Solarzellen sind Gleichspannungsquellen. Das bedeutet, eine Solarzelle erzeugt Gleichspannung, so wie auch Batterien. Wird eine Solarzelle in einen geschlossenen Stromkreis eingebaut, treibt sie den elektrischen Strom in nur eine Richtung an. Es fließt Gleichstrom.

Genauso wie eine Batterie, besitzt eine Solarzelle immer einen Pluspol und einen Minuspol. Photovoltaikanlagen   Verschaltung FliessrichtungDer elektrische Strom fließt in einem geschlossenen Stromkreis vom Minuspol der Solarzelle durch einen Verbraucher (z.B. eine Lampe) zum Pluspol der Solarzelle durch die Solarzelle hindurch zurück zum Minuspol der Solarzelle.

 

Reihenschaltung von Solarzellen

Bei der Reihenschaltung von Gleichspannungsquellen werden immer unterschiedliche Pole miteinander verbunden. Möchte man also Solarzellen in Reihe schalten, so verbindet man den Minuspol einer Solarzelle mit dem Pluspol der nächsten Solarzelle. Eine Reihenschaltung führt dazu, dass sich die Spannungen der einzelnen Solarzellen addieren. Die Gesamtspannung wird somit höher. Sind die in Reihe geschalteten Solarzellen gleichartig, so bleibt die Gesamtstromstärke so hoch wie die Stromstärke einer einzelnen Solarzelle.

Photovoltaikanlagen   Verschaltung Reihenschaltung

 

Parallelschaltung von Solarzellen

Bei der Parallelschaltung von Gleichspannungsquellen werden immer gleiche Pole miteinander verbunden. Möchte man also Solarzellen parallel schalten, so verbindet man alle Minuspole der Solarzellen und alle Pluspole der Solarzellen. Eine Parallelschaltung führt dazu, dass sich die elektrischen Ströme der einzelnen Solarzellen addieren. Die Gesamtstromstärke wird somit höher. Sind die in Reihe geschalteten Solarzellen gleichartig, so bleibt die Gesamtspannung so hoch wie die Spannung einer einzelnen Solarzelle.

 Photovoltaikanlagen   Verschaltung Parallelschaltung

 

Wozu diese Zusammenschaltungen?

Eine Reihenschaltung mehrerer Gleichspannungsquellen führt also zu einer Erhöhung der Gesamtspannung. Das wird z.B. bei Taschenlampen genutzt, in denen sich mehrere Batterien hintereinander in Reihe befinden, um eine höhere Spannung zu erreichen. Eine Parallelschaltung mehrerer Gleichspannungsquellen erhöht die Gesamtstromstärke.

Möchte man einen Verbraucher betreiben, z.B. ein Radio oder eine Lampe, ist es gut wissen, welche Spannung und welche Stromstärke der Verbraucher benötigt, um bestmöglich zu funktionieren. Diese Werte sind in der Regel auf dem Gerät aufgedruckt. Man schaltet dann erst einmal so viele Solarzellen in Reihe, bis die benötigte Spannung erreicht wird. Anschließend schaltet man mehrere solcher Reihen parallel, bis die benötigte Stromstärke erreicht wird.

 Photovoltaikanlagen   Verschaltung Reihen  und Parallelschaltung

Ein Beispiel

Eine herkömmliche kristalline Solarzelle mit einer Größe von etwa 15 cm x 15 cm, erzeugt eine elektrische Spannung von etwa 0,5 V und eine elektrische Stromstärke von etwa 5 A. Die Leistung der Solarzelle ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke und wird in der Einheit Watt (W) gemessen: 0,5 V x 5 A = 2,5 W

Reihenschaltung

Werden zum Beispiel drei dieser Solarzellen in Reihe geschaltet, so addieren sich die Spannungen der einzelnen Solarzellen. Die Gesamtspannung beträgt nun 0,5 V + 0,5 V + 0,5 V = 1,5 V. Die elektrische Stromstärke bleibt 5 A. Die Leistung der Solarzellen beträgt 1,5 V x 5 A = 7,5 W.

Parallelschaltung

Werden drei dieser Solarzellen parallel geschaltet, so addieren sich die elektrischen Ströme, die jeweils von den Solarzellen erzeugt werden. Die Gesamtstromstärke beträgt nun 5 A + 5 A + 5 A = 15 A. Die elektrische Spannung bleibt 0,5 V. Die Leistung der Solarzellen beträgt 0,5 V x 15 A = 7,5 W.

Leistung von zusammengeschalteten Solarzellen

Egal, ob Reihenschaltung oder Parallelschaltung, beide Schaltmöglichkeiten führen bei gleichartigen Solarzellen zu der gleichen elektrischen Leistung. Bei der Herstellung von Solarmodulen ist es üblich zwischen 36 und 144 Solarzellen in Reihe zu schalten, um die Gesamtspannung des Solarmoduls zu erhöhen. Ein solches Solarmodul erzeugt eine Gesamtspannung von 20 bis 80 V. Die Leistung eines solchen Solarmoduls beträgt zwischen 100 W und 300 W.

 

Reihen- und Parallelschaltung von Solarmodulen

Ein Solarmodul besteht aus vielen, meist in Reihe geschalteten Solarzellen (so wird eine höhere Gesamtspannung des Solarmoduls erreicht). Auch die Solarmodule werden wieder mit anderen Solarmodulen zusammengeschaltet.

Eine Reihenschaltung der einzelnen Solarmodule führt zu einer noch höheren Gesamtspannung. Wenn allerdings eines der Solarmodule z.B. verschattet wird, ist die „Kette“ dadurch unterbrochen und es kann kein elektrischer Strom mehr fließen. Die gesamte Photovoltaikanlage fällt aus.

Eine Parallelschaltung der einzelnen Solarmodule führt zu einer höheren Gesamtstromstärke. Wenn bei einer Parallelschaltung einzelne Solarmodule ausfallen, weil sie z.B. verschattet sind, kann durch die anderen Solarmodule immer noch elektrischer Strom fließen. Lediglich die Gesamtstromstärke wird geringer.

Häufig wird eine Kombination aus Reihenschaltung und Parallelschaltung der Solarmodule gewählt. 

Eine Reihenschaltung mehrerer Solarzellen führt zu einer höheren Gesamtspannung. Eine Parallelschaltung mehrerer Solarzellen erhöht die Gesamtstromstärke.

Aus defekten LED-Gartenleuchten eine Schaltung basteln

Hier habe ich aus diversen Gartenleuchten (diese billigen Dinger vom Discounter) deren Elektronik offensichtlich sehr schnell den Geist aufgegeben hat bzw. die die hiesige Feuchtigkeit nicht vertragen haben die Solarzellen entnommen. Ein erster Test zeigt eine Spannung von 1,37 Volt unter Halogenlicht.solarzelle test2Als nächstes werde werde ich einige dieser Zellen mittels eines Breadbords in Reihe schalten. Ziel ist es, möglichst einen Strom zur Ladung eines 12 V-Akkus zu erzielen. Dieser soll später über eine andere Schaltung (5V) einen Raspberry Pi versorgen. Mal sehen, ob das funktioniert.

Dann habe ich 7 "ausgediente" Solarzellen euf einem Breadboard in Reihe geschaltet und erziele immerhin eine Spannung von 12,32 Volt je nach Lichteinfall. 

Solarzellen test3

Nach Hinzufügen einer weiteren Solarzelle ergab sich sogar ein Wert von 14,16 V. 

Solarzellen test4

Nach Erweiterung um weitere 5 Zellen auf insgesamt 12 Zellen erweiterte sich die Spannung auf durchschnittlich 20 Volt. Mehr "Schrott" habe ich leider nicht mehr.

Solarzellen test6Solarzellen test5

Das Ganze muß nun noch auf eine möglichst wasserdichte Lösung fixiert werden. Dann kann ich in einem weiteren Schritt über den Aufbau einer Ladeschaltung nachdenken. Oder ich werde einen einfachen Solarladeregler einsetzen. Und wenn das Ganze für eine 12 V 7.2 Ah Batterie nicht reicht, dann werden es halt einfach kleinere Akkumulatoren werden.

 

Geregelte Spannungsversorgung mit 5V aus einer 12V-Batterie mit  zwei Kondensatoren und einem L7805 zur Versorung eines Raspberry Pi.

Raspberry Pi L7805 Steckplatine

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