Solar-Lader für Smartphone und / oder Portabelfunk


Solar-Lader

  Wie kommt die Sonnenenergie in den Akku?


Für längere Aufenthalte in der freien Natur, ohne den Zugriff auf eine 230 V Netzsteckdose oder die voll geladene 12 V Autobatterie, benötige ich unabhängige Energieversorgungen für mein Smartphone GALAXY S (5 V DC USB) und portable Funkaktivitäten mit dem FT-817 (12 V DC). Von den vielen theoretischen Möglichkeiten blieb aus Kosten- und Gewichtsgründen zum Schluß nur die Verwendung von Solarmodulen übrig.
Wie sich nach einigen Versuchen herausstellte, ist es schwierig, eine universelle Solar-Stromversorgung für 5 V und / oder 12 V mit hohem Wirkungsgrad zu bauen. Deshalb entstanden schließlich unterschiedliche Solar-Lader, jeder für seinen Einsatz optimiert.

  Die Sache mit dem Innenwiderstand


Ri Eine Solarzelle liefert eine Spannung von etwa 0,5 V. So kann man es überall lesen. Diese Aussage stimmt jedoch nur unter bestimmten Bedingungen. Als der liebe Gott die Solarzelle schuf hat der Teufel leider seine Finger im Spiel gehabt und der Solarzelle einen Innenwiderstand eingebaut. Dieser ist bei starker Beleuchtung der Solarzelle niedrig und bei schwacher Beleuchtung hoch. Ein angeschlossener Verbraucher müßte diesem Spiel folgen können um immer die maximal mögliche Leistung aus der Solarzelle entnehmen zu können. Dafür braucht es Intelligenz, auch bekannt als MPPT (Maximum Power Point Tracking) [1]. Die Ladeschaltung im Galaxy S kann das nicht.


  Ein Solar-Lader für mein Smartphone Galaxy S


Über ebay fand ich in China preiswerte Solarmodule mit den Abmessungen 118 mm x 128 mm. Diese passen nebst einer USB-Buchse mechanisch gut in eine dicke transparente CD-Hülle, bei der die dunkle Halterung für die CD entfernt wurde. Mit einer angegebenen Leerlaufspannung von 7,5 V erschien mir so ein Modul gut geeignet, mein Smartphone zu laden. Erste unbekümmerte Experimente führten jedoch zu gründlicherem Nachdenken.

Fehlschlag 1: Ein sicherheitshalber vorgesehener 5,0 V LDO-Spannungsregler zwischen Solarmodul und USB-Buchse funktioniert zwar theoretisch gut, in der Praxis sinkt jedoch die Ausgangsspannung des Solarmoduls wegen dessen hohem Innenwiderstand bis auf 4,1 V ab, wenn das Smartphone Ladestrom zieht. Diese "Lösung" funktioniert nicht.

Fehlschlag 2: Man nehme einen Step-Up Schaltregler, der aus den 4,1 V wieder 5,0 V macht. Meine Versuche mit einem MC34068 verliefen wegen einem erreichten Wirkungsgrad von nur etwa 40 % völlig unbefriedigend.

Erkenntnis 1: Mein Galaxy S fängt bei 4,1 V an der USB-Buchse an zu laden und zieht dann 35 mA Strom. Der Ladestrom steigt mit der verfügbaren Spannung an der USB-Buchse und beträgt bei 5,0 V 450 mA.

Erkenntnis 2: Wenn sich die Ladekurve der 100 % nähert, dann schaltet die interne Ladeschaltung des Galaxy S auf "Trickle Charging" um. Es werden dann nur noch mehr oder weniger lange Impulse mit hohem Ladestrom gemessen.

Erkenntnis 3: Die Anzeige des Ladezustands in meinem Smartphone ist widersprüchlich. Während das Ladesymbol in der oberen Zeile des Display bei angeschlossenem Solar-Lader und mäßigem Sonnenschein freudig blinkt und den Ladezustand signalisiert sowie in der Balkendarstellung unter der Grafik ebenfalls ein grüner Balken behauptet, daß wir im Ladezustand seien, ist die Ladekurve ehrlich und zeigt mit ihrem fallenden Verlauf "Entladen" an.

Erkenntnis 4: Nun ist mir klar, warum manche Hersteller von "Solar-Chargern" versuchen, den Umweg über einen im Charger integrierten Akku zu gehen. Der Zwischenakku wird über das oftmals recht kleine Solarmodul mühsam langsam aufgeladen und soll dann bei Bedarf seine gespeicherte Energie zum Laden des internen Akku im Smartphone bereitstellen oder das Smartphone direkt betreiben. Prinzipiell eine gute Idee, denn diesen Energievorrat kann man Tag und Nacht nutzen, falls er denn vorhanden ist. Wenn da nicht die Sache mit der Multiplikation der Wirkungsgrade wäre. Bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Akkulader von jeweils 60 % erreichen bei diesem Verfahren nur 0,6 x 0,6 = 36 % der kostbaren Energie des Solarmoduls den Smartphone-Akku.
Wie sich ein NiMH- oder Lithium-Akku bei gemessenen 68 °C im prallen Frühlings-Sonnenlicht verhält, habe ich nirgendwo lesen können. Ich werde meine Akkus nicht dem direkten Sonnenlicht aussetzen. Einige Hersteller schreiben auf ihre Lithium-Akkus "Gebrauchstemperatur max. 60 °C".

Erkenntnis 5: Jeder zusätzliche Wandler zwischen Solarmodul und Smartphone verbietet sich aus Gründen des Wirkungsgrades. Da ein Solarmodul eine je nach Beleuchtungsintensität schwankende Spannung bereitstellt, muß eine zusätzliche Schaltung dafür sorgen, daß die maximale Spannung von 5,25 V laut USB-Spezifikation an der USB-Buchse eingehalten wird.

Ausweg aus dem Dilemma: Unter Ausnutzung des nun einmal vorhandenen Innenwiderstandes des Solarmoduls besteht die Lösung in einer simplen 5,25 V Leistungs-Z-Diode, die über die Anschlüsse des Solarmoduls gelötet wird. Ich habe mir aus der Bastelkiste eine geeignete 1N5338B ausgemessen.

USB Solar Lader
Schaltbild
Solarmodul
Solarmodul
Solarmodul Aufbau
Aufbau
Ladeverlauf
Ladekurve


Erste Erfahrungen: Das Laden des internen Akkus in meinem Smartphone funktioniert bei wolkenlosem Himmel und Sonnenschein zufriedenstellend. Das Solarmodul wird ab und zu von Hand senkrecht zur Sonne ausgerichtet. Der interne Akku wurde in 4 Stunden von 30 % auf 90 % aufgeladen.
Bei bedecktem Himmel wird der Akku nicht geladen, obwohl die Ladeanzeige blinkt.
Bei Sonnenschein und ab und zu vorbeiziehenden Wolken und einem Ladestand des Akkus von unter 20 % ertönt jedes mal der Signalton "Akku leer - Bitte Laden". Auf die Dauer eine nervige Angelegenheit.

Hinweis: Wegen einiger Anfragen teile ich mit, daß bei meinem SAMSUNG Galaxy S I9000 ohne irgendeine Beschaltung der USB-Datenpins der interne Akku geladen wird (Die beiden mittleren Pins der USB-Buchse am Solarmodul bleiben frei.).



  Ein Solarmodul 12 V / 1 A für den Portabelfunk mit FT-817


Auch hier macht es der relativ hohe Innenwiderstand eines Solarmoduls schwierig, die beim Senden mit 5 W benötigten 13,8 V mit 2 A direkt aus dem Solarmodul bereit zu stellen. Da ich auch in der Dunkelheit Funkbetrieb machen will blieb als Ausweg nur die Zwischenspeicherung in einem Akku. Ein voll geladener NiMH-Akku mit 12 V und 8 Ah erlaubt Funkbetrieb über viele Stunden. Ein zweiter Akku dieser Größe dient als Reserve und wird geladen, wenn mit seinem Zwillingsbruder gerade gefunkt wird. Meine zwei Akkus habe ich aus Industriezellen der Bauform "D" (Monozellen) aufgebaut.
Rein gefühlsmäßig entschied ich mich für den Bau eines Solarmoduls 15 V / 1 A aus 12 Stück preiswerten kleinen monokristallinen Solarmodulen chinesischer Produktion. Um das Solarmodul in einem Aktenkoffer transportieren zu können und wegen dem gewünschten mechanischen Schutz beim Transport sollte mein Solarmodul leicht und faltbar sein. Der Versuch, 12 kleine Solarmodule nach Art einer Landkarte faltbar zu machen hat den entscheidenden Nachteil, mechanisch sehr instabil zu sein. Legt man diese Konstruktion auf die Erde, dann ist die Ausrichtung zur Sonne meist nicht optimal. Hängt man das Modul an einen Ast muß man für optimale Sonnenausrichtung zusätzliche Abspannungen anbringen. Das flattert dann im Wind und nicht immer hat man einen geeigneten hohen Aufhängepunkt zur Verfügung. Die vorgestellte Variante ist mechanisch starr und hat diese Nachteile nicht.

Solar-Lader FT817 Schaltbild
Solarmodul FT817
Schaltbild
Solarmodul Rückseite
Solarmodul FT817
Rückseite
Solarmodul gefaltet
Solarmodul FT817
gefaltet
Solarmodul für FT817
Solarmodul FT817
im Portabeleinsatz

Die beiden Hälften des klappbaren Moduls sind elektrisch über ein Stück 8-poliges flexibles Flachbandkabel verbunden. Je 4 Adern dieses Kabels sind parallel geschaltet.
Der mechanische Aufbau erfolgte mit Aluminiumprofilen der Firma ALFER [2]. Die 12 Stück Solarmodule wurden mit Senkkopfschrauben M2 x 3 mm auf die Aluminium-Profile zu einem größeren Modul verschraubt. Doch Achtung: Das funktioniert nur mit solchen Modulen, die kein Silizium bis in die Ecken haben!
Die Rückseite des Solarmoduls wurde mit Universaltape tesaŽ Extra Power zur elektrischen Isolation und zur Fixierung der Verkabelung versehen.


  Der Solar-Wächter


Um in groben Zügen über den Ladevorgang informiert zu sein, ist es von Vorteil, eine Kontrollmöglichkeit zu haben.

Im Android-Smartphone bekommt man eine Übersicht über den Akkuzustand durch Aufrufen der Menüpunkte
Einstellungen -> Telefoninfo -> Status -> Akkuladestand (als Zahlenwert in %) oder
Einstellungen -> Telefoninfo -> Akkuverbrauch (als Grafik).

Im Display des Funkgerätes ist eine Anzeige der Betriebsspannung vorhanden, mit der man sich gut über den Ladezustand des Akkus informieren kann.

Für den dauerhaften stationären Gebrauch betreibe ich zu Hause zwei kleine amorphe Solarmodule. Diese Module hatte ich vor vielen Jahren als Erhaltungs-Ladegerät für die 12 V Autobatterie gekauft - eine glatte Fehlinvestition, da auf die Hutablage in meinem Auto nur sehr selten die Sonne direkt scheint. Nun fristen sie in Parallelschaltung und fest nach Süden zur Sonne ausgerichtet ihr Dasein auf dem Balkon und sorgen für stets vorhandene voll geladene Kleinakkus im Haushalt. Die Module liefern im Sonnenlicht einen Kurzschlußstrom von 180 mA. Eine Anzeige für maximal 20 V Ladespannung und 200 mA Ladestrom erschien mir sinnvoll. Die Anzeige sollte ohne eigene Stromversorgung auskommen. Ein Zeigerinstrument 1 mA mit einigen wenigen Kleinteilen drum herum löste die Aufgabe ...

Solarwächter Schaltbild
Solarwächter
Schaltbild
Solarwächter innen
Solarwächter
innen
Solarmodule Balkon
Solarmodule
auf dem Balkon
Solarwächter
Solarwächter
im Einsatz



  Links und Quellenangaben


[1] MPPT bei Wikipedia
[2] ALFER Combitech Aluminium-Profile