereits hier abgehandelt.

Photovoltaik ist die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie. Dotierte Halbleiter werden mit dem (inneren) photoelektrischen Effekt zu Stromquellen und sind ein wichtiger Bestandteil der Energiewende. Es gibt unterschiedliche Technologien, weit verbreitet und wirtschaftlich sind Silizium-basierte Solarzellen, die es in verschiedenen Größen und Bauformen gibt. Für das Solarbike-Projekt kommen nur flexible Solarzellen in Frage, die deutlich leichter als das unflexible Pendant mit Glasoberfläche sind. Flexible Solarzellen werden beispielsweise auf Yachten, Vans oder Wohnwagen / Wohnmobilen eingesetzt.

Für den Anschluss an das Solarbike benötigt man jedoch noch mehr Dinge als nur eine oder mehrere flexible Solarzelle(n): Einen Solar-Laderegler und vor allem einen Akku, der sich auf diese Weise während der Fahrt laden lässt. Das Blockschaltbild des gesamten Solarbikes sieht nun wie folgt aus:

Das Steuergerät sowie der Pedalsensor sind E-Bike Komponenten, die je nach Hersteller anders ausgelegt sind.

Laderegler

Hier gibt es zwei verschiedene Technologien, PWM (Pulsweitenmodulation) oder MPPT (Maximum power point tracking), die auf dem Markt verfügbar sind. Der Laderegler sorgt dafür, dass der Akku nicht überladen wird und regelt die Energie der Solarzelle ab bzw. bremst sie, wenn der Akku voll bzw. fast voll ist. der MPPT-Tracker sucht zudem den optimalen Arbeitspunkt der Solarzelle und sorgt so für den besten Wirkungsgrad. Der Markt hat hier eine Fülle von Reglern im Angebot, ich habe hier leider einiges an Lehrgeld bezahlen müssen…

Akku

Einige E-Bike Hersteller verhindern, dass der Akku während der Fahrt (vom Solar Laderegler) geladen werden kann. Diese Akkus sind natürlich nicht für den Einsatz am Solarbike geeignet. Auch muss sichergestellt werden, dass der maximal mögliche Ladestrom nicht den maximalen Ladestroms des Akkus übersteigt. In meinem Fall setze ich sowieso nur auf Eigenbau Akkus, die genau meinen Anforderungen entsprechen. Achtung: Einige E-Bike Systeme arbeiten jedoch nur mit den Original-Hersteller-Akkus! Ganz ähnlich wie beim Auto sind hier dem Eigenbau teilweise enge Grenzen gesetzt. Alle von mir getesteten Systeme haben diese Grenzen jedoch nicht!

Solarpanele

Wie bereits erwähnt haben sich aktuell monochristalline Silizium-basierte Technologien durchgesetzt. Alternativ gibt es z.B. noch GaAs-Zelltechnologie, die in Hochperformance-Bereichen eingesetzt werden, diese sind jedoch erheblich teurer. Die mit PET- oder ETFE-beschichteten Solarpanele sind flexibel, leicht und ideal für den Einsatz auf dem Solarbike geeignet. Neben den Abmessungen sind die Leistungsdaten entscheidend und Solarpanele, Laderegler und Akku müssen zwingend aufeinander abgestimmt sein! Leider sind diese Zellen jedoch von sehr unterschiedlicher Qualität. Die angegebenen Leistungswerte sind teilweise reine Phantasie und die Lebensdauer relativ kurz. So haben meine ersten Solarpanele gerade mal ein Jahr gehalten, die darauf folgenden nur ein halbes Jahr. Meist kaufen Händler große Stückzahlen, die dann abverkauft werden und danach werden neue Panale auf den Markt geworfen. Die gleichen Zellen einige Zeit später nochmals kaufen? Teilweise schwierig!

Dimensionierung der Komponenten, Abstimmung von Laderegler, Akku und Solarpanele

Meist ist die Akkuspannung die entscheidende Bezugsgröße. Die gängigen Systeme arbeiten mit 36V, 48V oder 52V, in Ausnahmefällen sind auch höhere Spannungen üblich.

Neben den oben geschilderten Vorbedingungen (Akku Ladefähigkeit, max. Lade/Entladestrom) können wir uns nun um den Laderegler und die Solarzellen kümmern. Bei den Solarladereglern gibt es beiden MPPT-Ladereglern 2 verschiedene Typen: Step down oder Step up Laderegler. Step-down Laderegler müssen eine PV-Spannung haben, die über der Ladeschlussspannung liegt. Beispiel: Ein Victron Laderegler benötigt eine PV-Spannung, die 5V über der Ladeschlussspannung des Akkus liegt. Ein 36V-Akku hat eine Ladeschlussspannung von 42V, also müssen die Solarzellen eine MPP-Spannung (U mpp, Spannung maximum power point) von mindestens 47V besitzen. In den seltensten Fällen gibt es einzelne PV-Zellen in einer Solarbike-tauglichen Größe, die derart hohe MPP-Spannungen besitzen.

Reihen- oder Parallelschaltung von PV-Modulen?

Bei Einsatz von mehreren Solarpanelen auf dem Solarbike stellt sich die grundästzliche Frage, ob es eine Reihen- oder eine Parallelverschaltung geben soll. Ganz wichtig: Bei einer Reihenschaltung addieren sich die Spannungen, bei einer Parallelschaltung die Ströme. Bitte nur Module in Reihe verschalten, die gleiche Ausrichtung und auch Leistungsdaten besitzen! Also nur gleiche Modultypen. Sonst bestimmt das Modul mit der schwächeren Leistung die Gesamtleistung des sog. Strings und es wird ggf. Leistungsverlust gehen. Eine minimale Teilverschattung eines Strings kann schon dazu führen, dass die Gesamtleistung in die Knie geht.

Bei einer Parallelschaltung muss stets die Modulspannung gleich sein, Ströme addieren sich.

Für unser obiges Beispiel mit min. 47V MPP-Spannung müssen also mehrere Solarpanele in Reihe geschaltet werden.

Wenn dies nicht möglich ist, kommen Step-up MPPT-Laderegler ins Spiel. Hier muss die PV-Spannung unter der Batteriespannung liegen und beim Einsatz mehrerer PV-Module kommt hier eine Parallelschaltung der Module ins Spiel.

Es gibt Laderegler, die universell für verschiedene Batteriespannungen einstellbar sind, bitte auch hier genau prüfen, ob die Ladeschlussspannung mit der Akku-Technologie überein stimmt, teilweise sind hier zu hohe Standardwerte eingestellt.